Przewodzenie impulsu w nerwach obwodowych. Przewodzenie synaptyczne. PDF

Preview

Summary

Wykładowca: prof. UG, dr hab. Edyta Jurkowlaniec Kopeć; dr Grażyna Jerzemowska; dr Ziemowit Ciepielewski; dr Irena Majkutewicz; Karolina Plucińska; dr Wojciech Glac; dr Paweł Matulewicz; dr Dorota Myślińska (Katedra Fizjologii Zwierząt i Człowieka). Punkty ECTS: 2. Spis treści: Odkrycia i podstawowe...

Description

Neurofizjologia Ćwiczenie 1. Przewodzenie impulsu w nerwach obwodowych. Przewodzenie synaptyczne. 1. Odkrycia i podstawowe pojęcia elektrofizjologii. Odkrycia zjawiska elektryczności w tkankach zwierzęcych dokonał Luigi Galvani (1737-1798), który podczas przygotowywania żabich udek zaobserwował przewodzenie impulsów przez martwe mięśnie nóg. Potencjał spoczynkowy (w stanie spoczynku) – wstępnie istniejąca różnica potencjałów pomiędzy wnętrzem a otoczeniem komórki; polaryzacja (elektroujemność wnętrza względem zewnętrznej powierzchni komórki) błony komórkowej neuronu wynosi -70 mV. Potencjał czynnościowy (pobudzenie) – zmniejszenie, zniesienie lub odwrócenie istniejącej różnicy potencjałów; depolaryzacja błony komórkowej. Zmiany fizykochemiczne w tkance lub komórce wskutek działania bodźca. Aby wywołać pobudzenie tkanka musi być pobudliwa, a bodziec odpowiednio silny. Impuls (pobudzenie) – zmiana elektryczna lub fala depolaryzacji rozchodząca się wzdłuż włókna nerwowego i rejestrowana w postaci zmiany potencjału. Hiperpolaryzacja (hamowanie) – powiększenie się wstępnie istniejącej różnicy potencjałów. Mechanizm każdego z tych podstawowych stanów komórek opiera się na działaniu kanałów i pomp dla jonów sodu (Na), potasu (K) oraz chloru (Cl). 2. Potencjał spoczynkowy. Istnienie potencjału spoczynkowego możliwe jest dzięki występowaniu: • różnicy stężeń jonowych, głównie Na+ i K+ po obu stronach błony komórkowej; • różnej przepuszczalności błony dla jonów K, Cl i Na 1; • dyfuzji jonów zgodnie z gradientem stężeń; • aktywnego transportu jonów Na+ i K+ przez pompę Na+/K+-ATP-azę o pojedynczy cykl powoduje przeniesienie 3 jonów sodu na zewnątrz i 2 jonów potasu do wnętrza komórki; • nieprzepuszczalności błony dla jonów organicznych (A-) zwanych także anionami białkowymi lub białczanowymi. Dla wszystkich jonów błona komórkowa jest przepuszczalna niejednakowo. Na+/K+-ATP-aza aktywowana jest przez jony Na+ i K+ pod wpływem uzyskanej energii z rozpadu jednej cząsteczki ATP, co umożliwia przeniesienie z komórki 3 cząsteczki Na+ i 2 cząsteczki K+ do wnętrza komórki. Błonowe kanały sodowe w stanie spoczynku nie przepuszczają jonów Na+, natomiast pompa sodowo-potasowa zabezpiecza przed wyrównaniem stężeń po obu stronach neurolemy. Aniony białczanowe i niedostatek jonów dodatnich są przyczyną elektroujemności wnętrza komórki. Pompa sodowo-potasowa – optymalizacja pracy tej pompy i związana z tym optymalna pobudliwość wymaga: • stałego dopływu tlenu oraz substancji energetycznych (glukozy) do komórek; 1

K+ : Cl- : Na+ = 1,0 : 0,45 : 0,04

• • • •

stałej resyntezy ATP z ADP i fosforanu w procesie oddychania komórkowego; stałego odprowadzania z komórek ostatecznych produktów rozpadu substancji energetycznych (CO2); odpowiedniego stosunku kationów sodu i potasu w płynie zewnątrzkomórkowym; odpowiedniej T dla procesów enzymatycznych wewnątrzkomórkowych, która wynosi 37°C.

