Nervová tkáň Přenos nervového signálu. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 2 Nervová tkáň •  2,4% hmotnosti dospělých, 83% v mozku • velká spotřeba energie • Spotřeba 20% O2 z celkového • většina energie se využije na udržování potenciálu na plasmové membráně (Na+ - K+ )-ATPasou • obsah speciálních komplexních lipidů • značný obrat proteinů • typy buněk: CNS - neurony, astrocyty, oligodendrocyty, ependymální buňky, mikroglie PNS – neurony, Schwanovy buňky, satelitní buňky Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 3 Krevní kapilára neuron astrocyt microglie oligodendrocyt Types of the cells Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 4 Cévní endotel v mozkové tkáni - volná difuze intercelulárními prostory - trans-pinocytóza (transendotelový transport) - glukosové transportéry GLUT3 -četné tight junctions omezují difuzi -trans-pinocytóza neprobíhá - bazální membrána je hutnější -GLUT3 mají nižší transportní kapacitu - ochranná funkce astrocytů Glc Kapilární stěna v periferních tkáních Kapilární stěna v CNS Kontinuální bazální membrána Hematoencefalická bariéra brání volnému průniku substrátů z kapilár do mozkových buněk Všechny hydrofilní substráty musí mít transportní systémy Volně prostupují pouze pouze voda a malé lipofilní molekuly astrocyty Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 5 Aktivní ochranná funkce endotelu Endotelové buňky jsou vybaveny enzymy, které jsou schopny metabolizovat xenobiotika (léky, toxické látky) Membránové P-glykoproteiny – aktivně pumpují hydrofobní látky, které vstoupily do endotelu, zpět do krve (ABC-transportéry) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 6 Transport glukosy • Membrány endotelových buněk – GLUT 1 • Membrána neuronu – GLUT 3 • Gliové buňky: GLUT1 • Rychlost transportu je limitována KM u GLUT1 • Při poklesu hladiny glukosy v krvi pod 3 mmol/l je transport nedostačující, nastávají přiznaky hypoglykemie Glukosové transportéry Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 7 Transport dalších molekul z krve Specifické transportní systémy • Monokarboxylové kyseliny (laktát, acetát, pyruvát, ketolátky) • Aminokyseliny- několik transportních systémů • Esenciální AK (fenylalanin, leucin, tyrosin, isoleucin, valin, tryptofan, methionin, histidin ) – rychlý transport (jsou nezbytné pro proteosyntézu a prekursory neurotransmiterů) • Neesenciální AK– transport je přísně limitován, jsou syntetizovány v mozku • Vitaminy – specifické přenašeče • Některé proteiny (insulin, transferrin, IGF ad.) přechází přes endotel receptorově zprostředkovanou endocytosou Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 8 Produkce energie v mozku • metabolismus glukosy ( 100 g glukosy /den) • utilizace ketolátek (stoupá při hladovění, až 50% energie) • citrátový cyklus • aerobní metabolismus - spotřeba 20% přijímaného kyslíku Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 9 Lipidy v mozku • Mastné kyseliny ani další lipidy vč.cholesterolu nemohou přecházet přes endotel v mozku • Mozek permanentně syntetizuje všechny tyto lipidy • Pouze esenciální mastné kyseliny (linolová a linolenová) mají přenašeče • Zvláštní význam má syntéza MK s dlouhým řetězcem potřebná pro strukturu myelinu • DHA-dokosahexaenová /22:6(n-3)/ je hlavní MK v mozku • Pro odbourání dlouhých MK jsou důležité peroxisomy Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 10 Insulin a mozek Insulinové receptory byly identifikovány v hypotalamu, hipokampu, amygdale, v plexus choriodeus i v dalších strukturách. Většina inzulínových receptorů lokalizována na neuronech, zatímco gliální buňky mají receptorů jen málo. Inzulín se v mozku účastní regulace energetické bilance organismu ( interakce inzulínu s dalšími faktory, např. leptin, serotonin ad.) