Biologiczne mechanizmy zachowania
Przekaźnictwo chemiczne w mózgu
mgr Monika Mazurek IPs UJ
Odkrycie synaps
Ramon y Cajal (koniec XIX wieku) – neurony nie łączą się między sobą, między nimi jest drobna szczelina.
Charles Scott Sherrington (1906) – szczególny rodzaj komunikacji w szczelinie. Zaproponował pojęcie SYNAPSY.
Sherrington (1906)
Studiowanie odruchów – PROSTY ŁUK ODRUCHOWY
Sherrington (1906)
Dlaczego komunikacja synaptyczna jest wyjątkowa?
- Szybkość inicjowania odruchów - wolniejsza niż przewodzenie informacji przez akson (15 m/s do 40 m/s)
- Kilka słabszych bodźców zadziała silniej niż jeden bodziec (sumowanie)
- Gdy jedne synapsy są pobudzone – inne rozluźnione
Sherrington (1906)
Odruchy są wolniejsze niż przewodzenie informacji przez akson: OPÓŹNIENIE SYNAPTYCZNE
UKŁUCIE ŁAPY – receptor czuciowy – rdzeń kręgowy – receptor ruchowy – ZGIĘCIE ŁAPY
Sherrington (1906)
SUMOWANIE CZASOWE – efekty nałożonych po sobie bodźców mogą się sumować
Pojedyncze ukłucie łapy: brak reakcji Kilka ukłuć: reakcja Kilka szybkich ukłuć: wyraźna reakcja Po jednym ukłuciu – pobudzenie neuronu
postsynaptycznego było za niskie Po kilku ukłuciach – sumowanie, wyzwolenie
potencjału czynnościowego w neuronie postsynaptycznym
John Eccles (1964)
Pierwszy opis zjawisk synaptycznych na poziomie molekularnym
- mikroelektroda w neuronie służąca do pomiaru zmian potencjału błonowego
- stymulacja aksonów z elektrodami i obserwacja neuronu
- lokalna depolaryzacja błony neuronu postsynaptycznego
Potencjały postsynaptyczne
Potencjały postsynaptyczne mogą mieć charakter:
- Depolaryzacji (potencjał pobudzający)
- Polaryzacji (potencjał hamujący)
Potencjały czynnościowe – zawsze depolaryzacja
Potencjały postsynaptyczne (stopniowane)
Depolaryzacja – postsynaptyczny potencjał pobudzający (EPSP, excitatory postsynaptic potential)
Hiperpolaryzacja – postsynaptyczny potencjał hamujący (IPSP, inhibitory postsynaptic potential)
EPSP
• Lokalna depolaryzacja
• Przybliża potencjał błonowy do progu wytworzenia potencjału czynnościowego
• Wywołany jest pobudzeniem kilku synaps
• Niewielki do 8mV
• Opóźnienie synaptyczne (0,5-1ms)
• Zanikają wykładniczo w przestrzeni
• Końcowy efekt sumowania – wzgórek aksonalny
EPSP
• Otwarcie kanałów sodowych, wzrasta przepływ jonów sodu przez błonę
• Zdarzenie podprogowe – inaczej niż potencjał czynnościowy
• Kolejne EPSP mogą się sumować, przekraczając próg potencjału czynnościowego (zależne od ilości EPSP, czasu następowania po sobie EPSP, progu komórki…)
EPSP
IPSP
• Chwilowa hiperpolaryzacja błony
- większa przepuszczalność dla jonów K+
- większa przepuszczalność dla jonów Cl-
• Oddala potencjał błony komórkowej od progu wytworzenia potencjału czynnościowego
IPSP
• Oddziaływanie synapsy wybiórczo otwiera kanały dla potasu, który wypływa z komórki lub chloru, który napływa do komórki
Potencjał postsynaptyczny hamujący – aktywny mechanizm, nie doprowadza do pobudzenia
IPSP i EPSP
neurotransmiter pobudzający
neurotransmiter hamujący
zakończenie presynaptyczne
zakończenie presynaptyczne
receptor Błona
postsynaptyczna
Błona postsynaptyczna
receptor szczelina synaptyczna
szczelina synaptyczna
Włókno hamujące
Sumowanie przestrzenne
Kilka synaps z różnych miejsc – sumuje oddziaływanie na neuron
Kłucie w łapę raz – brak reakcji
Kłucie w łapę raz w dwóch miejscach - reakcja
EPSP I IPSP
• Neuron – rzadko wystawiony na działanie jednego mechanizmu
• Wiele synaps – niektóre pobudzające, inne hamujące
• Docierające EPSP i IPSP – konkurują ze sobą, od neuronu postsynaptycznego zależy czy potencjał czynnościowy wytworzy się czy nie
• Czynność spontaniczna – okresowe wyzwalanie potencjału czynnościowego pod nieobecność stymulacji
Pobudzenie neuronu
WSZYSTKO ALBO NIC – dostatecznie silny bodziec wywoła zawsze tę samą reakcję; zbyt słaby - nawet jej nie zapoczątkuje.
