Читать книгу Fizjologia człowieka w zarysie - Группа авторов - Страница 29

Jak już wspomniano, zarówno bodźce ze środowiska zewnętrznego, jak i te z wnętrza organizmu są odbierane przez receptory. Bezpośrednie oddziaływanie różnych bodźców: termicznych, chemicznych i mechanicznych prowadzi do podrażnienia receptorów i przetworzenia bodźca na impuls elektryczny. Tak zakodowana informacja zostaje później przekazana za pośrednictwem potencjału czynnościowego do innych komórek układu nerwowego. Złożoność ludzkiego organizmu wymaga bardzo sprawnej integracji oraz przetwarzania wszystkich odbieranych bodźców. Jest to możliwe dzięki istnieniu niezwykle bogatej sieci połączeń między neuronami. Ostatecznie wygenerowane impulsy elektryczne docierają do narządów docelowych, wyzwalając określoną reakcję na działający bodziec. Komunikacja poszczególnych komórek nerwowych oraz połączenie neuronów z komórkami efektorowymi (mięśniowymi, gruczołowymi)są możliwe dzięki obecności specjalnych złączy, zwanych synapsami.

Ze względu na umiejscowienie synapsy dzielimy na: nerwowo-nerwowe, łączące ze sobą neurony, nerwowo-mięśniowe, powstające między zakończeniami neuronów ruchowych a komórkami mięśniowymi, oraz nerwowo-gruczołowe, oddziałujące na komórki gruczołów dokrewnych. Każda synapsa składa się z części presynaptycznej, którą tworzy błona presynaptyczna, szczeliny synaptycznej oraz części postsynaptycznej, utworzonej przez błonę postsynaptyczną.

W zależności od sposobu przewodzenia impulsu pomiędzy komórkami synapsy możemy podzielić na elektryczne i chemiczne (ryc. 2.7).

Przewodzenie w synapsach elektrycznych polega na bezpośrednim przekazaniu potencjału czynnościowego pomiędzy sąsiednimi komórkami. Jest to możliwe dzięki obecności bezpośredniego połączenia komórek – tzw. połączenia szczelinowego (gap junction). Są to hydrofilne kanały jonowe o średnicy około 1,4 nm, zbudowane z sześciu podjednostek białkowych – koneksyn. Niewielki rozmiar tych kanałów oraz ich hydrofilowy charakter sprawiają, że przenikają przez nie z łatwością niewielkie jony. W ten sposób znajdujące się blisko siebie komórki mogą przekazywać między sobą pobudzenia w postaci zmiany potencjału elektrycznego związanego z przepływem jonów Na⁺ i K⁺. Przewodzenie przy udziale synaps elektrycznych cechuje się bardzo dużą szybkością i może zachodzić dwukierunkowo.

Rycina 2.7. Zasady przewodnictwa nerwowego w synapsie chemicznej i elektrycznej

(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz, M.P. Budzik, A.M. Badowska-Kozakiewicz).

W obrębie ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego w większości przypadków obserwuje się jednak przewodnictwo typu chemicznego, za pomocą synaps chemicznych. Połączenia tego typu cechują się szczególną budową, a przekazywanie sygnałów odbywa się za pośrednictwem różnorodnych substancji chemicznych (neurotransmiterów). Niektóre z nich wymieniono w tabeli 2.3.

Element presynaptyczny w synapsie chemicznej to wyspecjalizowana struktura zwana kolbką presynaptyczną. Zawiera ona mitochondria, skupiska siateczki śródplazmatycznej szorstkiej oraz liczne pęcherzyki synaptyczne, w których zgromadzone są neurotransmitery i neuromodulatory. Struktury te, wytworzone pierwotnie w ciele komórki nerwowej, wędrują w okolice błony presynaptycznej ortodromowo wzdłuż aksonu, przy udziale opisanego wcześniej transportu aksonalnego. Element postsynaptyczny w synapsie chemicznej tworzy błona postsynaptyczna. Na jej powierzchni znajdują się receptory dla konkretnych przekaźników. Związanie neurotransmitera z receptorem wyzwala reakcję w błonie postsynaptycznej polegającą na zmianie jej przepuszczalności dla jonów, powodując w efekcie przekazanie potencjału czynnościowego. Błonę presynaptyczną i postsynaptyczną rozdziela szeroka na 15–50 nm przestrzeń, zwana szczeliną synaptyczną.