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 11 Myelin vytváří pochvy většiny axonů, oddělení Ranvierovými zářezy zrychluje vedení nervového vzruchu (saltatorní vedení). Perikaryon - metabolické centrum, velmi bohaté na proteosyntetický aparát, mimořádně citlivé na přísun dikyslíku Dendrity s receptory pro neurotransmitery jiných neuronů Axon • primární aktivní transport Na+ a K+ axolemmou a napětím ovládané iontové kanál umožňují vznik a vedení akčního potenciálu • anterográdní (kinesin) a retrográdní (dynein)axonální transport proteinů, mitochondrií a synaptických váčků usnadňuje výměny mezi tělem buňky a vzdáleným zakončením neuronu. Synaptická zakončení – neurotransmitery jsou exocytózou vylučovány do synaptické štěrbiny. Neuron Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 12 Myelinové pochvy oligodendroglie ( CNS) nebo Schwannovy b. (periferie) Myelinové membrány cca 80 % lipidů (16% cerebrozidy, 30% cholesterolu). Hlavními strukturními proteiny jsou - proteolipidový protein (PLP), - bazický protein myelinu (encefalitogen), - proteiny s větší hmotností (zv. Wolfgramovy proteiny). cytosol „vnější“ strany membrán Myelin Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 13 Poškození myelinu • Demyelinizační choroby - postižení myelinu při relativně zachovalém axonu. • poruchy oligodendrocytu nebo postižení myelinové pochvy. • Roztroušená skleróza (návratná nebo chronicky progradující demyelinizace). Příčina není dosud plně objasněna; autoimunitní proces demyelinizace bílé hmoty mozku a multifokální zánět  poškození vedení nervového vzruchu (zpočátku alespoň částečná obnova vedení) Při elektroforéze proteinů v mozkomíšním moku – přítomnost oligoklonálních imunoglobulinů Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 14 Mozkomíšní mok Transcelulární tekutina Vyplňuje intracerebrální- intraventrikulární prostor (20%) a extracerebrálnísubarachnoideální (80%) Vzniká ultrafiltrací plazmy přes přes endotel fenestrovaných kapilár chorioidálního plexu (hematolikvorová bariéra), sekrecí z choriodálního plexu a přestupem intersticiální tekutiny mozkové tkáně. Chrání mozek a míchu před mechanickým poškozením, zajišťuje látkovou výměnu, vyrovnává změny osmolality, pH, koncentrace iontů, odsun odpadních produktů ad. Hematolikvorová bariéra – tvořena epitelem chorioidálního plexu Větší prostupnost ve srovnání s hematoencefalickou bariérou Difuze, usnadněná difuze, aktivní transport Epitel plexus choirideus Kapilární stěna Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 15 Základní vyšetření mozkomíšního moku Posouzení vzhledu (barva, zákal) Stanovení celkové bílkoviny, glukosy, laktátu Spektrofotometrie likvoru (zjištění přítomnosti oxyhemoglobinu, bilirubinu, methemoglobinu) Cytologické vyšetření Isoelekrická fokusace Přítomnost oligoklonálních proužků (indikuje, že v CNS jsou produkovány imunoglobuliny) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 16 Astrocyty • Propojeny gap junction - syncitium • podpora migrace neuronů, růstu axonů • syntetizují a odbourávají glykogen • Glykogen je zde metabolizován na laktát a poskytován neuronům, kde proběhne aerobní metabolismus • uptake a metabolismus neurotransmiterů (např.GABA, glutamát) • vychytávání a odstraňování zbytků odumřelých neuronů • udržují homeostázu extracelulárního prostředí (Na+/K+-pumpa, K+-„uptake“, Na+-HCO3 – kotransport.) • Sekrece neurotransmiterů (NO, VIP /vasoaktivní intestinální peptid/ PGE2) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 17 Metabolismus NH3v mozku • glutamát vyloučený neuronem do synaptické štěrbiny je vychytáván astrocytem a recyklován ve formě glutaminu • NH3 přechází hematoencefalickou bariérou • při nadměrné koncentraci NH3 v krvi je NH3 astrocyty inkorporován do Glu a Gln (glutamátdehydrogenasa, glutaminsyntetasa). •  deplece ATP, zastavení Krebsova cyklu (deplece 2-oxoglutarátu) a hromadění Gln a Glu v astrocytu. • nadbytek Glu vede k poruše transportu tohoto transmiteru ze synaptické štěrbiny a (a potenciálně i k poškození neuronů excitotoxickými účinky Glu). • nadbytek Gln, kterého se astrocyt nemůže efektivně zbavovat (například do krve), vede k poruše osmotické regulace astrocytu, zvýšenému příjmu vody z okolí a k jeho otoku. To vede k edému mozku. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 18 glutamát Astrocyty Neuron Kapilára NH4 + NH3 NH3 NH4 + glutamin glutamát GABAglutamát + 2-oxoglutarátNH4 + NH3 NH4 + NH3 ATP ATP Metabolismus NH3v mozku Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 19 Iontová podstata excitace a vedení nervového vzruchu • nervové a svalové buňky jsou elektricky vzrušivé • membrána nervové buňky v klidu má negativní membránový potenciál ( -70 mV) (unikání K+ z buňky leakage channels, nerovnoměrné rozdělení K+ a Na+ udržované Na/K ATPasou) • podrážděním vzrušivých buněk se vodivost pro ionty Na+ a K+ zvýší • je-li podnět dostatečně silný (20-30 mV), vznikne akční potenciál •Kanály v membráně nervové buňky: •ligandem (neurotransmiterem) ovládaný kanál pro Na+/K+ napětím ovládané kanály pro Na+ a s nepatrným zpožděním •napětím ovládané kanály pro K+, poněkud méně prostupné. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 20 Vznik akčního potenciálu • ligandem (neurotransmiterem) ovládaný kanál pro Na+/K+ obvykle vyvolává nervový vzruch v membráně dendritů, šíří jej • – napětím ovládané kanály pro Na+ a s nepatrným zpožděním • – napětím ovládané kanály pro K+, poněkud méně prostupné. • Vtok Na+ zvenčí do nitra buňky vyvolá depolarizaci, hrotový potenciál, únik K+ v opačném směru repolarizaci a refrakterní fázi. Původní (klidové) rozložení iontů na membráně obnovuje opět Na+,K+- ATPáza. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 21 -70 mV stimul spuštění překmit repolarizace 35 Změny membránového potenciálu při přenosu nervového vzruchu Čas (ms) Sekvence dějů: • podráždění vyvolá depolarizaci (stimul) • pokud depolarizace dosáhne „prahové hodnoty“ otevírají se kanály pro influx Na+ iontů, potenciál se mění ke kladným hodnotám • to vyvolá otevření K+ kanálů, Na+kanály se zavřou, draslík proudí dovnitř, nastává repolarizace • elektrický impuls se šíří membránou Otevřené Na+ kanály Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 22 Synapse – obecné schéma Neurotransmitery - chemické signály,umožňují převod nervového vzruchu mezi neurony nebo mezi neuronem a cílovou buňko . synaptická štěrbina postsynaptická membrána receptor synaptické váčky (synaptosomy) napěťově řízený Ca2+ kanál depolarizační vlna Ca2+ • Neurotransmiter se váže přímo k iontovému kanálu (ionotropní receptor)  elektrický signál (neuron –neuron) • Neurotransmiter se váže k receptoru, který generuje druhého posla (metabotropní receptor) chemický signál (např.hladký sval) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 23 v centrálním nervovém systému inhibiční GABA (minim. 