Informace

Co způsobuje otevření sodíkových kanálů?


Co spouští otevření sodíkových kanálů v neuronální membráně? Je to acetylcholin, který aktivuje sodíkové kanály v postsynaptické membráně?

Jsou sodíkové kanály jako receptory, které se musí vázat na něco (jako protein nebo iont), aby se otevřely? Pokud ano, jaká je látka, která nutí Na+ kanály otevřít?


Sodné kanály jsou primárně napěťově řízené - to jsou kanály zodpovědné za akční potenciály.

Mnoho dalších receptorů je bráněno ligandovou branou a typicky jde o signál, který způsobuje počáteční změnu napětí, která otevírá napěťově řízené sodíkové kanály; tyto kanály jsou však méně selektivními kationtovými kanály a jsou propustné pro ionty, jako je draslík a sodík. Přesto je jejich propustnost pro sodík velmi důležitá, a proto mohou být také někdy považovány za sodíkové kanály.

Patří sem kanály řízené neurotransmiterem, jako jsou nikotinové acetylcholinové receptory a AMPA (glutamátové) receptory, a potenciální kanály přechodných receptorů, jako je receptor TRPV1, který je citlivý na bolestivé teplo, a chemický kapsaicin, díky kterému jsou chilli papričky „pálivé“.


Neuroscience pro děti

Tato stránka popisuje, jak fungují neurony. Doufám, že toto vysvětlení nebude příliš komplikované, ale je důležité pochopit, jak neurony dělají to, co dělají. Existuje mnoho detailů, ale jděte pomalu a podívejte se na obrázky.

Hodně z toho, co víme o tom, jak fungují neurony, pochází z experimentů na obřím axonu chobotnice. Tento obří axon sahá od hlavy až k ocasu olihně a slouží k pohybu ocasem olihně. Jak obří je tento axon? Může mít průměr až 1 mm - snadno vidět pouhým okem.

Neurony odesílají zprávy elektrochemicky. To znamená, že chemikálie způsobují elektrický signál. Chemikálie v těle jsou „elektricky nabité“-když mají elektrický náboj, nazývají se ionty. Důležitými ionty v nervovém systému jsou sodík a draslík (oba mají 1 kladný náboj, +), vápník (má 2 kladné náboje, ++) a chlorid (má záporný náboj, -). Existuje také několik negativně nabitých molekul bílkovin. Je také důležité si uvědomit, že nervové buňky jsou obklopeny membránou, která umožňuje průchod některých iontů a blokuje průchod jiných iontů. Tento typ membrány se nazývá polopropustné.

Klidový potenciál membrány

Když neuron nevysílá signál, je „v klidu“. Když je neuron v klidu, vnitřek neuronu je negativní vůči vnějšímu. Přestože se koncentrace různých iontů pokoušejí vyrovnat na obou stranách membrány, nemohou, protože buněčná membrána umožňuje průchod kanálů (iontových kanálů) pouze některým iontům. V klidu mohou ionty draslíku (K +) snadno procházet membránou. Také v klidu mají chloridové ionty (Cl -) a sodné ionty (Na +) obtížnější přechod. Negativně nabité molekuly proteinu (A -) uvnitř neuronu nemohou překročit membránu. Kromě těchto selektivních iontových kanálů existuje a čerpadlo který využívá energii k přesunu tří sodíkových iontů z neuronu na každé dva ionty draslíku, které vloží. Nakonec, když se všechny tyto síly vyrovnají a měří se rozdíl v napětí mezi vnitřkem a vně neuronu, máte klidový potenciál. Klidový membránový potenciál neuronu je asi -70 mV (mV = milivolt) - to znamená, že vnitřek neuronu je o 70 mV menší než vnější. V klidu je relativně více sodíkových iontů mimo neuron a více iontů draslíku uvnitř tohoto neuronu.

Akční potenciál

Klidový potenciál vypovídá o tom, co se stane, když je neuron v klidu. An akční potenciál nastává, když neuron posílá informace dolů axonem, pryč od těla buňky. Neurologové používají pro akční potenciál jiná slova, například „špice“ nebo „impuls“. Akční potenciál je výbuch elektrické aktivity, který je vytvořen a depolarizační proud. To znamená, že nějaká událost (podnět) způsobí, že se klidový potenciál pohybuje směrem k 0 mV. Když depolarizace dosáhne asi -55 mV, neuron vystřelí akční potenciál. To je práh. Pokud neuron nedosáhne této kritické prahové úrovně, nevystřelí se žádný akční potenciál. Když je dosažena prahová úroveň, vždy se spustí akční potenciál pevné velikosti. pro jakýkoli daný neuron je velikost akčního potenciálu vždy stejná. V jedné nervové buňce nejsou žádné velké ani malé akční potenciály - všechny akční potenciály jsou stejně velké. Neuron proto buď nedosáhne prahu, nebo se spustí plný akční potenciál - to je princip „VŠE NEBO ŽÁDNÝ“.

