Przewodnictwo w synapsach i złączach nerwowo mięśniowych. Mięśnie

I Pojęcie synapsy, typy synaps, budowa synaps

Synapsa - złącze czynnościowe pomiędzy:

1. kryterium: rodzaj kom. postsynaptycznej:

• kom. nerwowa - kom. nerwowa

• kom. nerwowa - kom. gruczołowa

• kom. nerwowa - kom. mięśniowa

2. kryterium: element postsynaptyczny:

• synapsa akso-dendrytalna - utworzona przez aksony na dendrytach drugiego neuronu

• synapsa akso-somatyczna - utworzona przez aksony na ciele kom. drugiego neuronu

• synapsa akso-aksonalna - utworzona na zakończeniach presynaptycznych drugiego neuronu

3. kryterium: nośnik informacji:

• chemiczna - nie dochodzi do bezpośredniego kontaktu pomiędzy błonami kom. neuronów, ale oddziela je wąska szczelina; sygnał przekazywany przez neurotransmitery

• elektryczna - sygnał przekazywany bardzo szybko - brak opóźnienia synaptycznego - może być przekazywany w obu kierunkach; brak możliwości modulowania transmisji synaptycznej; rzadko występują w ukł. nerwowym, np. siatkówka

Budowa synapsy nerwowej

• element presynaptyczny

• szczelina synaptyczna

• element postsynaptyczny

Element presynaptyczny

• dany neuron może stanowić el. presynaptyczny, jeśli jest w stanie produkować mediator

• w błonie presynaptycznej obecne strefy aktywne, w których rozmieszczone są kanały jonowe dla Ca²⁺ bramkowane napięciem

• wokół stref grupują się pęcherzyki synaptyczne (zawiera 5-10tys. cząst. przekaźników)

Mediator / neurotransmiter

• kom. presynaptyczna musi mieć zdolność jego syntezy (w ciele kom.)

• jeden neuron produkuje zawsze ten sam neurotransmiter

• uwalniany jest po pobudzeniu elementu presynaptycznego (egzocytoza)

• jego działanie podlega hamowaniu przez środki farmakologiczne

• istnieją mechanizmy, które inaktywują kompleks mediator-receptor

• transportowany z płynem międzykomórkowym

Szczelina synaptyczna

• jest to element międzykomórkowy (20-40nm)

• mediator pokonuje ją na zasadzie dyfuzji

Element postsynaptyczny

• w jego błonie muszą być obecne receptory dla danego mediatora

II Proces zmiany toru przekaźnictwa z elektrycznego na chemiczny

Potencjał czynnościowy docierający do zakończenia presynaptycznego to impuls elektryczny, w dalszym toku, po wydzieleniu substancji przekaźnikowej (neurotransmitera) następuje zamiana na impuls chemiczny.

Sekwencja zjawisk w synapsach:

1. powstanie potencjału czynnościowego elementu presynaptycznego

2. fosforylacja białka synaptyny - fiksuje pęcherzyki w elemencie presynaptycznym - pęcherzyki muszą zetknąć się z obszarem aktywnym błony presynaptycznej

3. napływ Ca²⁺ w wyniku depolaryzacji, egzocytoza mediatora (całe kaskady; czasem dochodzi do wyrzucenia pojedynczych pakietów - w el. postsynaptycznym powstają miniaturowe potencjały)

4. dyfuzja prosta przez szczelinę synaptyczną (siła reakcji zależna od gęstości receptorów)

5. związanie mediatora przez receptor

6. zmiana polaryzacji błony postsynaptycznej

Odpowiedź na błonie postsynaptycznej:

• synapsy pobudzające

- postsynaptyczny potencjał pobudzający EPSP

- miejscowa depolaryzacja

• synapsy hamujące

- postsynaptyczny potencjał hamujący IPSP

- miejscowa hiperpolaryzacja

Mediatory:

• pobudzające: acetylocholina, noradrenalina

• hamujące: serotonina, dopamina

III Własności synaps, opóźnienie synaptyczne, jednokierunkowe przewodzenie

1. opóźnienie synaptyczne

czas przekazywania sygnału w synapsie wynosi min. 0,3 ms, ale zwykle trwa dłużej, 0,6-1 ms, a w niektórych synapsach nawet kilka ms

