ΜΑΘΗΜΑ 2ο ΜΕΤΑΒΙΒΑΣΗ ΤΟΥΝΕΥΡΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΜΑΘΗΜΑ 2ο ΜΕΤΑΒΙΒΑΣΗ ΤΟΥΝΕΥΡΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ

2 Τα νευρικά κύτταρα έχουν τη μοναδική ικανότητα να επικοινωνούν με ακρίβεια και με ταχύτητα σε μεγάλη απόσταση τόσο μεταξύ τους όσο και με τα κύτταρα στόχους που δεν ανήκουν στο νευρικό σύστημα όπως είναι τα μυϊκά και αδενικά κύτταρα Αυτή η ικανότητα μετάδοσης σημάτων εξαρτάται από ταχείες μεταβολές της διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης

3 Εξειδικευμένες πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης σχηματίζουν διαύλους οι οποίοι επιτρέπουν τη διέλευση συγκεκριμένων ανόργανων ιόντων δια μέσου της μεμβράνης με εκπληκτικούς ρυθμούς Με τον τρόπο αυτό οι δίαυλοι εξασφαλίζουν την ταχεία ροή ρεύματος στην οποία οφείλονται οι μεταβολές του δυναμικού της μεμβράνης Κάθε δίαυλος επιλέγει ένα συγκεκριμένο είδος ιόντος και μπορεί να αποκριθεί σε ένα ειδικό τύπο εξωτερικού ερεθίσματος. Έτσι η ροή ρεύματος προς και από ένα επιμέρους νευρικό κύτταρο ρυθμίζεται από μια πολύπλοκη διάταξη διαύλων ιόντων

4 ΔΙΑΥΛΟΙ ΙΟΝΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Άγουν ιόντα Αναγνωρίζουν και επιλέγουν ιόντα Ανοίγουν και κλείνουν αποκρινόμενοι σε ειδικά ηλεκτρικά, μηχανικά ή χημικά σήματα

5 ΡΥΘΜΙΣΗ ΔΙΑΥΛΩΝ Οι δίαυλοι ρυθμίζονται με (3) τρόπους Από την τάση (τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι) Από χημικούς διαβιβαστές (δίαυλοι που ονομάζονται έτσι, διότι το μόριο του διαβιβαστή προσδένεται σε υποδοχέα) Από την πίεση ή την διάταση (μηχανικοί ελεγχόμενοι δίαυλοι) Ο κάθε δίαυλος είναι συνήθως πιο ευαίσθητος σε ένα μόνο τύπο επίδρασης

6 Οι δίαυλοι ιόντων είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες Τα ιόντα που βρίσκονται στο εξωτερικό και εσωτερικό του κυττάρου προσελκύουν μόρια ύδατος και είναι υδρόφιλα Τα κατιόντα έλκονται από άτομα Ο2 Τα ανιόντα έλκονται από άτομα Η2 Τα ιόντα μπορούν να διαπεράσουν τη

7 Τα ιόντα σε διάλυμα περιβάλλονται από ένα νέφος μορίων ύδατος ( μόρια ενυδάτωσης) τα οποία έλκονται από το καθαρό φορτίο του ιόντος. Το νέφος μεταφέρεται από το ιόν, καθώς αυτό διαχέεται σε ένα διάλυμα, αυξάνοντας έτσι το πραγματικό μέγεθος του ιόντος Όσο πιο μικρό είναι το ιόν τόσο μικρότερο χώρο καταλαμβάνει το φορτίο του και τόσο πιο ισχυρό είναι το ηλεκτρικό του πεδίο Μικρότερα ιόντα όπως του Νa+ έχουν ισχυρότερα πραγματικά πεδία από μεγαλύτερα ιόντα όπως είναι το K+

8 NEYPOEΠIΣTHMH KAI ΣYMΠEPIΦOPA ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

9 Συνεπώς τα μικρότερα ιόντα ασκούν ισχυρότερη έλξη στα μόρια ύδατος, έτσι όταν ένα Na+ μετακινείται στο διάλυμα, η επί πλέον ηλεκτροστατική του έλξη προς το ύδωρ έχει την τάση να καθυστερεί σε σχέση με το K+ και επομένως, λόγω του μεγαλύτερου υδάτινου περιβάλλοντος, το Na+ συμπεριφέρεται σαν να ήταν μεγαλύτερο από το K+

11 ΕΡΜΗΝΙΑ ΤΗΣ ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΔΙΑΥΛΩΝ Η θεωρία των πόρων εμπλουτίσθηκε με την υπόθεση ότι οι δίαυλοι έχουν στενώσεις οι οποίες λειτουργούν σαν μοριακά κόσκινα Στην περιοχή αυτού του ηθμού επιλογής, ένα ιόν εγκαταλείπει τα περισσότερα μόρια ενυδάτωσής του και σχηματίζει αντ αυτών ασθενείς χημικούς δεσμούς (ηλεκτροστατικές επιδράσεις) με πολικά φορτισμένα κατάλοιπα αμινοξέων που επενδύουν τα τοιχώματα του διαύλου

