Neuron a KMP

Neuron

• dendrity - příjem vstupní informace, receptivní segment neuronu

• neurit (axon) - vede vzruch směrem od těla neuronu

  • myelin. pochva (kromě začátku a tenkých terminálních větví)

  • axonový hrbolek - odstup axonu - ještě na těle neuronu

  • iniciální segment - již součást axonu, navazuje na hrbolek

  • hrbolek a segment se podílejí na vzniku vzruchu

  • silné nervové vlákno + silná myelin. pochva → rychlejší vedení vzruchu

  • mezi myelin. pochvami - Ranvierovy zářezy

  • vzdálenost mezi 2 Ranvierovými zářezy - internodium - 0,3-1,2 mm

• neurony

  • projekční - dlouhá vlákna

  • interneurony - lokální okruhy, propojení blízkých oblastí

Membrána neuronu

Iontové kanály

• řízené chemicky - reakce na mediátor

• řízené napěťově - drážditelné elektricky, tedy změnou potenciálu

Klidový membránový potenciál

• potenciálový rozdíl mezi povrchem a nitrem nervového vlákna: -70 mV až -90 mV

• sídlo potenciálu = buněčná membrána

• v klidu - uvnitř záporný, vně kladný náboj

• zdroj potenciálu

  • ionty (jimi nesený náboj)

  • jejich rozdíl koncentrací na vnitřní a zevní straně membrány

  • specifická propustnost membrány pro jednotlivé ionty

  • hlavní ionty: K⁺, Na⁺, Cl^-, A^- (fixní anionty aminokyselin)

Permeabilita membrány

• propustnost iontových kanálů pro jednotlivé ionty

• významný vliv má intracelul. koncentrace Ca²⁺ iontů (regulují permeabilitu ion. kanálů)

Faktory ovlivňující velikost KMP

1. rozdílná konc. iontů v extracel. a intracel. tekutině - Na X K

2. rozdílná propustnost membrány pro různé ionty

   1. dle (ne)přítomnosti iontových kanálů pro konkrétní ionty

   2. částečná propustnost pro K⁺ - membrána obs. malé množství únikových kanálů pro K⁺

   3. téměř nepropustná pro Na⁺ (do buňky projde minimální množství sodíku)

   4. K⁺ se snaží opustit buňku skrze své kanály VE SMĚRU konc. gradientu → vzniká elektrický gradient - ten brání proudu K⁺ ven

      1. konc. gradient směřuje draslík ven X el. gradient ho vrací zpátky dovnitř, protože přesunem draslíku ven se MĚNÍ hodnota KMP!!! - potenciál se stává více záporným

   5. čím více K⁺ přestoupí → tím je vyšší el. gradient - až se vyrovná koncentračnímu gradientu → nastane rovnováha mezi draslíkem jdoucím ven a dovnitř (“jakoby přestane draslík proudit” - pro snazší představu)

   6. rovnováha určuje hodnotu KMP

3. činnost sodíko-draslíkové pumpy

   1. funkcí je přečerpat přebytečné sodíky, které se dostaly samovolně do buňky, VEN (zároveň s 3 Na⁺ jdou dovnitř 2 K⁺)

• membrána je polarizována

Rozložení iontů na stranách membrány

• KMP nastává při dynamické rovnováze proudění draslíku

Akční potenciál

• průchod vzruchu membránou → změna polarizace membrány = depolarizace (porušení KMP)

1. depol. → povrch (vnější) se stává elektronegativním - obrácení polarity = TRANSPOLARIZACE

2. vrchol akčního potenciálu: +30 mV až +40 mV

3. repolarizace - návrat potenciálu ke klidové úrovni

   1. dosažení 70 % repolarizace → zpomalí se změna membrán. potenciálu = označuje se jako následná depolarizace (negativní následný potenciál)

4. dosažení KMP → dojde k mírné hyperpolarizaci (= snížení potenciálu pod hodnotu KMP - více negativní) = vzniká pozitivní následný potenciál → nakonec se potenciál ustálí

