Potencjał czynnościowy - propagacja
Prąd wpływający do komórki musi z niej wypłynąć by zamknąć obwód prądowy. Jony płyną wzdłuż komórki szukając miejsc
najmniejszego oporu błony. Prądy te (tzw. prądy lokalne) rozprzestrzeniają depolaryzację do sąsiednich rejonów aksonu gdzie, jeśli próg jest osiągnięty, generowany jest następny potencjał.
A. We włóknach niezmielinizowancyh propagacja następuje w sposób ciągły.
B. B. We włóknach z mieliną propagacja następuje skokowo – od jednego przewężenia do
następnego.
C. W dendrytach występują odcinki błony
aktywnej (tzw. hot spots), w których może być
generowany impuls. Jest to odmiana propagacji
skokowej.
Jednokierunkowa propagacja potencjału czynnościowego
Skokowa propagacja potencjału czynnościowego
W obszarach zmielinizowanych błona ma duży opór oraz małą pojemność, co powoduje, że prąd
płynie pomiędzy przewężeniami Ranviera. W przewężeniach znajduje się duża liczba kanałów
Na+. Kanały K+ znajdują się pod mieliną, pomiędzy przewężeniami.
Teoria kablowa (cable theory) – propagacja potencjału czynnościowego
własności membrany parametry kabla
a C
c
a R
r
a R
r
m m
m m
i i
2
2 / /
2
m m i
C R
R - wewnątrzkomórkowy opór właściwy ( *cm) - oporność osiowa ( /cm ) - oporność błony ( * cm )
- pojemność błony (F/cm )
- opór właściwy błony ( *cm
2)
- pojemność właściwa błony (F/cm
2)
R
i, total=R
i*l/A R
m, total=R
m/S C
m, total=C
m*S
Aby opisać propagację potencjału czynnościowego należy rozważyć teorię kablową opisującą rozchodzenie się jonów wzdłuż aksonu. W teorii kablowej aksony i dendryty są traktowane jako cylindry złożone z pojemności c
mi oporu r
mpołączonych równolegle. Wzdłuż włókna
występuje opór r
ipołączony szeregowo.
Parametry membrany o długości l, przekroju A = a
2i powierzchni S = 2al :
r
ir
m,c
mTeoria kablowa (cable theory) - cd
m i i i
m
r i
x r i x
t x
V
2 2
( , )
m m
i
x i t x V
r
2 2
( , ) 1
2 2 2 2
2
( , ) 1 ( , )
t t x V x
t x V
- prędkość propagacji
i i
m
r i
x t x
V
( , )
Prawo Ohma:
m
i
i
x i
Zanik i
iwraz z odległością (wyciek przez r
mi c
m):
Dostajemy
Prąd przez błonę:
a x I
V R
a
m i
2
2
2
2
L Na
K m
m i
I I
t I C V
x I V R
a
2 2
2
Potencjał czynnościowy propaguje się ze stałą prędkością. Stosujemy więc równanie falowe:
gdzie,
Teoria kablowa (cable theory) - cd
L Na
K m
i
I I
dt I C dV dt
V d R
a
2 22
2
a C
R
Ka
i m
/ 2
Po rozwiązaniu równania dostajemy:
dla K = 10.47 m/s – wyznaczona doświadczalnie
= 18.8 m/s
exp= 21.2 m/s
Dwa mity
Neuron Impulsy elektryczne
Impulsy elektryczne Komunikacja
Komórki Rosiczki generują impulsy elektryczne podczas
zamykania listków komórka
jajowa strunowca komórka
grzyba
pień dyni
komórka pierwotnia ka
komórka skóry żaby
komórka przysadki mógowej szczura
komórka trzustki szczura
Sir Charles Sherrington, 1897, Podręcznik fizjologii
<gr. sýnapsis połączenie>
Synapsa
Synapsy chemiczne, elektryczne i nie tylko...
Przekaźnictwo objętościowe (volume transmission) Zbliżenia membrannowe (membrane juxtapositions) Synapsy elektryczne
Synapsy chemiczne
Metody komunikacji w układzie nerwowym:
Zbliżenie membrannowe we włóknach nizemielinizowanych, umożliwiające komunikacje poprzez jony K+ lub przepływ prądu (--).
Rodzaje połączeń membrannowych
Synapsy chemiczne, elektryczne
Distinguishing Properties of Electrical and Chemical Synapses
Type of synapse
Distance between pre- and postsynaptic cell membranes
Cytoplasmic continuity between pre- and
postsynaptic cells Ultrastructural components Agent of
transmission Synaptic delay Direction of transmission
Electrical 3.5 nm Yes Gap-junction channels Ion current Virtually absent Usually
bidirectional
Chemical 20-40 nm No Presynaptic vesicles and
active zones; postsynaptic receptors
Chemical transmitter
Significant: at least 0.3 ms, usually 1-5 ms or longer
Unidirectional
Synapsy elektryczne
Główne cechy przekaźnictwa elektrycznego:
- duża prędkość
- wierność przekazu (bez zniekształcenia) - działanie dwukierunkowe
Zastosowanie:
- szybkie działanie (np. odruch ucieczki)
- synchroniczne działanie dużych grup neuronów - komunikacja w komórkach glejowych
A. W synapsie elektrycznej dwie komórki są połączone kanałami szczelinowymi (gap-junction channels). Kanały te umożliwiają bezpośredni przepływ jonów pomiędzy dwoma komórkami.