12 Δεδομένου ότι η απώλεια μορίων ενυδάτωσης είναι ενεργειακά δυσμενής για ένα ιόν, το ιόν αυτό θα διασχίσει το δίαυλο μόνον εάν η ενέργεια αλληλεπίδρασης με τον ηθμό επιλογής αντισταθμίζει την απώλεια μορίων ενυδάτωσης Τα ιόντα που διαπερνούν το δίαυλο προσδένονται φυσιολογικά στον ηθμό επιλογής για ελάχιστο χρονικό διάστημα (< 1μs) μετά το οποίο ηλεκτροστατικές δυνάμεις και δυνάμεις διάχυσης προωθούν το ιόν μέσω του διαύλου Σε ορισμένους διαύλους, η διάμετρος του πόρου είναι τόσο μεγάλη, ώστε να χωρούν αρκετά μόρια ύδατος. Τα ιόντα που διαπερνούν τέτοιου είδους διαύλους δεν είναι απαραίτητο να απογυμνωθούν πλήρως από το υδάτινο περίβλημά τους

14 ΟΙ ΔΙΑΥΛΟΙ ΙΟΝΤΩΝ ΕΧΟΥΝ ΟΡΙΣΜΕΝΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ, ΚΟΙΝΑ ΣΕ ΟΛΑ ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Η ροή ιόντων δια μέσου των διαύλων ιόντων είναι παθητική Όταν ένας δίαυλος ανοίγει και κλείνει η διαμόρφωσή του αλλάζει Σε διαφορετικούς ιστούς απαντούν παραλλαγές κάθε τύπου διαύλων ιόντων Τα γονίδια που κωδικεύουν διαύλους ιόντων είναι δυνατόν να ομαδοποιηθούν σε οικογένειες

16 Η ροή ιόντων δια μέσου των διαύλων ιόντων είναι παθητική και δεν απαιτεί κατανάλωση μεταβολικής ενέργειας από τους διαύλους Η κατεύθυνση και η πιθανή ισορροπία της ροής αυτής δεν καθορίζονται από τον ίδιο τον δίαυλο, αλλά μάλλον από τις ηλεκτροστατικές κινητήριες δυνάμεις, καθώς και από τις κινητήριες δυνάμεις διάχυσης εκατέρωθεν της μεμβράνης Οι περισσότεροι δίαυλοι ιόντων επιλέγουν τα είδη ιόντων στα οποία επιτρέπουν να διαπεράσουν τη μεμβράνη

17 Ο ρυθμός ροής ιόντων (δηλαδή το ρεύμα) διαμέσου ενός διαύλου εξαρτάται από τη συγκέντρωση των ιόντων στο διάλυμα που περιβάλλει το κύτταρο Ο ταχύς ρυθμός πρόσδεσης στο δίαυλο (<1ms) εξασφαλίζει υψηλούς ρυθμούς αγωγής, οι οποίοι απαιτούνται για την ταχεία μεταβολή του δυναμικού μεμβράνης κατά τη διάρκεια μετάδοσης των σημάτων Οι δίαυλοι είναι ευαίσθητοι στην απόφραξη από διάφορα ελεύθερα ιόντα ή μόρια του κυτταροπλάσματος ή του εξωκυττάριου υγρού, η διέλευση δια μέσου του διαύλου μπορεί να αποκλεισθεί από σωματίδια τα οποία προσδένονται είτε στο στόμιο του πόρου είτε σε κάποια άλλη θέση (π.χ. Τοξίνες, φαρμακευτικές ουσίες)

18 Όταν ένας δίαυλος ανοίγει και κλείνει, αυτό συνήθως συνοδεύεται από εκτεταμένες μεταβολές της διαμόρφωσης του διαύλου Υπό την επίδραση ρυθμιστών (νευροδιαβιβαστές, ορμόνες, δεύτεροι αγγελιοφόροι κλπ) οι δίαυλοι είναι δυνατόν να τεθούν σε τρεις λειτουργικές καταστάσεις: 1. Δίαυλος κλειστός και ενεργοποιήσιμος (εν ηρεμία) 2. Δίαυλος ανοιχτός (ενεργός) 3. Δίαυλος κλειστός και μη ενεργοποιήσιμος (ανθεκτικός) Ορισμένοι δίαυλοι ρυθμίζονται από περισσότερους του ενός τέτοιους ρυθμιστές

19 Οι τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι και οι δίαυλοι που ελέγχονται από διαβιβαστές τίθενται σε κατάσταση ανθεκτικότητας εάν τεθούν επί μακρόν υπό την επίδραση του προσδέματος, η διεργασία αυτή ονομάζεται απευαισθητοποίηση

