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 (1471-1528)

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 + 150 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 + 150 mM6 mM-90 mV Cl - 9 mM125 mM-70 mV Ca 2+ 100 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 30.000-40.000 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