Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Excitabilní membrány aneb Všechno co jste chtěli vědět o přenosu nervového vzruchu a neodvážili se nikdy zeptat.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Excitabilní membrány aneb Všechno co jste chtěli vědět o přenosu nervového vzruchu a neodvážili se nikdy zeptat."— Transkript prezentace:

1 Excitabilní membrány aneb Všechno co jste chtěli vědět o přenosu nervového vzruchu a neodvážili se nikdy zeptat

2 Excitabilita (vzrušivost) je jednou ze základních definičních vlastností živých organismů = schopnost reagovat na okolní prostředí Urggh!!Yum!!! Birds do it, bees do it, even educated fleas do it Men!!! Hey baby! Fancy conjugating?

3 Mnohobuněčné organismy mají VELKÉ komunikační problémy: ? Hey You – divide now!!! Oi! We need some glucose! Come in #7, your time is up! Will you PLEASE stop dividing!

4 V podstatě je mnohobuněčný organismus tak trochu … ‘Babylonská věž’ - Albrecht Dürer ( )

5 Problémy signalizace Buňky jsou vystaveny obrovskému množství signálů přicházejících z jiných buněk nebo z okolního prostředí a) Rozlišení relevantních a irelevantních signálů b) Detekce signálů v nízké intenzitě (koncentraci) c) Překlad signálů do vnitrobuněčného jazyka

6 Řešení: a) Rozlišení relevantních a irelevantních signálů b) Detekce signálů v nízké intenzitě (koncentraci) c) Překlad signálů do vnitrobuněčného jazyka * vysoce specifické receptory * receptory s vysokou afinitou * aktivace signálních drah založených na několika společných principech

7 Buněčné odpovědi na signály Změna metabolismu např. metabolismus glykogenu a insulin Vzruch (excitace) např. šíření nervového vzruchu vyvolané neurotransmitery Růst a dělení (mitogenesis) – odpověď na růstové faktory Programovaná buněčná smrt vyvolaná apoptickými faktory Změna genové exprese – např. syntéza imunoglobulinů v odpovědi na cytokininy

8 Typy vzrušivých buněk Nervové buňky myelizovaná nervová vlákna (rychlý přenos) nemyelizovaná nervová vlákna (pomalý přenos) Svalové buňky Příčně-pruhovaný sval kostní svaly (vědomé ovládání) srdeční sval Hladký sval (nevědomé ovládání)

9 Morfologie neuronů

10

11 Iontová podstata membránové vzrušivosti elektrický membránový potenciál mají excitovatelné i neexcitovatelné buňky membránový potenciál je vyvolán asymetrickou distribucí Na + a K + iontů v klidovém stavu ( u nevzrušivých buněk vždy) je vnitřek buňky záporně nabitý vzhledem k vnějšku elektrický vzruch („akční potenciál“) = krátké převrácení orientace membránového potenciálu klidový i akční potenciál lze popsat jako difúzní potenciály

12 Difúzní potenciál (1) no potential

13 Difúzní potenciál (2) still no potential

14 Difúzní potenciál (3) negativepositive

15 Difúzní potenciál (3) Hnací síla 1: Koncentrační gradient Hnací síla 2: Nerovnoměrné rozdělení náboje

16 Nerstova rovnice pro difúzní potenciál  E = R  T z  F C out C in  ln  E: R: T: F: z: C in,C out difúzní potenciál plynová konstanta (8.31 J  K -1 mol -1 ) abs. teplota (K) Faradayova konstanta (96500 Coulomb/mole) náboj iontu (1 pro K + a Na +, 2 pro Ca 2+, -1 pro Cl - ) konc. iontu vně a uvnitř buňky

17 Pro více difundujících iontů: Uvnitř Vně Rovnovážný potenciál Na + 15 mM150 mM+60 mV K mM6 mM-90 mV Klidový membránový potenciál: -70 mV