22 Η τεχνική καθήλωσης κηλίδων επέτρεψε την άμεση μέτρηση ροής ρεύματος δια μέσου επιμέρους ανοιχτών διαύλων Η κλωνοποίηση και ο προσδιορισμός της αλληλουχίας γονιδίων κατέστησαν εφικτό τον καθορισμό των πρωτοταγών αλληλουχιών αμινοξέων πολλών διαύλων ιόντων

23 Ορισμένες διαταραχές αυτοανοσίας του νευρικού συστήματος, όπως η βαριά μυασθένεια και το σύνδρομο LambertEaton είναι αποτέλεσμα δράσεων ειδικών αντισωμάτων που παρακωλύουν τη λειτουργία των διαύλων Η περιοδική υπερκαλιαιμική παράλυση προκαλείται από ένα γενετικό ελάττωμα στους τασεοελεγχόμενους διαύλους νατρίου

24 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η ροή πληροφοριών στο εσωτερικό των νευρώνων και μεταξύ τους επιτυγχάνεται μέσω ηλεκτρικών και χημικών σημάτων Η μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων είναι πάρα πολύ σημαντική για την ταχεία μεταφορά πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις Όλα τα ηλεκτρικά σήματα-δυναμικά υποδοχέων, συναπτικά δυναμικά και δυναμικά ενεργείας παράγονται από παροδικές μεταβολές της ροής ρεύματος προς το εσωτερικό του κυττάρου και το εξωτερικό του περιβάλλον Οι παροδικές μεταβολές της ροής ρεύματος οδηγεί στην απόκλιση του ηλεκτρικού δυναμικού εκατέρωθεν της μεμβράνης από την τιμή ηρεμίας

25 Η ροή ρεύματος προς το εσωτερικό του κυττάρου και το εξωτερικό περιβάλλον ελέγχεται από διαύλους ιόντων (δίαυλοι ηρεμίας και ελεγχόμενοι) Oι δίαυλοι εν ηρεμία, είναι συνήθως ανοιχτοί και δεν επηρεάζονται από εξωγενείς παράγοντες, παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση του δυναμικού ηρεμίας Οι ελεγχόμενοι δίαυλοι, ανοίγουν και κλείνουν, αποκρινόμενοι σε διάφορα σήματα (μεταβολές του δυναμικού μεμβράνης, πρόσδεση προσδεμάτων, διάταση μεμβράνης), η πλειονότητα των διαύλων αυτών είναι συνήθως κλειστοί όταν η μεμβράνη βρίσκεται σε ηρεμία

26 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΡΕΜΙΑΣ Προκύπτει από την κατανομή φορτίων εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης Καθορίζεται από εν ηρεμία διαύλους ιόντων

27 Κάθε νευρώνας έχει ένα λεπτό νέφος θετικών και αρνητικών ιόντων, το οποίο περιβάλλει την εσωτερική και εξωτερική πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης Σε έναν νευρώνα εν ηρεμία εμφανίζεται περίσσεια θετικών φορτίων στο εξωτερικό περιβάλλον της μεμβράνης και περίσσεια αρνητικών φορτίων στο εσωτερικό του Η κατανομή φορτίων διατηρείται, διότι τα ιόντα δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα δια μέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας της μεμβράνης Η κατανομή των φορτίων προκαλεί διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού, δηλαδή ηλεκτρική τάση, εκατέρωθεν της μεμβράνης, η οποία ονομάζεται δυναμικό μεμβράνης Το δυναμικό μεμβράνης ενός κυττάρου εν ηρεμία ονομάζεται δυναμικό ηρεμίας

28 Το δυναμικό έξω από το κύτταρο ορίζεται κατά συνθήκη ως μηδενικό, ενώ το δυναμικό ηρεμίας είναι αρνητικό Η συνήθης τιμή είναι περίπου -60 έως -80 mv Όλα τα ηλεκτρικά σήματα είναι αποτέλεσμα βραχειών αλλαγών του δυναμικού ηρεμίας, οι οποίες οφείλονται σε μεταβολές της ροής ηλεκτρικού ρεύματος εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης Το ρεύμα που ρέει προς το εσωτερικό του κυττάρου μεταφέρεται από θετικά ιόντα (κατιόντα) ή αρνητικά ιόντα (ανιόντα)

29 Όποτε υπάρχει καθαρή ροή κατιόντων ή ανιόντων προς το εσωτερικό του κυττάρου ή προς το εξωτερικό περιβάλλον του, η κατανομή φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης εν ηρεμία διαταράσσεται με αποτέλεσμα τη μεταβολή της πόλωσης της μεμβράνης Η μείωση της κατανομής φορτίων, η οποία προκαλεί την εμφάνιση μικρότερου αρνητικού δυναμικού μεμβράνης ονομάζεται εκπόλωση Μια αύξηση της κατανομής φορτίων, η οποία οδηγεί σε μεγαλύτερο αρνητικό δυναμικό, ονομάζεται υπερπόλωση