2. przewodnictwo jednokierunkowe

charakter procesów transmisji synaptycznej powoduje, że możliwe jest przewodzenie informacji tylko w jednym kierunku: od zakończenia presynaptycznego do błony postsynaptycznej (budowa asymetryczna synapsy)

3. zmęczenie synapsy

niedostateczne tempo syntezy mediatora / za mała ilość wolnych receptorów

4. pamięć synaptyczna

nabieranie odruchów warunkowych; bodziec o tych samych wartościach przechodzi po tym samym układzie kilka razy, powoduje tą samą reakcję; organizm zapamiętuje tę drogę i zmniejsza się opóźnienie synaptyczne

IV Dywergencja i konwergencja

Dywergencja

Akson neuronu rozgałęzia się i tworzy wiele synaps oddziałując na komórki nerwowe różnych typów. Ta sama informacja może być rozdzielona na wiele neuronów.

• jeden neuron tworzy połączenia z wieloma

Konwergencja

Do kom. nerwowej danego typu dochodzą informacje z wielu źródeł. Dzięki konwergencji neuron może integrować dochodzące do niego w tym samym czasie różne sygnały i po dokonaniu syntezy przekazać do efektora odpowiednią informację.

• wiele neuronów tworzy synapsy na jednym neuronie

V Sumacja przestrzenna i czasowa

Sprzężenie elektrowydzielnicze

w odpowiedzi na impuls nerwowy następuje wydzielanie mediatora

1. EPSP - postsynaptyczny potencjał pobudzający / depolaryzacja - zwiększenie przepuszczalności dla Na⁺ do wnętrza komórki (zmniejszenie elektroujemności)

2. IPSP - postsynaptyczny potencjał hamujący / hiperpolaryzacja - zwiększenie przepuszczalności dla Cl^- do wnętrza i K⁺ na zewnątrz

szczelina synaptyczna Cl^-

Na⁺ K⁺

-70mV ^{- - - + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -}

EPSP IPSP

wnętrze elementu postsynaptycznego

(zmiana przepuszczalności błony komórkowej)

Pojedynczy EPSP jest za słaby by wywołać potencjał czynnościowy. Do tego potrzebne jest wygenerowanie większej liczby EPSP w krótkich odstępach czasu. Wywoływane jest to poprzez zjawisko sumacji.

Sumacja przestrzenna

Podprogowe potencjały postsynaptyczne wywoływane w wielu synapsach na neuronie ulegają zsumowaniu, dzięki czemu możliwe jest osiągnięcie depolaryzacji wystarczająco dużej do wygenerowania potencjału. (konwergencja)

Sumacja czasowa

Zachodzi w jednej synapsie. Gdy jeden impuls nie wygasł do końca, następny dopływający do zakończenia presynaptycznego wywołuje kolejną depolaryzację, zanim dojdzie do całkowitej repolaryzacji błony. Dzięki temu EPSP z jednej synapsy sumują się.

To czy neuron wygeneruje potencjał czynnościowy zależy od wypadkowej wszystkich EPSP i IPSP.

Hamowanie synapsy

• postsynaptyczne:

- bezpośrednie IPSP

- pośrednie - refrakcja

• presynaptyczne:

- synapsa piętrowa pobudzająca

- synapsa piętrowa hamująca

Hamowanie presynaptyczne - synapsa pobudzająca

• 
  
  pobudzenie od B do A

• 
  
  w A powstaje EPSP i zmniejsza się elektroujemność np. do -62mV

• 
  
  ilość wydzielonego mediatora jest wprost proporcjonalna do amplitudy potencjału czynnościowego

• normalnie amplituda od -70 do +35mV

• mniejsza amplituda (do -62mV) → mniejsza ilość wydzielonego mediatora → HAMOWANIE

Hamowanie presynaptyczne - synapsa hamująca

• 
  
  obniżenie elektroujemności - komórkę trudniej pobudzić

• wzrasta próg pobudliwości → HAMOWANIE

Synapsy elektryczne

• inaczej: połączenia szczelinowe

• neurony oddzielone od siebie o ok. 3,5 nm; nie ma pomiędzy nimi właściwej szczeliny synaptycznej

• neurony połączone kanałami białkowymi, umożliwiającymi bezpośredni przepływ prądu jonowego pomiędzy neuronami