50 % všech synapsí) glycin (převažuje v míše) excitační glutamát (více než 10 %) acetylcholin (kolem 10 %) dopamin (kolem 1 %,ve striatu 15 %) serotonin histamin aspartát noradrenalin (méně než 1 %, v hypotalamu 5 %) adenosin neuromodulační endorfiny a enkefaliny, endozepiny, delta-spánek navozující peptid ad. Neurotransmitery Známo více než 30 různých neurotransmiterů (aminokyseliny, biogenní aminy vzniklé jejich přeměnou, nebo nepříliš velké peptidy). Příklady: v periferní části systému – eferentní neurony excitační acetylcholin noradrenalin – aferentní primární senzorické excitační glutamát (Aβ vlákna, hmatová) substance P (peptid) (C a A vlákna, nociceptivní) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 24 Membránové receptory neurotransmiterů Ionotropní receptory - ligandem řízené iontové kanály (ROC), např. excitační acetylcholinový nikotinový - kanál pro Na+/K+, glutamátový (CNS, některé aferentní sensorické neurony) - kanál pro Na+/K+/Ca2+, inhibiční receptor GABAA (CNS) - kanál pro ClMetabotropní receptory aktivující G-proteiny, např. protein Gs adrenergní 1 a 2, receptor GABAB, dopaminový D1, protein Gi adrenergní 2, dopaminový D3, acetylcholinový muskarinový M2 (otvírá též K+ kanál), protein Gq acetylcholinový muskarinový M1, adrenergní 1. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 25 Receptor Nikotinový Muskarinové M1, M3 M2 Mechanismus účinku Iontový kanál Gq Gi Druhý posel DG + IP3 cAMP Výskyt • neurony autonomních ganglií, • nervosvalová ploténka, • chromafinní buňky dřeně nadledvin • mozek, • hladký sval, • žlazové buňky • myokard, • mozek Blok receptoru tubokurarin atropin Acetylcholinové receptory Receptory hlavních neurotransmiterů Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 26 Cholinergní synapse V nervosvalové ploténce jeden nervový vzruch uvolní přibl. 300 váčků, v jednom je asi 40 000 molekul acetylcholinu; koncentrace acetylcholinu v synaptické štěrbině vzrůstá až 10 000x. Mediátor je rychle hydrolyzován acetylcholinesterázou. acetylcholinové receptory postsynaptické membrány ACETYLCHOLIN membránová acetylcholinesteráza cholin acetát acetyl-CoA ATP depolarizační vlna Ca2+ Na+ cholin-acetyltransferáza (axonálním transportem) zpětné vychytávání Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 27 Myastenia gravis • T- a B-lymfocyty produkují protilátky proti acetylcholinovým receptorům v kosterním svalu • Protilátky se vážou na receptor (komplex receptor-protilátka) • Následuje endocytóza a degradace v lysosomech Funkčnost receptorů reagovat s acetylcholinem je sníženasvalová slabost Podávání inhibitorů acetylcholinesterasy Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 28 Acetylcholinesterasa • Hydrolýza acetylcholinu na acetát a cholin • Je serinovou hydrolázou Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 29 Inhibitory acetylcholinesterasy • a) reverzibilní: karbamáty (fyzostigmin, rivastigmin, neostigmin) • b) ireverzibilní: organofosfáty (diisopropylfluorfosfát, soman, sarin) Vazba toxických organofosfátů na cholinesterasu probíhá ve dvou fázích: reversibilní ( lze ji ovlivnit reaktivátory) ireversibilní - vznik kovalentní vazby mezi organofosfátem a enzymem N N OO NH CH3 CH3 CH3 CH3 H fyzostigmin Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 30 Vratná fáze vazby organofosfátu Nevratná fáze vazby organofosfátu Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 31 N + N + O N N OH OH Cl - Cl Reaktivátory acetylcholinesterasy N + N