30

31 NEYPOEΠIΣTHMH KAI ΣYMΠEPIΦOPA ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Οι παθητικές αποκρίσεις της μεμβράνης στη ροή ρεύματος, οι οποίες δεν οδηγούν στο άνοιγμα των ελεγχόμενων διαύλων ιόντων ονομάζονται ηλεκτροτονικά δυναμικά Οι υπερπολωτικές αποκρίσεις είναι παθητικές, όπως και οι μικρού εύρους εκπολώσεις

32 NEYPOEΠIΣTHMH KAI ΣYMΠEPIΦOPA ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Η αντιστροφή της κατεύθυνσης του ρεύματος, καθιστά το αρνητικό φορτίο του δυναμικού μεμβράνης μεγαλύτερο, αυτή η αύξηση της κατανομής φορτίων ονομάζεται υπερπόλωση Οι αποκρίσεις του κυττάρου στην υπερπόλωση είναι συνήθως αμιγώς ηλεκτροτονικές Κατά κανόνα η υπερπόλωση δεν προκαλεί ενεργό απόκριση του κυττάρου

33 Υπάρχει ένα κρίσιμο επίπεδο εκπόλωσης, η ουδός, στο οποίο το κύτταρο ανταποκρίνεται με ενεργό τρόπο Η απόκριση περιλαμβάνει το άνοιγμα τασεοελεγχόμενων διαύλων ιόντων, που είναι ικανό να προκαλέσει την εμφάνιση ενός δυναμικού ενεργείας, σύμφωνα με την αρχή του όλον ή ουδέν

34 Το δυναμικό ηρεμίας καθορίζεται από εν ηρεμία διαύλους ιόντων Κανένα συγκεκριμένο είδος ιόντος δεν κατανέμεται ομοιόμορφα εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης Από τα τέσσερα συνηθέστερα είδη ιόντων που απαντούν εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης, το Na+ και το Clβρίσκονται σε αυξημένη συγκέντρωση στο εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου, ενώ το K+ και τα ανόργανα ανιόντα (Α-) βρίσκονται σε αυξημένη συγκέντρωση στο εσωτερικό του κυττάρου Τα αρνητικά ανιόντα είναι κυρίως αμινοξέα και πρωτεΐνες

35 Η ροή Κ+ διαμέσου της μεμβράνης του νευρογλοιακού κυττάρου καθορίζεται ταυτόχρονα από την κλίση συγκέντρωσης K+ και από το ηλεκτρικό δυναμικό της μεμβράνης Τα νευρογλοιακά κύτταρα εν ηρεμία είναι διαπερατά μόνο από το Κ+, έτσι ώστε το δυναμικό ηρεμίας να δημιουργείται από την εκροή Κ+, σύμφωνα με την κλίση συγκέντρωσής τους

36 Η συνεχιζόμενη εκροή K+ προκαλεί περίσσεια θετικού φορτίου στο εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου, αφήνοντας πίσω το πλεόνασμα αρνητικού φορτίου στο εσωτερικό Αυτή η συσσώρευση φορτίου δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο εμποδίζει την περαιτέρω εκροή K+, έτσι ώστε να επιτευχθεί τελικά μια ισορροπία, στην οποία οι κινητήριες δυνάμεις, ηλεκτρική και χημική, είναι ίσες και αντίθετες

37 ΕΝΕΡΓΟΣ ΑΝΤΛΗΣΗ ΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΡΕΜΙΑΣ Η αντλία Na+ -K + - ATPάση, που βρίσκεται στην κυτταρική μεμβράνη, χρησιμοποιεί την ενέργεια από τον εσωτερικό δεσμό του ακραίου του ATP για να αποβάλλει Na+ με ενεργό τρόπο από το κύτταρο και να εισάγει K + ενεργώς στο κύτταρο Η αντλία Na+ -K + ευθύνεται για την υψηλή ενδοκυττάρια συγκέντρωση K + και τη χαμηλή ενδοκυττάρια συγκέντρωση Na+, καθώς η αντλία μετακινεί μεγαλύτερο αριθμό Na+ προς τα έξω από ό,τι K + προς τα μέσα (3 Na+ προς 2 K + ), προκαλεί καθαρή μεταφορά θετικού φορτίου έξω από το κύτταρο και συμβάλλει στο μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας Επειδή δημιουργεί καθαρή κίνηση φορτίου δια μέσου της μεμβράνης, η αντλία χαρακτηρίζεται ηλεκτρογόνος

38 Στα περισσότερα νευρικά και σκελετικά μυϊκά κύτταρα των σπονδυλωτών, η άμεση συμβολή της αντλίας στο δυναμικό ηρεμίας είναι συνήθως μικρή (λιγότερο από 5mV) Τo μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας στα νεύρα και στους σκελετικούς μυς οφείλεται κυρίως στη διάχυση των ιόντων προς την κατεύθυνση της διαφοράς του ηλεκτροχημικού δυναμικού τους Οι διαφορές αυτές διατηρούνται με ενεργό άντληση ιόντων