18 Pro více difundujících iontů (2): Goldmanova rovnice (specialní případ pro Na + and K + ): Nernstova rovnice:  E = R  T z  F C out C in  ln  E = R  T F P K  C K,out + P Na  C Na,out  ln P K  C K,in + P Na  C Na,in P = Permeabilita – faktor ovlivněný stavem příslušných kanálů

19 Klidový potenciál je v podstatě potenciálem K + iontů negativepositive - - K+K K+K+ K+K+ K+K+ Na K+K+ + +

20 Na + -kanály se otvírají při obrácení klidového potenciálu positive Na negativepositive negative

21 Napětím-ovládané Na + -kanály šíří akční potenciál negativepositive K+K+ Na + negative spreading action potential + ++ outside inside K+K+ K+K+ K+K+ Na +

22 Elektrická depolarizace nervových vláken může vyvolat akční potenciál - 55 mV - 70 mV - 85 mV Prahový podnět time (ms) Vnější stimuly různé amplitudy

23 Goldmanova rovnice a akční potenciál E Na (+60 mV) E K (-90 mV) Resting potential: P K > P Na Depolarizace: Na + kanály otevřeny (P Na > P K ) Hyperpolarizace: Na + kanály uzavřeny (P K >> P Na ) Repolarizace: K + kanály se otvírají Na + kanály se zavírají

24 Otázky: 1.Jak je akční potenciál ukončen ? 2.Jak je akční potenciál vyvolán ?

25 Ukončení akčního potenciálu (1) Na + influx K + efflux Resulting membrane potential duration: a few milliseconds Na + i K + kanály jsou řízeny napětím:

26 Na + kanály cyklují mezi 3 odlišitelnými funkčními stavy: UzavřenoOtevřenoInaktivace DepolarizaceSpontánní inaktivace Pomalá reaktivace po membránové repolarizaci Ukončení akčního potenciálu (2)

27 Struktura K + -kanálů Inaktivační peptid (N-konec) Ovládající sensor cesta pro ionty K +

28 stav: UZAVŘENO

29 stav: OTEVŘENO

30 stav: INAKTIVACE

31 Jak je udržována asymetrická distribuce iontů na membráně 3 Na + 2 K + ATP ADP + P i 3 Na + Ca ++ Na + Glucose Cl - Na + K+K+ K+K+

32 Vyvolání akčního potenciálu spontánní rytmická depolarizace. příklad: specializované buňky srdce a hladkých svalů elektrické spojení sousedních buněk mezibuněčnými spoji příklad: srdeční sval, hladký sval synaptický přenos příklad: vedení signálu nerv-nerv, nerv-sval

33 Synaptický vzruch Presynaptické zakončení Postsynaptická zakončení K+K+ Na + Presynaptický potenciál EKEK E Na synaptická štěrbina

34 Synaptický vzruch (2) Na otevření kanálů řízených vazbou ligandu – neurotransmiteru a vyvolání akčního potenciálu na post-synaptické membráně

35 Iniciace akčního potenciálu v rytmických buňkách srdce - spontánní diastolická repolarizace = zahájení šíření akčního potenciálů po kardiomyocytech převodní soustavy srdeční („pacemakerové buňky“)

36 Iniciace akčního potenciálu v rytmických buňkách srdce - dva druhy Ca 2+ kanálů vyvolávají spontánní depolarizaci K+K+ K+K+ + (zůstává nadbytek negativního náboje) K+K+ Ca 2+ +

37 Iniciace akčního potenciálu v rytmických buňkách srdce -60 mV 0 mV K+K+ -40 mV pomalý spontánní prepotenciál Ca 2+ T Ca 2+ L

38 Buněčná excitace elektrickým propojením přes gap junctions Gap junction

39 Přenos akčního potenciálu v neuronové síti

40 Vnitro- a vněbuněčné koncentrace iontů UvnitřVněRovnovážný potenciál Na + 15 mM150 mM+60 mV K mM6 mM-90 mV Cl - 9 mM125 mM-70 mV Ca nM1.3 mM+130 mV  Otevření Na + kanálů zvýší potenciál (depolarizace)  Otevření K + nebo Cl - kanálů sníží potenciál (repolarizace nebo hyperpolarizace)

