Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektromos ingerelhetőség. A membránpotenciál mérése. Panyi György

Átírás

1 Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektromos ingerelhetőség. A membránpotenciál mérése. Panyi György Nyugalmi membránpotenciál: TK Akciós potenciál: TK Elektromos ingerelhetőség: TK A membránpotenciál mérése: TK XI.9.

2 Nyugalmi membránpotenciál ha a regisztrálóelektród (mérőelektród) behatol az intracelluláris térbe, a mérőműszer potenciálkülönbséget (feszültség) jelez valamennyi élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető elektromos potenciálkülönbség, amikor a sejt nincs ingerületi állapotban értéke -30 és -100 mv között változik (az ic tér potenciálja mindig negatív az ec térhez képest)

3 A nyugalmi membránpotenciált (Em) meghatározó tényezők: Diffúziós potenciál, GHK egyenlet (E diff ) -koncentráció gradiens + szelektív permeábilitás -legfontosabb meghatározója az E m nek U = E = m RT p [K] + p [Na] + p [Cl] ln Fz p [K] + p [Na] + p [Cl] K i Na i Cl o K o Na o Cl i Pumpa potenciál (V p ) - Na + /K + ATP-áz -2K + /3Na + elektrogén -sejttípustól függően: 2-16 mv (közvetlen hozzájárulás) -legnagyobb jelentősége az egyenlőtlen ionkoncentrációk fenntartása a membrán két oldala között közvetve E diff Donnan potenciál - nem permeábilis protein anionok jelenléte a citoszol felől -elhanyagolható hozzájárulás az E m -hez, a sejtek többek között a Donnan egyensúly kialakulása ellen is küzdenek ϕ = RT zf ln [X+ ] I [X + ] II

4 A membránpotenciál ion permeabilitás függése meghatározott koncentráció gradiens esetén E diff t P x határozza meg minél nagyobb egy ionra nézve a permeabilitás (sok csatorna nyitva), annál közelebb lesz a MP értéke az adott ion egyensúlyi (Nernst) potenciáljához. Például sok K + csatorna nyitása esetén a MP -89 mv irányába mozdul el, míg sok Na + csatorna nyitása esetén +60 mv irányába. az aktuális MP a permeáló ionok Nernst-potenciáljainak permeabilitásokkal súlyozott átlaga

5 Akciós potenciál a membránpotenciál jellegzetes időbeli változása, mely feszültségfüggő ioncsatornák összehangolt működése révén jön létre ingerelhető sejtekben (megfelelő inger hatására) tipikusan ideg- és izomsejtek (esetleg endokrin sejtek) információ továbbítás és a kontrakció indítása az egyes AP-k amplitúdója, alakja, hosszúsága igen hasonló az inger erőssége az AP-ok frekvenciájában kódolt változatlan amplitúdóval terjed (nem csillapodó vagy dekremens)

6 Az akciós potenciál jellemzői (idegsejt akciós potenciál): Membránpotenciál (mv) felszálló szár: depolarizáció küszöb túllövés (overshoot) küszöb alatti ingerek repolarizáció utó hiperpolarizáció stimulus erősség

7 Stimulus intenzitás vs. kihasználási idő kihasználási idő: a legrövidebb idő, amely adott erősségű inger esetén ingerületet vált ki rheobázis: a végtelen hosszú idő alatt ingerületet kiváltó inger (azaz az ingerküszöb hosszú idejű ingerimpulzusnál) chronaxia: a rheobázis ingererősség kétszeresével történő ingerléskor a válasz kiváltásához szükséges idő pontosan a küszöböt meghaladó depolarizáló ingerlés, ami éppen AP-t vált ki. az akciós potenciál kialakulását eredményező küszöbpotenciál eléréséhez a membrán kapacitív elemeit fel kell tölteni. ehhez ugyanakkora töltésmennyiség szükséges valamennyi időtartam és áramerősség kombináció esetén 1 áramerősség időtartam = állandó 2

8 az AP [Na + ] o függésének bizonyítéka (Hodgkin and Katz, 1949) Idő (ms)

9 Ionáramok mérése: a feszültség-zár elv (Cole, Hodgkin, Huxley) I m = I i + I c = I i + C m dv/dt dv/dt=0 I m = I i 1, Az axonba szúrt elektróda méri a memebránpotenciált (V m ), ennek jele a feszülség-zár erősítőbe jut 2, A feszülség-zár erősítő összehasonlítja V m -et a kívánt (parancs) értékkel 3, Ha V m különbözik a a parancs értéktől az erősítő olyan nagyságú és irányú áramot injektál az axonba a második elektródán, hogy V m egynlővé váljon a parancs feszültséggel. mérő elektróda só oldat tintahal axon referencia elekróda feszültség mérés parancs feszültség feszültségzár erősítő áram injektáló elektróda Áramerősség mérés 4, Az axonba jutó áram erőssége mérhető, ami megegyezik az axon membránon átfolyó árammal

10 Az ionáramok szeparációja gátlószerek segítségével TTX 0 mv -70 mv membrán áram Idő (ms)

11 Az AP-ért felelős Na + és K + konduktanciák Voltage-clamp visszatérés nyugalmi potenciálra nyugalmi potenciál K + konduktancia Na + konduktancia idő (ms)