EPSP i IPSP
- im więcej EPSP, • tym większe prawdopodobieństwo wygenerowania
potencjału czynnościowego; - im więcej IPSP, • tym mniejsze prawdopodobieństwo wygenerowania
potencjału czynnościowego
- inne czynniki: • wielkość pojedynczego EPSP, „skuteczność” efektów sumowania, • indywidualny próg pobudzenia neuronu
- komórki spontanicznie generujące potencjał czynnościowy
- dyzinhibicja (hamowanie hamowania)
SYNAPSY
• Synapsy mogą być tworzone w każdym miejscu na komórce odbierającej sygnał
• Lokalizacja stanowi podstawę ich klasyfikacji - większość tworzona jest na dendrytach
• Synapsy chemiczne i synapsy elektryczne • Każda synapsa może być określana jako pobudzająca
lub hamująca - synapsy pobudzające: pobudzanie pobudzenia lub
pobudzanie hamowania - synapsy hamujące: hamowanie pobudzenia lub
hamowanie hamowania (tzw. dyzinhibicja)
Otto Loewi (1920)
„Nerwy wysyłają informacje za pomocą substancji chemicznych”
- stymulacja nerwu błędnego serca żaby (obniżenie częstości skurczów)
- płyn, w którym zanurzono serce – przeniesiony do innego serca
- obniżenie częstości skurczów także tego serca
Otto Loewi (1920)
Lokalizacja synaps
-Aksodendrytyczne -Aksosomalne
Synapsy aksodendrytyczne
• Małe przejrzyste pęcherzyki synaptyczne zwierające neuroprzekaźniki – wiele synaps zawiera wiele różnych pęcherzyków
• Liczne mitochondria w zakończeniu aksonu • Szczelina synaptyczna (30nm), zawiera filamenty
białkowe • Błona komórkowa dendrytu w obszarze
tworzącym synapsę jest pogrubiona i tworzy zagęszczenie poststnaptyczne
• Najczęściej są synapsami pobudzającymi
Synapsy aksosomalne
• Szczelina synaptyczna (20nm)
• Cienkie zagęszczenie postsynaptyczne
• Najczęściej są synapsami hamującymi
Podział synaps ze względu na rodzaj działania
• Elektryczne
• Chemiczne
Synapsy elektryczne
• Połączenia szczelinowe – koneksony
• Konekson – 6 podjednostek (koneksyn)
• Średnica kanałów 2-3nm
• Stanowią jedynie niewielką pulę synaps u dorosłych osobników
KONEKSON
Cechy przekaźnictwa elektrycznego
• Bardzo duża prędkość
• Wysoka wierność przekazu (bez zniekształceń)
• Działanie dwukierunkowe
• Połączenia szczelinowe mogą się zamykać
• Brak neuromodulacji –ograniczony wpływ na modyfikację neuronu postsynaptycznego
Synapsy chemiczne
• Przeważająca liczba synaps
• Szczelina synaptyczna (20-500nm)
• Uwalnianie neuroprzekaźników z pęcherzyka synaptycznego
• Receptory na błonie postsynaptyczej
Synapsy elektryczne i chemiczne
połączenie szczelinowe (2 nm)
neuron postsynaptyczny
koneksyna - białko błonowe tworzące kanały jonowe
błona postsynaptyczna
jony przepływają przez Kanały białkowe błona
presynaptyczna
neuron presynaptyczny
synapsa elektryczna synapsa chemiczna
neuron presynaptyczny
neuron postsynaptyczny
neuromediator zostaje uwolniony pęcherzyk synaptyczny
ulega fuzji
szczelina synaptyczna (20 nm)