41 Na + a Cl - v excitačních a inhibičních synapsích + negative positive Cl - Na + Excitace Inhibice

42 Bioenergetika mozkové činnosti Mozek * 2 % tělesné hmotnosti * 20% spotřeby O 2 (v tělesném klidu) hlavním zdroj energie = glukosa „Bioimaging“ – experimentální zobrazení mozkové aktivity dnes používána PET + moderní metody fMRI – funkční zobrazení magnetickou resonancí * bez radioaktivních látek jako PET ( 19 F-fluorodeoxyglukosa) * využívá vlivu paramagnetismu deoxyHb na relaxační časy protonů vody (metoda BOLD = blood O 2 level dependent) 1 H-MRS: identifikace a koncentrace metabolitů (GABA, Glu,..) 13 C-MRS: inkorporace 13 C-značených substrátů ~ metabolické toky

43 PET bioimaging

44 fMRI bioimaging - aktivita mozkových neuronů při motorickém, visuálním a kognitivním procesu

45 Neurofyziologická interpretace dat x dřívější psychologické interpretace - největší podíl energie 1) aktivace neuronů 2) recyklace neurotransmiterů VÝSLEDKY = nový pohled na funkci mozku - prokázána existence automatického regulačního systému spřažení dodávky krve (glukosa, O 2 ) a chemických reakcí s funkcí neuronů - neurotransmise glutamátem přímo spřažena s bioenergetikou neuronu - klidová spotřeba = cca 75 % maximální spotřeby mozku! - úloha astrocytů – tvorba Arg z citrulinu – substrát pro nNOS NO jako vasodilatační faktor – zvýšení průtoku krve

46 Význam astrocytů pro neuronální metabolismus * cyklování Glu-Gln přes astrocyty = ochrana neuronu před excitoxicitou Glu * v nestimulovaném stavu - 80% energie na recyklaci Glu GABAergní neurony pouze 5% z celkové energie (malý pool Glu) vztah spotřeby energie – frekvence vzruchů a recyklace neurotransmiteru:  CMR O2 ~  ~  V cyc

47 Cyklus Glu-Gln v astrocytech a neuronech * pumpování uvolněného Glu ze synaptické šterbiny do astrocytu

48 Bioenergetika mozkové činnosti experimentálně zjištěná stechiometrie – glukosa/Glu 1:1

49 Bioenergetika mozkové činnosti 1 molekula glukosy = glykolýzou 2 molekuly ATP potřebné pro syntézu a transport glutamátu

50 Podíl neoxidativního metabolismu v mozku Mozek typicky „aerobní orgán“, ale: * stav nízké aktivity = dostatečné reservy ATP a fosfokreatinu pro recyklaci Glu * stav vysoké aktivity = potřeba dodatečný rychlý (řádově ms) zdroj energie analogie anaerobního metabolismu při první fázi intenzivní svalové práce  zvýšená produkce laktátu – výměna z krve astrocyty – bohaté na glykolytické enzymy neurony – vysoký počet mitochondrií důležitost monokarboxylátových přenašečů (pravděpodobně i pro ketolátky – aceton)

51 Excitoxicita glutamátu Obranné mechanismy neuronů při zvýšené excitaci: a) zvýšená konc. Ca 2+ - akumulace v MTCH = zvýšení oxid. metab. b) otevření K + -kanálů a hyperpolarizace buňky c) odbourání ATP na AMP, adenosin – zpětná inhibice uvolňování Glu d) aktivace antioxidačních enzymů Praktický příklad: dlouhotrvající stres nebo deprese = vysoká hladina glukokortikoidů = inhibice obranných mechanismů a), b), c) = atrofie hypokampu – neurotoxicita pro Glu neurony