• nie ma pośrednictwa przekaźnika chemicznego

• nawet bodziec podprogowy powoduje przepływ prądu i depolaryzację błony postsynaptycznej (łączność pomiędzy cytoplazmami)

• brak opóźnienia synaptycznego

• możliwość dwukierunkowego przekazywania sygnałów

• potencjał czynnościowy może być wywołany jednocześnie we wszystkich połączonych synapsami neuronach

VI Złącze nerwowo-mięśniowe

• Włókna mięśniowe mogą się kurczyć tylko, gdy są pobudzone przez unerwiające je neurony ruchowe - motoneurony (neuron unerwiający kom. mięśni szkieletowych).

• Jeden motoneuron może unerwiać wiele miocytów, każdy miocyt jest unerwiany tylko przez jeden motoneuron.

• Ich ciała komórkowe znajdują się w rdzeniu kręgowym lub pniu mózgu, a aksony dochodzą do mięśni unerwiając włókno mięśniowe.

• Motoneurony oddziałują na włókna mięśniowe za pośrednictwem synaps nerwowo-mięśniowych, zwanych płytkami ruchowymi lub motorycznymi.

• Mediatorem w złączu nerwowo-mięśniowym jest zawsze acetylocholina.

• Receptory dla acetylocholiny są jednocześnie kanałami sodowymi.

• Acetylocholina jest rozkładana przez odpowiedni enzym w szczelinie synaptycznej.

• Złącze nerwowo-mięśniowe to synapsa chemiczna.

VII Ogólna charakterystyka mięśni

• Zbudowane z komórek mięśniowych (miocytów).

• Zawierają komórki kurczliwe charakteryzujące się zdolnością do skracania się.

• Miocyty to kom. pobudliwe, wytwarzające potencjał czynnościowy przewodzony wzdłuż błony komórkowej.

• Do skurczu mięśnia niezbędne jest wygenerowanie potencjału czynnościowego.

VIII Podział mięśni, charakterystyka mięśni poprzecznie prążkowanych i gładkich

• mięśnie poprzecznie prążkowane - mają naprzemiennie ułożone jasne i ciemne prążki - regularny i uporządkowany układ białek kurczliwych

• mięśnie szkieletowe (unerwione przez układ ruchowy i spełniające funkcję głównie lokomocyjną)

• mięsień sercowy (unerwiony przez układ autonomiczny)

• mięśnie gładkie - układ włókienek mięśniowych nieuporządkowany; unerwione przez ukł. autonomiczny

IX Struktura anatomiczna, histologiczna i biochemiczna mięśni

Budowa mięśni szkieletowych

• są zbudowane z tysięcy pojedynczych, wielojądrowych, wrzecionowatych kom. mięśniowych, ułożonych równolegle względem siebie

• pojedyncze kom. mięśniowe mają zwykle długość równą długości całego mięśnia

• każda kom. mięśniowa (włókno mięśniowe) jest otoczona błoną komórkową (sarkolemą), a jej wnętrze jest wypełnione sarkoplazmą i pęczkami włókienek mięśniowych (miofibryli)

Budowa histologiczna

• Sarkolema (błona komórkowa) - otacza komórkę mięśniową. Strukturą charakterystyczną sarkolemy mięśni szkieletowych są kanaliki T.

• Kanaliki T są to wglobienia błony komórkowej, docierające w głąb komórki mięśniowej, w bliskie sąsiedztwo siateczki sarkoplazmatycznej. Ich podstawową funkcją jest przenoszenie potencjałów czynnościowych do wnętrza miocytów.

• Siateczka sarkoplazmatyczna w pobliżu kanalików T tworzy zbiorniki końcowe (cysterny brzeżne). Magazynowane są w nich jony wapnia.

• Kanalik T wraz z dwoma sąsiadującymi zbiornikami brzeżnymi tworzy triadę mięśniową.