Akční potenciály vznikají při průchodu různých iontů přes membránu neuronu. Stimulace nejprve způsobí otevření sodíkových kanálů. Vzhledem k tomu, že na vnější straně je mnohem více sodíkových iontů a vnitřek neuronu je ve srovnání s vnějškem negativní, sodíkové ionty spěchají do neuronu. Pamatujte, že sodík má kladný náboj, takže neuron je pozitivnější a depolarizuje se. Otevření draslíkových kanálů trvá déle. Když se otevřou, draslík vyrazí z buňky a zvrátí depolarizaci. Přibližně v tuto dobu se sodíkové kanály začínají zavírat. To způsobí, že se akční potenciál vrátí zpět k -70 mV (repolarizace). Akční potenciál ve skutečnosti přesahuje -70 mV (hyperpolarizace), protože draslíkové kanály zůstávají otevřené příliš dlouho. Postupně se koncentrace iontů vrátí na klidové úrovně a buňka se vrátí na -70 mV.


Pochopení toho, jak se kanály vápníku otevírají a zavírají

Murali Prakriya, PhD, docent farmakologie, a jeho tým odhalili, jak se kalciový kanál otevírá a zavírá a jak mutace v tomto kanálu způsobují onemocnění.

Vědci z Northwestern Medicine identifikovali proces, který umožňuje otevření vápníkových kanálů a umožnění vstupu iontů vápníku do buněk, což osvětluje, jak kanál funguje a jak mutace v proteinovém kanálu způsobují onemocnění.

Ve studii, publikované v Komunikace přírodyVědci identifikovali mechanismus, který udržuje tento konkrétní kanál iontů vápníku-nazývaný kanál Ca 2+ (CRAC) aktivovaný uvolňováním Ca 2+-uzavřený, stejně jako pohyby v póru kanálu, které řídí otevírání „brány“ kanálu. ”

Předpokládá se, že vápníkové kanály CRAC existují ve většině, ne -li ve všech lidských buňkách, a hrají důležitou roli při aktivaci imunitního systému, vývoji a funkci svalů a neuronální komunikaci. Když se pór kanálu otevře, umožňuje tok iontů vápníku do buňky, což zvyšuje koncentraci vápníku v buňce a signalizační funkce, jako je transkripce genu, proliferace a migrace buněk. Rostoucí počet nemocí je spojen s abnormální funkcí kanálu CRAC, včetně imunodeficience, svalové dystrofie a neurologických onemocnění, jako je Alzheimerova choroba.

"Ačkoli je nyní význam CRAC kanálů pro lidské zdraví dobře znám, jejich fungování na molekulární úrovni zůstává špatně pochopeno," říká vedoucí autor Murali Prakriya, PhD, docent farmakologie.

Megumi Yamashita, PhD, DDS, odborný asistent farmakologie, provedla experimenty s elektrofyziologií a mikroskopií, aby zjistila, jak brána vápníkového kanálu využívá hydrofobní hradlový mechanismus.

Megumi Yamashita, PhD, DDS, výzkumná asistentka farmakologie, byla hlavní autorkou studie a Priscilla Yeung, postgraduální studentka programu Training Medicalist, také přispěla k příspěvku.

"Práce Megumi a Priscilly přetváří naše chápání toho, jak se póry těchto kanálů otevírají v reakci na podnět, a konkrétně osvětluje molekulární pohyby, které řídí otevírání pórů," řekla Prakriya.

Pomocí elektrofyziologických a mikroskopických technik vědci zjistili, že brána kanálu CRAC využívá hydrofobní energetickou bariéru, která brání nabitým iontům vápníku procházet póry v klidových kanálech.

"V iontových kanálech je pór obvykle šetrný k vodě, takže jedním ze způsobů, jak póry uzavřít, je vytvoření olejové nebo hydrofobní oblasti, která brání průchodu iontů vázaných na vodu-podobně jako způsob, jakým se olej a voda nemíchat. Aby se pór otevřel, hydrofobní oblast se stáhne z cesty, “řekla Prakriya.

Kromě identifikace molekulární struktury, která funguje jako „brána kanálu“, vyšetřovatelé také zjistili, že doména kanálu obklopující póry se během otevírání kanálu otáčí. To umožňuje hydrofobní „bráně“ pohybovat se stranou, což umožňuje póru propustnost pro vodu a ionty.

Pomocí superpočítače spustili spolupracovníci z University of Toronto molekulárně dynamické simulace, aby ukázali, že toto přemístění hydrofobní brány usnadňuje energetickou bariéru, což zvyšuje obsazení vody a iontů v póru, když se kanál otevře.

Tým také studoval lidskou mutaci v kalciovém kanálu, která způsobuje, že zůstává otevřená, což způsobuje nekontrolované krvácení, svalovou slabost a kognitivní vady.

Tento obrázek vizualizuje signální dráhu kanálu CRAC, která hraje důležitou roli v aktivaci imunitního systému, vývoji svalů a funkci a neuronální komunikaci.

