Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Átírás

1 Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

2 Témák Membrántranszport folyamatok Donnan egyensúly Nyugalmi potenciál Ioncsatornák alaptulajdonságai

3 Nehézségi fok Belépı szint (6 év alatt is) Hallgató szint (szinte mindenkinek) Gourmand szint (mélyvíz profiknak)

4 1. Transzmembrán transzport

5 1 A membránon keresztüli transzportfolyamatok típusai

6 2 dc J = DA J: diffúziós fluxus dx A: felület J = DA c dc/dx: koncentráció gradiens x D: diffúziós állandó (D: cm 2 /s) D = J dc A dx Fick elsı (diffúziós) törvénye

7 3 Stokes Einstein egyenlet D = 6 kt π rη Einstein összefüggés ( x 2 ) = 2 Dt Az oldott anyag diffúziója a részecskék random hımozgása következtében

8 4 A diffúzióhoz szükséges idıtartam a diffúziós távolság függvényében

9 5 J Fick törvénye membránra = DA c x J = DA β c x K = D β x β: particiós koefficiens K: permeabilitási tényezı Membránon keresztül történı diffúzió

10 6 Ozmózis a sejtmembránon keresztül

11 7 van t Hoff törvénye π= irtm π= irtc π = RTΦic Φic = T f /1.86 Φ: ozmotikus koefficiens Φic: ozmotikusan effektív koncentráció - ozmolaritás Pl.: 154 mm NaCl oldat π = 6.42 atm Φic = osmol/l Az ozmotikus nyomás értelmezése

12 8 A facilitált diffúzió mechanizmusa

13 9 Ionok csatornákon keresztül történı transzportja

14 10 A Na /K ATPáz mőködésének elve

15 11 Másodlagos aktív transzportfolyamatok

16 12 Michaelis-Menten egyenlet V max : maximális transzport sebesség K m : szubsztrát koncentráció, melyre a transzport sebessége = V max /2 A protein mediált transzport szaturációs kinetikája

17 2. Ion egyensúly

18 13 µ = µ o RT ln C zfe µ = RT ln [ ] X [ ] X A B zf ( E E ) A B Az elektrokémiai potenciál(különbség)

19 14 Egyensúlyban 0 E = zf A [ ] X A ln [ ] zf A X B [ ] X ( E ) A EB = RT ln [ X ] RT [ X ] A EB = ln zf [ X ] B RT ( E E ) B A B Egyértékő kationra Z = 1 = 60mV lg [ ] X [ ] X E X A B A Nernst egyenlet levezetése

20 15 A B A B 0.1 M 0.01 M 1 M 0.1 M K K HCO 3 - HCO 3 - E A E B = -60 mv E A E B = 100 mv Egyensúly áll fenn? A Nernst egyenlet alkalmazásai 1.

21 16 A B 0.1 M K 0.01 M K A B 1 M 0.1 M HCO - 3 HCO - 3 E A E B = 60 mv 60 mv-nál a K elektrokémiai egyensúlyban van a membrán két oldalán Nincsen elektromos hajtóerı!!! A Nernst egyenlet alkalmazásai 2.

22 17 A B 0.1 M K 0.01 M K E A E B = -60 mv A K egyensúlyi állapotban van a membrán két oldalán Nincsen elektromos hajtóerı A B 1 M HCO M HCO 3 - E A E B = 100 mv A HCO 3- ennél a membránfeszültségnél nincsen egyensúlyi állapotban Elektromos hajtóerı: 40 mv A Nernst egyenlet alkalmazásai 3.

23 18 A B A B [K ] = 0.1 M [P - ] = 0.1 M [K ] = 0.1 M [Cl - ] = 0.1 M [K ] = [Cl - ] = [P - ] = 0.1 M [K ] = [Cl - ] = Kiindulási állapot Egyensúly? 1. Az elektroneutralitás elvének érvényesülnie kell!!! 2. Az elektrokémiai potenciál minden diffuzibilis ionra zérus kell hogy legyen!!! (Nem diffuzibilisre nem teljesül!!!) A Gibbs-Donnan egyensúly kialakulása 1.

24 19 A B A B [K ] = 0.1 M [P - ] = 0.1 M [K ] = 0.1 M [Cl - ] = 0.1 M [K ] = M [Cl - ] = M [P - ] = 0.1 M [K ] = M [Cl - ] = M Kiindulási állapot Egyensúlyi állapot (!?) 1. Az elektroneutralitás elve érvényesül!!! 2. Az elektrokémiai potenciál K -ra és Cl - ra zérus!!! 3. Minden OK? A Gibbs-Donnan egyensúly kialakulása 2.

