BIOFIZYKA TKANEK

1.TKANKA NERWOWA

Tkanka nerwowa składa się z wyspecjalizowanych komórek (1012), których zasadniczą cechą - z punktu widzenia biofizyki – jest zdolność reagowania szybkimi zmianami potencjału na bodźce zewnętrzne

KOMÓRKA NERWOWA (neuron)

*Składa się z CIAŁA NEURONU z licznymi wypustkami DENDRYTAMI i 1 bardzo długiego (do 1m) - AKSONU (często otoczonego OSŁONKĄ MIELINOWĄ, którą cechuje mała przepuszczalność dla wody i jonów, a co za tym idzie –znaczna oporność elektryczna) zakończonego rozgałęzieniami.

*PRZEWĘŻENIA RANVIERA – miejsca o obniżonej oporności elektrycznej – punkty kontaktu aksonu z płynem śródtkankowym. Na zakończeniach a. – KOLBKI SYNAPTYCZNE stykające się z bł. kom. ciała neuronu i dendrytów innych komórek. W kolbkach – PĘCHERZYKI 30-50 nm wypełnione NEUROTRANSMITEREM

*komórki nerwowe kontaktują się ze sobą i w niektórych przypadkach z mięśniowymi za pomocą SYNAPS

POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY

*Dotyczy wyłącznie komórek w stanie niepobudzonym

*Jest uzależniony od stężenia K+, Na+, Cl- i A-, których stężenie nie jest jednakowe wewnątrz i na zewnątrz komórki

*K+ są transportowane na zewnątrz przez pompy potasowe, aniony organiczne nie są przepuszczane na zewnątrz komórki

*Potencjał wnętrza komórki jest ujemny w stosunku do jego otoczenia (-40 - -100 mV) *nPotencjał spoczynkowy neuronu - -90 mV; utrzymywany jest przede wszystkim przez pompę Na/K

POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY

*Informacja w układzie nerwowym przenoszona jest we włóknach w postaci impulsów –rozprzestrzeniających się wzdłuż włókien zmian potencjału błony komórkowej – zwanych POTENCJAŁAMI CZYNNOŚCIOWYMI

*Aby bodziec wytrącił komórkę ze stanu równowagi i wywołał potencjał czynnościowy musi zostać przekroczony PRÓG POBUDLIWOŚCI

KRZYWA PRZEBIEGU POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO W PUNKCIE WŁÓKNA NERWOWEGO (iglica potencjału)

*Faza depolaryzacji

*Faza repolaryzacji

*Potencjał następczy hiperpolaryzacyjny

*Potencjał następczy depolaryzacyjny

MECHANIZM POWSTAWANIA POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO

*I faza – gwałtowna dyfuzja Na+ do wnętrza komórki – neutralizacja jej ujemnego potencjału, a następnie zmiana na dodatni względem płynu międzykomórkowego, na skutek wytworzenia własnego potencjału dyfuzyjnego (dla włókna nerwowego kałamarnicy podczas pobudzenia przepuszczalność jest 500x > niż w stanie spoczynku – w tym samym stosunku zmienia się też przewodnictwo elektryczne)

*II faza – ↓ przepuszczalności dla Na+ i ↑ K+

*Zmiany stężenia obu jonów podczas pojedynczego procesu depolaryzacji są nieznaczne w porównaniu z całkowitymi stężeniami tych jonów i są po pewnym czasie wyrównywane dzięki stale działającej pompie jonowej

POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY A ENERGIA

*powstawanie iglicy potencjału jest wynikiem gwałtownie zwiększonej dyfuzji kationów zgodnie z gradientem stężenia – PROCES SAMORZUTNY (> entropię układu), nie wymagającym nakładu energii

*Nakład energii jest wymagany wcześniej, do wytworzenia różnic ich stężeń po obu stronach błony

Procesy, które ze względu na żywotne interesy organizmu powinny odbywać się szybko są procesami samorzutnymi, nie wymagającymi bezpośredniego nakładu energii, Natomiast przygotowanie komórki do ich wykonania pochłania energię, odbywa się wolniej i jest regulowane szybkością dostarczania lub wytwarzania związków wysokoenergetycznych w komórce