Dodatkową ułatwieniem komunikacji jest zawężenie przestrzeni zewnątrzkomórkowej z 20 nm do 3.5 nm w złączu szczelinowym (gap junction).
Mikrografia elektronowa połączenia szczelinowego. Macierz kanałów wyizolowana z błony wątroby szczura. Każdy kanał ma strukturę hexagonalną. Powiększenie: X 307 800
B. Każdy półkanał (connexon) składa się z sześciu identycznych podzespołów (connexin).
C. Podzespoły są ułożone tak, że tworzą por pośrodku kanału. Por jest otwarty gdy podzespoły są skręcone względem podstawy. Na otwarcie lub zamknięcie poru może wpływać poziom pH i stężenie Ca2+ w komórce. Synapsy elektryczne mogą mieć również
napięciowozależne bramki oraz reagować na różne neuroprzekaźniki.
Synapsy elektryczne u Aplysii
E. Kandel z Aplysią
Stymulacja elektryczna ogona powoduje synchroniczne wyładowanie w trzech motoneuronach. 1. Gdy motoneurony znajdują się w spoczynku stymulacja wywołuje identyczną salwę potencjałów czynnościowych w trzech komórkach czego wynikiem jest wypuszczenie atramentu. 2. W stanie hiperpolaryzacji, odpowiedź obronna jest zablokowana.
Synapsa chemiczna
1. Depolaryzacja błony presnaptycznej.
2. Aktywacja
napięciowozależnych kanałów Ca
2+3. Fuzja błony pęcherzyka synaptycznego z błoną presynaptyczną
4. Uwalnianie neurotransmitera (egzocytoza)
5. Dyfuzja neurotransmitera do szczeliny synaptycznej
6. Przyłączenie neurotrasmitera do receptora i bramkowanie kanałów jonowych
7. Odnowa pęcherzyka
synaptycznego –endocytoza 8. Inaktywacja
neurotransmitera
Różnorodność połączeń synaptycznych
Znakowane fluorescencyjnie synapsy (pomarańczowe punkty) w komórce hipokamapa.
Mikrografia elektronowa szczeliny synaptycznej.
Duże owalne struktury – mitochondria, małe okrągłe struktury - pęcherzyki synaptyczne.
Rozmyte zgrubienia (strzałki) – strefy aktywne – obszary zawierające dużą gęstość pęcherzyków synaptycznych i receptorów.
Złącze nerwowo – mięśniowe (neuromuscular junction)
Mięsień jest unerwiany przez motoneuron. Rozgałęzienia motoneuronu tworzą połączenia synaptyczne z pojedynczymi włóknami mięśniowymi.
Każde złącze, tzw. płytka końcowa, składa się z: zakończenia włókna nerwowego skąd uwalniana jest acetylocholina (ACh), szczeliny synaptycznej, obszaru postsynaptycznego zawierającego receptory acetylocholiny, otoczki glejowej.
Znakowane włókna mięśniowe i rozgałęzienia aksonu motoneuronu dochodzące do płytek końcowych.
Zdjęcie z mikroskopu elektronowego ukazujące przekrój złącza nerwowo mięśniowego. T – zakończenie aksonu, M – włókno mięśniowe. Skala 0.3 m.
Złącze nerwowo – mięśniowe – potencjały w płytce końcowej
Własności synapsy na przykładzie złącza nerwowo – mięśniowego. A. Zapisy wewnątrzkomórkowe potencjałów w płytce końcowej prowadzące do potencjału czynnościowego w komórce mięśnia; z lewej - układ eksperymentalny. B. Sumowanie miniaturowych potencjałów w płytce końcowej (MEPP). Pojedynczy MEPP wywołane jest uwolnieniem porcji jednostkowej Ach (~10000 cząsteczek). Uwolnienie wielu porcji jednostkowych w tym samym czasie powoduje sumowanie się potencjałów MEPP. C. Szum wywołany jonoforezą (wprowadzaniem pod wpływem pola elektrycznego) pojedynczych cząsteczek ACh.
D. Zapis patch – clamp pokazujący prądy płynące przez pojedynczy kanał AChR.
Hipoteza kwantowa (del Castillo, Katz, Martin)
m = np
m – zawartość kwantowa tj. ilość uwolnionych kwantów (porcji jednostkowych)
n – ilość dostępnych kwantów
p – prawdopodobieństwo uwolnienia
n ~ 1000 (ilość stref aktywnych)
m ~ 100-200 p ~ 0.1 – 0.2
Uwalnianie neurotransmitera ma naturę probabilistyczną, a nie deterministyczną
Kwantowe uwalnianie neurotransmitera stosuje się do większości synaps chemicznych. Proces
(prawdopodobieństwo) uwalniania jest kontrolowany depolaryzacją błony zakończenia synaptycznego.