39 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Η Λιπιδική διπλοστιβάδα, η οποία είναι σχεδόν αδιαπέραστη από τα ιόντα, αποτελεί ένα μονωτικό υλικό που διαχωρίζει δύο διαλύματα, το κυτταρόπλασμα και το εξωκυττάριο υγρό Ιόντα μπορεί να διαρεύσουν εκατέρωθεν της λιπιδικής διπλοστιβάδας μόνο με διάχυση δια μέσου των διαύλων ιόντων Όταν το κύτταρο βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας αυτή η παθητική εισροή και εκροή ιόντων εξισορροπούνται, με αποτέλεσμα ο διαχωρισμός φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης να παραμένει σταθερός και το δυναμικό μεμβράνης να παραμένει στη τιμή ηρεμίας

40 Στα νευρικά κύτταρα η τιμή του δυναμικού ηρεμίας καθορίζεται κυρίως από διαύλους εν ηρεμία, επιλεκτικούς για το Na+, το K+, και το Cl Η διαπερατότητα της μεμβράνης από ένα είδος ιόντος είναι ευθέως ανάλογη προς τον αριθμό των ανοιχτών διαύλων που είναι διαπερατοί από το ιόν αυτό

41 ΥΠΟΘΕΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ Σε ένα κύτταρο διαπερατό αποκλειστικά από το K+, το δυναμικό ισορροπίας ιόντων καλίου καθορίζει το δυναμικό ηρεμίας, που είναι περίπου -75mV, στα περισσότερα νευρογλοιακά κύτταρα Το δυναμικό μεμβράνης στο οποίο τα K+, βρίσκονται σε ισορροπία εκατέρωθεν της μεμβράνης μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια μιας εξίσωσης που την εξήγαγε το 1888, βάση θεμελιωδών αρχών της θερμοδυναμικής, ο Γερμανός φυσικοχημικός Walter Nernst EK=RT/ZF ln [K+ ] ο /[K+ ]I EK :είναι το δυναμικό ισορροπίας K+ (ή δυναμικό Nernst K+ ) R : η σταθερά αερίων T : η θερμοκρασία σε kelvin Z : το σθένος του K+ F : η σταθερά Faraday [K+ ] ο, [K+ ]I : οι συγκεντρώσεις του K+ στο εξωτερικό και εσωτερικό περιβάλλον αντιστοίχως

42 Το δυναμικό του Nernst υπολογίστηκε στα -75mV Τα άλλα ιόντα δεν έχουν σημασία όσον αφορά το καθορισμό του δυναμικού ηρεμίας των νευρογλοιακών κυττάρων, διότι η ροή τους είναι αμελητέα σε σχέση με τη ροή K+ Η ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΟΥ Nernst ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΧΡΗΣΙΜΕΥΣΕΙ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΚΑΘΕ ΙΟΝΤΟΣ ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΕΚΑΤΕΡΩΘΕΝ ΤΗΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ

43 Σε κατάσταση ηρεμίας, το δυναμικό μεμβράνης βρίσκεται πλησιέστερα στο δυναμικό Nernst του K+ από το οποίο η μεμβράνη είναι πολύ διαπερατή Ωστόσο η μεμβράνη είναι επίσης σχετικά διαπερατή από το Na+, με αποτέλεσμα μια εισροή Na+ να οδηγεί το δυναμικό μεμβράνης σε μια θετική τιμή κατά τι μεγαλύτερη από το δυναμικό Nernst K+, στο δυναμικό αυτό οι ηλεκτρικές και χημικές κινητήριες δυνάμεις που επιδρούν στα K+ δεν εξισορροπούνται πλέον, με αποτέλεσμα τα K+ να διαχέονται προς το εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου Η διπλή αυτή παθητική ροή εξισορροπείται μέσω της ενεργού ροής την οποία προκαλεί η αντλία νατρίου καλίου

44 Ορισμένα κύτταρα, όχι όμως όλα, εκβάλλουν ενεργώς χλώριο μέσω αντλίας Όταν αυτό δε συμβαίνει, τα Clκατανέμονται παθητικά μέχρι το σημείο ισορροπίας Υπό φυσιολογικές συνθήκες, ο κύριος όγκος συγκεντρώσεων των Na+,K + και Clστο εσωτερικό του κυττάρου και στο εξωτερικό περιβάλλον του είναι ως επί των πλείστον σταθερός