25 20 P H = 2.99 atm!!! A B A B [K ] = 0.1 M [P - ] = 0.1 M [K ] = 0.1 M [Cl - ] = 0.1 M [K ] = M [Cl - ] = M [P - ] = 0.1 M [K ] = M [Cl - ] = M Kiindulási állapot Egyensúlyi állapot (A nyomásokra nem áll fenn az egyensúly!!!) Gibbs-Donnan egyensúlyban transzmembrán hidrosztatikus nyomásgradiens alakul ki

26 3. Nyugalmi potenciál

27 21 A B 0.1 M NaCl 0.01 M NaCl Ha a membrán kationra permeábilis, anionra nem, ionáram szükséges az egyensúly kialakulásához!!! A koncentrációs elem

28 22 Na A B 0.1 M NaCl 0.01 M NaCl Elektrokémiai egyensúlyban E A E B = - 60 mv A koncentrációs elem

29 23 Valódi intra- és extracelluláris ionkoncentrációk

30 24 Cl - Na E cc cc E 1) Na K IC (mm) EC (mm) E eq 60 mv -90 mv Cl mv -70 mv Prot cc E K 2) 3) P K 100 P Prot = 0 Na 4) E m = 70 mv A nyugalmi membránpotenciál egyszerősített modellje humán vázizomra

31 = = = = = K K m K Na Na m Na Cl Cl m Cl g E E I g E E I g E E I R g R U I ) ( ) ( 0 ) ( 1 A chord konduktancia egyenlet kiindulási feltételei 25 A nyugalmi potenciál elméleti becslése 1.

32 Na I Na I K = 0 0 ( E E m m E = g K Na g ) g K g Na Na = ( E E K m g E K g K Na g ) g K Na E Na E m K g Na = 1 g K = 100 E m 100 = E E K Na A chord konduktancia egyenlet

33 27 A nyugalmi potenciál elméleti becslése 2. E m = RT F ln k k pk pk [ K [ K ] ] o i k k pna pna [ Na [ Na ] ] o i k k pcl pcl [ Cl [ Cl ] ] i o A constant field (Goldman-Hodgkin-Katz) egyenlet

34 28 C A nyugalmi potenciált kialakító fıbb tényezık

35 29 A nyugalmi potenciál szívizomban is [K ] függı kell hogy legyen

36 30 A nyugalmi potenciál valóban [K ] függı szívizomban

37 4. Ioncsatornák

38 4.1 Vizsgálati technikák

39 31 A patch clamp technika fıbb típusai

40 32 Single channel áram

41 33 Az átlagos nyitvatartási idı meghatározása

42 34 Inward, illetve outward egyenirányító csatornák vezetési (feszültség-áram) karakterisztikája

43 4.2 Szabályozási alapelvek

44 35 Egyszerő, kétállapotú ioncsatorna

45 36 Komplex, többállapotú ioncsatorna

46 37 Ioncsatornák legfontosabb regulációs mechanizmusai

47 37 a A background csatornák spontán oszcillálnak a nyitott és zárt állapotok között

48 37 b A feszültségfüggı csatornák spontán oszcillációjának egyensúlyi állapota (nyitott/zárt állapotok valószínősége) feszültségfüggı

49 37 c A neurotranszmitter-függı csatornák nyitott/zárt állapotainak valószínőségét a transzmitter kötıdése modulálja

50 37 d A G-protein függı csatornák nyitott és zárt állapotainak valószínőségét a (pl. receptor aktiválódás során) aktivált G-protein kötıdése modulálja

51 37 e A modulált csatornák, lehetnek feszültségfüggıek, de ezenkívül kovalens modifikáció (pl. foszforiláció) is modulálja a nyitott/zárt állapotok valószínőségét

52 4.3 Szerkezet

53 38 Néhány ioncsatorna szupercsalád jellemzı képviselıje

54 39 A Na csatorna kétdimenziós modellje 1.

55 40 A Na csatorna kétdimenziós modellje 2.

56 4.4 Szerkezet-funkció kapcsolata

57 41 Az S 4 hélixek a feszültségfüggı csatornák feszültségszenzorai jelentıs aminosav homológia jellemzı

58 42 A voltage sensor mőködés modellje

59 43 A Na csatorna felülnézeti modellje

60 44 A K csatorna funkcionális modellje

61 45 A szívben kimutatott fontosabb ioncsatornák

62 Kérdés: Mi a különbség az alábbi három iontranszporter között? 1. Nátrium-kálcium kicserélı 2. Nátrium-hidrogén kicserélı 3. A szarkolemma kálcium pumpája Mikor van Gibbs-Donnan egyensúlyban egy élı sejt membránja? Mennyi Na ionnak kell átvándorolnia a membránon az egyensúly eléréséhez? Melyek az alapvetı feltételei stabil membránfenntartásának? Miért 30 mv az egyik sejttípusban (pl. vvt) a (pl. kamrai szívizomsejt) 90 mv? potenciál kialakításának és nyugalmi potenciál, amíg a másik típusban Melyek a membránpotenciál aktuális értékét meghatározó tényezık? Miben különbözik a membránreceptor az ion-csatornától? Van-e olyan receptor, amely ioncsatorna? Hogyan lehetséges, hogy a Na átmegy egy ioncsatornán, a K pedig nem? Hogyan lehetséges, hogy a K átmegy egy ioncsatornán, a Na nem? Melyek az ioncsatornák fontosabb tulajdonságai?