Biochemie nervové soustavy
Pavla Balínová
Osnova semináře: • Struktura a chemické složení nervové tkáně • Energetický metabolismus nervové tkáně • Mozkomíšní mok (likvor) • Synaptický přenos nervového vzruchu • Neurotransmitery – acetylcholin • Neurotransmitery - biogenní aminy (katecholaminy, GABA, histamin, serotonin) • Neurotransmitery – aminokyseliny (Gly, Glu, Asp) • Neurotransmitery – peptidy (endogenní opioidy, substance P, angiotensin II,...)
Struktura nervové tkáně Nervová tkáň je složena z následujících typů buněk: • neurony •
neuroglie
(astrocyty, oligodendrocyty, ependym)
Obrázek byl převzat z www.enchantedlearning.com
Chemické složení nervové tkáně Lipidy – vysoký obsah lipidů (až 50%) • komplexní lipidy (glycerofosfolipidy, sfingofosfolipidy, cerebrosidy, gangliosidy) • neesterifikovaný cholesterol Proteiny- tvoří asi 40% sušiny • Na+/K+ ATPáza • receptorové proteiny v synapsích Sacharidy • 0,1% glykogenu v mozku
Energetický metabolismus nervové tkáně Mozek spotřebuje 25% celkové Glc a 20 % celkového množství kyslíku • mozek je schopen utilizovat ketolátky během déletrvajícího hladovění • nízká zásoba glykogenu Metabolismus astrocytu • glykolýza: Glc → laktát + 2 ATP •
glutamát – glutaminový cyklus: Glu → Gln
Metabolismus neuronu • laktát → pyruvát → acetyl-CoA → CKC → ATP • syntéza neurotransmiterů
Mozkomíšní mok (likvor) • •
je bezbarvá tekutina produkovaná buňkami v plexus chorioideus a to ultrafiltrací krevní plazmy likvor se vyskytuje v subarachnoidálním prostoru a ventrikulárním systému okolo a uvnitř mozku a prodloužené míchy
Funkce • likvor zajišťuje mechanickou a imunologickou ochranu mozku uvnitř lebky a vykazuje též homeostatickou funkci (udržování hladin iontů, pH, osmolarity, odstranění produktů metabolismu)
Mozkomíšní mok (likvor) Složení likvoru •
množství 135 – 150 mL
•
složení likvoru se obmění asi 3,7x denně (500 – 600 mL)
Referenční meze vybraných parametrů v likvoru: •
pH 7,28 – 7,32
•
osmolarita 280 – 300 mosmol/L
•
Na+ 135 – 150 mM
•
K+ 2,6 – 3,0 mM
•
Cl- 115 – 130 mM (vyšší než v plasmě)
•
Ca2+ 1,0 – 1,4 mM (odpovídá asi 50 %)
•
Glc 2,2 – 3,9 mM (odpovídá asi 60 %)
•
proteiny 0,15 – 0,4 g/L
Mozkomíšní mok (likvor) Odběr likvoru • obvykle prováděn lumbální punkcí
Analýza likvoru: • proteiny •
Glc
•
buňky (ery, leu, baktérie)
•
diagnóza subarachnoidálního krvácení a infekce CNS (meningitida)
Synaptický přenos nervového vzruchu Když změna akčního potenciálu dosáhne presynaptickou membránu → otevření napětově řízených Ca2+ kanálů → exocytóza váčků naplněných neurotransmiterem → synaptická štěrbina → neurotransmiter se váže na receptor na postsynaptické membráně
Obrázek byl převzat z www.click4biology.info
Neurotransmitery - biogenní aminy • primární aminy (monoaminy) • jsou získávány dekarboxylací určitých aminokyselin • mají rozmanité funkce v organizmu Příklady: Dekarboxylace Dekarboxylace Dekarboxylace Dekarboxylace
tyrozinu produkuje katecholaminy glutamátu → GABA (γ-aminobutyrát) histidinu → histamin tryptofanu → serotonin
Neurotransmitery – Acetylcholin (Ach) •
je syntetizován v cytosolu axonálních zakončení
•
substráty: acetyl-CoA + cholin
•
enzym: acetylcholintransferáza
•
Ach je umístěn ve váčcích
2 typy acetylcholinových receptorů na postsynaptické membráně: • nikotinový receptor (ionotropní) •
muskarinový receptor (metabotropní)
degradace: v synaptické štěrbině enzymem acetylcholinesterázou (AChE): Ach → cholin + acetát
Neurotransmitery – Katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin) •
Katecholaminy jsou syntetizovány hlavně v chromafinních buňkách dřeně nadledvin a postgangliových vláknech sympatiku
•
Dopamin je produkován buňkami v mozkovém kmeni: v substantia nigra a ventrální tegmentální oblasti
Receptory pro katecholaminy: • noradrenalin: alfa 1, 2; beta 1, 2, 3 receptory • dopamin: D1, D2, D3, D4, D5 receptory
Syntéza katecholaminů H C C COOH2 NH3+
1.
