Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 33

Lekcja 2: Neuron i układ nerwowy

Neuroprzekaźniki i receptory

Rożne rodzaje neuroprzekaźników i różne receptory, z którymi się wiążą. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu firmy Deloitte.

Wprowadzenie

Czy wiesz, że w Twoim niesamowitym mózgu znajdują się miliardy neuronów i biliony synaps?

^{1}

(Nic dziwnego, że możesz się wszystkiego nauczyć, w tym neurobiologii!) Większość twoich synaps to synapsy chemiczne, co oznacza, że informacje są przenoszone z jednego neuronu do drugiego przez przekaźniki chemiczne.

W artykule na temat synaps omówiliśmy, jak działa transmisja synaptyczna. Tutaj skupimy się na neuroprzekaźnikach, czyli przekaźnikach chemicznych uwalnianych z neuronów w synapsach, aby mogły „rozmawiać” z sąsiednimi komórkami. Przyjrzymy się także białkom receptorowym, które pozwalają komórce docelowej „usłyszeć” wiadomość.

Nauroprzekaźniki: Klasyczne i niekonwencjonalne

Istnieje wiele różnych rodzajów neuroprzekaźników, a nowe wciąż są odkrywane! Na przestrzeni lat sama idea tego, co sprawia, że coś jest neuroprzekaźnikiem, zmieniła się i poszerzyła. Ponieważ definicja została rozszerzona, niektóre niedawno odkryte neuroprzekaźniki mogą być postrzegane jako „nietradycyjne” lub „niekonwencjonalne” (w stosunku do starszych definicji).

Niekonwencjonalne neuroprzekaźniki omówimy na końcu artykułu. Na razie zacznijmy od omówienia tych klasycznych.

Klasyczne neuroprzekaźniki

Chemiczne przekaźniki, które działają jako klasyczne neuroprzekaźniki, mają pewne podstawowe cechy. Są one przechowywane w pęcherzykach synaptycznych, uwalniane, gdy

{Ca}^{2 +}

dostanie się do zakończenia aksonu w odpowiedzi na potencjał czynnościowy i działają poprzez wiązanie się z receptorami na błonie komórki postsynaptycznej.

Klasyczne neuroprzekaźniki można podzielić na dwie główne grupy: neuroprzekaźniki drobnocząsteczkowe i neuropeptydy.

Neuroprzekaźniki drobnocząsteczkowe

Neuroprzekaźniki drobnocząsteczkowe to (co nie jest zaskakujące!) różne rodzaje małych cząsteczek organicznych. Obejmują one:

Neuroprzekaźniki aminokwasowe: glutaminian, GABA (kwas γ-aminomasłowy) i glicyna. To wszystko aminokwasy, chociaż GABA nie jest aminokwasem występującym w białkach.
Struktury glicyny, kwasu glutaminowego oraz GABA. Wszystkie związki to aminokwasy.
Aminy biogenne: dopamina, norepinefryna, epinefryna, serotonina i histamina, które są wytwarzane z prekursorów aminokwasów.
Aminy biogenne są biologicznie ważnymi cząsteczkami, które podobnie jak aminokwasy mają grupę aminową zawierającą azot. Jednak w przeciwieństwie do aminokwasów, aminy biogenne nie mają grupy karboksylowej ( $- COOH$ ‍).
Aminy biogenne są powiązane z określonymi aminokwasami:
Dopamina, norepinefryna i epinefryna są syntetyzowane z (i blisko spokrewnione) aminokwasu tyrozyny.
Serotonina jest powiązana z aminokwasem tryptofan
Histamina jest powiązana z aminokwasem histydyną.

Neuroprzekaźniki purynergiczne: ATP i adenozyna, które są nukleotydami i nukleozydami.
Purynergiczne neuroprzekaźniki mają swoją nazwę od puryn, grupy dwupierścieniowych zasad azotowych. Być może najbardziej znanymi purynami są adenina i guanina, które znajdują się w nukleotydach DNA i RNA. Jednak są też inne ważne cząsteczki, które są również purynami (na przykład kofeina). Neuroprzekaźniki purynergiczne, adenozyna i ATP, zawierają zasadę purynową - adeninę.
Struktura adenozyny.
Acetylocholina, która nie pasuje do żadnej z innych kategorii strukturalnych, ale jest kluczowym neuroprzekaźnikiem w połączeniach nerwowo-mięśniowych (gdzie nerwy komunikują z mięśniami), a także w niektórych innych synapsach.
Struktura acetylocholiny.

