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