Vyšetřovatelé použili znalosti získané z experimentálních a simulačních studií k prokázání, že lidská mutace narušuje molekulární stabilitu hydrofobní brány, což způsobuje, že se pór naplní vodou a nechá ionty cestovat kanálem.

"Pochopením toho, jak se kanál otevírá a zavírá, můžeme vysvětlit, proč lidské mutace způsobují abnormální aktivaci kanálu," řekla Prakriya. "V dlouhodobém horizontu je naší nadějí používat léky s malými molekulami, které interagují s hydrofobní bránou kanálu, aby manipulovaly s jeho aktivitou." To by mohlo napravit defekty v buněčné signalizaci a pomoci při hledání nových terapií pro imunitní, svalová a neurologická onemocnění, do nichž jsou zapojeny kanály CRAC. “

Dále Prakriya a jeho tým plánují studovat molekulární přesmyky a signály, které vedou k otevření brány kanálu.

Výzkum byl financován z grantů National Institutes of Health NS057499, GM114210, 5T32GM008382 a grantu MOP-130461 Kanadského institutu zdraví výzkumu.


2. Kontrakce kosterního svalu

Kosterní svaly zahrnují více jednotlivých svalových vláken, která jsou stimulována motorickými neurony vycházejícími z míchy. Jsou seskupeny a vytvářejí “motorové jednotky ” a v každé motorické jednotce může být přítomen více než jeden typ svalových vláken. Svalová vlákna lze rozdělit na rychlé a pomalé záškuby. Rychlé záškuby využívají glykolytický metabolismus a získávají se pro fázickou aktivitu (aktivní kontrakce). Pomalé záškuby (také známé jako červené svaly) jsou bohaté na myoglobin, mitochondrie a oxidační enzymy a specializují se na trvalou nebo tonizující aktivitu. Viz Schiaffino a Reggiani (2011), kde je úplnější diskuse o typech kosterních svalů a typech myosinových izoforem, které tvoří svaly s rychlým a pomalým škubnutím.

Neuromuskulární spojení (NMJ), které spojuje kosterní sval s nervy, které je inervují, se skládá ze tří odlišných částí: distálního motorického nervového zakončení, synaptické štěrbiny a postsynaptické oblasti, umístěné na svalové membráně. Motorické neurony se rozvětvují na více konců, které jsou umístěny vedle sebe na motorové koncové destičky, specializované oblasti svalu, kde jsou koncentrovány receptory neurotransmiterů (obr. 3 A). Přenos informací mezi nervem a svalem je zprostředkován uvolněním acetylcholinu z motorického neuronu, který difunduje přes synaptickou štěrbinu, a váže se a aktivuje ligandem řízené, nikotinové acetylcholinové receptory (nAChR) na koncové destičce. Aktivace nAChR vede k přílivu kationtů (sodíku a vápníku), který způsobuje depolarizaci membrány svalových buněk. Tato depolarizace zase aktivuje vysokou hustotu napěťově řízených sodíkových kanálů na svalové membráně, což vyvolává akční potenciál.

Kontrakce kosterních svalů a změny cvičením. (A) Neurotransmiter (acetylcholin, ACh) uvolněný z nervových zakončení se váže na receptory (AChR) na povrchu svalu. Následná depolarizace způsobí otevření sodíkových kanálů, což vyvolá akční potenciál, který se šíří podél buňky. Akční potenciál napadá T-tubuly a způsobí otevření kalciových kanálů typu L, což následně způsobí, že se ryanodinové receptory (RyRs) v SR otevřou a uvolní vápník, což stimuluje kontrakci. Vápník je čerpán zpět do SR pomocí čerpadel (SR/ER vápník ATPáza SERCA). Klesající hladiny cytosolového vápníku způsobují, že se vápník disociuje z troponinu C a v důsledku toho se tropomyosin vrací ke konformaci, která pokrývá místa vázající myosin. (B) Signalizace procvičovaného kosterního svalu. Vápník i na vápníku nezávislé signály stimulují transkripční koaktivátor PGC1 α. To aktivuje řadu transkripčních faktorů, které regulují geny asociované s mitochondriální biogenezí, glukózou a lipidovou homeostázou.

Akční potenciál probíhá podél vrcholu svalu a napadá T-tubuly (specializované invaginace membrány obsahující četné iontové kanály). Otevření napěťově řízených sodíkových kanálů aktivuje napěťově řízené vápníkové kanály typu L lemující T-tubul. Jejich konformační změna umožňuje uvolňování vápníku na úzce navázanou SR aktivací RyR1. Vápník se poté váže na troponin, jak je popsáno výše, a zahájí proces kontrakce. Na vápník vázaný CaM také aktivuje MLCK, jehož fosforylace MLC mění vlastnosti příčného můstku. To moduluje kontrakci závislou na troponinu, ačkoli na aktivitu ATPázy u MLC není žádný vliv. Fosforylace MLC místo toho zvyšuje rozvoj síly při submaximálních koncentracích nasyceného vápníku (viz níže). Fosfátová skupina je následně odstraněna proteinovou fosfatázou 1 (PP1).


