MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNPOTENCIÁL, AKCIÓS POTENCIÁL. Biofizika szeminárium

Átírás

1 MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNPOTENCIÁL, AKCIÓS POTENCIÁL Biofizika szeminárium

2 MEMBRÁNSZERKEZET Biológiai membránok (citoplazma, sejten belüli membránféleségek) közös jellemzője: Nem kovalens kötésekkel összetartott lipidekből és fehérjékből állnak. Fő komponens: foszfolipid, amfipatikus molekulák Foszfolipid: diglicerid + foszfát csoport + szerves molekula Foszfatidil-kolin

3 Membrán-modellek Lipid-oldékony anyagok gyorsan bejutnak a sejtbe. Amerikai fizikai kémikus 1932 Nobel díj Zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén. Benzin-lipid keverék, a benzin elpárolgása után molekuláris lipid film keletkezik Benzin-oldékony lipidek két rétegből álló filmet alkotnak víz felszínén Kettős lipidréteg A fehérjék integráns részei a sejt membránnak. A lipid bilayert kívül-belül proteinek rétege fedi. Részben magyarázza a proteinek, cukrok, ionok és más hidrofil anyagok gyors átjutását. Elektronmikroszkóp felfedezése. A sejtek plazmamembránnal burkoltak. Unit-membrane modell Folyékony mozaik modell Proteinek mozaikos elrendeződése a membránban. Egyes proteinek átérik a membránt, transzmembrán proteinek. Dr. habil. Kőhidai László

4 KETTŐS LIPIDRÉTEG A membrán kétszer annyi lipidet tartalmaz, mint amennyi indokolt lenne. Gorter, E. and F. Grendel On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes of the blood The Journal of Experimental Medicine. 41:

5 FLUID MOZAIK MEMBRÁN MODELL Singer Nicolson 1972 vvt. membrán

6 SEJTMEMBRÁN SZERKEZETE

7 MEMBRÁNFEHÉRJÉK Meghatározzák a membránok funkcióit. Csoportosítás: Szerep: Integrális membránfehérjék (transzmembrán) hidrofób maghoz kapcsolódnak, vagy átívelik a membránt. Perifériális membránfehérjék nem közvetlenül, hanem az integrális fehérjéken keresztül kapcsolódnak a membránhoz. Glikoproteinek ezek az oligoszacharidok az extracelluláris oldalon kapcsolódnak a membránfehérjékhez. Glikozil foszfatidil inozitol (GPI) kovalensen kötődnek a membránlipidekhez. Ioncsatornák Receptorok Jelátvitel

8 NYUGALMI MEMBRÁNPOTENCIÁL

9 A NYUGALMI MEMBRÁNPOTENCIÁL Tintahal óriás axon Preparált izomsejtek Mikroelektródddal történő vizsgálat. (KCl oldattal töltött azonos mobilitás. Nincs zavaró diffúziós pot.) Az élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető potenciálkülönbség. V Extracelluláris + (0 mv) Intracelluláris ( -70 mv)

10 Membrán-potenciál 0V U nyugalmi : -30mV _ -100 mv Mikroelektróda A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V). Intracelluláris tér Extracelluláris tér

11 AZ INTRA- ÉS EXTRA-CELLULÁRI TÉR FŐ ÖSSZETEVŐI Víz Ionok Kationok (K +, Na +, Ca 2+ ) Anionok (Cl -, H 2 PO 4 és HPO 4 2 ionok) Fehérjék Főleg intracellulárisan Többnyire negatívak (ph! izoelektromos pont)

12 A TÖLTÖTT RÉSZECSKÉK MOZGÁSÁT BEFOLYÁSOLÓ ERŐK Kémiai potenciál: (Willard Gibbs ) A kémiai potenciálja egy termodinamikai rendszernek azzal az energiamennyiséggel egyenlő, amennyivel a rendszer teljes energiája megnőne, ha növelnénk a rendszerben lévő alkotóelemek számát. Koncentráció grádiens diffúzió: részecskék mozgása a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely felé diffúziós potenciál. Elektromos potenciál: Az elektromos térben lévő töltött részecskére vonatkozó energiamennyiség. Az elektromos tér erőt fejt ki a töltött részecskére (ionok, fehérjék) elektromos áram: töltött részecskék mozgása. Elektrokémiai potenciál

