Molekulární podstata dráždivosti Nervový systém * podíl na řízení a koordinaci všech funkcí těla * zaznamenává, vyhodnocuje a uchovává informace o vnitřním i vnějším prostředí organismu a zprostředkovává jeho reakce * vysoká komplexita nervového systému x podrobná znalost struktury a funkce jednotlivých nervových buněk Nervový systém tvoří dva typy buněk: * nervové buňky - neurony * neurogliové (gliové) buňky Neurony: * přenos elektrických impulsů * tvorba synapsí * u periferního nervového systému se výběžky neuronů skládají k sobě a tvoří nervy Struktura neuronů: tělo buňky, dendrity, axon, zakončení axonu Tělo buňky * obsahuje jádro, ribozomy, lysozomy, endoplazmatické retikulum * zajišťuje proteosyntézu a sestavování proteinových komplexů Axon * obvykle jediný na každém neuronu * přenáší vzruchy od těla buňky * dosahuje značných délek (u člověka až 1 m) * průměr axonu je přímo úměrný rychlosti vedení impulsů * axon obalený myelinovou pochvou vede vzruchy rychleji než neobalený * transport proteinů do odlehlých částí axonu z těla buňky zajišťují intermediární filamenty a mikrotubuly Dendrity * přijímají signály ze senzorických buněk nebo z axonů jiných neuronů a přenášejí je do těla buňky * kratší než axony * vybíhají z jedné buňky ve větším počtu Zakončení axonu * koncové rozvětvení axonu * určeno pro přenos elektrických signálů na další buňky Synapse - místa komunikace neuronů s jinými buňkami * spoje, kterými se signály přenášejí z neuronů na některou z cílových buněk (neuron, svalová nebo žlaznatá buňka) * přenos signálu je jednosměrný (z buňky presynaptické na postsynaptickou) * rozlišují se synapse elektrické a chemické Elektrické synapse * vodivé spojení buněk speciálními mezibuněčnými strukturami (mezerové vazby) * přímý přenos akčního potenciálu z jedné buňky na druhou * vysoká rychlost přenosu signálu Chemické synapse * nejčastější typ synapse * spojení buněk zajištěno speciálními chemickými signály (přenašeč - "neurotransmitter") * přenašeč se po stimulaci presynaptické buňky uvolňuje ze zakončení axonu do synaptické štěrbiny - váže se na receptory v membráně postsynaptické buňky -- vyvolá změnu její permeability * většinou povaha excitační - indukce depolarizace membrány a tvorbu akčních potenciálů u postsynaptické buňky * vzácně povaha inhibiční - zabránění tvorbě akčních potenciálů v postsynaptické buňce Vznik akčního potenciálu je výsledkem sumarizace změn membránového potenciálu * jeden neuron může být ovlivněn mnoha excitačními a inhibičními signály z jiných neuronů * vznik akčního potenciálu závisí na rozsahu porušení rovnováhy protichůdně působících signálů * akční potenciál vznikne tehdy, překročí-li membránový potenciál prahovou hodnotu Různé stupně organizace neuronových sítí * u primitivních mnohobuněčných organismů plní svalové buňky funkci senzorickou * u složitějších organismů jsou svalové buňky odděleny od povrchu těla - spojení tělního povrchu se svaly je zajištěno senzorickými nervovými buňkami Neurony jsou u vyšších organismů organizovány do okruhů * u bezobratlých: senzorický neuron - motorický neuron - efektor * u obratlovců: receptor (nikoliv neuron) - senzorický neuron - interneurony - motorický neuron - efektor Příklad reflexního oblouku u člověka Organizace nervového systému obratlovců Centrální nervový systém (CNS) * mozek * mícha Periferní nervový systém * senzorické neurony (přenos signálů z receptorů do CNS) * somatické motorické neurony (inervace kosterního svalstva) * autonomní motorické neurony (inervace srdce a hladkého svalstva Akční potenciál * elektrický impuls, který vzniká na rozhraní axonu a těla buňky, postupuje axonem do jeho zakončení a je předán další buňce * elektrický potenciál existuje na rozhraní všech buněk - u většiny je neměnný (buňky elektricky inaktivní) * u svalových a nervových buněk dochází k řízeným změnám membránového potenciálu (buňky elektricky aktivní) * vznik a vedení akčního potenciálu spočívá v