jony przepływają przez kanały na błonie postsynaptycznej
receptor na błonie postsynaptycznej błona
postsynaptyczna
błona presynaptyczna
Purves et al. ed. (2004) Neuroscience, Sinauer Associates, 3e
mikrotubule
cytoplazma
mitochondria
pęcherzyk synaptyczny
Neuroprzekaźniki
Zjawiska chemiczne w synapsie
1. Synteza neuroprzekaźników (małe w zakończeniach presynaptycznych, białkowe – w somie.
2. Neuroprzekaźniki białkowe są transportowane do zakończeń presynaptycznych.
3. Potencjał czynnościowy: jony wapnia napływają do komórki i uwalniają neuroprzekaźnik do szczeliny.
4. Uwolniony neuroprzekaźnik – przyłącza się do receptora neuronu postsynaptycznego
Zjawiska chemiczne w synapsie c.d.
5. Cząsteczki odłączają się od receptora i zostają przekształcane w substancje nieaktywne
6. Niektóre komórki – neuroprzekaźnik z powrotem transportowany do neuronu presynaptycznego w celu ponownego użycia (wychwyt zwrotny)
Receptory postsynaptyczne
• Jonotropowe
• Metabotropowe
Receptory jonotropowe (bramkowane ligandem)
• Przyłączenie neuroprzekaźnika powoduje otwarcie kanału dla danych jonów
• szybkie w działaniu (10 ms od przyłączenia neurotransmitera do reakcji)
• działają krótko (20 ms) i lokalnie
• przekazywanie informacji sensorycznych (wzrok, słuch) i sterowanie ruchami mięśni
SZYBKIE PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE
Receptory metabotropowe (zależne od białka G)
• powolne w działaniu (30 ms od przyłączenia neuroprzekaźnika do reakcji)
• Reakcja sekundy, minuty godziny • mogą powodować długotrwałe zmiany w całej
komórce (mające miejsce długo po zaprzestaniu działania neuroprzekaźnika)
białko G, wtórne przekaźniki WOLNE PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE
Różnice indywidualne
• Dla każdego neuroprzekaźnika mózg posiada różne rodzaje receptorów
• Zmienność osobnicza w liczbie rodzajów receptorów
Inaktywacja neuroprzekaźników
• Niemożliwa byłaby szybka reakcja poststnaptycznej komorki na zmieniający się sygnał presynaptyczny
• Desensytyzacja receptorów (zmniejszenie wrażliwości synapsy na neuroprzekaźnik)
Neuroprzekaźnik czy neuromodulator
Neuroprzekaźnik:
- Przekaźnictwo szybkie
- Działa bezpośrednio
Neuromodulator:
• Neuroprzekaźniki głównie białkowe
- Przekaźnictwo wolne
- Same nie powodują pobudzenia/hamowania komórki postsynaptycznej
- Zmniejszają wydzielanie innego neuroprzekaźnika, zmieniają wrażliwość komórki postsynaptycznej
Substancje psychoaktywne a synapsy
Antagonista:
Substancja blokująca działanie neuroprzekaźnika
Agonista:
Substancja naśladująca działanie neuroprzekaźnika
Substancje psychoaktywne a synapsy
POWINOWACTWO (AFFINITY) -zdolność do związania leku z receptorem.
SKUTECZNOŚĆ (EFFICIENCY) -zdolność do wywołania określonego efektu po związaniu leku z receptorem
Substancje psychoaktywne a synapsy