Neuropeptydy

Każdy z neuropeptydów składa się z trzech lub więcej aminokwasów i jest większy niż przekaźniki drobnocząsteczkowe. Istnieje wiele różnych neuropeptydów. Niektóre z nich to: endorfiny i enkefaliny, które hamują ból; Substancja P, która odpowiada za sygnały bólu; oraz Neuropeptyd Y, który stymuluje jedzenie i może zapobiegać drgawkom.

Działanie neuroprzekaźnika zależy od jego receptora

Niektóre neuroprzekaźniki są ogólnie postrzegane jako „pobudzające", czyli sprawiające, że neuron docelowy jest bardziej skłonny do wyzwalania potencjału czynnościowego. Inne są ogólnie postrzegane jako „hamujące", czyli sprawiające, że neuron docelowy ma mniejsze prawdopodobieństwo wyzwolenia potencjału czynnościowego. Na przykład:

Glutaminian jest głównym przekaźnikiem pobudzającym w ośrodkowym układzie nerwowym.
- GABA jest głównym neuroprzekaźnikiem hamującym w mózgu dorosłych kręgowców.
- Glicyna jest głównym neuroprzekaźnikiem hamującym w rdzeniu kręgowym.

Jednak podział nauroprzekaźników na „pobudzające” i „hamujące” nie jest tak naprawdę wystarczająco wyraźny, i nie możemy sortować neuroprzekaźników na tej podstawie. W rzeczywistości, neuroprzekaźnik może czasami mieć działanie pobudzające lub hamujące, w zależności od kontekstu.

Jak to możliwe? Jak się okazuje, nie ma tylko jednego rodzaju receptora dla każdego neuroprzekaźnika. Zamiast tego, dany neuroprzekaźnik może zwykle wiązać się z wieloma różnymi białkami receptorowymi i aktywować je. To, czy działanie określonego neuroprzekaźnika jest pobudzające, czy hamujące w danej synapsie, zależy od tego, który z jego receptorów jest obecny w komórce postsynaptycznej (docelowej).

Przykład: Acetylocholina

Omówmy to bardziej szczegółowo, patrząc na przykład. Neuroprzekaźnik acetylocholina działa pobudzająco w synapsie nerwowo-mięśniowej w mięśniu szkieletowym, powodując skurcz mięśnia. Z drugiej strony działa hamująco na serce, gdzie spowalnia tętno. Te przeciwne efekty są możliwe, ponieważ w tych dwóch miejscach znajdują się dwa różne typy białek receptorowych acetylocholiny.

Receptory acetylocholiny w komórkach mięśni szkieletowych nazywane są receptorami nikotynowymi acetylocholiny. Są to kanały jonowe, które otwierają się w odpowiedzi na wiązanie acetylocholiny, powodując depolaryzację komórki docelowej.
Kiedy receptor nikotynowy acetylocholiny otwiera się, jony sodu ( ${Na}^{+}$ ‍) wpływają do komórki zgodnie z ich gradientem stężeń. Kanał jest również przepuszczalny dla jonów $K^{+}$ ‍, które wypływają z komórki zgodnie z ich gradientem stężeń. Chociaż te dwa rodzaje jonów poruszają się w przeciwnych kierunkach, efekt netto jest depolaryzujący, ponieważ jonów ${Na}^{+}$ ‍ wpływa więcej do komórki, niż wypływa z niej jonów $K^{+}$ ‍.
Receptory acetylocholiny w komórkach mięśnia sercowego nazywane są receptorami muskarynowymi acetylocholiny. Nie są to kanały jonowe, ale wyzwalają szlaki sygnalizacyjne w komórce docelowej, które hamują wzbudzanie potencjału czynnościowego.

Receptory nikotynowe i muskarynowe zostały nazwane od innych rodzajów cząsteczek (oprócz acetylocholiny), które mogą wiązać się z nimi i aktywować je. Rzeczywiście, wiele leków i narkotyków oddziałuje z receptorami neuroprzekaźników, aktywując je lub zapobiegając ich aktywacji przez ich normalne neuroprzekaźniki.

Nikotyna (znajdująca się w tytoniu) naśladuje działanie acetylocholiny na receptory nikotynowe acetylocholiny. Psychologiczne skutki zażywania nikotyny zależą od jej interakcji z nikotynowymi receptorami acetylocholiny w mózgu.

Toksyna grzybowa zwana muskaryną naśladuje działanie acetylocholiny na receptory muskarynowe.