PRZEWODZENIE IMPULSÓW NERWOWYCH

Depolaryzacja błony w jednym punkcie przy nie zmienionym potencjale sąsiednich odcinków wywołuje przepływ prądu tak, aby wyrównać różnicę potencjałów. Powoduje to < potencjału sąsiedniego obszaru i pozwala na samorzutną depolaryzację –

WZDŁUŻ WŁÓKNA PRZEMIESZCZA SIĘ FALA ZMIAN POTENCJAŁU

*W przypadku nerwu pokrytego osłonką mielinową (bardzo dobry izolator elektryczny), tego rodzaju prądy mogą płynąć tylko od 1 węzła Ranviera do 2. Pobudzenie rozchodzi się skokowo, co znacznie zwiększa szybkość jego przemieszczania się

*Dochodząc do zakończenia włókna nerwowego fala depolaryzacji powoduje aktywację synaps. Wydzielona acetylocholina przekazuje impuls na inne włókno nerwowe

PERCEPCJA I PRZEKAZYWANIE INFORMACJI

Komórki receptorowe:

-są elementami wejściowymi układu

-są rodzajem komórek nerwowych reagującymi na określone bodźce (światło, substancje chemiczne, zmiany naprężenia itd.)

*Chemoreceptory (receptory węchowe i smakowe)

*Receptory wzrokowe

PRZENOSZENIE INFORMACJI PRZEZ WŁÓKNA NERWOWE

*Potencjał generowany w k. receptorowych (POTENCJAŁ GENERUJĄCY) pod wpływem specyficznych bodźców wywołuje depolaryzację neuronu inicjując przenoszenie informacji wzdłuż włókna nerwowego. Jest on zależny od natężenia bodźca (im > natężenie bodźca, tym ↑ potencjał depolaryzacji; zależność logarytmiczna)

*Neuron odpowiada na pojedynczy bodziec iglicą potencjału

*Pojedynczy impuls nie jest odbierany przez u. nerwowy jako sygnał niosący informację, a szum

*Gdy potencjał generatorowy receptora pobudza neuron w sposób ciągły, reaguje on serią impulsów depolaryzacji stanowiących sygnał sensowny

*Im wyższy potencjał jest generowany, tym częstotliwość tych impulsów jest >

* Informacja o natężeniu bodźca zostaje zakodowana przy przekazywaniu przez u. nerwowy dwojako:

- w formie modulacji amplitudy przez receptor

- w formie modulacji częstotliwości przez neuron

PRZETWARZANIE INFORMACJI PRZEZ SIECI NERWOWE

*Skład sieci nerwowej:

-nerwy obwodowe

-k. ośrodkowego u. nerwowego

*Liczba komórek nerwowych u człowieka 1012

*Liczba połączeń pomiędzy komórkami 1000x >

Funkcje:

* analiza odbieranych bodźców zewn.

* przechowywanie informacji w pamięci

* kojarzenie i porównywanie informacji

* sterowanie czynnościami organizmu

TEORIA SIECIOWA PAMIĘCI
*Pamięć jest zawarta w sieciach neuronalnych, tworzonych przez połączone neurony kory mózgowej

*Jednoczesne pobudzenie różnych grup neuronów powoduje aktywację sieci, będącą reprezentacją zdarzeń lub sygnałów zewnętrznych i wewnętrznych

*Pamięć sieciowa jest zorganizowana hierarchicznie i topograficznie

*Praktycznie nieograniczona liczba kombinacji neuronów i sieci powoduje niepowtarzalność indywidualnych pamięci i osobowości

*Sieci mogą aktywować inne sieci. Obejmują duże obszary kory i mają różną trwałość.