45

46 Οι μεταβολές του δυναμικού μεμβράνης οι οποίες παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της μετάδοσης σημάτων (δυναμικών ενεργείας, συναπτικών δυναμικών και δυναμικών υποδοχέα) οφείλονται σε σημαντικές μεταβολές της διαπερατότητας της μεμβράνης από τα τρία αυτά ιόντα, και όχι σε μεταβολές του κύριου όγκου συγκεντρώσεων των ιόντων, ο οποίος ελάχιστα μεταβάλλεται Οι μεταβολές της διαπερατότητας, οι οποίες οφείλονται στο άνοιγμα των ελεγχόμενων διαύλων ιόντων, προκαλούν μεταβολές του δυναμικού της μεμβράνης τροποποιώντας το διαχωρισμό του καθαρού φορτίου εκατέρωθεν της μεμβράνης

47 ΤΟΠΙΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΠΑΘΗΤΙΚΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΝΕΥΡΩΝΑ Ο λειτουργικός σχεδιασμός των νευρώνων καθορίζεται από (2) ανταγωνιστικές ανάγκες: 1. Οι νευρώνες πρέπει να είναι μικροί, ώστε να χωρούν πολλοί στο διαθέσιμο χώρο, για να μεγιστοποιηθεί η ικανότητα επεξεργασίας πληροφοριών του νευρικού συστήματος 2. Οι νευρώνες πρέπει να άγουν σήματα με ταχύτητα, για να μεγιστοποιηθεί η ικανότητα απόκρισης του οργανισμού στις μεταβολές του περιβάλλοντος Η εξελικτική διαδικασία περιορίσθηκε, κατά την εκπλήρωση αυτών των δύο στόχων σχεδιασμού, από τα υλικά από τα οποία είναι δομημένοι οι νευρώνες

48 Δεδομένου ότι η κυτταρική μεμβράνη του νευρώνα είναι πολύ λεπτή και περιβάλλεται από ένα αγωγό μέσο, έχει πολύ μεγάλη ηλεκτρική χωρητικότητα, επιβραδύνοντας έτσι την αγωγή σημάτων δυναμικού Επιπροσθέτως, τα ρεύματα που μεταβάλλουν το φορτίο του πυκνωτή της μεμβράνης πρέπει να περάσουν από έναν σχετικό κακό αγωγό (μια λεπτή στήλη κυτταροπλάσματος) Οι δίαυλοι ιόντων που επιτρέπουν τη δημιουργία του δυναμικού ηρεμίας υποβαθμίζουν παράλληλα τη λειτουργία μετάδοσης σημάτων του νευρώνα Έτσι το κύτταρο παρουσιάζει διαρροές και σε συνδυασμό με την αυξημένη χωρητικότητά του, περιορίζεται η απόσταση στην οποία ένα σήμα μπορεί να διαδοθεί χωρίς ενεργό ενίσχυση

49 Η περιοχή εισόδου του νευρώνα είναι συμπαγής, με αποτέλεσμα τα συναπτικά δυναμικά, ή τα δυναμικά υποδοχέων, να δημιουργούνται αρκετά κοντά στη ζώνη εκκίνησης Τα σήματα που φθάνουν στο νευρώνα διαδίδονται με ηλεκτροτονικό τρόπο και γι αυτό εξασθενούν Επομένως χρειάζεται να μετατραπούν σε ένα κώδικα ώσεων, για να καταστεί δυνατή η μετάδοσή τους σε μεγάλες αποστάσεις Οι τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι δημιουργούν δυναμικά ενεργείας σύμφωνα με την αρχή όλον ή ουδέν και τότε τα δυναμικά αυτά άγονται χωρίς να εξασθενούν Στις νευρικές οδούς στις οποίες η ταχεία μετάδοση σημάτων έχει ιδιαίτερη σημασία, η ταχύτητα αγωγής του δυναμικού ενεργείας αυξάνεται είτε με την μυελίνωση είτε με την αύξηση της διαμέτρου του νευράξονα η και με τους δύο αυτούς τρόπους

50 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το δυναμικό ενεργείας παράγεται από τη μετακίνηση ιόντων που διαπερνούν τη μεμβράνη δια μέσου τασεοελεγχόμενων διαύλων Η κίνηση αυτή είναι εφικτή μόνο όταν οι δίαυλοι έχουν ανοίξει και μεταβάλλει την κατανομή των φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης Η εισροή Na+ και, σε ορισμένες περιπτώσεις, Ca 2+ εκπολώνει τη μεμβράνη Στη συνέχεια, η εκροή K + την επαναπολώνει, αποκαθιστώντας την αρχική κατανομή φορτίου Μια ομάδα τασεοελεγχόμενων διαύλων ανοίγουν κυρίως όταν το δυναμικό μεμβράνης προσεγγίζει τον ουδό του δυναμικού ενεργείας και έτσι οι δίαυλοι αυτοί έχουν σημαντικότατες επιπτώσεις στις ριπές δυναμικών που δημιουργούνται από τον νευρώνα