Równanie Nernsta – wyznacza potencjał równowagi dla jonów i przyjmuje postać: 𝐸 =#

𝑅𝑇 [𝑋]𝑧𝑒𝑤 lg 𝐹 [𝑋 ]𝑤𝑒𝑤

gdzie: R – stała gazowa; T – temperatura absolutna ustroju; F – stała Faradaya. Zgodnie z równaniem Nernsta wartość potencjału spoczynkowego błony komórkowej zależy od gradientu stężeń jonów najbardziej przenikających przez tę błonę. Potencjał spoczynkowy zależy od jonów K+, natomiast potencjał czynnościowy zależy od jonów Na+ i w pobudzonej komórce nerwowej potencjał ten wynosi +35 mV.

/012

jon K+ ClANa+

) stężenie ( 02 strona zewnętrzna strona wewnętrzna 4 155 120 5 7 155 145 10

E, czyli potencjał równowagi (mV) -90 -90 -90 +35

Tabela 1. Rozkład jonów w czasie spoczynku (stężenie i potencjał równowagi).

3. Budowa błony komórkowej i kanały jonowe. Wyróżnia się dwie grupy kanałów jonowych: • stale otwarte [np. potasowe] – w których zachodzi dyfuzja; • bramkowane [np. sodowe] – otwierane lub zamykane pod wpływem napięcia lub związków chemicznych np. bramkowanie ligandem. Najczęściej występują kanały sodowe bramkowane napięciem.

4. Potencjał czynnościowy a zmiany pobudliwości. Analiza potencjału czynnościowego (jednofazowego). Potencjał czynnościowy składa się z potencjału iglicowego i potencjałów następczych. Czas trwania tych potencjałów w najszybciej przewodzących włóknach (Aα) wynosi: • iglica – 0,4 ms; • wczesny (ujemny) potencjał następczy – 10-15 ms; • późny (dodatni) potencjał następczy – 70-100 ms. Zmiany polaryzacji błony komórkowej: • miejscowa bierna depolaryzacja błony w zakresie zmian podprogowych (zmiany elektroniczne); • po przekroczeniu potencjału krytycznego (-75 mV) następuje gwałtowna depolaryzacja do 0 mV, a nawet jej odwrócenie (rewersja, nadstrzał); • po maksimum depolaryzacji następuje odwrócenie kierunku przepływu prądu przez błonę – rozpoczyna się repolaryzacja; • zmiany repolaryzacyjne charakteryzują się pewną bezwładnością, toteż repolaryzacja przechodzi w przejściową hiperpolaryzację, by następnie osiągnąć potencjał spoczynkowy. Iglica (0,4 ms)

Zmiany następcze (80 - 115 ms) ujemny potencjał następczy (10 - 15 ms)

A [mV]

dodatni potencjał następczy (70 - 100 ms) nadstrzał

+ 30 + 20 + 10 0

- 20

- 40

ja r yza c

- 30

repola

depolaryzacja

- 10

- 50 - 60 - 70

potencjał progowy (krytyczny)

- 80 potencjał spoczynkowy

- 90

zmiany elektrotoniczne

zmiany pobudliwości

+

zmiany elektrotoniczne

Okres refrakcji bezwzględnej – chwilowy i odwracalny całkowity zanik pobudliwości następujący w fazie depolaryzacji i nadstrzału, tzw. okres aktywacji sodowej.

Okres refrakcji względnej – stopniowy powrót pobudliwości neuronu, następuje w fazie repolaryzacji i potencjałów następczych.

hiperpolaryzacja

egzaltacja (nadpobudliwość)

refrakcja względna

_ refrakcja bezwzględna (0,5 - 1 ms)

stan komórki potencjał spoczynkowy depolaryzacja repolaryzacja potencjał spoczynkowy

zasadniczy okres refrakcji względnej

Repolaryzacja (potencjały następcze) – tak zwany prąd potasowy, gdzie uwolnione na zewnątrz jony K+ „uciekają”, potencjał komórki wraca do wartości -70 mV. Przywrócenie potencjału chemicznego, czyli przejście jonów sodu na zewnątrz, a jonów potasu do wewnątrz zależą od pompy sodowo-potasowej.

rozkład jonów strona wewnętrzna strona zewnętrzna + K Na+ + + K+ / Na K / Na+ + Na K+ + K Na+

ładunek wnętrza (mV) -70 +35 -70 -70

Tabela 2. Rozkład jonów w czasie spoczynku i potencjału czynnościowego. Depolaryzacja i repolaryzacja wchodzą w skład potencjału czynnościowego.

