Az idegi működés strukturális és sejtes alapjai Élettani és Neurobiológiai Tanszék MTA-ELTE NAP B Idegi Sejtbiológiai Kutatócsoport Schlett Katalin
a kurzus anyaga elérhető: http://physiology.elte.hu/agykutatas.html jelszó: agykut2017
Az idegi működés strukturális és sejtes alapjai Élettani és Neurobiológiai Tanszék MTA-ELTE NAP B Idegi Sejtbiológiai Kutatócsoport Schlett Katalin
Az idegsejtek alapvető felépítése
Az idegsejtek alapvető működése beérkező ingerületek összegzése AP kialakulása az ingerület (AP) terjedése transzmitter felszabadulás
Az idegsejtek membránja membránfehérjék eloszlása mozaikos: régiótól / funkciótól függő, szabályozott membránfehérje-összetétel glikoprotein glikolipid extracelluláris foszfolipidek poláros fej (hidrofil) zsírsavláncok (hidrofób) poláros fej (hidrofil) koleszterin fehérjék intracelluláris
Ionok átjutása a sejtmembránon keresztül passzív transzport aktív transzport diffúzió ioncsatorna transzporter pumpa fehérje szállító molekula nélkül szállító molekula segítségével ioncsatorna: ionok diffúziója a transzmembrán fehérje (átmenetileg) nyitott pórusán át; anyagáramlás az adott ionra ható elektrokémiai hajtóerőnek megfelelően (töltéstől és koncentrációtól függően) transzporter: ionok átjutása a transzporter fehérje reverzibilis konformációváltozása során; anyagáramlás az adott ion koncentrációgradiensének megfelelően pumpa fehérjék: ionok szállítása ATP-függő konformációváltozás során; anyagáramlás az adott ion koncentrációgradiensével ellentétesen
Ionok átjutása a sejtmembránon keresztül passzív transzport aktív transzport diffúzió ioncsatorna transzporter pumpa fehérje szivárgási állandóan nyitott pórus feszültség-függő membránpotenciáltól mechanoszenzitív ligand-vezérelt ligand (neurotranszmitter) kötődésétől sejtmembrán mechanikai változásától (pl. benyomódásától) függő térszerkezet-változás
A membránpotenciál kialakulása és fenntartása egyenlőtlen ioneloszlás a membrán két oldalán: a sejt belsejében magas K + és alacsony Na + koncentráció folyamatosan működő Na-K ionpumpa: Na + ionokat kifelé, K + ionokat befelé szállítja (elektrogén: 3Na + / 2K + ) szelektív membránpermeabilitás: a sejtmembrán K + ionokra nézve sokkal átjárhatóbb, mint Na + ionokra (Na + -ra nézve majdnem átjárhatatlan) a sejt besejében negatív töltésű, nem diffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak) vannak minden élő sejtre jellemző: -30 és -90 mv érték között
A membránpotenciál kialakulása és fenntartása extracelluláris tér Na + K + ATP Na + /K + ATPáz szivárgási K + csatorna feszültségfüggő ioncsatornák intracelluláris tér https://www.youtube.com/watch?v=jubbnwbx3hm How neurons work; by Campbell/Pearson
A membránpotenciál változása - alapfogalmak *: az a feszültség-érték, ahol az akciós potenciál kiváltódik membránpotenciál (mv) nyugalmi membránpotenciál a sejt nyugalmi állapotára jellemző membránpotenciál túllövés / csúcspotenciál 3: de- vagy hipopolarizáció küszöb potenciál* repolarizáció a transzmembrán potenciál "megfordulása": a membrán alatti terület pozitívabb lesz (ingerlékeny sejteknél) 1-2: hiperpolarizáció a membrán 2 felszíne közötti potenciálkülönbség csökken - a sejt belseje kevésbé negatív a nyugalmi membránpotenciál visszaállása a membrán 2 felszíne közötti potenciálkülönbség nő - a sejt belseje negatívabb lesz helyi (lokális) potenciál: a sejtmembrán kis részletén átmenetileg kialakuló potenciálváltozás
A helyi (lokális) potenciálok ioncsatorna nyitása külső ingerre: a membrán adott pontjára kiterjedő, átmenetileg megváltozó töltésviszonyok ionvándorlás az elektrokémiai hajtóerő alapján, a transzmembrán potenciáltól függő irányba (K + változó; Na +, Ca 2+ ált. befelé, Cl - ált. kifelé) hipopolarizáció: serkentő, excitatórikus potenciál (EPSP - excitatórikus posztszinaptikus potenciál) hiperpolarizáció: gátló, inhibitoros potenciál (IPSP - inhibitoros posztszinaptikus potenciál)