51 Τρεις μεγάλες τεχνολογικές εξελίξεις οδήγησαν στη λεπτομερή ερμηνεία της δράσης των τασεοελεγχόμενων διαύλων 1. Η τεχνική καθήλωσης τάσεως επεκτάθηκε και επέτρεψε την ανάλυση των ρευμάτων ελέγχου και την καταγραφή από μεμονωμένους διαύλους με την καθήλωση κηλίδων 2. Μια συνδιασμένη βιοχημική, γενετική και μοριακή βιολογική προσέγγιση αποκάλυψε τη νουκλεοτιδική αλληλουχία των διαύλων αυτών 3. Μια συντονισμένη προσπάθεια που περιλαμβάνει βιοφυσικές, δομικές, βιοχημικές και μοριακές βιολογικές προσεγγίσεις οδηγεί σε μια συνολική κατανόηση της λειτουργίας των διαύλων αυτών

52 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ Στις ηλεκτρικές συνάψεις υπάρχουν ειδικοί δίαυλοι ιόντων, οι δίαυλοι χασματοσυνδέσεων, οι οποίοι βρίσκονται στις μεμβράνες του προσυναπτικού και του μετασυναπτικού κυττάρου και γεφυρώνουν το κυτταρόπλασμα των δύο κυττάρων Παρατηρείται μικρή ροή ρεύματος δια μέσου των διαύλων, οι οποίοι έχουν μικρή αντίσταση και μεγάλη αγωγιμότητα Το ρεύμα που τους διατρέχει προερχόμενο από τον προσυναπτικό νευρώνα, εναποθέτει θετικό φορτίο στην εσωτερική πλευρά της μεμβράνης του μετασυναπτικού κυττάρου, το οποίο και εκπολώνει Εάν η εκπόλωση υπερβεί την ουδό, οι τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι του μετασυναπτικού κυττάρου ανοίγουν, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός δυναμικού ενεργείας

54 Ιδιότητες ηλεκτρικών συνάψεων Η χρονική καθυστέρηση μεταξύ προσυναπτικού δυναμικού ενεργείας και μετασυναπτικού δυναμικού είναι πάρα πολύ μικρή, στην πραγματικότητα ανύπαρκτη Λόγω των παθητικών ιδιοτήτων τους, αυτές οι ηλεκτρικές συνάψεις είναι αμφίδρομες: διαβιβάζουν την εκπόλωση εξίσου καλά είτε από το προσυναπτικό προς το μετασυναπτικό κύτταρο είτε από το μετασυναπτικό προς το προσυναπτικό κύτταρο Ολόκληρες ομάδες νευρώνων είναι δυνατόν να διασυνδέονται μέσω ηλεκτρικών συνάψεων, σε τέτοιου είδους διατάξεις, το συναπτικό ρεύμα που διαπερνά τη μεμβράνη διαχέεται στο εσωτερικό των άλλων ηλεκτρικώς συζευγμένων κυττάρων και στο εξωτερικό περιβάλλον τους Με τον τρόπο αυτό τα ηλεκτρικά συζευγμένα κύτταρα μπορούν να δρουν σαν ένα μεγάλο κύτταρο

56 ΧΗΜΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ Στις χημικές συνάψεις δεν υπάρχει κυτταροπλασματική συνέχεια μεταξύ των κυττάρων, αλλά οι νευρώνες χωρίζονται με ένα μικρό διάστημα, τη συναπτική σχισμή Το ρεύμα που ρέει προς τα έξω από το προσυναπτικό κύτταρο δια μέσου των εν ηρεμία διαύλων του προσυναπτικού νευρώνα και διαπερνά τη μεμβράνη του μετασυναπτικού κυττάρου, η οποία χαρακτηρίζεται από μεγάλη αντίσταση, είναι ελάχιστο Το δυναμικό ενεργείας προκαλεί την απελευθέρωση ενός χημικού διαβιβαστή Ο διαβιβαστής αυτός διαχέεται στη συναπτική σχισμή και αλληλεπιδρά με ειδικούς υποδοχείς, οι οποίοι είτε εκπολώνουν είτε υπερπολώνουν το μετασυναπτικό κύτταρο

57 Ιδιότητες χημικής σύναψης Η συναπτική σχισμή κυμαίνεται μεταξύ nm Οι προσυναπτικές απολήξεις περιέχουν πολλά συναπτικά κυστίδια, καθένα από τα οποία περιέχει αρκετές χιλιάδες μόρια ενός χημικού διαβιβαστή Τα κυστίδια απελευθερώνουν τον νευροδιαβιβαστή τους στη συναπτική σχισμή, ως απόκριση στην εισροή Ca2+, η οποία συνοδεύει κάθε δυναμικό ενεργείας Στη συνέχεια τα μόρια του διαβιβαστή διαχέονται στον εξωκυτταρικό χώρο της συναπτικής σχισμής και προσδένονται σε θέσεις υποδοχέα της μετασυναπτικής μεμβράνης, προκαλώντας το άνοιγμα ή το κλείσιμο διαύλων ιόντων, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της αγωγιμότητας της μεμβράνης και του δυναμικού του μετασυναπτικού κυττάρου