Rodzaje receptorów neuroprzekaźników

Jak sugeruje powyższy przykład, możemy podzielić białka receptorowe, które są aktywowane przez neuroprzekaźniki na dwie szerokie klasy:

Kanały jonowe aktywowane ligandami: Te receptory są transmembranowymi białkami kanałów jonowych, które otwierają się bezpośrednio w odpowiedzi na wiązanie liganda.
Receptory metabotropowe: Te receptory same w sobie nie są kanałami jonowymi. Wiązanie neuroprzekaźnika wyzwala ścieżkę sygnalizacyjną, która może pośrednio otwierać lub zamykać kanały (lub mieć zupełnie inny efekt).

Kanały jonowe aktywowane ligandami

Pierwszą klasą receptorów neuroprzekaźników są kanały jonowe aktywowane ligandami, znane również jako receptory jonotropowe. Ulegają zmianie kształtu, gdy neuroprzekaźnik wiąże się, co powoduje otwarcie kanału. Może to mieć działanie pobudzające lub hamujące, w zależności od jonów, które mogą migrować przez kanał i ich stężenia wewnątrz i na zewnątrz komórki.

Kanały jonowe aktywowane ligandami to duże kompleksy białek. Mają pewne regiony, które są miejscami wiązania dla neuroprzekaźnika, a także segmenty przechodzące przez błonę, które tworzą kanał.

Kanały jonowe aktywowane ligandami zazwyczaj wywołują bardzo szybkie reakcje fizjologiczne. Prąd zaczyna płynąć (jony przechodzą przez błonę) w ciągu kilkudziesięciu mikrosekund od związania neuroprzekaźnika i przestaje płynąć, gdy tylko neuroprzekaźnik przestaje być związany ze swoimi receptorami. W większości przypadków neuroprzekaźnik jest bardzo szybko usuwany z synapsy dzięki enzymom, które go rozkładają lub dzięki sąsiednim komórkom, które go pochłaniają.

Receptory metabotropowe

Aktywacja drugiej klasy receptorów neuroprzekaźników wpływa tylko pośrednio na otwieranie i zamykanie kanałów jonowych. W tym przypadku białko, z którym wiąże się neuroprzekaźnik - receptor neuroprzekaźnika - nie jest kanałem jonowym. Wysyłanie sygnałów z wykorzystaniem receptorów metabotropowych zależy od aktywacji kilku cząsteczek wewnątrz komórki i często obejmuje szlak przekaźnika wtórnego. Ponieważ obejmuje więcej etapów, przesyłanie sygnałów przez receptory metabotropowe jest znacznie wolniejsza niż przez kanały jonowe aktywowane ligandami.

Niektóre receptory metabotropowe mają działanie pobudzające, gdy są aktywowane (sprawiają, że komórka jest bardziej podatna na wzbudzenie potencjału czynnościowego), podczas gdy inne mają działanie hamujące. Często te efekty występują, ponieważ receptor metabotropowy wyzwala ścieżkę sygnalizacyjną, która otwiera lub zamyka kanał jonowy. Ewentualnie, neuroprzekaźnik, który wiąże się z receptorem metabotropowym, może zmienić reakcję komórki na drugi neuroprzekaźnik wiążący się z kanałem aktywowanym ligandem . Przesyłanie sygnałów przez receptory metabotropowe może również mieć wpływ na komórkę postsynaptyczną, której w ogóle nie dotyczą kanały jonowe.

Klasyczne neuroprzekaźniki i rodzaje ich receptorów

Neuroprzekaźniki	Kanały jonowe aktywowane ligandami?	Receptory matabotropowe?
Aminokwasy
GABA	Tak (hamujący)	Tak
Glutaminian	Tak (pobudzający)	Tak
Glicyna	Tak (hamujący)
Aminy biogenne
Dopamina		Tak
Norepinefryna		Tak
Epinefryna		Tak
Serotonina	Tak (pobudzający)	Tak
Histamina		Tak
Purynergiczne
Adenozyna		Tak
ATP	Tak (Pobudzający)	Tak
Acetylocholina	Tak (pobudzający )	Tak
Neuropeptydy (wiele)		Tak

Ta tabela nie jest pełną listą, ale zawiera niektóre z najbardziej znanych klasycznych neuroprzekaźników.

Neuroprzekaźniki niekonwencjonalne

Wszystkie omówione dotychczas neuroprzekaźniki można uznać za „klasyczne” neuroprzekaźniki. Niedawno zidentyfikowano kilka klas neuroprzekaźników, które nie pasują do wszystkich zwykłych zasad. Są one nazywane „niekonwencjonalnymi” lub „nietradycyjnymi” neuroprzekaźnikami.