Molekulární základ funkce

Klasická práce Hodgkina a Huxleyho [1] definovala tři klíčové vlastnosti sodíkových kanálů: aktivaci závislou na napětí, rychlou inaktivaci a selektivní iontovou vodivost. Na základě tohoto základu nám novější studie strukturních funkcí využívající molekulární, biochemické a elektrofyziologické techniky poskytly dobré porozumění molekulárnímu základu funkce sodíkových kanálů. Kritické pro toto byly neurotoxiny tetrodotoxin a saxitoxin, jejichž vlastnosti blokující póry byly využity k čištění proteinů sodíkového kanálu a k odhalení zbytků aminokyselin zapojených do vnějšího póru a do filtru selektivity. Vnější pór je tvořen opakujícími se smyčkami mezi transmembránovými segmenty S5 a S6 každé domény. Předpokládá se, že dvě důležité aminokyseliny v analogických polohách ve všech čtyřech doménách tvoří záporně nabité vnější a vnitřní kruhy, které slouží jako receptorové místo pro blokátory pórů a filtr selektivity (obrázek 1a). Mutace těchto zbytků mají významné účinky na vazbu tetrodotoxinu a saxitoxinu [20] a také mají výrazné účinky na selektivitu permeace organických a anorganických monovalentních kationtů sodíkovým kanálem [21, 22]. Nejpřesvědčivější důkaz pochází ze studie Heinemanna a kol. [23], kteří produkovali sodíkový kanál selektivní na vápník mutací zbytků vnitřního kruhu (DEKA v jednompísmenném kódu aminokyseliny) na jejich protějšky v kalciových kanálech (EEEE).

Stejně jako u jiných napěťově řízených iontových kanálů závisí napěťová závislost aktivace sodíkových kanálů na pohybu nabitých zbytků směrem ven v důsledku změněného elektrického pole přes membránu [1]. Segmenty S4 každé homologní domény slouží jako senzory napětí pro aktivaci. Jsou složeny z opakujících se motivů jednoho kladně nabitého zbytku následovaného dvěma hydrofobními zbytky, což potenciálně vytváří šroubovicové uspořádání kladných nábojů přes membránu. Po depolarizaci zahájí pohyb šroubovic S4 směrem ven a jejich souběžné otáčení konformační změnu, která otevře pór sodíkového kanálu. Tento model „klouzavé šroubovice“ [24] nebo „šroubovicového šroubu“ [25] je podložen silnými důkazy [3]. Například neutralizace klíčových kladně nabitých zbytků v S4 výrazně snižuje závislost hradla na napětí [26]. Vnější pohyb segmentů S4 směrem ven byl také detekován přímo skutečností, že když jsou některé zbytky v těchto šroubovicích nahrazeny cysteiny, extracelulární sulfhydrylová činidla s nimi reagují až po aktivaci kanálu [27–29].

Inaktivace sodíkového kanálu je kritickým procesem, ke kterému dochází během milisekund od otevření kanálu. V obecně přijímaném modelu tohoto procesu vysoce konzervovaná intracelulární smyčka, která spojuje domény III a IV, slouží jako inaktivační brána, podobně jako odklápěcí víčko, která se váže na intracelulární pór kanálu, aby ji deaktivovala (obrázek 2a). Intracelulární perfuze proteáz [30] nebo intracelulární aplikace protilátek, které rozpoznávají tuto smyčku, nikoli však protilátek proti jiným intracelulárním strukturám [31], brání rychlé inaktivaci. „Západka“ inaktivační brány je tvořena třemi klíčovými hydrofobními zbytky (IFM obrázek 2) a peptidy obsahující tento motiv mohou obnovit inaktivaci na sodíkové kanály, které mají mutovanou inaktivační bránu [32]. Mutace klíčového fenylalaninového zbytku (Phe1489) na různé hydrofilní zbytky zhoršují inaktivaci v různé míře. Pokud je navíc nahrazen cysteinovým zbytkem, zabrání se kovalentní modifikaci cysteinu, když je inaktivační brána zavřená [33]. Strukturální stanovení a NMR analýza jádrové části inaktivační brány odhalují tuhou a-helikální strukturu lemovanou motivem IFM [4] (obrázek 2b). V této struktuře postranní řetězec Phe1489 směřuje od jádra peptidu na stejné ploše jako blízký threonin (Thr1491), další kritický zbytek pro inaktivaci [33]. Na rozdíl od krátkého IFM motivu, který tvoří inaktivační bránu, receptor pro inaktivační bránu na těle kanálu může být složen z více hydrofobních zbytků poblíž intracelulárního ústí póru. Skenovací experimenty mutageneze implikují hydrofobní zbytky v intracelulárních smyčkách S4-S5 domén III a IV, stejně jako intracelulární konec transmembránových segmentů S6 těchto domén, jako složky receptoru pro deaktivační bránu [3].

