Úvod do biologické psychiatrie 1
1.
Neurony
Výchozím
předpokladem při studiu molekulárních mechanismů vzniku a léčby duševních
poruch je narušení rovnováhy v procesech souvisejících s přenosem nervového
signálu. Je zřejmé, že pokrok v této oblasti výzkumu je do značné míry vázán na
získání nových poznatků o normální funkci mozku. Cílem této kapitoly je podat
stručný přehled o buněčných a molekulárních vlastnostech neuronů, který má
sloužit čtenářům pouze pro zopakování nebo pro získání základní orientace v
dalším textu. Pozornost je věnována především nitrobuněčnému a mimobuněčnému
přenosu signálu, tj. funkcím, pro které jsou neurony specializovány.
1.1 Hlavní
složky nervového systému
Nervové buňky (neurony)
jsou biochemicky i anatomicky specializované buňky schopné přenosu signálu a
synaptického kontaktu s jinými neurony; vedou informaci uvnitř CNS a do zbytku
těla nebo z něj. Neurony lze rozdělit podle směru vedení na aferentní
(přívodní) neurony, které vedou signál od senzorových receptorů do CNS, a
eferentní (odvodní) neurony, které vedou signál z CNS k efektorům. Podle funkce
rozlišujeme neurony motorické, senzitivní a senzorické. Interneurony jsou
spojovací neurony s krátkými vlákny; nacházejí se celé v CNS, jsou
nejpočetnější (u člověka více než 20 miliard) a mohou působit na jiné neurony
přes postsynaptickou inhibici či excitaci, přes presynaptickou inhibici nebo
přes mechanismy, které zvyšují citlivost cílových neuronů k jiným synaptickým
vstupům.
Kromě
různých druhů nervových buněk jsou v mozku také různé typy gliových buněk,
což jsou malé buňky funkčně spojené s neurony. Uvádí se, že jsou 10x až 50x
početnější než neurony a tvoří více než polovinu objemu CNS; nejsou elektricky
excitovatelné a tudíž neprodukují akční potenciály. Hlavní typy gliových buněk
jsou: oligodendrocyty (vytvářejí myelinovou pochvu axonů v CNS);
Schwannovy buňky (protějšek oligodendrocytů v periferních nervech);
astrocyty (často přicházejí do styku jak s neurony, tak s vlásečnicemi);
ependymové buňky (fylogeneticky i ontogeneticky nejstarší glie); mikroglie
(mobilizovány v odezvě na poškození nebo nemoc; fagocytují).
Stálost
vnitřního prostředí CNS udržuje hematoencefalická bariéra - zajišťuje
regulaci přísunu metabolitů do CNS a odsun zplodin látkové přeměny; významný je
především transport glukózy, aminokyselin a iontů. Senzorové receptory
jsou specializovaná nervová zakončení, často kombinovaná s jinými buňkami a
vytvářející smyslové orgány. Jako efektory jsou označovány hlavně svaly
a hladké svaly.
1.2
Struktura nervové buňky
Neurony
obsahují podobné buněčné složky jako jiné buňky, tj. plazmatickou membránu,
jádro, jadérko, jadernou membránu, neuroplazmu a organely (mitochondrie,
hladké endoplazmatické retikulum, ribosomy, drsné endoplazmatické retikulum,
Golgiho aparát, lysosomy, atd.). Neurony jsou zvláště bohaté na mitochondrie
vzhledem k velké spotřebě energie pro udržování transmembránových iontových
gradientů. Polyribosomy lokalizované na drsném endoplazmatickém retikulu poblíž
jádra tvoří Nisslovu substanci, která produkuje specifické neuronové proteiny.
Struktura a funkce jednotlivých organel je známa z buněčné biologie; pro
neurony je specifická existence Nisslovy substance a vyšší hustota mitochondrií.
Neuronové
buněčné tělo (soma)
kontroluje růst a metabolismus. Kromě běžných buněčných složek mají neurony
morfologicky a funkčně odlišné oblasti, které se specializují na přenos
signálu: axon, dendrity a synapse.
Axon
(neurit) je tenký
výběžek z neuronového těla k cílovým buňkám dlouhý mikrometry až metry. Může se
větvit, ale obvykle až v oblasti svého zakončení. Membrána axonu je
specializovaná na rychlý přenos elektrického signálu - akčního potenciálu.