• Sarkoplazma (cytoplazma) wypełnia wnętrze kom. mięśniowych, stanowiąc funkcjonalne (i strukturalne) podłoże wszystkich procesów wewnątrzkomórkowych. W mięśniach szkieletowych szczególną rolę pełnią zlokalizowane w jej obrębie:

• miofibryle (włókienka mięśniowe)

• siateczka sarkoplazmatyczna (cytoplazmatyczna)

• Miofibryle (włókienka mięśniowe) są podstawową strukturą kom. mięśniowych odpowiedzialną za czynność skurczową, zbudowaną z:

• filamentów grubych, w których skład wchodzą cząst. miozyny

• filamentów cienkich, w których skład wchodzą aktyna, tropomiozyna i tropoina I, C i T

Miofilamenty grube (miozynowe)

Zbudowane z wielu cząsteczek miozyny. Miozyna składa się z dwóch spiralnie skręconych łańcuchów tworzący tzw. ogon (podjednostki ciężkie). Końcowe fragmenty łańcuchów tworzą dwie oddzielne głowy (podjednostki lekkie) oraz miejsca aktywne, zdolne do wiązania się z miejscami aktywnymi cząst. aktyny.. Połączenie główki z miofilamentem cienkim tworzy mostek.

Miofilamenty cienkie (aktynowe)

Zbudowane z wielu cząsteczek aktyny. Tworzą główną oś miofilamentów. Cząsteczki aktyny mają na powierzchni miejsca wiązania główek miozyny. W stanie spoczynku aktywne miejsca na łańcuchu aktyny są zakryte (zablokowane) przez łańcuch tropomiozyny. Wzdłuż łańcucha tropomiozyny są rozmieszczone kompleksu białkowe troponin (I, C i T). Troponina T łączy się ściśle z tropomiozyną, troponina I zasłania miejsca aktywne na niciach aktynowych, a troponina C wykazuje wysokie powinowactwo do jonów wapnia. Związanie Ca²⁺ z troponiną C zmienia ułożenie przestrzenne całego kompleksu troponin i promuje ruch tropomiozyny na fi lamencie aktynowym, co powoduje odsłonięcie aktywnych miejsc na łańcuchach aktyny.

Sarkomer

• Podstawowa jednostka anatomiczno-czynnościowa kom. mięśniowej.

• Fragment włókna mięśniowego ograniczony z obu stron liniami granicznymi Z.

• W jego skład wchodzi jasny prążek I (izotropowy) - nie załamuje promieni świetlnych - oraz ciemny prążek A (anizotropowy) - załamuje promienie świetlne.

• Filamenty miozynowe (prążek A) są zlokalizowane w środkowej części sarkomeru.

• Filamenty aktynowe z jednej strony są przyczepione do linii granicznych Z , z drugiej wchodzą pomiędzy filamenty miozynowe.

• Odcinki aktynowe pomiędzy linią Z a filamentami miozynowymi tworzą prążek I.

• Pośrodku odcinków anizotropowych widoczna jest błona środkowa M.

• W prążku A wyróżniona dodatkowo fragment miozynowy, w którym w spoczynku nie występują nici aktyny - tzw. prążek H.

Podział włókien mięśniowych poprzecznie prążkowanych

1 włókna czerwone / wolne / tlenowe

• kurczą się wolno

• mają bardzo dużo mioglobiny

• wysoki stopień kapilaryzacji (dużo naczyń)

• energia na drodze tlenowej

• wysoka gęstość mitochondriów

• wysiłek długotrwały

2a włókna pośrednie / tlenowoglikolityczne

• pośredni stopień kapilaryzacji

• energia na drodze tlenowej lub beztlenowej

• średnia ilość mioglobiny

• szybkie

• wysiłek o średnim czasie trwania

2b włókna białe / szybkie / glikolityczne

• niski stopień kapilaryzacji

• mało mioglobiny

• energia na drodze beztlenowej

• szybkie

• krótko pracują

• bardzo mało mitochondriów

• pracują głównie na glukozie

Mięśnie są zbudowane ze wszystkich rodzajów włókien. Specyficznym mięśniem jest przepona (50% wł. czerwone, 25% wł. pośrednie, 25% wł. białe) - ma ona większy potencjał tlenowy, zabezpieczona na zmniejszoną ilość tlenu.