A helyi (lokális) potenciálok a lokális potenciál fokozatosan növelhető (gradálható): nagyobb ingerintenzitás (azaz pl. több receptor aktivációja) nagyobb potenciálváltozást vált ki membránpoteniciál [mv] EPSP EPSP EPSP nyugalmi mp. [mv] EPSP nyugalmi mp. ingererősség ingerlékeny sejtek: ha a helyi potenciál eléri a küszöbpotenciált, akciós potenciál alakul ki
A helyi (lokális) potenciálok összegződése tér- és időbeli összegződés (szummáció): egyedi, kismértékű helyi potenciálok nagysága összegződik térben időben preszinaptikus neuron posztszinaptikus neuron preszinaptikus neuron posztszinaptikus neuron membránpotenciál [mv] akciós potenciál küszöbpotenciál egyszerre membránpotenciál [mv] küszöbpotenciál akciós potenciál sokszor
Az akciós potenciál (AP) kialakulása ingerlékeny sejtek membránján: ideg-, izomsejtek, egyes receptorok vagy szekréciós sejtek sejttípusra jellemző, állandó alak és időbeli lefutás küszöb feletti ingerre gyors depolarizáció, minden vagy semmi membránpotenciál [mv] depolarizáció repolarizáció utó-hiperpolarizáció depolarizáció küszöb potenciál nyugalmi membránpotenciál
Az akciós potenciál (AP) kialakulása közvetlen előzménye: a helyi potenciál megváltozása (hipopolarizáció) ha a hipopolarizáció mértéke eléri a küszöb potenciált: 1. gyors, feszültség-függő Na + csatornák rövid időre kinyitnak Na + csatorna K + csatorna gyors Na + beáramlás: depolarizáció 2. késői, feszültség-függő K + csatornák nyitnak gyors K + kiáramlás: re- és hiperpolarizáció a feszültség-függő csatornák bezáródása után a nyugalmi membránpotenciált a folyamatosan működő Na + -K + ATPáz állítja vissza
Az akciós potenciál (AP) kialakulása extracelluláris tér Na + K + ATP Na + /K + ATPáz feszültségfüggő Na + ioncsatornák feszültségfüggő K + ioncsatornák intracelluláris tér https://www.youtube.com/watch?v=jubbnwbx3hm How neurons work; by Campbell/Pearson
Az akciós potenciál (AP) terjedése az AP változatlan amplitúdóval terjed a membránon: minden-vagy-semmi törvénye a küszöbingert meghaladó kiváltó inger nagysága az AP amplitúdóját nem befolyásolja, de az AP sorozat frekvenciáját szabályozza az AP terjedési sebességét az axon átmérője és a mielin-borítottság szabályozza membránpoteniciál [mv] ingererősség küszöbinger küszöb alatti inger akciós potenciál küszöb feletti inger küszöbpot. nyugalmi mp.
Az akciós potenciál terjedése extracelluláris tér Na + K + ATP feszültségfüggő Na + ioncsatornák feszültségfüggő K + ioncsatornák intracelluláris tér https://www.youtube.com/watch?v=jubbnwbx3hm How neurons work; by Campbell/Pearson
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió) https://www.youtube.com/watch?v=ibzfwtdtong How synapses work; by Andres Cortez
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió)
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió)
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió)
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió)
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió)
A szinaptikus jelátvitel (neurotranszmisszió) (sejttesten / axondombnál)
Mikor tüzel egy idegsejt? Szinaptikus integráció preszinaptikus neuron(ok) sejttest dendritek axondomb posztszinaptikus neuron Ranvier-féle befűződések neurotranszmitter felszabadulás dendritek és a sejttest posztszinapszisain kialakuló helyi potenciálváltozások axondomb: AP terjedése potenciálváltozások összegzése küszöbpotenciál elérése, akciós potenciál (AP) kialakulása
Mikor tüzel egy idegsejt? Szinaptikus integráció https://www.youtube.com/watch?v=ibzfwtdtong How synapses work; by Andres Cortez
Mikor tüzel egy idegsejt? Szinaptikus integráció preszinaptikus serkentő bemenetek axondomb: AP kiváltás az akciós potenciál kialakulása a dendritfára és a sejttestre beérkező serkentő és gátló helyi potenciálok összegződésétől függ preszinaptikus gátló bemenet analóg digitális jelfeldolgozás
Az idegsejtekben az ioncsatornák eloszlása térben szabályozott membránfehérjék eloszlása mozaikos: régiótól / funkciótól függő, szabályozott membránfehérje-összetétel -> potenciálváltozások összegződését és terjedését, így a szinaptikus integrációt is befolyásolja