PRZETWARZANIE INFORMACJI PRZEZ SIECI NERWOWE

Jeśli A to B to k. B reaguje wówczas gdy pobudzona została k. A

Jeśli A lub B to C (implikacja z alternatywą) to neuron C zostaje pobudzony przez pobudzenie neuronu A lub B

Jeśli A i B to C (implikacja z koniunkcją) to neuron C ma tak wysoki próg pobudliwości, że reaguje tylko na łączny sygnał neuronów A i B

Jeśli A i nie B to C (implikacja z koniunkcją i negacją) to wymaga włączenia k. inhibitorowej

PRZECHOWYWANIE INFORMACJI W UKŁADZIE NERWOWYM

•ENGRAM = ślad pamięciowy - zmiana w układzie nerwowym wywołana chwilowym pobudzeniem, utrzymująca się przez pewien czas. Engram jest reprezentacją doznań związanych z percepcją, przeżyciem lub działaniem

•UCZENIE - związane z doświadczeniem tworzenie trwałych engramów, lub trwałe przekształcanie istniejących engramów pod wpływem doświadczenia

•PAMIĘĆ – tworzenie, przekształcanie i przechowywanie engramów oraz ich wykorzystanie w celu sterowania zachowaniem = odtwarzanie impulsów dochodzących do ośrodkowego u. nerwowego po pewnym, nieraz długim czasie

•PRZYWOŁANIE - przeniesienie engramów z magazynów do obszarów pamięci roboczej

OPERACJE PAMIĘCI
*zapamiętywanie - przekształcanie doznań w engramy

*przechowywanie - utrzymywanie engramów

*przypominanie - wydobywanie engramów, odtwarzanie doznań

*rozpoznawanie - porównanie nowo utworzonego engramu ze starym

RODZAJE PAMIĘCI

Robocza (bezpośrednia) -> Krótkotrwała -> Długotrwała :

*deklaratywna (jawna) :

-epizodyczna (pamięć zdarzeń)

–semantyczna (wiedza o zasadach)

* proceduralna (uwikłana) – wykonywanie czynności

PAMIĘĆ KRÓTKOTRWAŁA

*Engram ma charakter CZYNNOŚCIOWY: jest to samopodtrzymujący się prąd płynący w zamkniętym obwodzie składającym się z komórek nerwowych. Impuls dochodzący z zewn. do pętli składającej się z neuronów od czasu do czasu dochodzi do neuronu 5 aktywowanego dodatkowo zewnętrznym impulsem

-Jest labilna (podatna na zakłócenia)

-Nie wymaga nowej syntezy RNA i białek

-Trwa od kilkadziesięciu sekund do kilkuset godzin

Trwałe usuwanie:

-szok elektryczny, silny mechaniczny,

-raptowne impulsy elektryczne,

-przerwanie dopływu tlenu,

-oziębienie tkanki nerwowej

PAMIĘĆ DŁUGOTRWAŁA
*Informacje z pamięci krótkotrwałej są przekazywane do długotrwałej i mogą być tam przechowywane nawet dziesięciolecia (tworzy się na podstawie engramów pamięci krótkotrwałej w procesie konsolidacji

*Podłoże pamięci nie jest znane

*Trwa przez dni i miesiące

*Jest skonsolidowana (nie ulega zakłóceniom)

*Wymaga nowej syntezy RNA i/lub białek

*Nie zanika przy przejściowym zaburzeniu czynności elektrycznych mózgu

*Wytwarzana jest, gdy bodźce bezwarunkowe są tak silne, że aktywują wiele układów neuroprzekaźników. W efekcie neuron tworzy nowe białka, m.in. nowe połączenia synaptyczne, ułatwiające przekazywanie sygnału

MOLEKULARNY MECHANIZM PAMIĘCI

•pobudzenie receptora

•tworzenie wtórnego przekaźnika

•pobudzenie czynników transkrypcyjnych

•aktywacja genów

•synteza białka – prowadząca do zmian morfologicznych i czynnościowych, których wynikiem jest zmiana siły sprzężenia synaptycznego. Warunkuje to, m.in., tworzenie uprzywilejowanych szlaków pobudzeń aktywujących czynnościowe sieci neuronalne

NOWE ISTOTNE ODKRYCIA DOTYCZĄCE PAMIĘCI

-Tworzenie nowych neuronów w hipokampie

- Tworzenie się nowych rozgałęzień dendrytycznych, stymulowane przez białko cypinę (deaminazę guaniny) (Akum et al. 2004)