Przewodzenie impulsu elektrycznego przez synapsę chemiczną rozpoczyna się depolaryzacją błony presynaptycznej, która zachodzi, gdy do zakończenia aksonu dociera potencjał czynnościowy. Zmiana potencjału w obrębie błony komórkowej otwiera, poza kanałami sodowymi, bramkowane elektrycznie kanały wapniowe. Skutkuje to napływem jonów Ca²⁺ ze środowiska zewnątrzkomórkowego do wnętrza neuronu. Jony wapnia łączą się z kalmoduliną i aktywują odpowiednią kinazę białkową. Kinaza katalizuje reakcję fosforylacji synapsyny – białka „przytrzymującego” pęcherzyki synaptyczne. Ufosforylowanie synapsyny powoduje jej odłączenie od pęcherzyków zawierających w swoim wnętrzu przekaźniki. Uwolnione w ten sposób pęcherzyki podpływają w pobliże błony presynaptycznej i ulegają fuzji z jej powierzchnią. W ten sposób neurotransmiter wydostaje się do szczeliny synaptycznej i w bardzo krótkim czasie (około 0,6 ms) dyfunduje do błony postsynaptycznej. Interakcja neurotrans-mitera z odpowiednim receptorem może powodować otwarcie kanałów sodowych, prowadząc do wzrostu przepuszczalności błony postsynaptycznej dla jonów Na⁺ i jej depolaryzacji, warunkując powstanie postsynaptycznego potencjału pobudzającego (EPSP – excitatory postsynaptic potential). W innych przypadkach inter-akcja neuroprzekaźnika z receptorem może otwierać kanały jonowe dla K⁺ i Cl^–, warunkując przy tym zwiększenie przepuszczalności błony postsynaptycznej dla tych jonów i odpowiednio jej hiperpolaryzację, czyli powstanie postsynaptycznego potencjału hamującego (IPSP – inhibitory postsynaptic potential) (ryc. 2.8). Opisane reakcje dotyczą receptorów sprzężonych z kanałami jonowymi. Ich pobudzenie skutkuje zmianą konformacji kanałów jonowych, ich otwarciem i ostatecznie przepływem odpowiednich jonów zgodnie z gradientem stężeń. Są to tzw. receptory jonotropowe. Odmiennym rodzajem receptorów są receptory metabotropowe. Są to specjalne białka błonowe, których domeny wewnątrzkomórkowe wykazują aktywność enzymatyczną. Pod wpływem przyłączenia zewnątrzkomórkowego neuroprzekaźnika inicjują one wtórną kaskadę sygnałów wewnątrz komórki, które finalnie oddziałują z kanałami jonowymi znajdującymi się w ich sąsiedztwie. Wyróżniamy trzy typy receptorów metabotropowych, wydzielone na podstawie rodzaju katalizowanej przez nie reakcji: receptory sprzężone z białkami G, receptory o aktywności wewnętrznej kinazy tyrozynowej oraz receptory przekazujące pobudzenie poprzez cyklazę guanylową. Najpowszechniejsze są receptory sprzężone z białkami G. Mogą one działać w dwojaki sposób. Aktywacja białka G może prowadzić do pobudzenia komórki docelowej na szlaku fosfatydyloinozytolowym lub poprzez aktywację cyklazy adenylowej. W pierwszym przypadku dochodzi do rozpadu bisfosfatydylo-4,5-fosforanu (PIP₂) na trójfosforan inozytolu (PIP₃) oraz diacyloglicerol (DAG), które następnie działają jako wtórne wewnątrzkomórkowe przekaźniki. Innym rodzajem aktywności białka G jest konwersja ATP do formy cyklicznego adenozynomonofosforanu (cAMP), który również pełni funkcję przekaźnika wtórnego. Czasem zdarza się, że same białka G mają zdolność funkcjonowania jako przekaźniki wtórne – mogą bezpośrednio zamykać lub otwierać kanały jonowe.

Tabela 2.3. Najważniejsze neurotransmitery OUN

Końcowym efektem reakcji zachodzących przy udziale receptorów metabotropowych jest, tak jak w przypadku receptorów jonotropowych, otwarcie określonych kanałów jonowych oraz powstanie potencjału postsynaptycznego. Synapsy wytwarzające EPSP nazywamy synapsami pobudzającymi, a te wytwarzające IPSP – synapsami hamującymi. Chociaż zdecydowana większość neuroprzekaźników oddziałuje na błonę postsynaptyczną, przekaźniki mogą wiązać się również z receptorami zlokalizowanymi na błonie presynaptycznej, wyzwalając zwrotnie reakcję w neuronie, z którego pierwotnie pochodziło pobudzenie.

Rycina 2.8. Efekty oddziaływania neurotransmiterów na błonę postsynaptyczną

(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz, M.P. Budzik, A.M. Badowska-Kozakiewicz).

W niektórych synapsach każdy presynaptyczny potencjał czynnościowy wyzwala przez pojedyncze uwolnienie neuroprzekaźnika jeden postsynaptyczny potencjał czynnościowy. W takiej sytuacji mówimy o doskonałym przewodzeniu synaptycznym w stosunku 1 : 1. Dzieje się tak na przykład w synapsach nerwowo-mięśniowych (płytka nerwowo-mięśniowa, płytka motoryczna). Najczęściej jednak aktywacja pojedynczej synapsy powoduje jedynie niewielkie, podprogowe zmiany o charakterze EPSP lub IPSP w błonach postsynaptycznych sąsiednich neuronów. Złożoność sieci neuronalnej i niewyobrażalna wręcz liczba połączeń synaptycznych powoduje, że zdecydowana większość neuronów jednoczasowo odbiera wiele pobudzeń od różnych komórek. Szacuje się na przykład, że ciała komórkowe α-motoneuronów posiadają na swojej powierzchni kilkadziesiąt tysięcy kolbek synaptycznych, wydzielających zarówno przekaźniki pobudzające, jak i hamujące. Dlatego ostateczny efekt pobudzenia komórki jest związany z wypadkową wartością działających na nią w danym momencie potencjałów EPSP i IPSP. Elementy postsynaptyczne są zatem strukturami odpowiedzialnymi za integrację wszystkich dochodzących do komórki pobudzeń. Podobnie jak w przypadku potencjałów lokalnych mają one możliwość sumowania przestrzennego i czasowego. W odróżnieniu od synaps elektrycznych synapsy chemiczne mają zdolność jedynie jednokierunkowego przekazywania sygnałów, a proces ten, ze względu na istotną złożoność, jest także znacznie wolniejszy i cechuje się mniejszą wiernością przekazu.