13 A nyugalmi membrán-potenciál eredete Bernstein kálium hipotézise Nernst-féle egyensúlyi potenciál (elektromos potenciál - kémiai potenciál) Donnan egyensúly: a membrán egyes ionos összetevők számára átjárhatatlan (pl. intracelluláris fehérjék). Goldman egyenlet: az egyensúlyi potenciálok és a membránpermeabilitások súlyozott értékeit valamint az abszolút ionkoncentrációk értékeit egyaránt figyelembe kell venni.

14 Nernst - egyenlet Kémiai potenciál W chem NRT ln X X 1 2 N = a koncentrációgrádiens kialakításában résztvevő mólok száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X 1 / X 2 = koncentráció grádiens Elektromos potenciál W elektr NzFE N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia (vegyérték) F = Faraday szám E= elektromos térerő (V)

15 Egyensúlyi feltétel NzFE NRT ln X X 1 2 zfe RT ln X X 1 2 E RT zf ln X X 1 2

16 EGYENSÚLYI POTENCIÁL Nernst-egyenlet: Mekkora elektromos potenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult koncentráció grádienst (X 1 /X 2 ). A befelé és kifelé történő ionáramok dinamikus egyensúlyban vannak. E RT zf ln X X 1 2

17 IONKONCENTRÁCIÓK BÉKA IZOMSEJT ESETÉN Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = mv [Na + ] E mv = -58/1 log (20/120) = mv [Cl - ] E mv = -58/1 log (3.8/120) = mv = 30.8 mv Nyugalmi potenciál (mért) E mv =-92mV

18 A Nernst-egyenlet önmagában nem alkalmas a membránpotenciál meghatározására. Más értékeket kapunk, ha külön-külön számoljuk a potenciál értékeket és mást, ha mérjük a nyugalmi potenciált. Nem zárt rendszer Az ionok viselkedése nem független egymástól.

19 Egyensúlyi potenciál [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = mv K + =2.5 mm K + =139 mm mv E mv = mv E mv > mv E mv < mv töltések nettó mozgás zéró (egyensúly) K + áramlik ki K + áramlik be Egy ionra nézve az a feszültség érték, mely egyensúlyt tart a koncentráció különbséggel.

20 Egy átlagos nyugvó állati sejtben: - kifelé K + áramot befolyásolja: nagy koncentrációkülönbség nagy K + permeabilitás negatív membránpotenciál - befelé Na + áramot befolyásolja: nagy koncentrációkülönbség kis Na + permeabilitás negatív membránpotenciál Így a két áram egyenlő stabil nyugalmi V m

21 SZIVÁRGÁS a membrán-potenciál egyetlen ionra nézve sem egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljának az értékével EmV_K + = mv EmV_Na + = mv EmV_Cl - = mv E mv = - 92mV az ionok megpróbálnak átjutni a membránon ok + próbál kijutni ona + próbál bent maradni ocl - próbál bent maradni Szivárgás

22 IONCSATORNÁK Nyugalmi v. független ioncsatornák Működésüket nem befolyásolja a membránpotenciál értéke (pl. nyugalmi K + csatornák; K + -Na + szivárgó csatornák) Függő ioncsatornák Kinyílnak speciális ligandok vagy membránpotenciál változás esetén (pl. feszültségfüggő K + és Na + csatornák)

23 SZIVÁRGÓ IONCSATORNÁK 100x jobban átjárhatóak a kálium számára mint a nátriumra. Az ionok lassú és állandó mozgása jön létre. Kompenzálásra szorul. K + Na + K + Na + Nátrium-kálium (K + -Na + ) szivárgó csatorna

24 NA-K ATPÁZ A nyugalmi membránpotenciál kialakulásának főszereplői a K + és Na + ionok (eltérő eloszlás és membránpermeabilitás). A Na-K ATPáz képes ellensúlyozni a Na + és K + passzív áramlását, aktív munka kifejtése árán hozzájárul a membránpotenciál kialakulásához. 3 Na + kifelé és 2 K + befelé történő mozgatását végzi. Működéséhez ATP szükséges.