Z buněčného těla vychází axon z oblasti kuželovitého zesílení označované jako axonový
hrbolek. První oddíl axonu se nazývá iniciální segment. Presynaptické
axonové zakončení je specializovaná struktura na konci axonu, která ukládá
a uvolňuje mediátory aktivující cílové buňky; obsahuje mitochondrie a
synaptické váčky obsahující neuromediátor.
Dendrity jsou výběžky (obvykle z buněčného
těla), které přijímají signály od jiných nervových buněk; synaptický vstup na
dendritech kontroluje elektrickou aktivitu neuronu. Dendrity jsou silnější a
kratší než axon, často hodně větvené, takže vytvářejí dendritický strom.
Na dendritech některých neuronů lze pozorovat malé zesílené výběžky - dendritické
trny, které jsou místem vstupu, a někdy také výstupu, informace do/z buňky.
Synapse je místo kontaktu mezi nervovými
buňkami, kde je přenášen signál. Chemická synapse je tvořena presynaptickým
zakončením, synaptickou štěrbinou a postsynaptickou částí, v
níž vzniká odezva na neuromediátor uvolněný z části presynaptické.
2.
Pojmenování "axon" by se správně mělo používat pouze pro neurity
obalené gliovou pochvou, v literatuře je však obvyklé použití tohoto označení
pro holé i obalené neurity.
1.3
Cytoskelet
Důležitou
složku neuronů tvoří cytoskelet - heterogenní síť vláknitých struktur,
kterou tvoří navzájem interagující a propojené sítě z mikrotubulů,
neurofilament a mikrofilament. Jedná se o vysoce dynamický systém napojený na
další buněčné struktury, především na membránu. Cytoskelet má funkci
strukturní, pohybovou a informační.
Mikrotubuly jsou dlouhé duté struktury s
tloušťkou stěny 5 nm a vnitřním průměrem kolem 15 nm, skládající se ze 13
protofilament. Vyskytují se v axonech i dendritech a mají úlohu v axoplazmatickém
transportu a regulaci tvaru. Jsou tvořeny heterodimery a- a b-tubulinu
spojenými do šroubovice; polymerace je podporována proteiny spojenými s
mikrotubuly (MAPs). MAPs zajišťují také interakce a propojování mikrotubulů
navzájem i s jinými cytoskeletálními strukturami a organelami. V mozku se
nacházejí dvě hlavní skupiny MAPs - vysokomolekulární (MAP-1, MAP-2) a
nízkomolekulární (t proteiny). Mikrotubuly se průběžně vytvářejí a rozkládají;
zdrojem energie je hydrolýza GTP vázaného na b-tubulin. Zvýšená teplota a další
vlivy jejich vznik podporují, chlad napomáhá rozpadu. Kolchicin a vinblastin
zabraňují jejich tvorbě.
Intermediární
filamenta jsou
vlákna o průměru 8-14 nm tvořená polymery různých proteinů. Lze je rozdělit do
šesti skupin, přičemž skupina vyskytující se v neuronech jsou neurofilamenta,
která jsou tvořená těžkým, středním a lehkým proteinem neurofilament, a-internexinem
a nestinem. Podílejí se zřejmě na odolnosti buněk vůči deformacím a na
regulačních procesech.
Mikrofilamenta (aktinová filamenta) jsou dlouhá
kompaktní vlákna o průměru kolem 4-7 nm; obsahují často aktin. Průběžně se
vytvářejí a rozkládají; polymerace volného aktinu vyžaduje energii z hydrolýzy
ATP. Regulují pohyb molekul v povrchové membráně, zakotvují membránové struktury
a tvoří část cytoskeletu sloužící k omezení a regulaci pohybu organel.
Axonem
jsou transportovány proteiny a jiné látky a organely z buněčného těla do
nervového zakončení a naopak - hlavní roli mají mikrotubuly. Byl zjištěn rychlý
axoplazmatický přenos (kolem 400 mm/den) a pomalý axoplazmatický přenos
(jednotky mm/den). Rychlý transport se týká membránových organel, některých
neuromediátorů, glykoproteinů, lysosomů, mitochondrií, růstových faktorů. Větší
částice mohou být přenášeny pomocí tzv. molekulárních motorů (skupina MAPs).
