Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Átírás

1 Membránpotenciál Vig Andrea Nyugalmi membránpotenciál Akciós potenciál 1

2 Nyugalomban valamennyi sejt belseje negatív a külső felszínhez képest: negatív nyugalmi potenciál (Em: -30 es -90 mv között) Mikroelektróddal történő vizsgálat. (KCl oldattal töltött azonos mobilitás. Nincs zavaró diffúziós pot.) Az élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető potenciálkülönbség. V Tintahal óriás axon Preparált izomsejtek Extracelluláris + (0 mv) Intracelluláris ( -70 mv) Nyugalmi membránpotenciál 0V U nyugalmi : -30mV _ -100 mv Mikroelektróda A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V). Intracelluláris tér Extracelluláris tér 2

3 Miért alakul ki a membránpotenciál? egyenlőtlen ioneloszlás a membrán két oldalán: a sejt belsejében magas K+ és alacsony Na+ koncentráció. folyamatosan működő K-Na ionpumpa: Na+ ionokat kifelé, K+ ionokat befelé szállítja szelektív membrán permeabilitás: a sejtmembrán K+ ionokra nézve sokkal átjárhatóbb, mint Na+ ionokra a sejt belsejében negatív töltésű, nem diffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak) vannak Intracelluláris tér [Na + ] 10 mm [K + ] 140 [Ca 2+ ] <10-3 [Cl - ] 3-4 [A - ] 140 Extracelluláris tér [Na + ] 120 mm [K + ] 2,5 [Ca 2+ ] 2 [Cl - ] Hajtóerők : A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők 1) Az adott ionok koncentráció különbsége - Kémiai koncentráció grádiens: Kémiai potenciál (Willard Gibbs ) 2) A membrán két oldala között kialakuló töltéskülönbség - Elektromos grádiens: Elektromos potenciál Elektrokémiai potenciál Egyensúlyi állapotban az elektromos és kémiai koncentráció grádiens szabadenergia-változása egyenlő és ellentétes irányú. Az egyensúlyi potenciál számolható a koncentráció viszonyokból (bármely ionra nézve) 3

4 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. Nernst - egyenlet Kémiai potenciál W chem [ X NRT ln [ 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) 4

5 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. RT E zf ln X X 1 2 Egyensúlyi potenciál [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = mv K + =2.5 mm K + =139 mm mv E mv = mv töltések nettó mozgás zéró (egyensúly) E mv > mv K + áramlik ki E mv < mv K + áramlik be Egy ionra nézve az a feszültség érték, mely egyensúlyt tart a koncentráció különbséggel. 5

6 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) = [Na + ] E mv = -58/1 log (20/120) = [Cl - ] E mv = -58/1 log (3.8/120) = mv mv mv = 30.8 mv Nyugalmi potenciál (mért) E mv =-92mV 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. 6

7 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. Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás: Frederick George Donnan ( ; Ír kémikus) Eltérő mozgékonyságú ionok szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása diffúziós potenciál Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék) egyensúlyi koncentráció különbség 7

8 Donnan egyensúlyi szabálya Diffuzibilis ionok: K +,Cl - RT Kin ln zf K K K in out out E Cl Cl out in RT zf ln K Cl K Cl in in out out Cl Cl out in A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon! 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. 8

9 Mi történik ha a Donnan szabály nem érvényesül? Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet (Goldman egyenlet) David E. Goldman (USA) Alan Lloyd Hodgkin (England) Bernard Katz (England). A sejtmembránon keresztüli potenciál meghatározásához figyelembe kell venni, hogy a sejtek milyen mértékben képesek átereszteni egyes ionokat (PERMEABILITÁS!). 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 9

10 Goldman egyenlet A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével: E m RT ln F N i N i P P M M i i M M i P A out j A j j in M M i in P A A j j j out - Minden ion szerepét figyelembe veszi. - Jól egyezik a valósággal. E m = membrán potenciál P ion = az egyes ionokra vonatkozó permeabilitás [ion] out = extracelluláris koncentráció [ion] in = intracelluláris koncentráció R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet F = Faraday állandó Goldman egyenlet A membránpotenciál egy kompromisszum eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük. 10

11 Szivárgás a membrán-potenciál egyetlen ionra nézve sem egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljának az értékével EmV_K + = mv EmV_Na + = mv E EmV_Cl - = mv mv = - 92mV az ionok megpróbálnak átjutni a membránon ok + próbál kijutni ona + próbál bent maradni ocl - próbál bent maradni Szivárgás Ioncsatornák Nyugalmi v. független ioncsatornák Működésüket nem befolyásolja a membrán-potenciál értéke (pl. nyugalmi K + csatornák; K + -Na + szivárgó csatornák) Függő ioncsatornák Kinyílnak speciális ligandok vagy membrán-potenciál változás esetén (pl. feszültségfüggő K + és Na + csatornák) 11

12 Na-K ATPáz A nyugalmi membránpotenciál kialakulásának főszereplői a K + és Na + ionok (eltérő eloszlás és membrán permeabilitás). 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. Akciós Potenciál 12

13 Ingerlékeny sejtek membránján: ideg-,izomsejtek, egyes receptorok vagy szekréciós sejtek Sejttípusra jellemző, állandó alak és időbeli lefutás Küszöb feletti inger 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 (küszöb-potenciál) 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. 13

14 1. Nyugalmi fázis (potenciál), inger érkezése Depolarizációs küszöb feletti inger hatására a feszültségfüggő Na + csatornák megnyílnak Emelkedő fázis K + csatornák megnyílnak. 14

15 3. Csúcs fázis Na + beáramlás lelassul EmV_Na + = mv (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál) Na + csatornák nagy részének inaktiválódása K + csatornákon K + áramlik ki Csökkenő fázis Feszültségfüggő K + csatornák teljesen megnyílnak Nagyfokú K + kiáramlás a sejtből Na + csatornák bezárulnak

16 5. Utódpotenciál 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 A nagyszámú és lassan inaktiválódó K + csatorna hiperpolarizációt eredményez 16

17 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. Akciós potenciál típusai 17

18 Az akciós potenciál terjedése Mielin nélküli axonban Velőshüvelyű axonban Lassú ingerületvezetés Ugráló (szaltatórikus) ingerületvezetés - gyors A vezetési sebesség a rost keresztmetszetével is nő. 18