Dwie klasy niekonwencjonalnych przekaźników to endokannabinoidy i przekaźniki gazowe (rozpuszczalne gazy, takie jak tlenek azotu,

NO

i tlenek węgla,

CO

). Cząsteczki te są niekonwencjonalne, ponieważ nie są przechowywane w pęcherzykach synaptycznych i mogą przenosić informacje z neuronu postsynaptycznego do neuronu presynaptycznego. Ponadto, zamiast wchodzić w interakcje z receptorami na błonie plazmatycznej komórek docelowych, przekaźniki gazowe mogą przenikać przez błonę komórkową i oddziaływać bezpośrednio na cząsteczki wewnątrz komórki.

Inne niekonwencjonalne przekaźniki prawdopodobnie zostaną odkryte, gdy dowiemy się więcej o działaniu neuronów. Gdy nowe przekaźniki chemiczne zostaną odkryte, być może będziemy musieli zmienić nasz pogląd na to, co znaczy, że dana substancja może być zaliczona do neuroprzekaźników.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Goldman, B. (2010, November 17). New imaging method developed at Stanford reveals stunning details of brain connections. W Stanford medicine news center. Źródło: https://med.stanford.edu/news/all-news/2010/11/new-imaging-method-developed-at-stanford-reveals-stunning-details-of-brain-connections.html.

Dodatkowe źródła

Acetylcholine. (5 kwietnia 2016). Dostęp 27 kwietnia 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Acetylcholine.

Acetylcholine receptors. (n.d.) in InterPro. Dostęp 27 kwietnia 2016 z https://www.ebi.ac.uk/interpro/potm/2005_11/Page2.htm.

Blaustein, M.P., Kao, J.P.Y., and Matteson, D.R. (2012). Unconventional neurotransmitters modulate many complex physiological responses. In Cellular physiology and neurophysiology (2nd ed., pp 202-203). Philadelphia, PA: Mosby, Inc.

Deutch, A.Y. (2013). Neurotransmitters. In Squire, L.R., Berg, D., Bloom, F.E., du Lac, S., Ghosh, A., and Spitzer N.C. (Eds.), Fundamental neuroscience (4th ed., pp. 117-138). Waltham, MA: Academic Press.

Kandel, E.R., Schwartz, J.H., and Jessell, T.M. (1995). Neurotransmitters. In Essentials of neuroscience and behavior (pp. 31-35). Norwalk, CT: Appleton & Lange.

Muscarinic acetylcholine receptor. (12 lutego 2016). Dostęp 27 kwietnia 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Muscarinic_acetylcholine_receptor.

Nicholls, J.G., Martin, A.R., Wallace, B.G., and Fuchs, P.A. (2001). Cellular and molecular biochemistry of synaptic transmission: Neurotransmitters. In From neuron to brain (4th ed., pp. 244-247). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Nicotinic acetylcholine receptor. (21 marca 2016). Dostęp 27 kwietnia 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Nicotinic_acetylcholine_receptor.

Openstax College, Biology. (29 lutego 2016). How neurons communicate. In OpenStax CNX. Źródło: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.4:cs_Pb-GW@5/How-Neurons-Communicate.

Purves, D., Augustine, G.J., Fitzpatrick, D., Katz, L.C., LaMantia, A.-S., and McNamara, J.O. (1997). Neurotransmitters. In Neuroscience (pp. 99-119). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Purves, D., Augustine, G.J., Fitzpatrick, D., Katz, L.C., LaMantia, A.-S., and McNamara, J.O. (1997). Neurotransmitter receptors and their effects. In Neuroscience (pp. 121-144). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Neurons communicate with other cells at synapses. In Campbell biology (10th ed., p. 1076). San Francisco, CA: Pearson.

Sadava, D. E., Hillis, D.M., Heller, H.C., and Berenbaum, M.R. (2009). How do neurons generate and transmit electrical signals? In Life: The science of biology (9th ed., pp. 948-956). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Waxham, M.N. (n.d). Neuropeptides and nitric oxide. W Neuroscience online. Dostęp 22 marca 2016 z http://neuroscience.uth.tmc.edu/s1/chapter14.html.

Waxham, M.N. (2013). Neurotransmitter receptors. In Squire, L.R., Berg, D., Bloom, F.E., du Lac, S., Ghosh, A., and Spitzer N.C. (Eds.), Fundamental neuroscience (4th ed., pp. 163-187). Waltham, MA: Academic Press.

Suggestions for further reading:

Snyder, S.H. (2009). Neurotransmitters, receptors, and second messengers galore in 40 years. In The Journal of Neuroscience, 29, 12717-12721. http://dx.doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3670-09.2009.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.