Motorovými proteiny pro axonální transport ve směru k zakončení jsou kinesiny,
ve směru opačném dyneiny. Jedná se o aktivní proces realizovaný podél
mikrotubulů, při němž není vyžadována jiná účast proteinů na přenášených částicích
než podíl na vazbě ke kinesinu. Pomalým transportem se přemisťují složky
cytoskeletu a některé proteiny; závisí zřejmě na polymeraci a depolymeraci
cytoskeletu a uskutečňuje se pouze ve směru k nervovému zakončení.
označení |
funkce |
Mikrotubuly
|
· axoplazmatický přenos (rychlý
a pomalý) · regulace tvaru |
Neurofilamenta
(typ
intermediárních filament v neuronech) |
· odolnost buněk vůči deformacím · regulační procesy |
Mikrofilamenta
(aktinová
filamenta) |
· regulace pohybu molekul v povrchové
membráně · zakotvení membránových struktur · omezení a regulace pohybu organel |
1.4 Glie
Tři
hlavní typy gliových buněk jsou mikroglie, astrocyty (též ozn. jako astroglie,
makroglie) a oligodendrocyty (též oligodendroglie). Mikroglie jsou
nejmenší gliové buňky v CNS, kde nemají žádnou přednostní lokalizaci. Díky
vysoké pohyblivosti a schopnosti fagocytovat slouží jako úklidové buňky. Astrocyty
lze rozdělit na vláknité (fibrózní), vyskytující se hlavně v bílé hmotě, a
protoplazmatické, lokalizované zvláště v šedé hmotě. Pro astrocyty je typická
existence mnoha výběžků z buněčného těla. Jednotlivé astrocyty jsou propojeny
přes těsná spojení ("gap junction"). Oligodendrocyty tvoří
kolem axonů v CNS myelinovou pochvu; v periferním nervovém systému mají tuto
úlohu Schwannovy buňky, které jsou další třídou gliových buněk.
Myelinová pochva umožňuje rychlejší vedení impulsů axonem. Hlavní úloha
myelinové pochvy spočívá v elektrické izolaci jednotlivých částí axonu, tj.
izolaci axoplazmy od mimobuněčné tekutiny.
Tvorba
myelinové pochvy je nejlépe poznaná úloha glií. Jejich další funkce spočívají v
podpoře migrace neuronů a růstu axonů, účasti na uptake a metabolismu
neuromediátorů, příjmu a pufrování iontů z mimobuněčného prostředí, vychytávání
a odstraňování zbytků odumřelých neuronů. Další možné poslání glií by mohlo být
v oddělování skupin neuronů a jejich elektrické izolaci, podpoře tvorby a
udržování struktury neuronů, vyživování neuronů a snad i v držení informací a
paměti. Ukázalo se, že glie se mohou účastnit i přenosu signálu v mozku. Např.
astrocyty mají receptory pro některé neuromediátory a po jejich aktivaci
dochází ke změnám koncentrace Ca2+ v cytosolu, které se mohou
přenášet na další astrocyty i na okolní neurony.
Myelinová
pochva vzniká
kolem mnoha axonů v savčím nervovém systému tím, že výběžek oligodendrocytu
nebo Schwannovy buňky spirálovitě obalí axon mnoha vrstvami (10 až 150) své
membrány bohaté na lipidy (obsah lipidů 79%), přičemž je vytlačena cytoplazma z
prostoru mezi dvěma vrstvami membrány. Oligodendrocyty mohou vysílat výběžky a
tvořit myelinovou pochvu i na více blízkých axonech v CNS. Jedna Schwannova
buňka může zaujmout až
1.5 Buněčné membrány
Mnoho
základních buněčných procesů, včetně zpracování informací, nitrobuněčného a
mezibuněčného přenosu signálu, se odehrává v plazmatických membránách nebo
jiných membránových strukturách. V této kapitole jsou uvedeny pouze základní
informace o stavbě a vlastnostech membrán s ohledem na jejich funkci při šíření
nervového signálu.
Biomembrány jsou tenké vrstvy oddělující
buňku nebo její části od okolního prostředí. Jsou tvořeny vhodně uspořádanými
lipidy a proteiny s malým množstvím vázaných cukrů. Jejich funkce spočívá v
aktivní regulaci složení nitrobuněčného prostředí. Plazmatická membrána ohraničuje
celou buňku, další membrány vymezují řadu organel eukaryot (jádro,
mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, synaptické váčky atd.).