Vzrušující objev bakteriálního sodíkového kanálu (NaChBac, obrázek 1c), sestávající z jediné domény šesti transmembránových α-šroubovicových segmentů [10], potenciálně poskytuje nové nástroje pro studium vztahů mezi strukturou a funkcí sodíkového kanálu. Kanál NaChBac zjevně tvoří homotetramer, což je funkční napěťově řízený sodíkový kanál. Má 100krát pomalejší rychlost deaktivace než Naproti kanály (protože nemá ekvivalent k deaktivační bráně). Kromě toho se jeho filtr selektivity na sodík jeví jako symetrický, tvořený čtyřmi glutamátovými zbytky v klíčových polohách ve všech čtyřech smyčkách pórů, připomínajícím kanál Ca 2+. Tento bakteriální sodíkový kanál poskytne jednodušší rámec než savčí kanály pro experimenty mutageneze k testování hypotéz týkajících se struktury a funkce napěťově řízených sodíkových kanálů. Kromě toho může malá velikost kanálu usnadnit získávání informací o krystalové struktuře, jak tomu bylo v případě oblasti pórů bakteriálního draslíkového kanálu (KcsA) [5].


Spolupráce neuron – gliová buňka

Tvorba Ranvierových uzlů s vysokou hustotou Na + kanálů

Na + kanály jsou seskupeny ve velmi vysoké hustotě uvnitř uzlové mezery, zatímco napěťově závislé K + kanály jsou odděleny v juxta-paranodálních oblastech pod překrývajícím se myelinem ( Obrázek 2.5 ). Pro testování, zda kontakt oligodendrocytů s axonem ovlivňuje distribuci Na + kanálu, uzly Ranviera v mozku hypomyelinizační myši Chvění jsou vyšetřeny. Chvění myši mají oligodendrocyty, které obalují axony, ale netvoří kompaktní myelinové a axogliální spoje. U těchto mutantních myší je mnohem méně shluků kanálů Na + než u kontrolních vrhů a jsou pozorována aberantní umístění Na + kanálů. Pokud by shlukování Na + kanálů záviselo pouze na přítomnosti oligodendrocytů a bylo by nezávislé na myelinovém a oligodendrogliálním kontaktu, dalo by se očekávat nalezení normální distribuce Na + kanálu podél „chvějících se“ axonů.


Nervový systém

Nervový systém se skládá ze složité sbírky nervů a specializovaných buněk, které nám umožňují reagovat na naše prostředí. Kdykoli se setkají dvě nervové buňky (neurony), vytvoří synapsi. Náš mozek tvoří tolik synapsí, že převyšují počet hvězd v galaxii. To je to, co nám umožňuje provádět komplexní chování a být tak zatraceně brilantní ...

Jak funguje nervový systém

Nervový systém detekuje změny v našem prostředí (známé jako podněty) prostřednictvím buněk zvaných receptory. Receptory jsou citlivé na řadu různých aspektů našeho prostředí, jako je světlo, tlak (dotek) a chemické látky ve vzduchu (zápach). Když receptory detekují určité podněty, signalizují to centrální nervový systém (CNS) prostřednictvím zahájení elektrické impulsy prostřednictvím neuronu (nervové buňky). Neuron, který vysílá elektrický impuls z receptoru ve smyslovém orgánu a koordinačním centru, se nazývá senzorický neuron. Koordinační centrum přijímá impulsy z různých receptorů kolem těla, zpracovává informace a koordinuje odpověď signalizací do jiných částí těla. Mezi koordinační centra patří mozek, mícha a slinivka břišní. Tyto orgány budou signalizovat efektor (sval nebo žláza) uvolněním elektrického impulsu podél a motorický neuron. Stimulace efektoru vyvolá reakci, jako je svalová kontrakce nebo hormonální uvolnění.

Receptory

Náš nervový systém k tomu používá receptory detekovat podněty (změny prostředí) a předejte tyto informace společnosti CNS. Receptory mohou být buď celých buněk (např. fotoreceptory jsou buňky citlivé na světlo) nebo bílkoviny molekuly, které se nacházejí na membráně buněčného povrchu. Každý receptor je charakteristický na jeden typ stimulu, jako je světlo, teplota nebo koncentrace glukózy. Když není receptor stimulován, existuje a rozdíl nabíjení mezi vnitřní a vnější částí membrány a říká se, že je polarizované. Když receptor detekuje podnět, propustnost její buněčné membrány se mění, což mění rozdíl v náboji (potenciální rozdíl) přes membránu. Pokud je změna potenciálního rozdílu dostatečně velká (tj. Překročí prahovou úroveň), spustí se akční potenciál (elektrický impuls) ve smyslovém neuronu.

