R.2 Biopsych (Budowa prototypowego neuronu).

BUDOWA PROTOTYPOWEG NEURONU
Rozdział 2
Prototypowy neuron zbudowany jest z kilku części: ciała komórki (somy), dendrytów i aksonu. Jego wnętrze odgrodzone
jest od zewnętrza przez błonę komórkową, która jak powierzchnia cyrkowego namiotu rozciągnięta jest na skomplikowanym
rusztowaniu, które nadaje kaŜdej części komórki jej szczególny, trójwymiarowy wygląd.
I. Ciało komórki (soma)
Jest to w przybliŜeniu sferyczna, centralna część neuronu. Jej przekrój w typowym neuronie wynosi ok. 20 µm
(jeden mikrometr - 1µm – to jedna milionowa część metra). Wodnisty płyn wypełniający komórkę jest słonawą,
bogatą w potas zawiesiną oddzieloną od przestrzeni międzykomórkowej przez błonę komórkową. Wewnątrz ciała
komórki znajduje się wiele otoczonych błoną struktur wspólnie nazywanych organellami.
Ciało komórki nerwowej zawiera te same organelle, które znajdują się we wszystkich komórkach zwierzęcych.
NajwaŜniejsze z nich to jądro, siateczka śródplazmatyczna ziarnista, siateczka śródplazmatyczna gładka, aparat
Golgiego i mitochondria. Cała zawartość komórki, włączając w to wszystkie organelle, lecz pomijając jądro,
nazywana jest kolektywnie cytoplazmą.
1. Jądro neuronu (nucleus)
Jądro komórki jest sferyczną, połoŜoną centralnie strukturą o średnicy 5-10 µm. Znajduje się ono za podwójną
błoną nazywaną otoczką jądrową (nuclear envelope). Powierzchnia otoczki jądrowej jest perforowana, znajdują
się w niej niewielkie otworki o przekroju ok. 0,1 µm.
W jądrze komórki znajdują się chromosomy, zawierające materiał genetyczny DNA (kwas deoksyrybonukleinowy).
DNA jest takie samo w kaŜdej komórce ciała, niezaleŜnie czy buduje ona mózg, czy wątrobę. Tym co odróŜnia
neuron od komórki wątroby jest jednak odcinek DNA aktywowany w celu jego budowy.
KaŜdy chromosom zawiera nieprzerwany warkocz cząsteczek DNA – tak zwaną podwójną helisę – szeroki na 2 nm.
Pewne segmenty tych cząsteczek składają się na geny, które są odcinkiem DNA odpowiedzialnym za syntezę białek.
Odczytywanie DNA nazywane jest ekspresją genu, a jego finalnym produktem jest synteza niezwykłych cząsteczek
nazywanych białkami. Białka mają róŜne kształty i rozmiary, wykonują wiele róŜnych funkcji i nadają neuronom
niemal wszystkie z ich niezwykłych cech. Synteza białek – czyli składanie cząstek białka – zachodzi w cytoplazmie.
PoniewaŜ DNA nigdy nie opuszcza jądra komórki, konieczny jest pośrednik przenoszący informację genetyczną do
miejsc odpowiedzialnych za syntezę białek w cytoplazmie. Funkcja ta jest wykonywana przez inną podłuŜną
cząsteczkę nazywaną informacyjnym RNA (mRNA, informacyjny kwas rybonukleinowy).
Informacyjny RNA składa się z czterech róŜnych kwasów nukleinowych połączonych razem w róŜnej kolejności, tak
Ŝe tworzą one łańcuch. Szczegółowa kolejność kwasów nukleinowych w takim łańcuchu jest dokładnym
odpowiednikiem informacji zawartej w danym genie. Proces składania cząsteczki mRNA, która zawiera informację
zawartą w danym genie nazywany jest transkrypcją.
Tak złoŜona cząsteczka mRNA opuszcza jądro przez znajdujące się w otoczce jądrowej pory i wędruje do któregoś z
miejsc syntezy białek. W tych miejscach cząsteczka białka tworzona jest w podobny sposób, w jaki w jądrze
składana była cząsteczka mRNA: poprzez dołączanie do siebie wielu małych cząstek i budowanie łańcucha. W
przypadku białek tymi cząsteczkami są aminokwasy (jest ich 20 róŜnych rodzajów). Budowanie cząsteczki białka z
aminokwasów pod kierunkiem mRNA nazywane jest translacją.
Naukowe badanie tego procesu, który ma swój początek w DNA jądra, a kończy się syntezą cząstek białka w
komórce określane jest jako biologia molekularna.
Główny dogmat biologii molekularnej wygląda następująco:
DNA ---> (transkrypcja) ---> mRNA ---> (translacja) ---> cząstka białka
Wykształcającą się subdyscypliną w neuronauce jest neurobiologia molekularna, która stara się wykorzystać
informacje zawarte w genach do określania struktury i funkcji białek obecnych w komórkach nerwowych.
