Komórka nerwowa - neuron Dendryty Oligodendrocyt Jądro neuronu Ciało komórki Przewężenie Ranviera Otoczka mielinowa Akson Synapsa Zakończenia aksonu

Komórki glejowe Komórki glejowe są drugim głównym składnikiem układu nerwowego. W niektórych obszarach są 10 razy liczniejsze niż neurony. Najważniejszą rolą komórek glejowych jest kontrolowanie otoczenia neuronów. Są one zaangażowane w wiele różnych funkcji

Rodzaje i funkcje gleju Astrocyty: największe i najliczniejsze. Ich funkcja to podtrzymywanie fizyczne i odżywianie neuronów, regulacja zawartości przestrzeni zewnątrzkomórkowej - buforowanie jonów, regulacja neuroprzekaźnictwa (pochłanianie neurotransmitera i zapobieganie dyfuzji poza szczelinę synaptyczną), bariera krew – mózg (?). Microglia: składniki układu odpornościowego, aktywne podczas stanów zapalnych, usuwają ‘zmarłe’ neurony. Oligodendrocyty: wytwarzają mielinę w neuronach centralnego układu nerwowego. Komórki satelitarne (Satellite Cells): podtrzymywanie fizyczne neuronów w obwodowym układzie nerwowym Komórki Schwanna: wytwarzają mielinę w neuronach obwodowego układu nerwowego. Stwardnienie rozsiane (łac. sclerosis multiplex, SM) - demielinizacja włókien nerwowych w obrębie mózgu i rdzenia kręgowego

Potencjał błonowy Potencjał błonowy – różnica potencjałów w poprzek błony komórkowej Potencjał błonowy bierze się z rozdzielenia dodatnich i ujemnych ładunków przez błonę komórkową. W neuronach na zewnątrz występuje przewaga jonów dodatnich, a wewnątrz – ujemnych. Potencjał błonowy jest podstawową własnością wszystkich żywych komórek

Techniki pomiarowe mikropiptety Mikropipety służą do pomiarów potencjału zewnątrzkomórkowego, wewnątrzkomórkowego, patch, stymulacji elektrycznej, dostarczania substancji do przestrzeni zewnątrz/ wewnątrzkomórkowej Pomiary wewnątrzkomórkowe in vivo. Grupa prof. Amzici, Universite Laval, Quebec, Kanada

Techniki pomiarowe – patch clamp (E. Neher, B. Sakmann, Nobel 1991) Pipeta do patch calmp. Zakończenie pipety może być większe (średnica~3mm) niż mikropipety do pomiarów wewnątrzkomórkowych (średnica ~1 mm) Mikropipety do patch clamp są przygotowywane jak zwykłe mikropipety lecz ich zakończenia są gładkie i przyklejają się do błony zamiast ją przekłuwać. Patch clamp umożliwia pomiar z pojedynczych kanałów jonowych (indside-out) oraz potencjału błonowego Układ pomiarowy patch clamp

Techniki pomiarowe – patch clamp (E. Neher, B. Sakmann, Nobel 1991) Pomiar potencjału błonowego (whole cell recording) komórki hipokampa metodą patch calmp. Pipeta jest zaznaczona kolorem niebieskim.

Siły chemiczne i elektryczne R – stała gazowa T - temperatura F – stała Faradaya V – różnica potencjałów z - walencyjność

V - Potencjał Nernsta, potencjał równowagi, potencjał dyfuzji Stan równowagi: Walter Hermann Nernst (ur. 25 czerwca 1864 w Wąbrzeźnie, zm. 18 listopada 1941w Zibelle), laureat Nagrody Nobla z chemii w 1920r. Równanie Nernsta V - Potencjał Nernsta, potencjał równowagi, potencjał dyfuzji

Potencjał Nernsta

Potencjał błonowy - równanie Goldmana Równanie Goldmana-Hodgkina-Katza (GHK) Dla PNa = 0.04*PK, zaniedbując Cl-: Vm = -60 mV

Obwód zastępczy Obwód zastępczy błony komórkowej neuronu. Potencjał równowagowy jest reprezentowany przez baterię o odpowiedniej polaryzacji i napięciu odpowiednim dla danego jonu. Bateria jest połączona szeregowo z opornością (R) odpowiadającą przepuszczalności błony. Zazwyczaj, zamiast oporności podaje się przewodnictwo G = 1/R, związane z przepuszczalnością (P) i stężeniami jonów ([K]) następująco: Dodatkowo, podwójna warstwa lipidowa tworząca błonę może gromadzić ładunki i zachowuje się jak kondensator o pojemności Cm.