5. Metody wykazywania potencjału czynnościowego. Potencjał dwufazowy i jednofazowy rejestrowane przy pomocy oscyloskopu oraz galwanometru. Ø dwufazowy zapis potencjału czynnościowego: W pobliżu elektrody stymulującej (1) ustawia się elektrodę rejestrującą (2), a obie znajdują się na powierzchni włókna (sarko lub neurolemy). Po zadziałaniu bodźca pobudzenie przechodzi przez elektrodę stymulującą (A), a to powoduje przesunięcie strzałki galwanometru w stronę pierwszej katody. Następnie pobudzenie wędruje między dwiema elektrodami (B), gdzie strzałka galwanometru wskazuje 0, a na końcu przechodzi przez elektrodę rejestrującą (C), co sprawia, że strzałka galwanometru przesuwa się w prawo. Ø jednofazowy zapis potencjału czynnościowego: W pobliżu elektrody stymulującej (1) ustawia się pod powierzchnią włókna elektrodę rejestrującą (2). Już na wstępie galwanometr odczytuje potencjał i przesuwa strzałkę w prawo. Po zadziałaniu bodźca następuje zniesienie potencjału spoczynkowego (A), co na galwanometrze objawia się wahnięciem wstecznym – strzałka przesuwa się z powrotem w lewo, a na oscyloskopie - pikiem. W trakcie przechodzenia między elektrodami polaryzacja wraca do potencjału spoczynkowego (strzałka w prawo). Po przejściu impulsu polaryzacja wraca do spoczynkowej (B). W momencie spotkania fali depolaryzacji z drugą elektrodą występuje brak rezultatu, ponieważ fala ta niszczy tkankę i nie można zebrać pomiaru. 6. Stopnie depolaryzacji2 . Zmiany elektroniczne (katelektrotonus) – stopniowalne zmiany depolaryzacyjne (jak pod katodą) występujące miejscowo, przenoszące się z dekrementem, czyli z zanikiem depolaryzacji. Zmiany te mogą się sumować i jeżeli będą dostatecznie silne, mogą wywoływać potencjał czynnościowy. Bez łączenia nie są na tyle silne, aby wywołać ten potencjał, ale wiążą się z lekkim pobudzeniem tkanki. [2] Potencjał czynnościowy – niestopniowalny, wysokowoltażowy i krótkotrwały według zasady „wszystko albo nic”. Jest zawsze taki sam, a jego amplituda wynosi 120 mV. Przenoszony na dalsze odległości bez dekrementu, w sposób regeneratywny. [3] Potencjał krytyczny (ang. treshold) – granica pomiędzy zmianami katelektrotonicznymi, a potencjałem czynnościowym. Wynosi od 75 do -55 mV. Jeśli amplituda zmian katelektronicznych osiągnie taką wartość to powstaje potencjał czynnościowy. [1] Anelektrotonus – stopniowalne zmiany hiperpolaryzacyjne (jak pod anodą) występujące miejscowo, przenoszące się z dekrementem (z zanikiem hiperpolaryzacji). Zmiany te mogą się sumować i jeżeli będą dostatecznie silne, mogą hamować neuron. 7. Cechy przewodnictwa impulsu w nerwach. • dwukierunkowe: o izolowane włókno nerwowe (akson) przewodni impulsy w obu kierunkach od miejsca pobudzenia. W warunkach fizjologicznych (w łuku odruchowym) występuje przewodnictwo ortodromowe – jednokierunkowe, uwarunkowane obecnością synaps; 2

w czasie depolaryzacji istnieje kompletny brak pobudliwości tkanki.

bez strat (bez dekrementu): o amplituda potencjału czynnościowego w każdym punkcie włókna jest taka sama; izolowane: o impuls nerwowy nie przenosi się na równoległe włókna nerwowe, nawet gdy nie posiada ono osłon; szybkość zależna od mielinizacji i grubości włókna: o im bardziej zmielinizowane włókno, tym większa prędkość impulsu. We włóknach zmielinizowanych potencjał czynnościowy „przeskakuje” pomiędzy przewężeniami Ranviera z szybkością do 120 m/s. We włóknach nieosłoniętych „rozlewanie” się prądu jonowego spowalnia jego przewodzenie (tzw. przewodzenie ciągłe, analogowe).