- Utrwalanie nowo tworzonych połączeń synaptycznych przez prionopodobne białko CPEB (cytoplasmic polyadenylation element binding protein) (Si i Kandel 2003)

- Fosforylacja CREB (cAMP response element binding) wzmaga uczenie. Superfosforylacja CREB powoduje pamięć fotograficzną (Tully); aktywatory CREB

-Uczenie jest wspomagane przez blokowanie fosfatazy PP1. hydrolizującej CREB-P (Mansuy 2002)

JAK POMAGAĆ PAMIĘCI

1.Metody niefarmakologiczne:

* Techniki uczenia się: mnemotechnika

- Metoda skojarzeń pozwala na znaczne zwiększenie pojemności magazynów pamięci (kodowanie engramów)

* Hamowanie tempa wymierania neuronów

-Zdrowy tryb życia, unikanie niedotlenienia mózgu pozwala na zachowanie większej liczby neuronów w późniejszym wieku

* Regularny wysiłek intelektualny

-Praca umysłowa nasila uwalnianie acetylocholiny, która aktywuje enzymy uniemożliwiające tworzenia się białka odpowiedzialnego za chorobę Alzheimera

KORZYŚCI Z ZAPOMINANIA
*Zapominanie musi nieść za sobą jakieś korzyści, bo nie zostało wyeliminowane w procesie ewolucji

•Zacieranie przykrych wspomnień, utrudniających funkcjonowanie

•Ułatwienie orientacji w czasie

•Adaptacja do zmienionych sytuacji, wymagających innych sposobów postępowania

•Tworzenie miejsca dla nowych śladów pamięciowych

Recepta na szczęście: pamiętaj o rzeczach miłych, a zapominaj o nieprzyjemnych =) Taki miły przerywnik od p.profesor, to tak, żeby nam się było milej uczyć, rzecz jasna! xD

2. TKANKA MIĘŚNIOWA

MIĘŚNIE:

*stanowią ok. 40% masy ciała

*przekształcają energię chemiczną pochodzącą z ATP w pracę mechaniczną

RODZAJE KOMÓREK MIĘŚNIOWYCH

*SERCOWE

- poprzecznie prążkowane

- rozgałęzione

- jednojądrowe

- niepodległe woli

*SZKIELETOWE (ok. 600)

- wielojądrowe

- zbudowane z włókien (miofibryli)

- najczęściej 2 przy jednej kości (gdy jeden się kurczy, drugi rozkurcza)

- podległe woli

*GŁADKIE

- pojedyncze wrzecionowate komórki

- prążkowania nie są widoczne

- występują w narządach pustych (z wyjątkiem serca)

- ich skurcz zmniejsza rozmiar tych struktur, tj. reguluje przepływ krwi w naczyniach, przemieszcza pokarm w układzie pokarmowym, usuwa mocz z pęcherza, wydobywa noworodka z macicy, reguluje przepływ powietrza w płucach

- niepodległe woli, ale mogą być stymulowane np. histaminą lub hormonami (oksytocyną)

PODSTAWOWE INFORMACJE nt. KOMÓREK MIĘŚNIOWYCH

*Komórki mięśniowe są pobudliwe (po pojawieniu się na ich błonie depolaryzacji przekraczającej wartość progową generowany jest potencjał czynnościowy rozchodzący się od miejsca pobudzenia po całej powierzchni błony)

*W przypadku mięśni szkieletowych pobudzenie dociera przez synapsę nerwowo-mięśniową; komórki mięśnia sercowego są pobudzane przez inne, sąsiadujące z nimi komórki mięśniowe

BUDOWA WŁÓKNA MIĘŚNIOWEGO

włókno mięśniowe nie jest pojedynczą komórką; jego części mają specjalne nazwy:

*sarkolema (błona plazmatyczna)

*retikulum sarkoplazmatyczne (retikulum endoplazmatyczne)

*sarkosom (mitochondrium)

*sarkoplazma (cytoplazma)

Jądra i mitochondria znajdują się tuż pod błoną plazmatyczną .

