1. Budowa
Błona komórek nerwowych nazywana jest neurolemmą. Jej podstawowym elementem strukturalnym jest dwuwarstwa lipidowa budowana głównie przez fosfolipidy (fosfatydyloinozyl, fostafytydoloserynę, fosfatydylocholinę), w mniejszym stopniu przez sfingolipidy (sfingomielinę, glikosfingolipidy, gangliozydy) i cholesterol. W skład błony komórkowej wchodzą również liczne białka rozmieszczone w dwuwarstwie lipidowej. Tym samym wyróżnia się frakcję białek integralnych, które przenikają przez dwuwarstwę oraz frakcję białek powierzchniowych.
Skład lipidów błony neuronalnej jest ściśle regulowany i jest kluczowy dla zachowania homeostazy w obrębie komórek. Jest on zmienny oraz specyficzny dla typu i części neuronu. Oznacza to, że skład błony aksonu może różnić się od składu błony ciała neuronu czy dendrytu. Czynniki środowiskowe (takie jak dieta) mogą go modulować.
2. Właściwości
Naukowcy Singer i Nicholson w 1972 roku zaproponowali mozaikowy model błony komórkowej, który w kolejnych latach był sukcesywnie modyfikowany. Zgodnie z założeniami tego modelu błony komórkowe charakteryzują się asymetrią, dynamicznością, płynnością i zdolnością do fuzji. Asymetria wynika z odmiennego rozmieszczenia lipidów i białek po obu stronach dwuwarstwy lipidowej. Na przykład białka powierzchniowe związane są głównie z warstwą wewnętrzną dwuwarstwy lipidowej. Asymetrię tą powiększają znacznie łańcuchy oligosacharydowe glikoprotein i glikolipidów, tworzące glikokaliks. Dwuwarstwa lipidowa jest strukturą dynamiczną. Oznacza to, że możliwa jest nieustanna przebudowa oraz reorganizacja fosfolipidów. Ma ona dwojaki charakter i obejmuje ruch cząsteczek fosfolipidów w płaszczyźnie poziomej oraz ruch typu flip-flop między warstwami. Odpowiednia płynność błony jest kluczowa dla zachowania jej funkcji. Fizjologiczny poziom płynności błon komórkowych determinują przede wszystkim skład lipidów i temperatura. Jest ona tym bardziej płynna, im więcej znajduje się w niej cząsteczek fosfolipidów z krótkimi i nienasyconymi łańcuchami węglowodorowymi. Również wzrost temperatury powyżej fizjologicznego punktu nastawczego (ang. set-point) skutkuje zwiększeniem płynności dwuwarstwy. Z kolei obecność cholesterolu zmniejsza jej płynność, zapewniając strukturalną stabilność błony.
3. Funkcje
Podstawowa funkcja błony komórkowej polega na oddzieleniu wnętrza komórki od środowiska zewnętrznego. Zapewnia to integralność środowiska wewnętrznego, a także stanowi barierę dyfuzyjną i pośredniczy w wytwarzaniu potencjału elektrochemicznego. Cząsteczki fosfolipidów cechuje amfipatyczność. Oznacza to, że składają się one z części hydrofilowej, tzw. „główki” oraz części hydrofobowej, tzw. „ogonka”. Każda warstwa jest ułożona w taki sposób, że na zewnątrz znajduję się część rozpuszczalna w wodzie, do wnętrza natomiast są skierowane części rozpuszczalne w tłuszczach. Sprawia to, że dwuwarstwa lipidowa jest nieprzepuszczalna dla cząsteczek hydrofilowych, w tym jonów, umożliwia natomiast transport cząsteczek lipofilnych i obojętnych takich jak woda, tlen, czy dwutlenek węgla.