12 Na+ és K+ permeabilitás változás az AP alatt idő (ms) idő (ms)

13 Az ioncsatornák kapuzása az AP alatt

14 A feszültségérzékeny ioncsatornák akciós potenciál alatti viselkedése membrán depolarizáció a feszültségvezérelt Na + csatornák kinyitnak, nő a Na + permeabilitás Na + -ionok áramlanak az intracelluláris tér felé további depolarizáció (mivel a megnövekedett Na + -permeabilitási állandó a membránpotenciál értékét a Na + -egyensúlyi potenciálja felé tolja el) pozitív visszacsatolás az akciós potenciál maximumának elméleti (!) felső határa a Na + egyensúlyi potenciálja a valóságban a csúcspotenciál nem éri el a Na + egyensúlyi potenciálját, mert P Na csökken (csökken az elektromos potenciálból származó hajtóerő!) P K fokozódik a csúcs elérése előtt (repolarizáció)

15 A feszültségérzékeny ioncsatornák akciós potenciál alatti viselkedése II. a Na + csatornák inaktiválódnak, ezzel egyidejűleg a feszültségvezérelt K + - csatornák kezdenek aktiválódni (késleltetett nyitás) az inaktivált állapot megszűnése (recovery) hiperpolarizált membrán mellett megy végbe viszonylag lassan nem aktiválható (refrakter) periódus megnövekedett K + permeabilitás (ezzel egyidejűleg P Na rohamosan csökken), K + - áramlás az extracelluláris tér felé a K + csatorna depolarizációra nyit, de a K + efflux hiperpolarizál, így zárja a csatornát negatív visszacsatolás átmeneti hiperpolarizáció (a K + csatornák késletett bezárása miatt)

16 Refrakter periódusok refrakter periódus: megszűnt vagy lecsökkent ingerlékenység, ami megakadályozza az akciós potenciálok fúzióját, ugyanakkor lehetővé teszi az elkülönült impulzusok terjedését az abszolút refrakter periódus (ARP) alatt a Na + -csatornák inaktivált állapotban vannak, ezért egyáltalán nem váltható ki újabb AP a relatív refrakter periódus (RRP) alatt a Na + -csatornák egy része már megnyitható (aktiválható) állapotban van, de a még mindig jelentős G K a depolarizáció ellen hat. A hiperpolarizáció miatt korlátozottan, csak nagyobb ingerléssel váltható ki újabb AP.

17 Az akciós potenciál terjedése az akciós potenciál változatlan amplitúdóval (veszteség nélkül), hullámként terjed végig az axonon az egyik régió akciós potenciálja a környező membrán depolarizációját okozza (helyi áramkörök alakulnak ki), ami Na-csatornák nyitásához vezet a szomszédos membránon AP generálás a membránpotenciál-változás exponenciálisan csökken egy adott helytől mért távolság függvényében (térkonstans, λ, e-ad részre csökkenés távolsága) a terjedési sebességet befolyásolja a rost vastagsága és a myelinizáció az AP egy irányban (sejttestől az axonvégződés felé) terjed (a Na + csatornák inaktivációja (az ARP) megakadályozza az AP visszafelé történő terjedését)

18 Az akciós potenciál terjedése. Myelinizáció. az idegsejtek axonjai myelinhüvellyel (Schwann-sejtek, db) borítottak fokozza az ingerület terjedésének hatékonyságát szigetelő tulajdonság, a lokális áramkörök kialakulása gátolt Ranvier-féle befűződések: nincs myelin, sok ioncsatorna, AP kizárólag itt alakulhat ki ugráló (szaltatorikus) ingerületvezetés: az AP befűződésről befűződésre ugrál gyorsabb terjedés sclerosis multiplex: demyelinizáció, a myelin sérült az agyban és a gerincvelőben AP vezetés lassú, vagy megszűnik változatos neurológiai tünetek az AP eléri az axon terminálist, ahol......neurotranszmitterek szabadulnak fel, melyek a posztszinaptikus sejt receptoraihoz kötődve befolyásolják annak működését

19 Spektroszkópiai módszerek. A membránpotenciál mérése II. egyes fluoreszcens molekulák spektroszkópiai tulajdonságai megváltoznak elektromos térben másik csoportjuk nem változtatja meg a spektroszkópiai tulajdonságait, de mivel nettó töltéssel rendelkeznek, az elektrokémiai gradiensnek és az oldékonyságnak megfelelően oszlanak meg a membrán két oldalán ha a töltés változik, akkor az elektrokémiai gradines változását a festék újraeloszlása követi a jelenleg használt festékek pozitív (karbocianinok) vagy negatív (oxonolok) töltésfelesleggel rendelkeznek pozitív töltésű festékeket alkalmazva minél nagyobb a membránpotenciál (azaz minél negatívabb a sejt belseje), annál több festék van a sejtekben a negatív töltésű festékek előnye, hogy nyugalmi állapotban nem jutnak be a sejtbe, tehát toxikus hatásuk nincs a fluoreszkáló tulajdonságú festékek nagy érzékenységű vizsgálatokat tesznek lehetővé akár spektrofluoriméterekben, akár áramlási citométerben