• • •

grupa A B C

podgrupa średnica (μm) α 12-20 β 5-12 γ 3-6 δ 2-5 ok. 3 s oraz dr 0,4-1,3

𝒎

szybkość przewodzenia ( ) 𝒔 70-120 30-70 15-30 12-30 3-15 0,5-2

osłonka

mielinowa

brak

Tabela 3. Zależność szybkości impulsu nerwowego od średnicy włókna nerwowego.

grupa podgrupa

część układu nerwowego

α A

β γ δ

somatyczna

s

autonomiczna oraz bólowa

B C

dr

występowanie włókna niektórych protoneuronów (dendryty) i motoneuronów (neuryty) dendryty protoneuronów dotyku i ucisku aksony mononeurytów dendryty protoneuronów bólu i temperatury włókna wegetatywne przedzwojowe włókna sympatyczne zazwojowe włókna aferentne korzeni grzbietowych (aksony protoneuronów bólowych)

Tabela 4. Występowanie różnych podgrup włókien nerwowych na terenie układu nerwowego.

8. Przewodnictwo synaptyczne. Synapsy elektryczne (A) – bezpośredni przepływ potencjału czynnościowego, na styku elementu pre- i postsynaptycznego obecność koneksonów, brak opóźnienia synaptycznego; • neurony prawie się stykają tworząc połączenia typu neksus; • możliwa wędrówka jonów z jednej komórki do drugiej, czyli przekazywanie dwukierunkowe; • impuls przekazywany jest bardzo szybko; § występują w mięśniach, siatkówce oka, części korowej mózgu oraz niektórych częściach serca. Synapsy chemiczne (B) – potencjał czynnościowy przekazywane przez uwolnienie neurotransmitera; • komórki oddalone od siebie o około 20 nm; • kolbka synaptyczna, w której wytwarzane są neuroprzekaźniki; • impuls wytwarzany jest dużo wolniej; § występują w narządach wewnętrznych.

Typy synaps, czyli podział oparty o ich umiejscowienie: • akso-dendrytyczna – połączenie aksonu z dendrytem; • akso-somatyczna – połączenie aksonu z perykarionem; • akso-aksonalna – połączenie aksonu z aksonem; • nerwowo-mięśniowa – połączenie aksonu z włóknem mięśniowym; • nerwowo-gruczołowa – połączenie aksonu z gruczołem. Potencjały miniaturowe (prepotencjały) – niewielkie zmiany potencjału powodowane przez stały wyrzut małych ilości mediatora (1 kwant mediatora = 1 mV), rola rozrusznika synapsy, a więc pełni rolę troficzną.

element presynaptyczny

Opóźnienie synaptyczne – czas, w którym impuls nerwowych przechodzi przez synapsę, wynosi 0,5 ms. pęcherzyk synaptyczny z mediatorem (1 pęcherzyk = 1 kwant mediatora = 1 mV)

EPSP

IPSP

(zmiany katelektrotoniczne)

(zmiany anelektrotoniczne)

Sumowanie

błona presynaptyczna sprzężenie elektrowydzielnicze wychwyt zwrotny mediatora

szczelina synaptyczna ~ 20 nm

SDP (rozprzestrzeniający się wypadkowy potencjał somatodendrytyczny)

element postsynaptyczny

błona postsynaptyczna sprzężenie chemiczno-elektryczne

ISP (potencjał czynnościowy w segmencie inicjalnym – na wzgórku aksonu)

receptor SP (iglica na włóknie)

Powstawanie potencjału czynnościowego w motoneuronie.

Jony wapnia (Ca2+) – umożliwiają otwieranie pęcherzyków synaptycznych do przestrzeni synaptycznej. Unieczynnienie wydzielanego mediatora: • rozkład enzymatyczny (np. esteraza cholinowa – synapsa cholinowa); • wychwyt zwrotny przez element presynaptyczny lub komórki glejowe; • dyfuzja mediatora ze szczeliny synaptycznej. postać potencjału

amplituda (mV)

kanały jonowe

zmiany w błonie

czas trwania

sposób rozprzestrzeniania

czynnościowy

do 110

potencjałozależne

zawsze depolaryzacja

1-10 ms

bez ubytku

postsynaptyczny (EPSP/IPSP)

od...