postupné změně permeability plazmatické membrány pro ionty Na^+ a K^+, která postupuje podél plazmatické membrány Membránový potenciál lze měřit mikroelektrodami Akční potenciál odráží postupnou depolarizaci a repolarizaci určité oblasti membrány nervové buňky * průchod elektrického impulsu neuronem se jeví jako pohyb negativního náboje podél vnějšího povrchu neuronu * podstatou akčního potenciálu je cyklus depolarizace, hyperpolarizace membrány a návratu membránového potenciálu do klidového stavu Pohyb iontů podél membrány axonu Změny polarizace membrány doprovázející průchod akčního potenciálu 1. Klidový stav: * membránový potenciál -60 mV * membrána polarizována 2. Průchod akčního potenciálu: * membránový potenciál +35mV * membrána depolarizována 3. Návrat do klidového stavu * membránový potenciál -75mV * membrána hyperpolarizována Změny iontové permeability membrány způsobují specifické změny membránového potenciálu * koncentrace iontů K^+ uvnitř buněk je vyšší než vně * koncentrace iontů Na^+ je vyšší vně než uvnitř buňky * koncentrační gradienty se udržují Na^+/K^+ ATPázami za spotřeby energie * plazmatická membrána je selektivně permeabilní pro různé kationty a anionty (Na, K, Cl) * selektivní permeabilita membrány a iontové koncentrační gradienty zajišťují elektrický potenciál mezi vnitřkem a vnějškem buňky Akční potenciál a depolarizace membrány * depolarizace membrány: chvilková propustnost pro ionty Na^+, které intenzivně pronikají do cytoplazmy * zvýšenou propustnost membrány pro ionty Na^+ způsobují proteiny pro transport iontů Na^+, které jsou závislé na napětí - tzv. sodíkové kanálky, které se při depolarizaci membrány přechodně otevírají * sodné ionty pronikají dovnitř buňky kombinací dvou sil: koncentračního gradientu a membránového potenciálu * sodné ionty pronikající dovnitř buňky přinášejí pozitivní náboje na vnitřní stranu membrány - membrána se dále depolarizuje - otevírají se další Na^+ kanálky * po dosažení určité hodnoty potenciálu se přísun iontů Na^+ do buňky zastavuje (koncentrační gradient se vyrovná s membránovým potenciálem) Sodíkové kanálky závislé na napětí * tvořeny proteiny, jejichž konformace určuje stupeň propustnosti pro ionty Na^+ * u nestimulovaných buněk jsou sodíkové kanálky uzavřeny * čím větší je stupeň depolarizace, tím větší je pravděpodobnost otevření kanálků * kanálky se otevírají na 1 ms a pak se spontánně uzavírají * 1 kanálek umožňuje průchod cca 6000 iontů Na^+ * bezprostředně po svém uzavření (několik ms) kanálky nemohou být znovu otevřeny Struktura proteinů tvořících sodíkové kanálky * úspěšná purifikace proteinů tvořících sodíkové kanálky afinitní chromatografií prostřednictvím neurotoxinů, které specificky vážou a inhibují funkci Na^+ kanálků - zabraňují tvorbě akčních potenciálů (tetrodoxin a saxitoxin) * hlavní složkou - jediný polypeptid, který obsahuje 4 homologní transmembránové domény (každá cca 300 AA) * transmembránové domény jsou propojeny kratšími nehomologními úseky * při otevření iontového kanálku při změně potenciálu dochází k pohybu 4 - 6 pozitivních nábojů transmembránového helixu kanálkového proteinu z vnitřního povrchu membrány k vnějšímu - konformační změna - otevření kanálku Struktura kanálkových proteinů Experiment Otázka: Zodpovídají zbytky argininu a lysinu za otevření Na^+ kanálku při depolarizaci membrány? Strategie: Nahrazení zbytků Arg a Lys v helixech a kanálkového proteinu za neutrální aminokyseliny ("site-directed mutagenesis"). Pozorování: Mutantní proteiny tvoří kanálky se sníženou schopností otevření při depolarizaci membrány. Odpověď: ANO. Přenos impulsů mezi buňkami u chemických synapsí je stimulace postsynaptické buňky zpomalena o cca 0,5 ms - čas nutný pro sekreci a difůzi chemického přenašeče a stimulaci postsynaptické buňky Typy chemických přenašečů * obvykle aminokyseliny nebo jejich deriváty a malé peptidy, méně často ATP, adenosin * nejčastější typ: acetylcholin * přenašeč se