Kanał jonowy w płytce końcowej jest przepuszczalny dla Na+ i K+
Prąd synaptyczny płytki końcowej: IEPSP =g
EPSP(V – V
EPSP)
Prądy jonowe tworzące potencjał płytki końcowej można badać mierząc potencjał równowagowy prądu płytki końcowej. Napięcie na błonie komórki
mięśnia jest ustalane na różnych wartościach i mierzony jest prąd synaptyczny podczas stymulacji mięśnia. A.Gdyby jedynie wpływ Na+ powodował IEPSP, potencjał odwrócenia wystąpiłby przy
potencjale równowagowym dla sodu +55mV. B.
Prąd płytki końcowej odwraca się przy 0 mV gdyż kanał przewodzi jony Na+ i K+. Prąd wypadkowy jest sumą wpływów i wypływów Na+ i K+. Przy potencjale odwrócenia wypływ Na+ jest
równoważony wypływem K+.
g
EPSP– przewodnictwo kanału ACh, V – potencjał błonowy, V
EPSP– potencjał równowagowy dla
jonów płynących przez kanał ACh.
Badanie synaps
plaster hipokampa
komora in vitro
hodowane
kultury bakterii mózg in toto
Hipokamp
Ewolucja hipokampa na przykładzie niższego kręgowca (rekin), ssaka (szczur) i człowieka.
Konik morski (Hippocampus)
Organizacja hipokampa. A Kora śródwęchowa (entorhinal cortex), B. podkładka (subiculum), C. Hipokamp, D. Zakręt zębaty (dentate gyrus), E. Sklepienie (fornix), F. Włókna do kory śródwęchowej, G. Koryto (alveus), H. Kora okołokomorowa (periventricular grey matter).
Synapsy pobudzające
Dwa rodzaje receptorów glutaminianowych:
AMPA: α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid NMDA: N-methyl-D-aspartate
Odpowiedzi receptora AMPA i NMDA przy różnych wartościach potencjału. Separacja aktywności dwóch rodzajów receptora jest uzyskana
selektywną blokadą receptora NMDA przez APV.
Własności receptora NMDA
bez Mg
2+z Mg
2+-
Kanał NMDA jest napięciowozależny ze względu na
napięciowozależną blokadę Mg+
Salwy epileptyczne in vitro
RD Traub, JG Jefferys and MA Whittington. Enhanced NMDA conductance can account for epileptiform activity induced by low Mg2+ in the rat hippocampal slice, The Journal of Physiology, 1994, 478 (3) 379-393.
Synapsy hamujące
Odpowiedzi receptora AMPA, GABA
Ai GABA
B.Potencjały odwrócenia –90 mV (GABA
B) i – 70 mv (GABA
A) wskazują udział jonów K+ i Cl-.
Dwa rodzaje receptorów GABA (γ-aminobutyric acid) GABA
AGABA
BGABA
A: neuroprzekaźnik -> otwarcie kanału Cl
-GABA
B: neuroprzekaźnik -> aktywacja białka G -> podwyższenie poziomu cAMP (cykliczny adenozynomonofosforan) ->otwarcie kanału K
+Receptory jonotropowe i metabotropowe
Neurotrasmitery mogą działać bezpośrednio i pośrednio na kanały jonowe regulujące przepływ jonów. Bezpośrednie bramkowanie odbywa się w receptorach jonotropowych. Bramkowanie
pośrednie odbywa się poprzez aktywację receptorów metabotropowych. Receptory metabotropowe
aktywują białko G, które aktywuje kaskadę procesów modulujących aktywność kanału jonowego.
Receptory jonotropowe i metabotropowe
A. W receptorach
jonotropowych, przyłączenie neuroprzekaźnika powoduje szybkie otwarcie kanału.
Receptory jonotropowe powodują szybką i
krótkotrwałą odpowiedź synaptyczną. Występują w obwodach kontrolujących szybkie zachowania.
B. W receptorach metabotropowych przyłączenie
neuroprzekaźnika powoduje aktywacje białka G, które następnie przyłącza się do receptora i powoduje otwarcie kanału. Receptory
metabotropowe dają odpowiedź wolniejszą i dłuższą. Modulują zachowanie zmieniając
pobudliwość neuronów i siłę
połączenia synaptycznego.
Receptory jonotropowe i metabotropowe
Hamowanie bocznikujące (shunting inhibition)
Bocznice w Holandii Efekt bocznikowania. Gdy komórka dostaje wejście pobudzające i hamujące, kanały
otwarte przez hamowanie bocznikują (wypuszczają) prąd pobudzający zmniejszając pobudzający potencjał synaptyczny.