CH3 OH Cl - pralidoxim obidoxim oximy s pyridinovým heterocyklem Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 32 Jak reaktivátory fungují Regenerace acetylcholinesterasy Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 33 (např. v nervosvalové ploténce - Na+/K+ionofor: asymetrický pentamer čtyř typů homologních podjednotek penetrujících membránou. změna konformace podjednotek, kanál se během několika milisekund mnohokrát krátce otevírá a uzavírá vazebná místa pro lokální anestetika, psychotropní fenothiaziny atd.. vazba dvou molekul acetylcholinu na podjednotky 2 1 2 uzavřený kanál synaptická štěrbina cytosol  2 2 – – Na+ K+ mohutný vtok Na+ menší výtok K+ (depolarizace) Acetylcholinový nikotinový receptor nikotinového typu Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 34 Rhabdomyocyty Parasympatikem Sympatikem (kosterní svaly) inervované buňky cílových tkání Postgangliové neurony sympatické dráhy jsou téměř vždy adrenergní Adrenergní receptory N NN N N N M1 Acetylcholinové (cholinergní) receptory v periferních eferentních neuronech N-nikotinový M-muskarinový Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 35 Působky reagující s acetylcholinovým receptorem nikotinového typu D-Tubokurarin - kompetitivní antagonista acetylcholinu, zabraňuje otevření ionoforu (depolarizace nenastává)  paralýza kosterních svalů pankuronium, vekuronium ad. – myorelaxancia při déle trvajících operacích Sukcinylcholin - agonista, váže se déle než acetylcholin a depolarizuje. Přetrvávající depolarizace vede ke ztrátě elektrické dráždivosti membrány. Krátkdobé myrelaxans. Botulotoxin – proteinový komplex z Clostridium botulinum. Inhibuje uvolnění acetylcholinu z nervového zakončení. Nikotin - váže se na receptory v periferním, vegetativním nervovém systému, který řídí vnitřní orgány. Zde vyvolává zvýšenou aktivitu trávícího traktu: vzestup produkce slin a trávících šťáv a vzestup aktivity hladké svaloviny. Stoupá také produkce potu a může dojít ke stažení zornice. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 36 Typ Princip účinku Výskyt M1 Gq ve vegetativních gangliích, CNS, b.exokrinních žláz M2 Gi v srdci, otevírá K+-kanály M3 Gq v hladkém svalu M4 Gi CNS M5 Gq CNS Muskarinové cholinergní receptory Alkaloid atropin je na muskarinových receptorech antagonistou, brání vazbě acetylcholinu. Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 37 Adrenergní synapse Neurotransmiterem naprosté většiny postgangliových sympatických neuronů je noradrenalin.Na některých nervech může působit i adrenalin. depolarizační vlna Ca2+ adrenergní receptory membrán cílových buněk dopamin--hydroxyláza a synaptické váčky (axonální transport) NORADRENALIN presynaptické adrenergní receptory mitochondriální monoaminoxidáza extracelulární KOMT (katechol- O-methyltransferáza) částečné zpětné vychytání Varikosity postgangliových sympatických axonů jsou analogické synaptickým zakončením (šńůrka perel). Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 38 • Syntéza dopaminu probíhá v cytoplazmě • Dopamin je pak transportován do váčků (ATPdependentní proces, proti konc. spádu). • Konečná hydroxylace na noradrenalin probíhá ve váčcích. Syntéza a uchovávání katecholaminů Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 39 Receptor 1  2 1  2 G-protein Gq Gi Gs Druhý posel DG + IP3 cAMP  cAMP  Příklady výskytu • hladké svalstvo GIT (sfinktery) a cév kůže (kontrakce) • adrenergní a cholinergní nervové zakončení (inhibice uvolnění přenašeče) • pankreas (inhibice exokrinní