Retikulum endoplazmatyczne rozciąga się pomiędzy miofibrylami.

BUDOWA SARKOMERU

*FILAMENTY GRUBE (15 nm)

-Miozyna (ATPaza)

-Wydłużona pałeczka (podwójana a helisa) zakończona głowami (struktura globularna) z miejscami wiązania ATP i aktyny

*FILAMENTY CIENKIE (5 nm)

-Aktyna G i F (podwójna spirala) jednym końcem połączona z dyskiem Z, drugim z miozyną; w k. m. poprzecznie prążkowanych przyłączane są do niej troponina i tropomiozyna, mające zdolność wiązania jonów Ca wnikających do wnętrza - w ten sposób regulują procesy skurczu i rozkurczu

Ciemne łańcuchy A (filamenty grube) Jasne łańcuchy I (filamenty cienkie)

Łańcuchy A są przedzielone LINIĄ H

Łańcuchy I są przedzielone LINIĄ Z – poprzeczną błoną podstawową oddzielającą sarkomer

AKTYWACJA MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO

*System nerwowy jest połączony z włóknami mięśniowymi za pomocą synaps (połączenie neuromięśniowe; połączenie mioneuronalne)

*Zakończenie aksonu jest wypełnione tysiącami pęcherzyków wypełnionych ACh)

*W wyniku impulsu ACh jest uwalniana z pęcherzyków do błony postsynaptycznej włókien

*Jest to sygnałem do otwarcia kanałów Na, które transportowane są do wnętrza oraz K, transportowanych na zewnątrz

*Wnętrze włókna mięśniowego w stanie spoczynku ma potencjał

-95mV, w wyniku depolaryzacji błony powstaje potencjał czynnościowy

*Retikulim sarkoplazmatyczne uwalnia Ca

MECHANIZM SKURCZU SARKOMERU

*Aktywacja skurczu rozpoczyna się na filamementach cienkich

*Aktyna jest połączona z wewnętrzną warstwą sarkolemy

*Uwolniony Ca wiąże się z troponiną obecną na cienkich filamentach miofibryli

*Troponina allosterycznie moduluje tropomiozynę

*Odblokowanie miejsc wiążących miozynę

*Główki miozyny łączą się z aktyną

*Filamenty przesuwają się wzdłuż siebie

*ATP przyłącza się do miozyny, co powoduje jej odłączenie od aktyny (miozyna ma własności ATPazowe)

*ATP jest hydrolizowane do ADP i Pi

*Główki miozyny wracają na swoje miejsce

*W przypadku, gdy jony Ca są usuwane do retikulum, mięśnie wchodzą w stan spoczynku, gdy są dostępne – skurcz jest powtarzany

CYKL ENZYMATYCZNY

*Aktyna z miozyną tworzą silny kompleks (u zmarłych - rigor mortis)

*Przyłączenie ATP do A-M obniża powinowactwo aktyny do miozyny: miozyna-ATP oddysocjowuje od aktyny

*ATP jest hydrolizowane przez miozynę (ATPaza) do ADP i P; produkty hydrolizy pozostają w połączeniu z miozyną (M-ADP-P)

*Hydroliza ATP powoduje zwiększenie powinowactwa miozyny do aktyny i utworzenia się kompleksu A-M-ADP-P

*Obecność aktyny wywołuje uwalnianie produktów hydrolizy (nazwa aktyny pochodzi od aktywacji miozyny)

*50% energii magazynowanej w ATP jest przekształcane w pracę mechaniczną

SKURCZ MIĘSNI GŁADKICH

*Aktywacja odbywa się na filamentach grubych. Skurcz jest wywołany napływem uwolnionych jonów Ca, które wiążą się z kalmoduliną (białko podobne do troponiny C)

*Kompleks Ca-kalmodulina wiąże się z kinazą lekkiego łańcucha miozyny, która fosforyluje lekkie łańcuchy miozyny

*Miozyna wiąże się z filamentami aktyny

RÓŻNICE W DZIAŁANIU MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO I SERCOWEGO