Phenylalanin
H C C COOH2 NH3+
HO
2.
H C C COOH2 NH3+
HO HO
Tyrosin
3,4 DihydrOxyPhenylAlanin (DOPA) 3.
H H2 C C
HO HO
Adrenalin
H H2 C C
5. HO
OH NH CH3
HO
OH NH3+
Noradrenalin
4.
HO HO
Dopamin
H2 C C + CO2 H2 NH3+
Degradace katecholaminů
zpětné vychytávání (reuptake) do presynaptického neuronu aktivním transportem → volný noradrenalin je inaktivován enzymem monoaminoxidázou (MAO) v mitochondriích extraneurální zpětné vychytávání (srdce, žlázy, hladké svalstvo) → katecholaminy jsou degradovány enzymem katechol-Omethyltransferázou (COMT) a MAO → kyselina vanilmandlová → moč dopamin → kyselina homovanilová → moč
Neurotransmitery - GABA (gama-aminobutyrová kyselina) • nejdůležitější inhibiční neurotransmiter v mozku • syntéza: GABA shunt (= odbočka Krebsova cyklu) v CNS, prodloužené míše, mozkové kůře a mozečku
Neurotransmitery - Histamin • je produkován dekarboxylací His v bazofilech a žírných buňkách • účinkuje v imunitní odpovědi organismu a jako neurotransmiter • zvyšuje permeabilitu kapilár
Obrázek byl převzat z http://www.sbuniv.edu/~ggray/CHE3364/b1c25out.html
Neurotransmitery - Serotonin = 5-hydroxytryptamin • silný vasokonstrikční účinek v hladkém svalstvu • je syntetizován z Trp • ovlivňuje náladu, bolest a chuť k jídlu • nízké hladiny serotoninu jsou spojovány s některými druhy depresí
Neurotransmitery – aminokyseliny Glycin (Gly) Glycin (Gly) • je syntetizován ze serinu • inhibiční neurotransmiter v mozkovém kmeni a prodloužené míše (Gly otevírá Cl- kanály) • je degradován na oxalát
Obrázek byl převzat z http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html#glycine
Neurotransmitery – aminokyseliny Glutamát •
Glutamát (Glu) je hlavním excitačním neurotransmiterem v CNS
•
3 typy ionotropních glutamátových receptorů v postsynaptických neuronech:
•
kainátový receptor
•
2-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxalonpropionové kyseliny (AMPA) receptor
•
N-methyl-D-aspartátový (NMDA) receptor
•
glutamát-glutaminový cyklus je důležitým metabolickým procesem v CNS
Obrázek byl převzat z učebnice: J.Koolman, K.H.Röhm/Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition, Thieme 2005
Neurotransmitery – peptidy Endogenní opioidy • endorfiny, enkefaliny, dynorfiny jsou endogenní opioidní peptidy • váží se na opioidní receptory v nervovém systému a dalších tkáních • silný analgetický účinek a tlumení kašlacího reflexu
opioidní receptory plní mnoho důležitých rolí v mozku a periférii → modulace bolesti, plní rozmanité funkce v kardiovaskulárním systému a trávicím traktu
Syntéza endogenních opioidů Endogenní opioidy jsou peptidy syntetizované z proopiomelanokortinu (POMC) v nervové tkáni. • POMC byl izolován z hypothalamu, hypofýzy, nadledvin a placenty ●
sekrece opioidů je fluktující a individuální (zvyšuje se během pracovního výkonu a fyzického cvičení)
Obrázek byl převzat z http://www.porodnici.cz/endogenni-opioidy-a-modulace-porodni-bolesti
Výskyt endogenních opioidů v CNS
Endorfiny jsou produkovány hypofýzou a hypotalamem během fyzické aktivity, milostného aktu a orgasmu, tlumí bolest
- vykazují nejvyšší afinitu k μ1-opioidním receptorům → μ-opioidní receptory jsou receptory, přes něž působí morfin
Enkefaliny jsou pentapeptidy účastnící se vnímání tupé bolesti (nocicepce)
- vyskytují se bazálních gangliích a limbickém systému
Dynorfiny byly nalezeny v substantia nigra a v zadním laloku hypofýzy