Rozdzielenie dwóch środowisk pozwala neuronom na utrzymywanie różnicy potencjałów po obu stronach błony i generowanie prądów elektrycznych. U podstaw zjawisk elektrycznych leży transport jonów przez błonę, który odbywa się drogą dyfuzji ułatwionej lub transportu aktywnego. Jest to możliwe dzięki obecności w błonie białek, uczestniczących w transporcie wewnątrzkomórkowym i między komórkami, przemianach biochemicznych oraz transdukcji sygnałów. Mogą one tworzyć kanały, przez które przechodzą poszczególne jony w zależności od tego, jaki jest stan czynnościowy komórki.
Kolejnym czynnikiem jest występowanie oraz działanie w błonach komórkowych mechanizmów nazywanych pompami jonowymi. W przeciwieństwie do kanałów uczestniczą one w transporcie aktywnym jonów. Najważniejszą funkcję pełni pompa sodowo-potasowa. Jest to białko enzymatyczne, wykorzystujące hydrolizę ATP (adenozynotrójfosforanu) do pozyskania energii niezbędnej do transport trzech jonów sodowych na zewnątrz i dwóch jonów potasowych do wnętrza komórki. Taki przepływ jonów wytwarza gradient, utrzymujący błonę komórkową w stanie polaryzacji.
Konieczność istnienia tych mechanizmów wynika z posiadania przez jony ładunku elektrycznego. Przepływ jonów prostych (Na+, K+) zachodzi przy wykorzystaniu białkowych kanałów jonowych. Przez błonę nie jest jednak możliwy transport dużych anionów, takich jak aniony organiczne. Po obu stronach błony są rozmieszczone różne jony. Na jej zewnętrznej stronie można znaleźć przede wszystkim kationy sodu (Na+), dlatego jest ona naładowana dodatnio. Na stronie przeciwnej z kolei znajdują się głównie aniony organiczne, chlorkowe (Cl–), a także jony potasu (K+), których jest znacznie mniej niż jonów sodu po zewnętrznej stronie. W związku z tym zewnętrzna strona błony posiada ładunek ujemny. Dzięki temu neurolemma jest spolaryzowana, a komórki nerwowe utrzymują odpowiedni potencjał błonowy, czyli różnicę ładunków elektrycznych między obiema stronami błony, oraz są zdolne do reagowania na bodźce zewnętrzne. Gdyby możliwy był swobodny przepływ jonów w obu kierunkach, utrzymanie przez błonę polaryzacji stałoby się niemożliwe.
Błona komórkowa zapewnia również kontakt ze środowiskiem zewnętrznym poprzez odbieranie i przewodzeniu sygnałów (bodźców) dzięki obecności glikokaliksu. Warstwa ta jest unikalna dla danego typu komórek, dzięki czemu umożliwia rozpoznanie miejsca docelowego w transporcie różnych białek. Ponadto pełni ona funkcję ochronną. Z kolei zróżnicowany zestaw lipidów może regulować funkcję białek poprzez specyficzne interakcje lipid-białko oraz poprzez ogólne interakcje dwuwarstwowo-białkowe (tj. zmiany właściwości dwuwarstw).
4. Znaczenie potencjału spoczynkowego
Potencjał spoczynkowy komórek nerwowych wynosi około -70 mV. Jest on związany przede wszystkim ze stałą dyfuzją jonów potasowych (K+) ze środowiska wewnątrzkomórkowego na zewnątrz. Jony potasu znajdują się pod wpływem działania dwóch przeciwnych sił, które rywalizują pomiędzy sobą. Gradient elektryczny powoduje wepchnięcie jonów potasu do środka, natomiast gradient stężeń dąży do ich wypchnięcia na zewnątrz. Utrzymujący się wypływ kationów z komórki powoduje wytwarzanie się w jej wnętrzu stanu względnej elektroujemności. Ustala się potencjał równowagi elektrochemicznej (nazywany również potencjałem Nersta), przy którym gradient elektryczny spowalnia i w pewnym momencie zatrzymuje wypływ jonów potasu. Potencjał ten jest charakterystyczny dla danego gradientu stężeń jonów w poprzek błony półprzepuszczalnej.