Potencjał czynnościowy Potencjał czynnościowy polega na krótkotrwałej depolaryzacji błony komórkowej. Wczesne doświadczenia (K.C. Cole i H. J. Curtis, 1939) pokazały, że błona komórkowa staje się spolaryzowana dodatnio (ok. +50 mV) podczas maksimum potencjału czynnościowego. Kalmar Atlantycki Loligo pealei

Potencjał czynnościowy – impuls sodowy Zależność potencjału czynnościowego od stężenia sodu. A i B: Maksimum potencjału czynnościowego maleje wraz maleniem stężenia Na w płynie zewnątrzkomórkowym. Silna zależność wartości maksimum od stężenia Na wskazuje na duża przepuszczalność błony dla tych jonów w trakcie impulsu. Alan Hodgkin i Bernard Katz odkryli, że amplituda potencjału czynnościowego zależy od koncentracji Na na zewnątrz komórki. Postawili hipotezę, że chwilowa zmiana przepuszczalności i wpływ jonów Na do wnętrza komórki powoduje potencjał czynnościowy. Potwierdzeniem tej hipotezy była obserwacja, że maksimum potencjału czynnościowego wynosi +55mV, co jest bliskie wartości potencjału równowagi dla sodu. Ich eksperymenty wskazały również, że zanik potencjału czynnościowego może być związany ze wzrostem przepuszczalności dla jonów K i ich wypływem z komórki.

wzrost gNa depolaryza-cja błony napływ Na+ Potencjał czynnościowy – wszystko albo nic! wzrost gNa depolaryza-cja błony napływ Na+ ‘Wybuchowa’ natura impulsu jest związana z kanałami sodowymi o przepuszczalności zależnej od napięcia i sprzężeniem zwrotnym dodatnim z depolaryzacją błony.

Skąd się bierze próg? Depolaryzacja podprogowa jest kompensowana pasywnym wypływem jonów potasu i nie wywołuje potencjału czynnościowego. Jeśli wypływ jonów potasu nie może zrównoważyć wpływu jonów sodu, błona osiąga próg na generację impulsu i generowany jest potencjał czynnościowy.

Okresy refrakcji Po wystąpieniu potencjału czynnościowego występuje okres refrakcji. W fazie refrakcji absolutnej komórka nie może wygenerować kolejnego impulsu bez względu na pobudzenie. W fazie refrakcji względnej, komórka może wygenerować impuls ale wymaga to silniejszego pobudzenia niż w stanie spoczynku.

Voltage clamp Technika voltage clamp była opracowana przez Kenneth’a Cole’a w 1949 r. Alan Hodgkin i Andrew Huxley wykorzystał ją w serii eksperymentów (1952) nad mechanizmem generacji potencjału czynnościowego. Voltage clamp pozwala mierzyć wpływ zmian potencjału czynnościowego na przewodnictwa jonowe. Voltage clamp działa na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Potencjał błonowy jest mierzony przez wzmacniacz podłączony do elektrod zewnątrz i wewnątrzkomórkowej. Jest on przekazywany do wzmacniacza (feedback amplifier). Drugie wejście do wzmacniacza stanowi potencjał z generatora ustalany przez eksperymentatora (command potential). Wzmacniacz oblicza różnicę napięć i przekazuje sygnał na elektrodę biegnącą wewnątrz komórki. Prąd potrzebny do utrzymania napięcia na zadanym poziomie jest miarą prądu błonowego płynącego przez kanały jonowe.

Eksperyment Hodgkina i Huxleya - wyniki Mała depolaryzacja wywołuje prąd kondensatora Ic = C dV/dt oraz leak Il. Większa depolaryzacja wywołuje większy prąd kondensatora Ic oraz Il oraz dodatkowo prąd dokomórkowy a następnie odkomórkowy. Depolaryzacja w obecności tetrodoxyny (TTX) blokującej kanały Na a następnie w obecności tetraethyloammonium (TEA) blokującej kanał K pozwala zobaczyć ‘czysty’ prąd IK i INa, po odjęciu Ic oraz Il. Fugu (puffer fish) specjał sushi zawierający TTX Szkolenie na mistrza fugu trwa 3 lata, test zdaje ok. 30%. Mimo wszystko, w Japonii, 5-10 osób rocznie umiera w wyniku spożycia fugu

Prawo Ohma Eksperyment Hodgkina i Huxleya - wyniki Znając IK, INa, VK, VNa, oraz V można obliczyć gK i gNa. IK, INa można wyliczyć z pomiarów voltage clamp, VK, VNa- stałe, V – ustala eksperymentator.

Andrew Huxley, Alan Hodgkin (Nobel 1963)