V našich smyslových orgánech obsahují následující receptory:

Chemoreceptory - receptory, které detekují Chemikálie

Termoreceptory - receptory, které detekují teplo

Mechanoreceptory - receptory, které detekují tlak (viz Pacinian corpuscle níže)

Fotoreceptory - receptory, které detekují světlo (např. tyče a kužely)

Fotoreceptory

Fotoreceptory jsou receptory, které detekují světlo a nacházejí se v sítnice oka. Existuje oblast sítnice zvaná fovea který obsahuje shluk buněk fotoreceptorů. Fotoreceptory detekují světlo při dopadu na sítnici a vysílají nervové impulsy do mozku podél zrakový nerv. Oblast oka obsahující optický nerv se nazývá slepé místo, protože v této oblasti nejsou žádné fotoreceptory, takže světlo nelze detekovat. Fotoreceptory jsou připojeny k optickému nervu a bipolární neuron.

Lidské oko má dva typy fotoreceptorů - tyče a kužely. Tyčinky jsou většinou umístěny podél vnější strany sítnice, zatímco kužele jsou seskupeny ve fovei. Tyče jsou zodpovědní za černobílé vidění a mohou fungovat při nižších úrovních osvětlení než kužely. Jsou mnohem citlivější než čípky, stejně jako typ fotoreceptoru používaný k vizualizaci objektů ve tmě. Kužely jsou zodpovědní za barevné vidění a jsou citlivé na modré, zelené nebo červené světlo. Různé kužely jsou stimulovány v různých poměrech, takže vidíme různé barvy. Kuželové buňky poskytují dobrá zraková ostrost (schopnost rozlišovat mezi dvěma body, které jsou blízko sebe), protože každá kuželová buňka má své vlastní synapse prostřednictvím bipolárního neuronu, který se připojuje k optickému nervu.

v temný podmínky, membrána tyčinkových buněk je depolarizováno, což znamená, že mezi vnitřní a vnější částí membrány není velký rozdíl v náboji. Je to proto, že tyčinkové buňky aktivně transportovat sodné ionty ven z buňky, které proudí přímo zpět do buňky kanály sodíkových iontů. Depolarizace membrány tyčinkových buněk spustí uvolňování neurotransmiterů který inhibují bipolární neuron. Bipolární neuron nemůže vystřelit akční potenciál, což znamená, že do mozku se neposílají žádné informace. Pokud je však přítomno světlo, světelná energie způsobí tzv. Pigment rhodopsin rozdělit na dva proteiny, sítnice a opsin. Tento proces se označuje jako bělení rhodopsinu a to způsobuje sodíkové iontové kanály v buněčném povrchu membrány na zavřít. Sodné ionty jsou nadále aktivně transportovány z tyčových buněk, ale nemohou proudit zpět do buňky iontovými kanály, což vytváří rozdíl v náboji přes membránu. Vnitřek membrány je nyní mnohem negativnější ve srovnání s vnějškem a tyčová buňka je údajně hyperpolarizovaný. Když je tyčová buňka hyperpolarizována přestává uvolňovat neurotransmitery. Tohle znamená tamto inhibice bipolárního neuronu se zastaví a nyní se může depolarizovat. Pokud depolarizace překročí prahovou úroveň, informace jsou předány do mozku pomocí zrakový nerv a je detekována přítomnost světla.

Pacinian corpuscles

Pacinian corpuscles jsou receptory, které reagují na změny v tlak - jsou typem mechanoreceptor. Nacházejí se hluboko v kůži a hojně se nacházejí v chodidlech, prstech, vnějších genitáliích a v našich kloubech. Pacinianské tělísko se skládá z a jediný senzorický neuron, obklopen vrstvy tkáně které jsou od sebe odděleny a gel, tvořící strukturu podobnou cibuli.

Pacinian corpuscle obsahuje nataženě zprostředkované sodíkové iontové kanály v membráně buněčného povrchu. Za normálních podmínek jsou tyto kanály uzavřeny, ale když je aplikován tlak, tyto kanály se stanou zdeformovaný a otevřené, což umožňuje rychlý příliv sodíkových iontů. Díky tomu je membránový potenciál v neuronu méně negativní (depolarizace), produkující generátorový potenciál, který pak může produkovat akční potenciál.

Druhy neuronů

Neurony jsou buňky, které přenášejí informace do a z centrálního nervového systému ve formě takzvaných elektrických impulsů akční potenciály. Existují tři různé typy neuronů s mírně odlišnými strukturami. Co však mají všichni společné, je a buněčné tělo obsahující jádro, dendrity které nesou akční potenciál směrem k tělu buňky a axon který nese akční potenciál z těla buňky.

Senzorické neurony přenášejí akční potenciály z receptorů do centrálního nervového systému. Skládají se z jednoho dlouhého dendronu a krátkého axonu.

Reléové neurony nesou akční potenciály mezi senzorickými a motorickými neurony a nacházejí se v CNS. Mají spoustu krátkých dendritů.

