Biologiczne mechanizmy zachowania I

Przekaźnictwo chemiczne w mózgu

mgr Olga PłonkaIPs UJ

Synapsakoniec XIX wieku - Ramon y Cajal: neurony nie łączą się, ale występują między nimi szczeliny,

1906 - Charles Scott Sherrington wprowadził pojęcie synapsy,

lata 50-te - dowody na istnienie synaps elektrycznych i chemicznych.

S. O. Rizzoli and W. J. Betz, Nat. Rev. Neurosci., 6:57, 2005

Badania nad odruchami (Ch. S. Sherrington)

Wnioski z eksperymentu:1) Odruchy są wolniejsze niż szybkość przewodzenia impulsu przez akson, na

synapsach musi w takim razie dochodzić do opóźnienia.

2) Sumowanie.

Kilka słabych bodźców zastosowanych w niewielkim odstępie czasu, bądź na ograniczonej powierzchni, wywołuje większy efekt niż pojedynczy bodziec.

3) Gdy jeden zespół mięśni ulega pobudzeniu, inny ulega rozluźnieniu.

John Eccles (1964)

Stopniowane potencjały postsynaptyczneEPSP

(ang. excitatory postsynaptic

potential)

-postsynaptyczny potencjał

pobudzający

-depolaryzacja błony

komórkowej

IPSP

(ang. inhibitory postsynaptic

potential)

-postsynaptyczny potencjał

hamujący

-hiperpolaryzacja błony

komórkowej

Stopniowane potencjały postsynaptyczneEPSP

(ang. excitatory postsynaptic

potential)

-postsynaptyczny potencjał

pobudzający

-depolaryzacja błony

komórkowej

IPSP

(ang. inhibitory postsynaptic

potential)

-postsynaptyczny potencjał

hamujący

-hiperpolaryzacja błony

komórkowej

POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY???

EPSP ● aktywacja synapsy - zmiana polaryzacji błony - napływ jonów Na+ do wnętrza

komórki - lokalna depolaryzacja błony komórkowej● niewielka amplituda, opóźnienie synaptyczne (0,5 - 1 ms)● zdarzenie podprogowe,● pasywna propagacja,● potencjał postsynaptyczny słabnie wraz z propagacją wzdłuż błony dendrytycznej

w kierunku ciała komórki. Potencjał od synaps bardziej oddalonych od ciała komórki będzie słabł szybciej, niż od tych umiejscowionych bliżej.

sites.oxy.edu

https://sites.oxy.edu/

● sumowanie przestrzenne

np. 3 aksony pobudzające do 1 dendrytu - potencjał postsynaptyczny zainicjowany w tym samym czasie - zwiększenie amplitudy - wzrost EPSP - przekroczenie wartości progowej potencjału czynnościowego

● sumowanie czasowe np. 1 akson pobudzający do 1 dendryt - potencjał co 15 ms – stopniowe zwiększanie amplitudy - wzrost EPSP - przekroczenie wartości progowej potencjału czynnościowego

● wzgórek aksonalny – przy wyjściu aksonu z ciała komórki. Sumowanie przychodzących sygnałów i generowanie potencjału czynnościowego,który wędruje dalej poprzez akson.

IPSP● podobny do EPSP, ale hamujący● aktywacja synapsy - zmiana polaryzacji błony błony - wybiórcze otwarcie kanałów

- napływ jonów Cl- do wnętrza komórki i wypływ jonów K+ - lokalna hiperpolaryzacja błony komórkowej

● oddala potencjał błony komórkowej od progu wytworzenia potencjału czynnościowego, działa jak “hamulec ręczny”

sites.oxy.edu

https://sites.oxy.edu/

PodsumowanieEPSP i IPSP służą jako modyfikatory częstotliwości z jaką komórka generuje potencjał czynnościowy.

Wiele neuronów charakteryzuje czynność spontaniczna, czyli generacja okresowo potencjałów czynnościowych, nawet pod nieobecność potencjału czynnościowego.

Aktywność synapsy hamujące może powstrzymać neuron hamujący inną komórkę i w efekcie wywołać jej pobudzenie. Zjawisko to nosi nazwę dyzinhibicji (hamowanie hamowania).

