Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Átírás

1 Transzportfolyaatok a biológiai rendszerekben Elektrofiziológiai jelenségek és a transzportfolyaatok kapcsolata Transzportfolyaatok a sejt nyugali állapotában A nyugali potenciál jelentősége a sejt hoeosztázisának (sejttérfogat, ph) fenntartása ingerlékenység érzékelés A nyugali potenciál értelezése: -Donnan vagy egyensúlyi odell -Transzport odell -Elektroos odell jelátadás

2 A sejtebrán elektroos odellje: extracelluláris tér I elektrootoros erő A nyugali potenciál egváltozása ebrán I I I Cl Na K g Na g K g Cl U vezetőképesség kapacitás 1. A ebrán passzív elektroos tulajdonságai U 0Na U 0K U 0Cl intracelluláris tér I = I + I ion Konduktív ára Változik, ha a csatorna vezetőképessége potenciálfüggő c Kapacitív ára I c = C ΔU Δt Kísérlet ingerlő elektród érő elektród Miért éppen így? Árairány : pozitív töltések áralásásának iránya. ebrán extracelluláris tér intracelluláris tér Ne így Ne így

3 Miért éppen így? A ebrán elektroos tulajdonságai iatt: -ellenállás -kapacitás Hol is látta ár ehhez hasonlót? Párhuzaos RC-kör töltése és kisütése U C =I 0 R(1-e -t/τ ) 100% U C =U 0 e -t/τ 63% 37% τ=rc Összevetése az elektroos odellel: I Na I IK I Cl I ion + Ic = I = 0 g Na (U -U 0Na )= I Na a ebrán kapacitása a ebrán keresztirányú ellenállása g Na g K g Cl U g ion (U -U 0 )= I ion τ = C R U 0Na U 0K U 0Cl C ΔU Δt U ( t) U t 1 e t = R C ΔU U 0 + Iinger = 0 R Az ingerlés kezdetétől eltelt idő τ a ebrán időállandója: az az idő, ai alatt az ipulzussal keltett feszültségváltozás -eléri a telítési érték 63%-át vagy A ebránpotenciál időbeli változása A ebránpotenciál telítési értéke -az ingerlés egszünte után e-ed részére csökken

4 A nyugali potenciál helyi egváltozása U ( t) U t 1 e t = R C U (V) I inger (μa) U (V) I inger (μa) obligát ugrásentes változtatható aplitúdójú változtatható irányú analóg lokalizált U t egyenesen arányos az ingerlő ipulzus nagyságával A változás eredeksége függ az ingerlő ipulzus nagyságától depolarizáció hiperpolarizáció -60 A nyugali potenciál helyi egváltozása az ingerlés helyétől távolodva λ a ebrán térkonstansa: az a távolság, aely alatt az ipulzussal keltett feszültségváltozás axiális értékének e-ed részére csökken A nyugali potenciál helyi egváltozása - kísérletileg áraipulzusokkal Változás az ingerlés helyén ΔU 100% 37% ΔU x =ΔU 0 e -x/λ - adekvát ingerekkel - posztszinaptikus ebránon neurotranszitterekkel -serkentő - depolarizáló λ λ ~ x R R i -gátló - hiperpolarizáló

5 A nyugali potenciál helyi egváltozásának jelentősége ingerületvezetés A nyugali potenciál egváltozása 2. A ebrán aktív elektroos tulajdonságai érzékelés - receptorűködés jelátadás Akciós potenciál történele 1780: Luigi Galvani elektroos vezetés és izoösszehúzódás kapcsolata 1938: K.C. Cole éréssel igazolta, hogy a ebrán vezetőképessége egnő az akciós potenciál alatt 1843: Eil Dubois-Reyond nyugali potenciál, ai egváltozik izoösszehúzódáskor 1868: Dubois-Reyond tanítványa Julius Bernstein egyenlőtlen ioneloszlás leírása; ionára ingerléskor; terjedő elektroos potenciálváltozás: akciós potenciál 1948: Alan Hodgkin és Bernard Katz kiutatta, hogy az akciós potenciál aplitúdója függ az extracelluláris Na + koncentrációtól

6 Az akciós potenciál kialakulása +20V 0V depolarizációs küszöb -70V csúcspotenciál repolarizáció depolarizáció utópotenciál ingerlés Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról feszültségfüggő ioncsatornák űködése ϕ ϕ = e i RT ln F Σp c Σp + + k ke + + k cki + Σp c + Σp k ki k cke fakultatív azonos aplitúdójú inden vagy sei ne lokalizált Na + beáralás depolarizáció g Na egnő Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról K-csatornák nyitnak Na-csatornák záródnak Na-csatornák nyitnak K-csatornák záródnak Andrew Fielding Huxley (1917- ) Alan Loyd Hodgkin ( ) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963 Idő for their discoveries concerning the ionic echaniss involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell ebrane" Hogyan lehetne az egyedi ionáraokat érni?