2. Siateczka śródplazmatyczna ziarnista (rough endoplasmic reticulum)
Niedaleko jądra znajdują się sterty pomarszczonej błony ‘wykropkowanej’ gęstymi globularnymi strukturami (takie
małe kulki) nazywanymi rybosomami. Zwały tej pomarszczonej błony to siateczka śródplazmatyczna ziarnista, w
bardzo duŜej ilości występująca w neuronach, a duŜo skromniej w komórkach innego typu. Siateczkę
śródplazmatyczną ziarnistą określa się często mianem ziarnistości Nissla, gdyŜ właśnie to organelle barwione jest
przez barwnik odkryty przez Franza Nissla.
SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA ZIARNISTA jest głównym miejscem syntezy białek w neuronach. Cząsteczka mRNA
przyłącza się do obecnych w siateczce rybosomów, które dokonują translacji informacji zawartej w mRNA
niezbędnej do złoŜenia cząsteczki białka. To rybosomy więc korzystają z surowego budulca, jakim są aminokwasy i
wykorzystując matrycę dostarczoną przez mRNA budują cząsteczki białek.
Nie wszystkie rybosomy związane są z siateczką śródplazmatyczną ziarnistą. Wiele z nich unosi się swobodnie w
płynie wewnątrzkomórkowym, te nazywane są wolnymi rybosomami. Czasami są one ze sobą związane, jakby
połączone sznurkiem, te nazywamy polirybosomami. Łączący polirybosomy ‘sznurek’ to odcinek mRNA, który jest
miejscem pracy rybosomów przy tworzeniu licznych kopii tego samego białka.
Jaka jest róŜnica pomiędzy białkami syntetyzowanymi na te dwa róŜne sposoby?
Jeśli przeznaczeniem białka jest pozostać w zawiesinie wypełniającej neuron, mRNA z jego matrycą unika kontaktu
z siateczką śródplazmatyczną ziarnistą i lewituje ku wolnym rybosomom. Jeśli jednak przeznaczeniem białka jest
zostać wbudowanym w błonę komórki lub dołączonym do jakiejś organelli jego mRNA lewituje ku siateczce
śródplazmatycznej ziarnistej.
Bear, Connors & Paradiso 1
3. Siateczka śródplazmatyczna gładka (smooth endoplasmic reticulum)
W płynie wewnątrzkomórkowym obecne są równieŜ liczne złogi błony bardzo podobne do siateczki
śródplazmatycznej ziarnistej, nie posiadające jednak rybosomów. Z powodu tego podobieństwa organelle te
nazwane zostały siateczką śródplazmatyczną gładką, pomimo Ŝe struktura ta jest dość niejednorodna i odgrywa
róŜne funkcje w róŜnych obszarach.
Niektóre rodzaje siateczki śródplazmatycznej gładkiej leŜą na styku z siateczką śródplazmatyczną ziarnistą i uwaŜa
się, Ŝe jest to miejsce, gdzie tworzone w siateczce śródplazmatycznej ziarnistej białka są ostroŜnie składane, co
nadaje im ich docelową trójwymiarową strukturę.
Inne typy siateczki śródplazmatycznej gładkiej nie odgrywają bezpośredniej funkcji w syntezie białek, zamiast tego
kontrolując wewnętrzne stęŜenie pewnych substancji, takich jak np. wapń (liczne w mięśniach).
Sterta otoczonych błoną dysków leŜąca najbardziej dystalnie do jądra nazywana jest aparatem Golgiego (została
ona po raz pierwszy opisana przez Camillo Golgiego w 1898 roku). Aparat Golgiego jest miejscem intensywnego
przetwarzania białek posttranslacyjnych. Jedną z waŜnych funkcji aparatu Golgiego jest sortowanie pewnych
białek, które mają zostać przetransportowane do róŜnych części neuronu, takich jak akson lub dendryty.
4. Mitochondrium (mitochondrion)
Mitochondria to inne liczne organelle obecne w płynie wewnątrzkomórkowym. Mają one kształt kiełbaski, a
wewnątrz otaczającej je błony znajdują się liczne złogi błony wewnętrznej.
Mitochondria są miejscem oddychania komórkowego. W ich wnętrzu zachodzą skomplikowane reakcje zwane
cyklem Krebsa, który to proces biochemiczny skutkuje wytworzeniem energii (w postaci cząstki ATP).
Walutą energetyczną komórki jest ATP (kwas adenozynotrifosforowy/trójfosforan adenozyny). Energia chemiczna
zawarta w ATP wykorzystywana jest do zasilania większości reakcji biochemicznych zachodzących w neuronie.
Energia ta zawarta jest w wiązaniach fosforowych tego związku, uwalniana natomiast w wyniku rozpadu ATP na
kwas adenozynodifosforowy/dwufosforan adenozyny (ADP) i cząsteczkę kwasu fosforowego.