Rovnovážné potenciály iontů

• hodnota potenciálu, při které nastává pro daný ion dynamická rovnováha = počet částic uvnitř a vně membrány se nemění (ačkoli stále procházejí dovnitř a ven)

• E_Na = +30 až +40 mV

• E_K = -90 mV

Schéma AP

• hrotový potenciál = spike = rychlá depolarizace + repolarizace

Salva vzruchů

• vzniká vlivem protrahované depolarizace = sumace excitačního postsynaptického potenciálu EPSP, receptorový potenciál (součet excitačních příchozích vzruchů)

Iontové změny během AP

• počátek: chem. i el. gradient pro Na⁺ směřuje dovnitř buňky - KMP = -70 mV

• do hodnoty -55 mV - mírně stoupá permeabilita pro Na⁺, ale K⁺ ještě zvládají udržovat KMP

• -55 mV - spouštěcí úroveň - náhlý vzestup propustnosti Na⁺ = napěťově řízené kanály pro sodík se otevřou

  • do buňky vtéká Na⁺ → snižuje se memb. potenc. (posun ke kladné hodnotě) → podporuje to otevírání dalších sodík. kanálů → rychlá depolarizace → vzniká hrotový potenciál

• při vzestupné fázi AP se již Na⁺ kanály postupně uzavírají → při transpolarizaci je zároveň obrácen el. gradient pro sodík = omezen tok sodíku do buňky

• opožděně se otevírají kanály pro K⁺ → vzestup permeability + vrchol při sestupné fázi AP (repolarizaci)

• repolarizace je způsobena jiným typem K⁺ kanálů, než jsou kanály podílející se na udržení KMP

• přečerpání Na a K pumpou

  • energie pro aktivní transport - z ATP (oxidace glukosy)

Graf AP

Refrakterní fáze

Absolutní RF

• po dosažení spouštěcí úrovně (-55 mV) - membrána neschopna tvorby dalšího AP = membrána je refrakterní k další stimulaci

• část napěťově řízených Na⁺ kanálů je v inaktivovaném stavu → neotevřou se, dokud nedojde k repolarizaci membrány

Relativní RF

• od konce hrotového potenciálu - buňka schopna reagovat na stimulaci, ALE musí být intenzivnější než normální podnět

• kromě obtížného otevření Na⁺ kanálů je při repolarizaci překážka v podobě otevřených K⁺ kanálů!!! - ty chtějí znovu nastolit KMP

• při návratu memb. potenciálu ke klid. hodnotě se kompletně obnoví dráždivost neuronu ad. dráždivých buněk

Vedení vzruchu

• centrifugální šíření po axonu

• vzniká elektrický okruh - v místě vybavení vzruchu - mění se propustnost membrány a dochází k přesunu iontů)

• amplituda vzruchu se u saltatorního vedení (v přítomnosti myelin. pochvy) nemění → vzruch se číří BEZ DEKREMENTU (bez úbytku, ztráty)

• vzruch z místa depolarizace se teoreticky šíří oběma směry - zpátky ale neprojde, protože tato část axonu je v refrakterní fázi → není schopna vytvořit po určitou dobu další AP

• myelin. axony - proud dráždí membránu v nejbližším nodiu - místo mezi 2 myelin. pochvami

  • nodium - největší množství napěťově řízených iontových kanálů → pouze zde se membrána depolarizuje = saltatorní vedení vzruchu

  • pochva brání přeskakování vzruchu mezi sousedními axony

  • silnější vlákno → rychlejší vzruch

Synapse

• specializované mezibuněčné kontakty

• většina synapsí CNS - chemická transmise (přenos vzruchu)

• uvolnění chemické substance (mediátoru) z presynap. bb. → vazba na receptory postsynap. bb. → otevřou se napěťově řízené iont. kanály → … → vyvolá tok el. proudu