Motorické neurony přenášet akční potenciály z CNS do efektoru. Mají spoustu krátkých dendritů a jeden dlouhý axon.

Klidový potenciál

Když neuron nevypálí (tj. Nepřenáší akční potenciál), existuje rozdíl v náboji mezi vnitřní a vnější částí membrány (tj. polarizované). Tento rozdíl v poplatcích se označuje jako klidový potenciál a je obvykle kolem -70 mV. Polarizace membrán neuronových buněk v klidu nastává v důsledku působení sodno-draselné iontové pumpy. Tato čerpadla se nacházejí v buněčné membráně a aktivně transportují ionty sodíku a draslíku do a ven z neuronu. Pro každého tři sodné ionty že proteiny pumpují z buňky, pumpují dva ionty draslíku do cely. Tím je zajištěno, že z buňky je vždy více kladných iontů ve srovnání s uvnitř buňky, a zajišťuje se rozdíl v náboji napříč membránou.

Akční potenciál

Při stimulaci neuronu dojde ke ztrátě rozdílu náboje mezi vnitřní a vnější částí buněčné membrány a membrána ano depolarizováno. Pokud dojde ke ztrátě dostatečného náboje a depolarizace překročí -55 mV, an akční potenciál se v tom neuronu objeví. „Limit“ -55 mV je známý jako prahový potenciál - jakákoli depolarizace nad toto číslo bude mít za následek akční potenciál, zatímco cokoli menšího bude mít za následek nic. Akční potenciály proto označujeme jako Odpověď „všechno nebo nic“.

Depolarizace během akčního potenciálu nastává, protože otevřené kanály sodíkových iontů v membráně. Pamatujte, že sodno-draselné iontové čerpadlo aktivně transportuje sodíkové ionty z neuronu a vytváří gradient koncentrace sodíkových iontů. To znamená, že když se otevřou kanály sodíkových iontů, ionty sodíku pronikají do neuronu usnadněnou difúzí. Rozdíl potenciálu přes membránu se zmenšuje, dokud nedosáhne napětí kolem +30 mV.

Kanály sodíkových iontů se zavírají a kanály iontů draslíku otevřené, což způsobuje, že se ionty draslíku pohybují z neuronu dolů jejich koncentračním gradientem. Pohyb kladných iontů ven z buňky znamená, že přes membránu je opět rozdíl náboje - tomu se říká repolarizace. Rozdíl náboje však přesahuje klidový potenciál a stává se „hyperpolarizovaný“. Důvodem je, že kanály draslíkových iontů se pomalu zavírají a příliš mnoho iontů draslíku difunduje ven z neuronu. Akce akce sodno-draselné iontové čerpadlo obnovuje rovnováhu mezi ionty sodíku a draslíku na obou stranách membrány a vrací neuronu jeho klidový potenciál -70 mV.

Bezprostředně po akčním potenciálu je krátké období zvané žáruvzdorné období. Během refrakterního období nelze neuron stimulovat a akční potenciál nemůže nastat. Důvodem je, že iontové kanály jsou zotavuje se a nelze je otevřít. Žáruvzdorné období je důležité, protože to zajišťuje akční potenciály se nepřekrývají (tj. procházejí neuronem jako oddělené impulsy) a že akční potenciály jsou jednosměrný.

Jakmile se v jedné části neuronu objeví akční potenciál, bude stimulovat akční potenciál v přilehlé části neuronu a vytvoří jakousi „mexickou vlnu“ depolarizace. Tento vlna depolarizace nastává, protože ionty sodíku difundují do neuronu difúzní do stran, což způsobí otevření napěťově řízených iontových kanálů v další části neuronu, takže ionty sodíku se přesunou do neuronu dále podél membrány. Vlna se vzdaluje od části neuronu, která právě vystřelila akční potenciál, protože tato část neuronu bude v žáruvzdorné období a nelze je stimulovat.

Slané vedení

Některé neurony jsou izolovány tukovou vrstvou podél axonu. Tato tuková vrstva se nazývá a myelinová vrstva a je tvořen typem buňky zvané a Schwannova buňka. Myelinový obal funguje jako elektrický izolátor, což znamená, že ionty se nemohou pohybovat do nebo z myelinizovaných částí neuronu. However, there are gaps in the myelin sheath called uzly Ranvier, where sodium ion channels and potassium ion channels are concentrated. Action potentials occur only at the nodes of Ranvier - when one node is stimulated this triggers depolarisation of the next node, causing the impulse to ‘jump’ from node to node. This type of nervous transmission is called saltatory conduction and is much faster than transmission along non-myelinated neurones, where the action potential has to travel along the entire length of the neurone in a wave of depolarisation. The speed at which an action potential moves along a neurone is known as the conduction velocity - the higher the conduction velocity, the faster the action potential is travelling. This means that action potentials along myelinated neurones have a higher conduction velocity compared to those travelling along non-myelinated neurones.