Filmhttps://www.youtube.com/watch?v=ZnC8v9Dl_O4

https://www.youtube.com/watch?v=ZnC8v9Dl_O4

Otto Loewi (1920)

“Nerwy wysyłają informacje za pomocą substancji chemicznych”

stymulacja nerwu błędnego serca żaby (obniżenie częstości skurczów)

stymulacja nerwu pobudzającego serce żaby (wzrost częstości skurczów)

przenoszenie płynów, w którym były zanurzone serca do innych serc - kolejno obniżenie i wzrost częstości skurczów.

Synapsa elektryczna● połączenia szczelinowe● jedno lub dwukierunkowe● zbudowane z koneksonów, a każdy

z 6 koneksyn● bramkowane przede wszystkim

różnicą napięcia● bardzo szybka transmisja

(opóźnienie 0,1 ms)● sprzyja synchronicznej aktywności● jedynie niewielka pula synaps u

dorosłych osobników

sciencedirect.com

Synapsa chemiczna● Przeważająca liczba synaps● Szczelina synaptyczna (20-500nm)● Uwalnianie neuroprzekaźników z

pęcherzyka synaptycznego ● Receptory na błonie

postsynaptyczej

Lokalizacja synaps

Neuroprzekaźniki

Synteza neuroprzekaźnikówsynteza z substancji obecnych w pożywieniu, np. cholina -kalafior, jajka, acetylocholina - orzeszki ziemne, tryptofan -soja, fenyloalanina - mięso, ryby, mleko.

Transport neuroprzekaźników- synteza mniejszych neuroprzekaźników (do 50 nm), jak np. acetylocholina, w

zakończeniach presynaptycznych, blisko miejsca uwalniania- synteza neuroprzekaźników wielkocząsteczkowych, jak np. peptydy, w ciele

komórki i transport wzdłuż aksonu do zakończeń presynaptycznych. Prędkośćtransportu waha się od 1 do 100 mm/na dzień.

Uwalnianie neuroprzekaźników- uwalnianie na drodze egzocytozy z pęcherzyków w błonie presynaptycznej- zwykle przy udale jonów wapniowych, - może być konstytutywne (ciągłe, bez udziału potencjału czynnościowego np.

czynniki wzrostu) lub stymulowane (potencjałem czynnościowym, w wyniku depolaryzacji błony presynaptycznej)

- każdy neuron ma dwa lub więcej neuroprzekaźników, które może syntetyzować i wydzielać, jednak ta sama kombinacja jest wydzielana na wszystkich zakończeniach synaptycznych.

Procesy zachodzące po dotarciu neuroprzekaźnika do błony postsynaptycznej

Receptory jonotropowe1) Przyłączenie cząsteczki sygnałowej.2) Zmiana konformacyjna receptora.3) Przepływ jonów zgodnie z gradientem

stężeń.

Receptory metabotropowe1) Przyłączenie cząsteczki sygnałowej.2) Inicjacja wtórnej kaskady sygnałów

wewnątrz komórki, np. związanej z białkiem G.

3) Białko G aktywuje sąsiadujące kanały jonowe.

4) Zmiana konformacyjna receptora.5) Przepływ jonów zgodnie z gradientem

stężeń.

Receptory Jonotropowe

- bramkowane ligandem,- pobudzające/hamujące,- szybkie i krótkotrwałe działanie,- przewodzenie informacji

podlegających raptownym zmianom, np. informacja wzrokowa,

- receptor nikotynowy, NMDA, serotoninowy.

Metabotropowe

- związane z białkiem G lub kinazami tyrozynowymi,

- efekt modulacyjny (neuromodulatory!),

- wolne i długotrwałe działanie,- często główny cel leków,- receptor adrenergiczne alfa i

beta, dopaminowe, serotoninowe.

To rodzaj receptora w błonie postsynaptycznej ostatecznie decyduje o tym jaki będzie efekt końcowy.

Inaktywacja i wychwyt zwrotny neuroprzekaźnikaWychwyt zwrotny – mechanizm polegający na

reabsorpcji neuroprzekaźników znajdujących się w szczelinie synaptycznej przez neuron presynaptyczny. Proces ten odbywa się za pomocą specjalnych białek transportowych, zwanych transporterami neuroprzekaźników.