  • pomalé - zdržení o 0,5 ms

  • působí excitačně nebo inhibičně

Presynaptický aparát

• VGCC - napěťově řízené kalciové kanály (Ca²⁺) se otevřou → zvýší se permeabilita vápníku → influx do presyn. zakončení → vápník se naváže na váček s neurotransmiterem → váček se přiblíží k presynaptické membráně → splyne s ní → neurotransmiter se vylije do synaptické štěrbiny exocytózou

• vápník má vliv na:

  • transport váčku k presyn. membráně

  • indukci exocytózy

  • uvolnění mediátoru do štěrbiny

• klidový stav - většina váčků ukotvena pomocí proteinů typu aktinu do (aktinového) cytoskeletu

  • jen málo z nich je přímo u membrány

• transport a připojení váčku k membráně zprostředkovávají transportní a membránové proteiny

Proteiny presynaptického aparátu

• vezikulární proteiny - synaptobrevin

• plazmatická membrána - syntaxin a SNAP-25

• po ukončení výdeje se prázdný váček opět odštěpí od membrány pomocí clathrinu a dynaminu

Uvolnění synaptických váčků od membrány

Kiss and stay

• nízká konc. Ca²⁺ v presyn. útvaru → váček s membránou splývá dlouho - 20 s

Kiss and run

• vysoké hodnoty Ca²⁺ → vezikl se uvolní bezprostředně po vazbě na membránu - méně než 1 ms

• uvolní se více mediátoru za stejný čas oproti kiss and stay

Postsynaptický útvar

• mediátor putuje synap. štěrbinou → váže se na receptor v postsyn. membráně →

1. aktivuje se adenylátcykláza + uvolní se cAMP + proteinkináza mění propustnost iontových kanálů

• NEBO:

2. receptor je součástí iontového kanálu → vazbou proteinu na receptor se změní konformace proteinového kanálu → rychlé otevření (např. nikotinový acetylcholinový receptor)

EPSP a IPSP

• dle mediátoru a funkčního typu synapse

Excitační posynaptický potenciál

• otevřou se Na⁺ kanály → depolarizace = EPSP

• 1 depolarizační změna - podprahová (2-4 mV)

• součet více podprahových signálů → při dosažení spouštěcí úrovně (tedy napětí 7,5-15 mV) → depolarizace

Inhibiční postsynaptický potenciál

• otevřou se Cl^- a K⁺ kanály → hyperpolarizace (snížení KMP) = IPSP

• 2-5 mV - funkcí je inhibice (útlum) depolarizace

Mediátor

• uvolní se z receptoru na postsyn. membráně →

  • degradace enzymem ve štěrbině

  • transport zpět do presyn. útvaru → enzym rozštěpí / znovu využit k následující transmisi signálu

Mediátory

• transmitery, přenašeče; specifické látky

• na chem. synapsích zprostředkují převod nervové aktivity humorální cestou

• kroky

  • syntéza mediátoru v presyn. neuronu

  • skladování v presyn. útvaru + výdej do synap. štěrbiny

  • interakce mediátor-receptor na postsyn. memb.

  • odstranění mediátoru

• skupiny signálních látek

  • nízkomolekul. mediátory - acetylcholin, dopamin, noradrenalin, adrenalin, serotonin, histamin, GABA, glycin

  • neuroaktivní peptidy

  • + neuromodulátory - mění citlivost postsyn. útvaru k vlastnímu mediátoru - endorfiny, enkefaliny, P-látka, prostaglandiny, vliv NO, CO, H₂S

• elektrické synapse

  • přenos přímým tokem el. proudu

  • synapse tvořeny kontakty typu gap junctions → vzruch veden oběma směry a synapse jsou převážně excitační

Nervosvalová ploténka

• axony míšních motoneuronů tvoří se sarkolemou nervosval. ploténky

• periferní úsek axonu již bez myelinu → větvení na telodendria - kontakt s vláknem kosterního svalu