váže na receptor v membráně postsynaptické buňky, který funguje jako iontový kanálek závislý na vazbě ligandu --následkem je změna permeability membrány * obvyklé je méně přímé propojení mezi vazbou ligandu a otevřením kanálku (účast proteinu G) Cholinergní synapse * synapse neuron / neuron nebo neuron / svalová buňka, kde přenašečem je acetycholin * acetylcholin se syntetizuje v cytozolu z acetyl koenzymu A a cholinu enzymem cholinacetyltransferázou * acetylcholin se koncentruje v synaptických vezikulech uspořádaných do řad v oblasti zakončení axonů * exocytoza acetylcholinu do synaptické štěrbiny je indukována zvýšením obsahu iontů Ca^2+ v cytozolu po otevření iontových kanálků Ca^2+ v membráně axonu, které vyvolává depolarizace membrány Exocytóza měchýřků obsahujících chemický přenašeč * fůze membrány vezikulu s plazmatickou membránou, následuje znovuvytvoření vezikulu (nedochází k zvětšování povrchu membrány) * recyklování vezikulů je rychlé (mohou plnit svou funkci několikrát za vteřinu) a specifické (do vezikulů jsou uzavírány charakteristické proteiny (synaptofysin) * koordinace pohybu vezikulů: propojení vlákny synapsinu I * na synapsin se váže spektrin, který paprsčitě vybíhá z plazmatické membrány podél synaptické štěrbiny * acetylcholin uvolněný z vezikulů difunduje synaptickou štěrbinou a váže se na receptory v membráně postsynaptické buňky - přechodné zvýšení permeability pro ionty Na^+ a K^+ Exocytóza chemických přenašečů Propojení měchýřků v zakončení axonu Struktura acetylcholinových receptorů * složen z 5 podjednotek (2 řetězce a a po jednom řetězci b, g, d), které obklopují otvor o průměru cca 2,5 nm * k podjednotce a se vážou dvě molekuly acetylcholinu * každá podjednotka obsahuje 4 nebo 5 transmembránových helixů, nejdůležitějším z nich je helix M2 * na koncích helixu M2 jsou negativně nabité zbytky kyseliny glutamové a asparagové - důležité pro transport iontů Na^+ a K^+ přes membránu Struktura receptoru pro acetylcholin Odstranění přenašeče ze synaptické štěrbiny 3 mechanismy: * difúze přenašeče mimo štěrbinu * odebrání přenašeče presynaptickou buňkou * enzymatická degradace přenašeče * u cholinergních synapsí je acetylcholin rozložen acetylcholinesterázou * tento enzym je lokalizován v synaptické štěrbině, kde je navázán na vlákna kolagenu bazální laminy Mechanismus synapse * nervový impuls dosáhne zakončení axonu * depolarizace membrány vyvolá otevření kanálků pro Ca^2+ * ionty Ca^2+ pronikající do cytoplazmy neuronu z mimobuněčného prostředí vyvolají fůzi membrán synaptických vezikulů s membránou plazmatickou * přenašeč uvolněný z vezikulů proniká synaptickou štěrbinou a váže se na receptory v membráně postsynaptické buňky Dva různé účinky přenašeče na postsynaptickou buňku * navázaný přenašeč vyvolá otevření membránových sodíkových kanálků - průnik Na^+ - snížení membránového potenciálu - zvýšená pravděpodobnost vzniku akčního potenciálu v postsynaptické buňce * navázaný přenašeč vyvolá otevření membránových draslíkových kanálků - únik K^+ z buňky nebo chloridových kanálků - průnik Cl^- do buňky. Zvýšená negativita vnitřního povrchu membrány - zvýšení membránového potenciálu (hyperpolarizace) - snížená pravděpodobnost vzniku akčního potenciálu v postsynaptické buňce Mechanismus synapse Gliové buňky * u periferních nervů: Schwannovy buňky * u centrálního nervového systému: oligodendrocyty * vyplňují prostory mezi neurony a vyživují je * podíl na regulaci funkce neuronů - např. tvorba myelinové pochvy, která obklopuje axony neuronů (myelin je komplex vrstev plazmatických membrán gliových buněk) * specializace gliových buněk pro torbu myelinu se objevuje převážně jen u obratlovců Myelinová pochva * elektrický izolátor axonu - znemožňuje výměnu iontů mezi cytoplazmou axonu a extracelulární tekutinou - urychlení šíření akčního potenciálu * poruchy myelinace: ztráta myelinu v mozkových a míšních oblastech - zpomalení vedení akčních potenciálů - skleróza