Buněčné
membrány jsou tvořeny především lipidy, steroly, proteiny, glykolipidy a
glykoproteiny. Mají jednotný organizační princip, tj. uspořádání většiny
membránových lipidů do dvojné vrstvy (o tloušťce kolem 6 nm) s více či méně
zanořenými proteiny. Poměr lipidů, proteinů a cukrů (vázaných v glykolipidech a
glykoproteinech) se u různých membrán velmi liší. Lipidy tvoří 24% (ve vnitřní
membráně mitochondrií) až 79% (v myelinové pochvě), proteiny 18% až 76% a cukry
2% až 10% z celkové hmotnosti membránových molekul. Lipidová část membrán je
směsí především fosfolipidů, glykolipidů, sfingomyelinu, kardiolipinu a
cholesterolu, přičemž zastoupení těchto složek je v různých membránách velmi
odlišné.
Značná
část buněčných proteinů se vyskytuje pouze v membránách. Membránové proteiny
zajišťují řadu specifických procesů spojených s transportními a rozpoznávacími
funkcemi membrán (pumpy, nosiče, iontové kanály, receptory, enzymy apod.).
Podle spojení s membránou se tyto proteiny rozdělují na integrální
(vážou se k membráně poměrně silně hydrofobními vazbami; jsou zanořeny do
dvojné vrstvy nebo ji překlenují) a periferní (vážou se k povrchu
membrán slaběji, obvykle iontovými nebo vodíkovými vazbami k integrálním
proteinům; často jsou v membráně uchyceny pomocí glykosyfosfatidylinositolové
kotvy). Integrální proteiny jsou amfifilní, neboť části vystavené vodnému prostředí
jsou polární, zatímco části uvnitř membrány jsou na svém povrchu hydrofobní.
Není znám protein, který by byl v membráně zcela ukryt a nebyl tedy v interakci
s vodným prostředím vně či uvnitř buňky. Základními atributy biomembrán jsou:
· propustnost a řízený transmembránový transport
látek;
· dynamika membránových molekul;
· elektrické vlastnosti.
Membránový potenciál
Neurony
i jiné buňky vytvářejí a udržují rozdílné koncentrace iontů na obou stranách
plazmatické membrány. Jedná se o aktivní procesy, které používají specifické
iontové pumpy. Výsledkem této činnosti je vznik membránového potenciálu,
tedy napěťového rozdílu mezi vnitřní a vnější stranou membrány. Vnitřek buněk
je negativní vůči vnějšku. Klidový membránový potenciál (stálý
potenciál) dosahuje v různých buňkách -9 až -100 mV, v neuronech -40 až -90 mV
(obvykle -70 mV).
Rychlost
toku různých iontů přes membránu je dána jejich: 1. koncentračními gradienty
mezi oběma stranami plazmatické membrány, 2. permeabilitou membrány pro
jednotlivé ionty, 3. napěťovým rozdílem přes membránu. Pro každý typ iontu lze
z rozdílu jeho koncentrací uvnitř a vně buňky určit rovnovážný potenciál
(napětí potřebné k vyrovnání toku daného iontu přes membránu, tj. k rovnosti
elektrických a difúzních sil pro daný iont) pomocí Nernstovy rovnice. Výsledný
membránový potenciál na membráně, kterou může procházet více iontů, lze
spočítat pomocí Goldmanovy, resp. Goldmanovy-Hodgkinovy-Katzovy rovnice, pokud
známe koncentrace iontů a koeficienty permeability membrány pro jednotlivé
ionty.
Při depolarizaci
membrány je membránový potenciál méně negativní než klidový potenciál, při hyperpolarizaci
je více negativní. K těmto změnám dochází transportem iontů přes membránu.