• primární synap. štěrbina - mezi presynap. zakončením a svalem

• sekundární s. š. - sekundární invaginace postsyn. membrány

• větší recepční plocha (postsyn. membrána) než u synap. štěrbin v CNS

• mediátor acetylcholin - přenos signálu → vznik AP na sarkolemě → aktivace nikotin. receptorů → otevřou se Na⁺ kanály → vznikne ploténkový potenciál

Vztahy mezi neurony

Divergence a konvergence

• Sumace

• Facilitace

• Okluze

Posttetanická potenciace

Inhibice

Inhibiční okruhy

Divergence

• větvení axonů → 1 neuron vyvolá vzruchovou aktivitu na více nervových bb.

• např. ascendentní míšní dráhy, RF, asociační oblasti mozk. kůry, …

• zesiluje signál - např. tr. corticospinalis - malý počet motoneuronů → přepojí se na více míšních motoneuronů → vyvolávají kontrakci několika set sval. vláken

• zesílení až 50000x

Konvergence

• několik axonů se sbíhá na 1 neuron

• postsyn. neuron přijímá info z více zdrojů

• funkce systému se zachová i při vyřazení 1 či více presyn. neuronů

• např. desc. axony pyramidové a mymopyramidové dráhy, RF, …

Sumace

• sčítání podprahových potenciálů (EPSP) až do prahové úrovně → vybavení vzruchu

• sumace prostorová - sčítá se účinek z několika afer. vláken najednou

• sumace časová - vzruchy přicházejí z 1 vlákna krátce po sobě v rychlém časovém sledu

Facilitace

• 1 skupina afer. vláken přivádí pouze podprahové signály → neschopny vytvořit AP X ALE usnadňují (pomáhají, podporují) tvorbu AP při přívodu impulsů z jiných afer. vláken

• uplatňuje se při prostorové sumaci

Okluze

• efekt při přívodu mnoha vzruchů bude menší než při příchodu 1 vzruchu

• důsledek existence refrakterní fáze - při vyvolání AP jedním vstupním signálem nedojde k zesílení AP, ani když přijde najednou několik nadprahových vzruchů (nemohou okamžitě po sobě vzniknout 2 akční potenciály)

• na 1 postsyn. útvaru vznikne pouze 1 AP - “VŠE NEBO NIC”

Posttetanická potenciace

• zvýšení excitability nervové tkáně po předchozí opakované a dlouhotrvající stimulaci

• dlouhodobá potenciace

  • nízká frekvence po dlouhou dobu / krátké stimulace o vysoké frekvenci

• kindling - rozněcování, zažehování

  • rytmická stimulace opakovaná v pravidelných intervalech → způsobí výraznější změny u stimulovaných neuronů - zvýší se výrazně jejich excitabilita

  • trvalejší, přetrvávají delší dobu než dlouhodobá potenciace

• základní mechanismy formování paměťové stopy

Inhibice

Postsynaptická inhibice

• mediátor vyvolá otevření Cl^- a K⁺ kanálů → hyperpolarizace postsyn. membrány → vznik IPSP

Presynaptická inhibice

1. pomocí excitačních neuronů

• excitační neurony končí svými axony na presyn. části afer. vláken excitačních synapsí (na presynaptických excitačních neuronech - ty, které přivádějí vzruch k synap. štěrbině)

• excitační neurony vyvolají částečnou depolarizaci → zvýší dráždivost presynaptické membrány, ale limitují uplatnění původního AP, který přišel prostřednictvím aferentního vlákna k presynaptickému zakončení → sníží se množství uvolněného mediátoru → méně dráždí postsyn. membránu → útlum / zamezení přenosu vzruchu

• blokuje původní signál přicházející k synapsi

2. inhibiční neurony

• vyvolají hyperpolarizaci presyn. membrány → tlumí funkci primární synapse

Inhibiční okruhy

• však to uvidíš

AP vs. PSP