II. Błona komórkowa
Błona komórkowa słuŜy jako bariera otaczająca cytoplazmę wewnątrz neuronu i niedopuszczająca pewnych substancji do
wtargnięcia do środka neuronu. Ma ona ok. 5 nm grubości i pokryta jest licznymi białkami. Niektóre z nich tworzą pompę
sodowo-potasową, inne kanały warunkujące jakie substancje dostać się mogą do wnętrza komórki. WaŜną cechą neuronów
jest to, iŜ skład białek na ich błonie zaleŜny jest od tego, czy otacza ona obszar somy, dendrytów czy aksonu.
Funkcja neuronów nie moŜe być dobrze zrozumiana bez zapoznania się ze strukturą i funkcją ich błony komórkowej i
związanych z nią białek.
1. Cytoszkielet (cytoskeleton)
Błona komórkowa porównana być moŜe do powierzchni cyrkowego namiotu rozciągniętego na skomplikowanym
rusztowaniu, które nadaje kaŜdej części komórki jej szczególny, trójwymiarowy wygląd. To przenośne rusztowanie
to właśnie cytoszkielet, który nadaje neuronowi charakterystyczny mu kształt. ‘Kośćmi’ budującymi cytoszkielet są
mikrotubule, mikrofilamenty i neurofilamenty. Te elementy cytoszkieletu, odmiennie od części rusztowania, nie
są jednak statyczne, ale zachodzi w nich dynamiczna regulacja i nieprzerwany ruch.
A. Mikrotubule
Mikrotubule to duŜe, rozciągające się wzdłuŜ neurytów struktury mające przekrój ok. 20 nm. Mają one postać
prostych, pustych w środku rurek o grubych ścianach. Ściany tych rurek zbudowane są z cyrkularnych nitek, na
które składają się ciągi tubuliny – małych, globularnych cząstek białka. Dołączanie do siebie cząstek białka dla
stworzenia ich dłuŜszych ciągów nazywany jest polimeryzacją, a powstała tak nitka określana jest jako polimer.
Polimeryzacja i depolimeryzacja mikrotubul, a tym samym regulacja kształtu neuronu przebiega pod kontrolą
róŜnorodnych sygnałów wewnątrzkomórkowych.
Jednym z rodzajów białek uczestniczących w regulacji funkcji i budowy mikrotubul są MAPs, czyli białka związane
z mikrotubulami (microbutule-associated proteins). MAPs przytwierdzają mikrotubule do siebie nawzajem i do
innych części neuronu. Patologiczne zmiany w aksonalnym MAP – zwanym tau – są, jak się uwaŜa, związane z
otępieniem towarzyszącym chorobie Alzheimera.
B. Mikrofilamenty
Mikrofilamenty mają mniej więcej tę samą grubość, co błona komórkowa (ok. 5 nm). Znaleźć je moŜna w całym
neuronie, najliczniejsze są jednak w neurytach. Mikrofilamenty wyglądają jak warkocz zbudowany z dwóch
cienkich nitek, a nitki te to polimery zbudowane z białka aktyny. Aktyna to jedno z najpopularniejszych białek w
komórkach kaŜdego typu, wydaje się ona odgrywać rolę w zdolności komórki do zmiany kształtu (nie dziwi więc, Ŝe
filamenty aktyny są kluczowe w mechanizmie skurczu mięśni).
Tak jak mikrotubule aktynowe mikrofilamenty podlegają nieustannym procesom polimeryzacji i depolimeryzacji,
co kontrolują róŜne mechanizmy wewnątrzkomórkowe. Mikrofilamenty, teŜ jak mikrotubule, rozciągają się wzdłuŜ
rdzenia neurytów, lecz niepodobnie do mikrotubul ściśle związane są one równieŜ z błoną. Są one przytwierdzone
do wnętrza błony wyścielając jej wewnętrzną powierzchnie jak pajęcza sieć.
C. Neurofilamenty
Neurofilamenty są pośredniej wielkości między mikrotubulami a mikrofilamentami (ok. 10 nm). Występują one we
wszystkich komórkach ciała (pod inną nazwą i z lekko odmienną strukturą, np. keratyna we włosach).
Z wszystkich omówionych struktur neurofilamenty najbardziej przypominają kości i ścięgna szkieletowe.
Neurofilament składa się z licznych podjednostek zorganizowanych jak wiązka kiełbasek. Na wewnętrzną strukturę
kaŜdej z podjednostek składają się trzy splecione razem nitki białek. Odmiennie niŜ u mikrotubul i mikrofilamentów
nitki te zbudowane są z pojedynczych długich cząstek białka. Taka budowa nadaje neurofilamentom bardzo duŜą
wytrzymałość.
Bear, Connors & Paradiso 2