52 Vztah mezi vědomím a energetikou mozku Studia na populacích neuronů – „hlasování“ = součet potenciálů při vytváření vzruchu na jiném neuronu - „titrace“ = zvyšující se dávka anestetik 1) při bezvědomí max. snížení frekvence zážehů vzruchů na 50% odpovídající 50 % snížení spotřeby energie odpovídá „unresponsiveness point“ = zmizí „vědomí“ 2) senzorické vzruchy při vědomí pouze modulují již existující vysokou aktivitu mozku (oscilace neuronů) x protiklad „počítačového modelu“ mozku 3) synchronizované zážehy talamo-korových spojení vytváří základ subjektivního sebeuvědomění

53 Další hypotetické funkce astrocytů * astrocyty jako přenašeče glukosy z kapilár do neuronů při stimulaci lokální konc. glukosy kolem akt. synapsí vzrůstá! * astrocyty jako zásoba ekvivalentů glukosy glykogenolýza – aktivace cAMP při neuroadrenergní stimulaci * astrocyty jako součást sítě přenosu vzruchů každý astrocyt – kontakt s cca synapsí propojení buněk přes gap junctions na vzdálenost cca mm přenos vlny Ca 2+ polarizace * komunikace astrocytů a neuronů - vzniku neurodegenerativních poruch

54 ATP -purinergní přenos signálu Mechanismus účinku: = vazba na P2Y-receptory – propojení na G-proteiny Možné mechanismy uvolnění ATP a)neurotransmiter - funkce v CNS, periferálním a enterickém nervstvu b) vyplavení z poraněných buněk – kožní sensory na poškození, periferální záněty c) ne-neurální zdroje – např. karotidová tělíska – současné uvolnění ATP a acetycholinu jako signál hypoxie

55 ATP jako neurotransmiter v trávicím systému Řízení reflexů v trávicím systému: * mechanické podněty ve střevech – vyloučení ATP z buněk epitelu např. inhibitory P2Y receptorů v močovém měchýři = inhibice vyprazdňovacího reflexu * ATP vyvolává akční potenciál na myoenterických sensorových neuronech * účinek ATP je ukončen extracelulární ectonukleotidasou

56 Model purinergní neurotransmise

57 Model purinergní neurotransmise (2)

58 Vápník a membránové potenciály ER Mitochondria Ca 2+ (mM) Ca 2+ (50 nM) Ca 2+ -B (buffering) serca PM pumps I Ca leak udržování vysoké krevní hladiny Ca 2+ umožňuje rychlé zvýšení intracelulárního Ca 2+ Ca 2+ jako přenašeč signálu – nutná přesná buněčná regulace

59 Ca 2+ ve svalu SR - specializovaná organela

60 Ca 2+ ve fototransdukci Hyperpolarizace membrány optického neuronu (uzavření kanálů pro Na+ a otevření kanálů pro K+) = při podráždění se snižuje množství uvolněného neurotransmiteru)

61 Ca 2+ ve fototransdukci

62 Ca 2+ v receptorech chuti

63 Pohyb dovnitř přes napětím řízené kanály. Záleží na fluktuaci membránového potenciálu. Elektricky vzrušivé buňky Nezávislé na membránovém potenciálu. Oscilace recyklací Ca 2+ do a z vnitřních skladů (ER a mitochondria) Ryanodinové receptory IP 3 receptorySvalové buňky a neurony Elektricky nevzrušivé buňky. Hladké svaly Hlavní mechanismy transportu Ca 2+

64 „Vápníková excitabilita“ 2 typy receptorů - IPR a RyR oba typy uvolňují vápník v odpovědi na Ca 2+ signál uvolnění dalšího množství Ca 2+ (excitabilní odpověd) přesný mechanismus neznám x modely IPR – chování podobné Na + kanálu: v odpovědi na zvýšené [Ca2+] se nejprve rychle aktivuje a poté pomalu deaktivuje – důsledkem je krátkodobé vyplavení velkého množství vápníku

65 IP 3 Receptor pathway

66 Ryanodine Receptor pathway

67 Příště …


Stáhnout ppt "Excitabilní membrány aneb Všechno co jste chtěli vědět o přenosu nervového vzruchu a neodvážili se nikdy zeptat."

Podobné prezentace


Reklamy Google