*W mięśniach szkieletowych jony wapnia są zgromadzone w zbiornikach wewnątrzkomórkowych i są wystarczające do wywołania efektywnego skurczu; w komórkach mięśnia sercowego wymagany jest napływ tych jonów z zewnątrz

*W mięśniach szkieletowych otwarcie kanału wapniowego zachodzi w wyniku sprzężenia receptorów dihydropirydyny (DHPR) i rianodyny (RR); w mięśniu sercowym otwarcie kanału jest wywołane napływem jonów wapnia z zewnątrz

PODSTAWOWE DROGI TRANSPORTU WAPNIA I JEGO MAGAZYNOWANIE W KOMÓRCE MIĘŚNIOWEJ

*MAGAZYNY SZYBKO UWALNIAJĄCE JONY WAPNIA:

-retilulum sarkoplazmatyczne i białka wyspecjalizowane w przyłączaniu tych jonów

*MAGAZYNY WOLNO UWALNIAJĄCE JONY WAPNIA:

-sarkosom, sarkolema i jądro

-długofalowa gospodarka wapniowa – szybkość reakcji na zmiany wewnątrzkomórkowego stężenia wapnia znacznie przekracza czas trwania pojedynczego pobudzenia i skurczu mięśnia

ENERGETYKA MIĘŚNIA

*Hydroliza ATP i tworzenie AM - procesy samorzutne, egzoergiczne (> entropia)

*Mięsień w stanie rozkurczu jest napiętą sprężyną gotową do skurczu- zapobiega temu układ tropina-tropomiozyna – ich usunięcie wywołuje samorzutny skurcz

v skurczu jest największa, gdy mięsień kurczy się bez obciążenia (F=0), maleje ze wzrostem obciążenie i jest 0, gdy F=Fm

3. TKANKA ŁĄCZNA I KOSTNA

Wchodzi w skład niemal wszystkich narządów, ma działanie podporowe i zapewnia pewną przesuwalność różnych narządów względem siebie

*Komórki

*Substancja podstawowa (GAG, PG, GP, kwas hialuronowy)

*Składniki włókniste

*Włókna kolagenowe

*Włókna elastyczne (elastyna i miofibryle)

*Włókna retikulinowe (kolagen typu III)

BUDOWA KOLAGENU

*3 aa – Gly, Pro i Hyp

*3 helikalne łańcuchy polipeptydowe (każdy ok. 1 000 aa, co trzeci Gly) skręcające się wobec siebie na kształt superhelikalnej liny - TROPOKOLAGEN

*Cylindryczny kształt, 300 x 1,5 nm),

*Segmentacja co 70 nm

UŁOŻENIE WŁÓKIEN KOLAGENU W TKANKACH

*ŚCIĘGNA – Włókna ułożone są równolegle do siebie wzdłuż osi ścięgna – duża wytrzymałość na rozerwanie w kierunku podłużnym (zbliżona do wytrzymałości stali)

*SKÓRA Włókna ułożone w różnych kierunkach i kilku warstwach – duża elastyczność i wytrzymałość w obu kierunkach w płaszczyźnie skóry

*ROGÓWKA Ułożenie włókien warstwowe .Jej przeźroczystość jest wynikiem takiego samego substancji międzykomórkowej w rogówce jak kolagenu

KOŚCI I CHRZĄSTKI

KOŚCI

Przebieg włókien kolagenowych odpowiada przebiegowi naprężeń występujących w kościach. W ten sam sposób ułożone są kryształy fosforanów wapnia wypełniające znaczną część przestrzeni między włóknami kolagenu. Razem tworzą blaszkowatą strukturę , która przenosi naprężenia od główek stawowych do środkowych części kości. Fosforany nadają kościom trwałość i sztywność, przedzielanie ich kolagenem (o niższej twardości) > wytrzymałość kości na złamanie i rozerwanie

CHRZĄSTKI

wyściełające powierzchnie kości składają się z bezładnie ułożonych, bardzo cienkich włókien kolagenu. Tkanka ta zawiera znaczne ilości substancji międzykomórkowej. Taka budowa zapewnia im elastyczność i niski współczynnik tarcia co ważne jest dla właściwej pracy stawów kostnych.