Na jony sodu (Na+) działają natomiast dwie siły, powodujące wepchnięcie tych jonów do wnętrza komórki. Pierwsza z nich to gradient stężeń, wynikający z przepływu kationów sodowych ze środowiska o większym stężeniu do środowiska o stężeniu mniejszym. Drugą siłą jest gradient elektryczny, w którym przepływ jonów Na+ wywołany jest różnicą ładunków po obu stronach błony. W związku z powyższym kanały sodowe są w stanie niepobudliwości błony zamknięte, z kolei kanały potasowe są lekko przymknięte.
5. Potencjał czynnościowy
Przekazywanie informacji w komórkach pobudliwych możliwe jest dzięki temu, że bodziec zakłóca parametr środowiska mający stałą wartość. Tym samym stabilność potencjału spoczynkowego błony komórek nerwowych jest kluczowa dla utrzymania ich optymalnej pobudliwości. Podstawową formą rozprzestrzeniania się informacji są natomiast prądy jonowe, powodujące zmiany potencjału błony. Ważną cechą potencjału czynnościowego jest zasada “wszystko albo nic”. Oznacza ona, że bodziec albo jest wystarczająco silny, żeby przekroczyć próg pobudzenia, albo nie. W przypadku zadziałania bodźca podprogowego dochodzi do podwyższenia potencjału, ale jest to niewystarczające, żeby otworzyły się szybkie kanały sodowe bramkowane napięciem i aby mogła zajść dalsza depolaryzacja.
Kiedy na neuron zadziała natomiast bodziec lub suma bodźców przekraczających potencjał progowy (wynoszący około -55 mV), wyzwalany jest potencjał czynnościowy o maksymalnej amplitudzie. Powoduje to gwałtowny napływ jonów sodowych do wnętrza komórki. Wówczas różnica potencjałów po obu stronach błony osiąga wartość około +35 mV i z niewielkim opóźnieniem otwierają się kanały potasowe, przez które następuje ucieczka jonów potasu z neuronu. Procesy te prowadzą do repolaryzacji błony i powrotu potencjału spoczynkowego. W czasie narastania potencjału i w początkowej fazie repolaryzacji obserwuję się refrakcję bezwzględną, którą charakteryzuje całkowita niewrażliwość pobudzonej części błony neuronu na bodźce. Po niej następuje refrakcja względna, czyli okres w którym neuron jest w stanie pobudzić tylko bardzo silny bodziec.
6. Zaburzenia
Zakłócenie składu lipidów błonowych komórek nerwowych może upośledzać funkcję komórki, zmieniając płynność błony, jej integralność i przepuszczalność, a tym samym prowadzić do rozwoju choroby. Jest to szczególnie widoczne w mózgu, gdzie defekty w regulacji lipidów są powiązane z różnymi chorobami neurologicznymi. Na podstawie wyników badań patomorfologicznych mózgów pacjentów z chorobą Alzheimera wykazano w błonach komórek nerwowych obniżony poziom etanoloaminy i glicerofosfolipidów zawierających cholinę i inozytol oraz istotnie wyższe poziomy glicerofosfolipidów serynowych. Deficyt fosfolipidów zawierających etanoloaminę i inozytol może wiązać się z utratą synaps w przebiegu choroby Alzheimera. Również niedobór cholesterolu w neuronach może prowadzić do upośledzonej transdukcji sygnału i degradacji synaptycznej i progresji zmian neurodegeneracyjnych. Na podstawie wyników badań zaobserwowano zmiany stężenia fosfatydyloseryny w surowicy krwi i w mózgach w przebiegu różnych chorób ośrodkowego układu nerwowego, w tym w chorobie Alzheimera. Fosfatydyloseryna jest ważnym składnikiem budulcowym w błonie komórkowej neuronów i pełni wiele funkcji obejmujących transdukcję sygnału komórkowego, czy regulację cyklu komórkowego. Na podstawie wyników badań klinicznych z wykorzystaniem podawanej doustnie liposomalnej fosfatydyloseryny wykazano, że może być ona skutecznie wykorzystywana w spowolnieniu progresji chorób neurodegeneracyjnych i neurorozwojowych.