Náboj potřebný pro vytvoření membránového potenciálu je velmi malý a odpovídá
přibližně 10-20 molu monovalentního iontu na mm2
membrány. Vzhledem k tomu, že lipidová dvojná vrstva je dobrý elektrický
izolátor a je tedy nepropustná pro nabité molekuly, jsou přesuny iontů umožněny
především iontovými kanály a aktivním přenosem. Tok nábojů přes membránu se
týká především iontů Na+, K+ a Cl-, další
ionty jsou přítomny v mnohem nižších koncentracích. Většinu nitrobuněčných
aniontů tvoří proteiny a jiné organické molekuly, pro něž je membrána téměř
nepropustná. V klidu je permeabilita membrány pro Cl- a Na+
velmi nízká (kanály jsou většinou zavřené), ale permeabilita pro K+
je relativně vysoká (kanály jsou často otevřené). Klidový membránový potenciál
je proto velmi blízký rovnovážnému potenciálu pro ionty K+, pouze je
v důsledku nenulového toku iontů Na+ poněkud méně negativní. Klidový
potenciál je tak veliký, aby vyrovnal toky různých iontů přes membránu (při
jejich různých koncentračních gradientech a permeabilitách). Protože se klidový
potenciál liší od rovnovážných potenciálů jednotlivých iontů, dochází k jejich
průběžnému toku podle koncentračního gradientu, přičemž výsledný proud přes
membránu je nulový. Membrána je tedy ve stavu ustáleném, ale nikoli
rovnovážném. Koncentrační gradienty se musí udržovat aktivním transportem iontů.
Typické koncentrace iontů v savčí buňce
iont |
konc. uvnitř Xin |
konc. vně Xex |
rovnovážný potenciál Dy, |
|
(mM) |
(mM) |
(mV) |
K+
|
120 |
2 |
-109 |
Na+
|
10 |
122 |
+67 |
Ca2+
|
10-7
|
3 |
+230 |
Cl-
|
4 |
120 |
-91 |
A-
|
126 |
10 |
|
A-
- organické anionty
1.6 Akční potenciál
Axonální
membrána je specializovaná na rychlé šíření nervového signálu na relativně
velké vzdálenosti. Podstata tohoto přenosu je elektrická; informace se přenáší
podél axonu ve formě akčních potenciálů, což jsou velké reversibilní
změny membránového potenciálu.
Dosáhne-li
depolarizace membrány spouštěcí úrovně (prahu), tj. dojde-li k dostatečně
rychlé depolarizaci o 10 až 20 mV, dochází v axonální membráně k velmi rychlé
depolarizaci. Membránový potenciál se změní během cca 0,5 ms na +30 až +50 mV a
poté dochází ke stejně rychlé repolarizaci až na asi 70% původní hodnoty
membránového potenciálu; tento rychlý vzestup a pokles membránového potenciálu
se nazývá hrotový potenciál. Po pomalejší následné depolarizaci
(trvající okolo 4 ms nebo méně) dosáhne membránový potenciál původní klidové
úrovně a dochází k následné hyperpolarizaci o několik mV pod původní klidovou
hladinu a k návratu na hodnotu klidového potenciálu (cca 40 ms).
Existencí
spouštěcí úrovně je zajištěno, že malé náhodné depolarizace membrány
nezpůsobují vznik akčních potenciálů. Na druhou stranu velikost hrotového
potenciálu, tj. amplituda odezvy na dostatečný depolarizační podnět, nezávisí
na velikosti tohoto stimulu. Říká se, že akční potenciál se chová podle zákona
„vše nebo nic“. Vlastnosti stimulačního podnětu tedy nejsou při jeho axonálním
přenosu kódovány v amplitudách akčních potenciálů, ale v jejich frekvenci
zažíhání, tj. v počtu jednotlivých akčních potenciálů vygenerovaných v
určité časové sérii. Vyplývá to ze závislosti některých vlastností akčního
potenciálu na intenzitě depolarizačního podnětu, jako je latence a refrakterní
období. Latence je časové zpoždění mezi začátkem podnětu do vzniku píku
akčního potenciálu. Její existence vyplývá ze skutečnosti, že pro vyvolání
vzruchu je nezbytná určitá minimální intenzita proudu (prahová intenzita)
působící po určitou dobu; tato doba může být kratší při silnějším podnětu. Refrakterní
období má dvě fáze:
1. absolutní refrakterní období, což je délka
období po vzniku akčního potenciálu, během něhož je nemožné vyvolat další akční
potenciál (trvá několik milisekund od dosažení spouštěcí úrovně do doby, kdy
proběhne repolarizace asi z 1/3); následuje
2. relativní refrakterní období, kdy musí být
podnět pro vyvolání dalšího akčního potenciálu větší než normálně (trvá
přibližně do uzavření K+ kanálů).
Protože změny koncentrace iontů,
které v daném místě vyvolávají změny membránového potenciálu, jsou malé, jsou v
axonu generovány akční potenciály tak dlouho, dokud trvá podnět, s frekvencí
závislou na velikosti podnětu (frekvenční kódování).