Az idegsejtekben az ioncsatornák eloszlása térben szabályozott membránfehérjék eloszlását szerteágazó intracelluláris szabályozó mechanizmusok irányítják
Az idegi plaszticitás: adaptív változások a hálózati működés során https://www.youtube.com/watch?v=8vo-rcvmgbi The plastic brain; Camillia Matuk, Univ. Toronto
Szinaptikus plaszticitás: rövid és hosszú távú hatások asszociatív (Hebb-féle) plaszticitás: a szinaptikus kapcsolat relatív erősségének aktivitás-függő változása ( fire together wire together ) - rövid távú: facilitáció (erősítés) depresszió (gyengítés) - hosszú távú LTD (long-term depression; hosszú távú hatékonyságcsökkenés) LTD LTP LTP (long-term potentiation; hosszú távú hatékonyságnövekedés)
Molekuláris változások a szinaptikus plaszticitás alatt a szinapszisok alakja és molekuláris összetevői a hosszú távú szinaptikus plaszticitás során tartósan megváltoznak transzmitter receptorok LTD LTP aktin sejtváz posztszinapszis: dendrittüske szinaptikus hatékonyság csökken: transzmitter receptorok mennyisége csökken posztszinapszis (dendrittüske) zsugorodik aktin vázrendszer leépül szinaptikus kapcsolatok megszűnnek posztszinapszis: dendrittüske preszinapszis szinaptikus hatékonyság nő: transzmitter receptorok mennyisége nő posztszinapszis (dendrittüske) megnagyobbodik aktin polimerizáció fokozódik új szinaptikus kapcsolatok alakulnak ki
A strukturális plaszticitás vizsgálata élő állatokban Young és mtsai., Nature 2009 a szinapszisok ki- és átalakulása időben követhető Berning et al., Science 2012
Az idegi működés vizsgálati lehetőségei sejttenyészetekben
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben embrionális hippokampusz sejtjeinek izolálása és tenyésztése agyszövet enzimatikus emésztés 37 ºC, 15 min sejtszámolás szuszpendálás Curr. Prot. Neurosci., 3.2 kiültetés Petri-csészébe 1 mm idegsejt-hálózatok
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben az idegsejtek fejlődése, a szinaptikus kapcsolatok ki- és átalakulása során lejátszódó változások jól vizsgálhatóak dendritek (DIV) axon növekedési kúp axon Dotti et al., 1988 ~4-6 ~10-20 >30 >10 nap h kiültetés után
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben nyúlványnövekedés, szinaptikus kapcsolatok kialakulása 8 óra hosszú felvétel 3 nap hosszú felvétel
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben szinaptikus kapcsolatok működése, hálózati aktivitás változása folt-feszültségzár elektrofiziológiai (patch clamp) mérések
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben fluoreszcensen jelzett fehérjék termeltetése idegsejtekben reagens plazmid DNS transzfekció >24h: fluoreszcens sejtek 100 µm sejtmagok zöld fluoreszcens fehérje
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben fluoreszcensen jelzett fehérjék termeltetése idegsejtekben: dendrittüskék alakváltozásának követése 5 µm 15 perc hosszú felvétel 5 µm
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben fluoreszcensen jelzett fehérjék termeltetése idegsejtekben: aktin átépülés dinamikájának mikroszkópos követése aktin-gfp FRAP: fluoreszcens jelvisszatérítés fakítást követően
Molekuláris folyamatok vizsgálata tenyésztett idegsejtekben fluoreszcensen jelzett fehérjék termeltetése idegsejtekben: sejtfelszíni receptorkészlet változásának elemzése sejtfelszíni biotiniláció élő sejtes ellenanyag-jelölés
Az Idegi Sejtbiológiai kutatócsoport tagjai Schlett Katalin, biológus Szűcs Attila, fizikus Tárnok Krisztián, biológus Bencsik Norbert, biológus Micska Brigitta, technikus Liliom Hanna, predoktor Pusztai Szilvia, PhD hallgató Rátkai Anikó, PhD hallgató Ignácz Attila, MSc hallgató Hernáth Ferenc, MSc hallgató Szabó Adrienn, MSc hallgató Abril Gamboa, MSc hallgató Csehó Fruzsina, BSc hallgató Lajer Panna, BSc hallgató Nagy-Herczeg Domonkos, BSc hallg. Eötvös Lóránd Tudományegyetem, Élettani és Neurobiológiai Tanszék