Budowa mięśni gładkich

• są zbudowane z jednojądrzastych komórek

• miocyty nie rozciągają się na całej długości mięśnia - komórki przylegają do siebie, tworząc w wielu miejscach specyficzne połączenie międzykomórkowe

• w mięśniach gładkich (podobnie jak w m. szkieletowych) znajdują się białka kurczliwe: aktyna, miozyna i tropomiozyna, brak jest kompleksu białkowego troponin - ich rolę spełnia kalmodulina

• filamenty miozyny i aktyny nie tworzą miofibryli i ułożone są ukośnie, nieregularnie w stosunku do długiej osi komórki

• odpowiednikiem linii Z są tzw. ciałka gęste - podstawowe elementy cytoszkieletu kom. mięśni gładkich, zapewniające połączenie fialmentów aktynowych z wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej

• rolę stabilizacyjną pełnią filamenty pośrednie zbudowane z polimerycznych białek desminy i winkuliny - łączą ciałka gęste z pozostałymi elementami cytoszkieletu oraz pośredniczą w utrzymywaniu nici aktynowych i miozynowych blisko siebie

• siateczka sarkoplazmatyczna słabo rozwinięta, brak typowych rozszerzeń siateczki sarkoplazmatycznej (cystern brzeżnych)

X Molekularny mechanizm skurczu mięśnia

Skurcz mięśnia szkieletowego

Potencjał czynnościowy rozprzestrzeniający się w błonie komórkowej jest przekazywany do układu cewek T, które znajdują się w pobliżu SR.

↓

SR ma wysokie stężenie jonów Ca²⁺ potrzebnych do zapoczątkowania skurczu mięśnia podczas pobudzenia.

↓

Sprzężenie elektromechaniczne

do rozkurczu mięśnia potrzebny jest ATP

1. W pierwszym etapie mostek poprzeczny miozyny łączy się z aktyną. Połączenie następuje samorzutnie po związaniu się jonów Ca²⁺ z troponiną.

2. SKURCZ. W drugim etapie mostki poprzeczne wykonują niepełny obrót, co powoduje wciągnięcie cienkiej nitki aktyny między nitki miozyny, wytwarzając napięcie mięśnia.

• Energia potrzebna do obrotu mostka poprzecznego pochodzi z rozkładu cząst. ATP na adenozynodwufosforan (ADP) oraz fosforan nieorganiczny.

• Zarówno cząst. ATP, jak i enzym hydrolizujący - ATP-aza - są związane z mostkami poprzecznymi. ATP-aza jest aktywowana dopiero pod wpływem połączenia miozyny z aktyną, co oznacza, że hydroliza ATP i uwalnianie energii następują podczas tworzenia mostków miozynowo-aktynowych.

• Skracanie się mięśnia oraz wytworzenie siły są wywołane ślizganiem się cienkich filamentów aktynowych wzdłuż grubych filamentów miozyny.

3. Trzecim etapem jest odłączenie mostka miozyny od cienkiej nici aktyny. Ten etap następuje po obrocie mostka podczas jego połączenia z aktyną.

• Warunkiem niezbędnym odłączenia mostka jest usunięcie cząst. ADP oraz Pi i zastąpienie ich nową cząst. ATP. Nieobecność ATP uniemożliwia rozdzielenie nici miozyny i aktyny.

• Natychmiast po odłączeniu miozyny od aktyny następuje znów hydroliza ATP do ADP i Pi i powstaje kompleks miozyna-ADP-Pi, stanowiący wysokoenergetyczną przejściową formę ATP.

4. W czwartym etapie mostek wraca do wyjściowej pozycji wyprostnej. Z tej pozycji może zacząć się następny cykl zmian prowadzących do skurczu. Procesy te powtarzają się tak długo, jak długo jony Ca²⁺ są połączone z troponiną.

Skurcz mięśnia gładkiego

Mechanizm skurczu jest podobny jak mięśni szkieletowych. Filamenty aktyny i miozyny tworzą połączenia (mostki poprzeczne), a zmiana ich ułożenia przestrzennego skutkuje wsunięciem nici aktyny pomiędzy nici miozyny.

1. Rozpoczęcie skurczu w mięśniach gładkich, podobnie jak w m. szkieletowych, następuje z chwilą wzrostu stęż. wolnego Ca²⁺ w sarkoplazmie miocytu. Następnie jony wapnia są wiązane przez kalmodulinę i pod wpływem kompleksu kalmodulina-Ca²⁺ dochodzi do aktywacji kinazy łańcuchów lekkich miozyny.