59 Παρά το γεγονός ότι ποικίλες χημικές ενώσεις, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων μικρών μορίων και πεπτιδίων, χρησιμεύουν ως νευροδιαβιβαστές, η δράση ενός διαβιβαστή στο μετασυναπτικό κύτταρο δεν εξαρτάται από τις χημικές ιδιότητες του διαβιβαστή αλλά από τις ιδιότητες των υποδοχέων, οι οποίοι αναγνωρίζουν και δεσμεύουν το διαβιβαστή Παράδειγμα ακετυλοχολίνης, μπορεί να διεγείρει ορισμένα μετασυναπτικά κύτταρα και να αναστείλει άλλα, προκαλώντας και διέγερση και αναστολή σε τρίτα κύτταρα Ο υποδοχέας είναι εκείνος που καθορίζει κατά πόσον μια χολινεργική σύναψη είναι διεγερτική ή ανασταλτική, καθώς και αν ένας δίαυλος ιόντων θα ενεργοποιηθεί απευθείας από το διαβιβαστή ή εμμέσως, με ένα δεύτερο αγγελιοφόρο

60 Όλοι οι υποδοχείς χημικών διαβιβαστών έχουν δύο κοινά βιοχημικά χαρακτηριστικά 1. Είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, η περιοχή που είναι εκτεθειμένη στο εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου αναγνωρίζει και δεσμεύει το διαβιβαστή ο οποίος προέρχεται από το προσυναπτικό κύτταρο 2. Επιτελούν λειτουργία εκτελεστή, επηρεάζοντας το άνοιγμα ή το κλείσιμο διαύλων ιόντων

61 NEYPOEΠIΣTHMH KAI ΣYMΠEPIΦOPA ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Οι μετασυναπτικοί υποδοχείς ελέγχουν τους διαύλους ιόντων είτε άμεσα είτε έμμεσα

62 ΑΜΕΣΗ ΔΡΑΣΗ Ένας υποδοχέας διαβιβαστή δρα άμεσα σε ένα δίαυλο ιόντων όταν αποτελεί δομικό συστατικό του κυττάρου, αυτοί οι δίαυλοι υποδοχείς είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που αποτελούνται από πολλές πεπτιδικές υπομονάδες Οι υπομονάδες αυτές σχηματίζουν ένα μακρομόριο, το οποίο περιλαμβάνει τόσο το στοιχείο αναγνώρισης του διαβιβαστή όσο και το δίαυλο ιόντων Με τη πρόσδεση ενός διαβιβαστή, οι υποδοχείς υφίστανται μεταβολή στη χωροδιάταξη ανοίγοντας τον δίαυλο Προκαλούν σχετικά ταχείες συναπτικές δράσεις, διάρκειας μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου

63 ΕΜΜΕΣΗ ΔΡΑΣΗ Οι υποδοχείς που ελέγχουν έμμεσα διαύλους ιόντων, όπως οι υποδοχείς της νοραδρεναλίνης ή της σεροτονίνης στις συνάψεις του φλοιού των εγκεφαλικών ημισφαιρίων, είναι μακρομόρια διαφορετικά από τους διαύλους ιόντων στους οποίους δρουν Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται δύο οικογένειες υποδοχέων: 1. Οικογένεια των Μεταβαλοτρόπων υποδοχέων 2. Οικογένεια των κινασών της τυροσίνης Προκαλούν βραδείες δράσεις και χρησιμεύουν συχνά για τη ρύθμιση της συμπεριφοράς

64 Μεταβαλοτρόποι υποδοχείς Οι διαμεμβρανικές αυτές πρωτεΐνες αποτελούνται από μία πολυπεπτιδική αλυσίδα και συζευγνύονται με οποιαδήποτε από τις πρωτεΐνες G (μια οικογένεια πρωτεϊνών οι οποίες δεσμεύουν GTP) Στη συνέχεια, οι πρωτεΐνες G ενεργοποιούν ένζυμα και παράγουν κάποιο ενδοκυτταρικό δεύτερο αγγελιοφόρο, όπως είναι η κυκλική AMP ή η διακυλογλυκερόλη Έπειτα, ο δεύτερος αγγελιοφόρος δρα απευθείας σε ένα δίαυλο

65 Οικογένεια κινασών τυροσίνης Οι κινάσες αυτές προσθέτουν μια φωσφορική ομάδα σε κατάλοιπα τυροσίνης των πρωτεϊνικών υποστρωμάτων τους με αποτέλεσμα τη ρύθμιση του διαύλου

66 Διαφορετικά είδη κυττάρων εμφανίζουν διαφορετικά δυναμικά ενεργείας, διότι τα κύτταρα αυτά έχουν διαφορετικό αριθμό διαύλων