sekrece) • trombocyty (agregace) • myokard (zvýšení síly a frekvence stahů) • hladké svalstvo dělohy, bronchů (relaxace) • hladké svalstvo GIT (peristaltika) • pankreas (aktivace exokrinní sekrece) Adrenergní receptory Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 40 -Adrenergní receptory Typické projevy stimulace receptorů 1 – tachykardie, inotropní účinek na myokard, 2 – bronchodilatace, vazodilatace v oblasti bronchiálního kmene, 3 – termogeneze, mobilizace tukových rezerv. AMP-cykláza-receptor g noradrenalin / adrenalin ATP AMP cAMP fosfodiesterázy Gs H2O aktivní proteinkináza Afosforylace inaktivní proteinkináza A Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 41 Adrenergní receptory 2 a 1 2-receptory 1-receptory adenylátcykláza fosfolipáza C PL C pokles cAMP Gi protein Gq protein IP3 a diacylglycerol vzestup [Ca2+] aktivace PK C Typické projevy adrenergní 2-stimulace: 1-stimulace: sníženi exokrinní sekrece vazokonstrikce bronchokonstrikce snížená motilita GIT Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 42 Inhibiční GABAA receptor ligandem řízený chloridový ionofor (ROC) otevírá se interakcí s g-aminomáselnou kyselinou (GABA). Vtok iontů Cl– vyvolá hyperpolarizaci postsynaptické membrány, čímž znesnadní nebo znemožní vznik akčního potenciálu. Cl– – – – – –– – 1 2 g2 2 1 heteropentamer složený ze tří typů podjednotek Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 43 Cl- GABA CYTOSOL Barbituráty Benzodiazepiny (např. diazepam, flunitrazepam) Steroidy (např. pregnanolon, allopregnanolon) Endozepin (diazepam-binding inhibitor, DBI) Agonista: muscimol (z Amanita muscaria) Další vazebná místa na GABA receptoru Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 44 Více než jedenáct alosterických modulačních míst pro látky zesilující účin endogenní GABA (zklidnění, omezení úzkosti a myorelaxaci): anestetika, ethanol a četná léčiva jako např. benzodiazepiny meprobamat a rovněž různé barbituráty. Jiné ligandy naopak o benzodiazepinové vazebné místo kompetují nebo účinkují i jako antagonisté GABA (inverzní agonisté),  vyvolávají neklid a úzkost (např. endogenní peptidy zvané endozepiny). Podobnou funkci jako GABA v mozku má v mozkovém kmenu a míše glycin. Inhibiční účinek glycinergních synapsí blokuje alkaloid strychnin, známý křečový jed. Další vazebná místa na GABA receptoru Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 45 Inhibiční gabaergní synapse g-Aminomáselná kyselina (GABA) je hlavním inhibičním neurotransmiterem v CNS. Gabaergní synapse představují kolem 60 % všech synapsí v mozku. GABA mitochondriální syntéza GABA z glutamátu depolarizační vlna Ca2+ GABA/benzodiazepinové receptory vychytání GABA gliovými buňkami odbourání na sukcinát a přeměna zpět na glutamát a glutamin částečné zpětné vychytání (transportéry GAT 1-4) Biochemie-12-2-regulace-nervova bunka 46 Receptory nejvýznamnějších neurotransmiterů Receptory kooperující s G-proteinyIontové kanály (ROC) Gs (vzestup cAMP) Gi (pokles cAMP) Gq (vzestup IP3 /DG) – adrenergní β1,β2,β3 adrenergní α2 adrenergní α1 Na+/Ca2+/K+ – glutamátové ionofory glutamátové mGluR skupiny II a III glutamátové mGluR skupiny I dopaminové D1,5 dopaminové D3,4 dopaminové D2 – serotoninový 5-HT3 serotoninové 5-HT4,6 serotoninový 5-HT1 serotoninové 5-HT2 histaminový H2 histaminové H3,4 histaminový H1 – – tachykininový NK1 pro substanci P Cl– – GABAA – glycinový GABAB (metabotropní) – – – Na+/K+ – acetylcholinový nikotinový acetylcholinové muskarinové M2,4 acetylcholinové muskarinové M1,3,5 – – – –