25 AKCIÓS POTENCIÁL

26 Ingerlékeny sejtek membránján: ideg-,izomsejtek, egyes receptorok vagy szekréciós sejtek Sejttípusra jellemző, állandó alak és időbeli lefutás Küszöb feletti inger

27 Akciós potenciál: a nyugalmi membránpotenciál időleges megváltozása ~ - 70mV-ról + 40 mv-ra, melyet a nyugalmi potenciál visszatérése követ Ionok membránon keresztüli mozgásának eredménye Stimulus a membrán potenciál megváltozása (küszöbpotenciál) akciós potenciál Kialakulása a minden vagy semmi törvényét követi Ingerküszöb (küszöb-potenciál) alatti ingerlés esetén nincs AP. Ingerküszöb (küszöb-potenciál) feletti inger mindig egyforma és teljes depolarizációt okoz. Az akciós potenciálnak különböző fázisai különíthetőek el.

28 Nyugalmi fázis (potenciál)

29 1. Emelkedő fázis Depolarizációs küszöb feletti inger hatására a feszültségfüggő Na + csatornák megnyílnak.

30 3. Csúcs fázis Na + beáramlás lelassul EmV_Na + = mv (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál) Na + csatornák egy részének inaktiválódása K + csatornák nyitása megindul 2 3

31 4. Csökkenő fázis Feszültségfüggő K + csatornák teljesen megnyílnak Nagyfokú K + kiáramlás a sejtből Na + csatornák teljes bezáródása (inaktiválódás) refrakter periódus 2 3 4

32 5. Utódpotenciál Na + csatornák teljes bezáródása (inaktiválódás) refrakter periódus A K + ionok beáramlása lassul EmV_K + = mv (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál) A K + csatornák teljes bezáródása A nagyszámú és lassan inaktiválódó K + csatorna hiperpolarizációt eredményez

33

34 Az intracelluláris ionkoncentráció változás nagysága az AP során kicsi (0.0001% - 1% a vastag illetve vékony axonokban). Na + /K + ATPáz visszaállítja a nyugalmi potenciál eredeti értékét, de nem azonnal. Na + /K + ATPáz bénítását követően tintahal óriás axonjában még további 100,000 impulzus kiváltása után is csak 10%-al nő meg az intracelluláris Na+ koncentráció.

35 Refrakter periódus Abszolút RF Az abszolút refrakter fázis alatt a Na+csatornák inaktivált állapotban vannak. Új akciós potenciál kialakulása teljesen gátolt. Relatív RF A relatív refrakter fázis alatt a Na+csatornák egy része már megnyitható (aktiválható) állapotban van. Az ingerküszöbnél nagyobb depolarizáció elindíthatja az AP létrejöttét.

36 Membrán-potenciál K + és Cl - ionok áramlása plató-fázis Egyensúly a Ca 2+ felszabadulás és a kifelé történő K + áramlás között ~+35mV Gyors depolarizáció gyors Na + beáramlás K + kiáramlás ~-90mV 0 ms 350 ms Idő (ms) Nyugalmi membrán potenciál Nyugalmi membrán potenciál

37

38 PATCH-CLAMP MEMBRÁNFOLT FESZÜLTSÉGRÖGZÍTÉS Mikroelektrofiziológiai technika Mikroelektróda: 0,5-1 μm átmérőjű, megfelelő összetételű elektrolitoldatot tartalmaz. Nagy ellenállású kapcsolat jön létre Így csak a mikroelektród alatt lévő területen elhelyezkedő ioncsatornák áramát tudjuk mérni. Egyedi csatornák vizsgálatára alkalmas. Ionáram jellemzői: Adott csatornára (fajtára) mindig ugyanakkora áram jellemző. Azonos intenzitású Lehet következtetni, hogy hány csatornát mérünk egyszerre.