Size of the stimulus

We’ve seen how an action potential is an ‘all-or-nothing’ response. If the threshold potential is reached, an action potential will occur. This action potential is always of the same voltage (depolarisation to +30 mV) regardless of whether the stimulus that initiated the action potential is small (e.g. a pinprick) or large (e.g. a sledgehammer). If the threshold isn’t reached then an action potential will not be fired. The difference between action potentials resulting from stimuli of different sizes is the frekvence that action potentials are firing - the bigger the stimulus, the more often an action potential will occur along the neurone.

Anaesthetics

Anaesthetics jsou drugs which create a numbing sensation and are used in medicine to prevent patients from feeling pain (e.g. during an operation). They work by binding to sodium ion channels in the neurone and preventing them from opening. If sodium ions cannot move into the neurone, then the membrane cannot depolarise and an action potential cannot occur. This prevents neurone from sending a pain impulse to the brain, so the brain doesn’t register anything.

Synapsí

A synapse je gap found between neurones (or between a motor neurone and an effector). Electrical impulses cannot pass through the gap, so neurones release neurotransmitters from one neurone to the next to stimulate an action potential in the next neurone. The neurone before the synapse is called the presynaptic neurone and the one after the synapse is called the postsynaptic neurone. The space between them is called the synaptická štěrbina. This means that action potentials will travel along the presynaptic neurone, through the synaptic cleft (via neurotransmitters) then along the postsynaptic neurone. The presynaptic neurone has a swelling at the end which is called the synaptic knob.

Synaptic transmission takes place in the following stages:

An action potential arrives at the end of the presynaptic neurone (at the synaptic knob) and triggers the opening of voltage-gated calcium ion channels.

Calcium ions move into the synaptic knob by facilitated diffusion and trigger the movement of vesicles containing neurotransmitters (such as acetylcholine or dopamine) towards the presynaptic membrane.

The vesicles fuse with the presynaptic membrane and their contents is released by exocytóza.

The neurotransmitters diffuse across the synaptic cleft and bind to specific receptors on the postsynaptic membrane.

This triggers the opening of sodium ion channels in the postsynaptic membrane. Sodium ions move into the postsynaptic neurone, causing depolarisation and triggering an akční potenciál if the excitation exceeds the threshold potential of -55 mV.

The neurotransmitter is removed from the synaptic cleft which prevents the continuous stimulation of an action potential in the postsynaptic neurone. The neurotransmitter is either reabsorbed by the presynaptic neurone (and recycled) or broken down by enzymes in the synaptic cleft (and the products are reabsorbed).


Nerve Impulse Transmission within a Neuron

For the nervous system to function, neurons must be able to send and receive signals. These signals are possible because each neuron has a charged cellular membrane, also termed the membrane potential (a voltage difference between the inside and the outside), and the charge of this membrane can change in response to chemicals called neurotransmitters that are released from other neurons and environmental stimuli. To understand how neurons communicate, one must first understand the basis of the baseline or 'resting' membrane potential.


Evolution and selectivity

Ions flow passively through channels toward equilibrium. This movement may be driven by electrical (voltage) or chemical (concentration) gradients. The ability to alter ion flow as a result of the development of ion channels may have provided an evolutionary advantage by allowing single-celled organisms to regulate their volume in the face of environmental changes. Through subsequent evolution, ion channels have come to play essential roles in cellular secretion and electrical signaling.

Most ion channels are gated—that is, they open and close either spontaneously or in response to a specific stimulus, such as the binding of a small molecule to the channel protein (ligand-gated ion channels) or a change in voltage across the membrane that is sensed by charged segments of the channel protein (voltage-gated ion channels). In addition, most ion channels are selective, allowing only certain ions to pass through. Some channels conduct only one type of ion (e.g., potassium), whereas other channels exhibit relative selectivity—for example, allowing positively charged cations to pass through while excluding negatively charged anions. Cells in higher organisms may express more than 100 different types of ion channel, each with different selectivity and different gating properties.


Clinical Relevance - Multiple Sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is an acquired, chronic autoimmune disorder affecting the CNS. It results in demyelination, gliosis, and neuronal damage. Common presentations of the disease are optic neuritis, transverse myelitis, and cerebellar symptoms such as ataxia.

[caption align="aligncenter"] Fig 5 - Diagram demonstrating the main symptoms that multiple sclerosis may present with.[/caption]

There are three main patterns of disease:

  • Relapsing-remitting - Patients face episodes of remission (during which no symptoms are present) and exacerbations of the disease.
  • Secondary Progressive - Initially the MS is of a relapsing-remitting pattern. However, at some point, the disease course changes, and the neurological function gradually worsens.
  • Primary progressive - After the onset of the disease there is a steady progression and worsening of the disease.

There is no known cure for MS. However some therapies have proven useful in terms of managing acute exacerbations, preventing exacerbations, and slowing down disability. For example, high doses of intravenous corticosteroids can help to relieve symptoms in acute exacerbations.


Podívejte se na video: How to unboil an egg - Eleanor Nelsen (Leden 2022).