2. Kinaza łańcuchów lekkich miozyny katalizuje fosforylację cząst. miozyny (łańcuchów lekkich), które następnie zmieniają ułożenie przestrzenne „głów” miozyny i dochodzi do aktywacji ATPazy miozynowej.

3. Ufosforylowana miozyna rozkłada ATP, umożliwiając wytworzenie połączenia pomiędzy miozyną a aktyną (powstanie mostka poprzecznego).

4. Naprzemienne tworzenie i rozrywanie mostków poprzecznych warunkuje przesuwanie się nitek aktyny względem miozyny i skurcz mięśnia.

5. Rozkurcz jest warunkowany defosforylacją miozyny przy udziale fosfatazy łańcuchów lekkich miozyny m. gładkich (rozkurcz zachodzi jedynie po obniżeniu wewnątrzcytozolowego stężenia Ca²⁺).

6. Spadek stęż. Ca²⁺ wewnątrz sarkoplazmy jest możliwy dzięki aktywacji pompy wapniowej, która czynnie transportuje Ca²⁺ do wnętrza siateczki, gdzie następnie jony są wiązane przez kalretikulinę.

XI Rodzaje skurczów mięśni szkieletowych

Skurcz izometryczny

• Występuje, gdy mięsień kurczy się pod obciążeniem,

którego nie może pokonać, czyli włókna mięśniowe nie mogą

się skracać.

• Długość mięśnia nie ulega zmianie, ale jego napięcie wzrasta.

Skurcz izotoniczny

• Nieobciążone włókno mięśniowe skraca się swobodnie.

• Jego długość się zmienia, ale napięcie nie wzrasta.

Skurcz auksotoniczny

• 
  Występuje, gdy mięsień kurczy się pod obciążeniem, które może pokonać.

• Zmienia się zarówno długość jak i napięcie mięśnia.

Skurcz

izometryczny izotoniczny auksotoniczny

Siła Wzrost

skurczu siły

Długość Skrócenie

mięśnia mięśnia

XII Skurcz tężcowy zupełny i niezupełny

Skurcz pojedynczy - jest odpowiedzią na jednorazowe pobudzenie.

Skurcz tężcowy - suma kolejnych skurczów, powtarzających się w krótkich odstępach czasu.

• zupełny - mięsień nie rozkurcza się, skurcz ma największą siłę, jaką jest w stanie wygenerować

• niezupełny - mięsień ulega lekkim, krótkotrwałym rozkurczom, skurcze powtarzają się w niewielkich odstępach czasu.

XIII Zależność siły rozwijanej przez mięsień od jego długości

• Wraz ze wzrostem długości, aż do uzyskania optymalnej długości, zwiększa się siła skurczu.

• Po przekroczeniu długości optymalnej, przy silnym rozciągnięciu mięśnia, jego siła się zmniejsza.

• Optymalna długość mięśni - w czasie typowej aktywności, np. chodzenie - osiągnięcie najwyższej siły skurczu.

XIV Jednostka ruchowa (motoryczna)

• Kompleks utworzony przez jeden motoneuron i włókna mięśniowe unerwione wyłącznie przez ten motoneuron.

• Wszystkie włókna mięśniowe unerwione przez jeden motoneuron występują w obrębie jednego mięśnia.

• Jeżeli motoneuron jest pobudzony, kurczą się wszystkie te włókna mięśniowe.

Rekrutacja jednostek ruchowych - angażowanie do skurczu coraz większej liczby jednostek ruchowych. Pozwala to na stopniowe zwiększanie siły skurczu.

Dekrutacja - proces odwrotny.

Podział jednostek ruchowych ze względu na obecność objawu ugięcie w skurczu tężcowym niezupełnym i wskaźnik zmęczenia

1. S - wolne

• najwolniej przewodzą potencjały czynnościowe (długi czas skurczu i rozkurczu)

• najbardziej pobudliwe

• brak objawów zmęczenia

• wskaźnik >0,5

2. FR - szybkie odporne na zmęczenie

• krótki czas skurczu i rozkurczu

• występują objawy zmęczenia

• wskaźnik >0,5

3. FF - szybkie męczące się

• krótki czas skurczu i rozkurczu

• najmniej pobudliwe - potrzebują silniejszych wpływów pobudzających

• występują objawy zmęczenia

• wskaźnik <0,5

Fizjologia ćwiczenia 3 (19 X 2010r.)

10

---