Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Témák Membrántranszport folyamatok Donnan egyensúly Nyugalmi potenciál Ioncsatornák alaptulajdonságai

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

1. Transzmembrán transzport

1 A membránon keresztüli transzportfolyamatok típusai

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

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

4 A diffúzióhoz szükséges idıtartam a diffúziós távolság függvényében

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

6 Ozmózis a sejtmembránon keresztül

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 = 0.286 osmol/l Az ozmotikus nyomás értelmezése

8 A facilitált diffúzió mechanizmusa

9 Ionok csatornákon keresztül történı transzportja

10 A Na /K ATPáz mőködésének elve

11 Másodlagos aktív transzportfolyamatok

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

2. Ion egyensúly

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

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

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.

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.

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 3-0.1 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.

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.

19 A B A B [K ] = 0.1 M [P - ] = 0.1 M [K ] = 0.1 M [Cl - ] = 0.1 M [K ] = 0.133 M [Cl - ] = 0.033 M [P - ] = 0.1 M [K ] = 0.066 M [Cl - ] = 0.066 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.

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 ] = 0.133 M [Cl - ] = 0.033 M [P - ] = 0.1 M [K ] = 0.066 M [Cl - ] = 0.066 M Kiindulási állapot Egyensúlyi állapot (A nyomásokra nem áll fenn az egyensúly!!!) Gibbs-Donnan egyensúlyban transzmembrán hidrosztatikus nyomásgradiens alakul ki

3. Nyugalmi potenciál

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

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

23 Valódi intra- és extracelluláris ionkoncentrációk

24 Cl - Na E cc cc E 1) Na K IC (mm) 15 150 EC (mm) 150 5 E eq 60 mv -90 mv Cl - 10 125-70 mv -70 mv Prot - 150 - - cc E K 2) 3) P K 100 P Prot = 0 Na 4) E m = 70 mv A nyugalmi membránpotenciál egyszerősített modellje humán vázizomra

= = = = = 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.

26 6 0 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 -70-90 E m K g Na = 1 g K = 100 E m 100 = E E K Na 100 1 1 100 1 A chord konduktancia egyenlet

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

28 C A nyugalmi potenciált kialakító fıbb tényezık

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

30 A nyugalmi potenciál valóban [K ] függı szívizomban

4. Ioncsatornák

4.1 Vizsgálati technikák

31 A patch clamp technika fıbb típusai

32 Single channel áram

33 Az átlagos nyitvatartási idı meghatározása

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

4.2 Szabályozási alapelvek

35 Egyszerő, kétállapotú ioncsatorna

36 Komplex, többállapotú ioncsatorna

37 Ioncsatornák legfontosabb regulációs mechanizmusai

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

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

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

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

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

4.3 Szerkezet

38 Néhány ioncsatorna szupercsalád jellemzı képviselıje

39 A Na csatorna kétdimenziós modellje 1.

40 A Na csatorna kétdimenziós modellje 2.

4.4 Szerkezet-funkció kapcsolata

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

42 A voltage sensor mőködés modellje

43 A Na csatorna felülnézeti modellje

44 A K csatorna funkcionális modellje

45 A szívben kimutatott fontosabb ioncsatornák

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?