Inaktywacja przez enzymyCOMT – enzym w błonie postsynaptycznej, uczestniczący w degradacji katecholamin

(dopamina, adrenalina, noradrenalina).MAO-A (Monoaminoksydaza A) – enzym odpowiadający za deaminację serotoniny,

dopaminy, noradrenaliny, adrenaliny.

1. Acetylocholina - rozkładana na błonie postsynaptycznej przez acetylocholinesterazę na resztę kwasu octowego i cholinę, która wraca do części presynaptycznej.

2. Serotonina i katecholaminy - odłączenie od receptora i wychwyt z powrotem przez błonę presynaptyczną (wychwyt zwrotny). Następnie powtórne wykorzystanie lub rozkład do nieaktywnych związków.

Substancje psychoaktywne

Działanie substancji psychoaktywnych na neuroprzekaźniki w synapsie

1. Wzrost lub zahamowanie syntezy.2. Wyciek z pęcherzyka.3. Wzrost wydzielania.4. Zahamowanie wychwytu zwrotnego.5. Zablokowanie rozkładu i zatrzymanie w szczelinie synaptycznej.6. Pobudzanie lub blokowanie receptorów na błonie postsynaptycznej.

Substancje psychoaktywne w synapsie- mogą działać jako agonista bądź antagonista- mają powinowactwo do określonego receptora, jeśli łączą się z nim na zasadzie

zamka i klucza. Powinowactwo może mieć szerokie spektrum, od małego do dużego.

- ich skuteczność określana jest jako zdolność do pobudzenia receptora.- na przykład: dana substancja jest agonistą o niskim powinowactwie i dużej

skuteczności, czyli wzmaga działanie neuroprzekaźnika, słabo łączy się do receptora i łatwo go aktywuje.

Substancje psychoaktywnePrawie wszystkie uzależniające substancje psychoaktywne stymulują uwalnianie dopaminy z jądra półleżącego.

Dzieli się je ze względu na działanie i wpływ na zachowanie, np. stymulanty działająpobudzająco, wywołują euforię, wzmożoną ruchliwość (kokaina, amfetamina, MDMA (Ecstasy), nikotyna).

Substancja Zachowanie Wpływ na neuroprzekaźniki

Amfetamina Zwiększona wydolność psychomotoryczna,

ekscytacja, lepsza koncentracja, wzrost

poczucia pewności siebie

Zwiększenie uwalniana dopaminy i innych

neuroprzekaźników

Kokaina Zwiększona wydolność psychomotoryczna,

ekscytacja, lepsza koncentracja, wzrost

poczucia pewności siebie

Blokowanie wychwytu zwrotnego dopaminy i

innych neuroprzekaźników

Metylofenidad Wzmożona koncentracja Blokowanie wychwytu zwrotnego dopaminy i

innych neuroprzekaźników, ale stopniowo

MDMA(ecstasy) Niska dawka: stymulant

Wysoka dawka: intensyfikacja odbioru

bodźców zewnętrznych

Uwalniania dopaminy

Uwalnianie serotoniny (uszkodzenie aksonów

serotoninergicznych)

Nikotyna Stymulant Stymulacja receptorów nikotynowych dla

acetylocholiny, które powodują wzrost

uwalniania dopaminy z jądra półleżącego

Opiaty Relaksacja, zmniejszenie odczuwania bólu Stymulacja receptorów dla endorfin

Kannabinoidy (marihuana) Wzrost doznań sensorycznych, zmniejszenie

odczuwania bólu, wzrost apetytu

Modulacja receptorów kannabinoidowych w

błonie presynaptycznej

Halucynogeny Zniekształcanie doznań Stymulacja receptorów serotoninowych (typ

2A)

https://learn.genetics.utah.edu/content/addiction/mouse/

https://learn.genetics.utah.edu/content/addiction/mouse/

Poniższy diagram Venna przedstawia zestawienie najpopularniejszych substancji psychoaktywnych w nakładających się grupach i podgrupach, bazując na ich farmakologicznej klasyfikacji i subiektywnych efektach.