7 Voltage Clap Na + és K + ára érése K + -ára inracelluláris elektród jelgenerátor U (V) blokkolva Na + -ára extracelluláris elektród t (s) Áraérő visszacsatolt erősítő I (μa) K + -ára - ebránpotenciált állandó értéken tartja - az ionáraot áraerősséget éri t (s) Na + -ára blokkolva t (s) Feszültségszabályozott Na + -csatornák állapotai Vezetőképesség az akciós potenciál alatt Abszolút refracter periódus Relativ refracter periódus zárt csatorna nyitott csatorna inaktív csatorna Mebránpotenciál (V) akciós potenciál Rel. vezetőképesség depolarizációs küszöb felett Idő (s)

8 Patch-Clap technika Egyetlen csatornán át folyó áraot (10-12 A). éri. Patch-Clap árakör Visszacsatóló ellenállás (FBR) _ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991 was awarded jointly to Erwin Neher and Bert Sakann + Erősítő "for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells" A visszacsatoló ellenálláson (50 GΩ folyó ára erősségét érjük (10-12 A). current tie open closed Mebrán Patch egy ionocsatornával Patch-Clap berendezés Patch-Clap konfigurációk Fro Haill et al 1981

9 Cell-attached recording Patch-pipetta Inside-out recording Külső lipidréteg Patch-pipetta Belső lipidréteg Sejt The internal face of the lipid bi-layer faces the bath solution The external face of the lipid bi-layer faces the bath solution Whole-cell recording Outside-out recording Single-channel I/V függvény a csatorna vezetőképességének eghatározására Egyes csatornáknak több állapota lehet A -20 V -40 V -60 V -80 V -100 V 6 pa B Mebrane potential (V) Single-channel 40 ps current (pa) ps s g csatorna = Δ I ΔV = A V = S = 32 ps Fro Haill et al 1981

10 Sodiu action potentials synchronize [Ca2+] transients in all dendritic copartents of itral cells in the olfactory bulb of anesthetized rats. Az elektroos jellezők hatása a jelvezetés sebességére Charpak S et al. PNAS 2001;98: by National Acadey of Sciences Az akciós potenciál terjedése (1) Az akciós potenciál terjedése (2) extracelluláris tér csúcspotenciál refrakter tartoány aktív tartoány depolarizálódó tartoány intracelluláris tér pozitív töltések helyi áraok áralása refrakter tartoányban a K + -csatornák nyitva, a Na + -csatornák inaktív állapotban vannak Disztális oldalon a + töltések áralása hely depolarizéciót okoz Alapja: helyi áraok kialakulása helyi depolarizáció Terjedés sebessége ilyen gyorsan, ilyen essze?

11 Az axon sugarának hatása a vezetés sebességére: Sebessége: τ és λ, vagyis az elektroos jellezők függvénye λ ~ R R i τ = C R -ennyi idő alatt éri el a depolarizációs küszöböt τ - ilyen távolságon éri ég el a depolarizációs küszöböt λ r R i (~1/r 2 ) R (~1/r) tintahal óriás axon r=250μ τ λ v=25/s eberi idegsejt r= 10 μ v 0.5/s? Hogyan növelhetjük a vezetés sebességét? Megoldás: ielinhüvely! 1. Az axon sugarának növelésével etabolikusan drága helyigényes 2. A ebránkapacitás csökkentése, ert kevesebb töltés szükséges a ebránpotenciál vátoztatásához

12 Megoldás: ielinhüvely! Saltatorikus vezetés gyors, energiatakarékos R nagyon nagy C nagyon kicsi nagy térkonstans kis időállandó depolarizáció Na + Ranvier befűződés Na + ielinhüvely eberi idegsejt r= 10 μ v~ 100 /s? Na + Sérült ielinhüvely Szökik a Na + Na + Az átérő és a ielinhüvely hatása a vezetés sebességére axon típusa axon átérője (μ) vezetés sebessége (/s) ielinált Az elektroos jellezők hatása a jelátadás sikerességére ne ielinált

13 akciós potenciál Jelátadás a szinapszisban Az elektroos jellezők hatása a jelátadás sikerességére térbeli szuáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése Preszinaptikus neuron időbeli szuáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése neurotranszitter Posztszinaptikus neuron időbeli szuáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése akciós potenciált válthat ki Példa az időbeli és térbeli szuációra serkentő szinapszis Posztszinaptikus jel Posztszinaptikus jel -40 V U -40 V τ=10 s τ=1 s U érő elektród -60 V -60 V gátó szinapszis Preszinaptikus jel idő Preszinaptikus jel idő 2 s 2 s Mebrán potenciál depol. küszöb

14 Összefoglalás Nyugali potenciál leírása: egyensúlyi odell transzport odell elektroos odell szerepe A nyugali potenciál helyi egváltozása jellezői: időállandó térkonstans szerepe: ingerületvezetés sebessége jelátadás sikeressége Akciós potenciál szerepe: inforáció továbbítás lefolyása