Elektrofiziológiai alapjelenségek Dr. Tóth András
Témák Membrántranszport folyamatok Donnan egyensúly Nyugalmi potenciál Ioncsatornák alaptulajdonságai Lokális és akciós potenciálok Az ingerület terjedése sejten belül és sejtek között
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 J K Fick törvénye membránra = = = DA DA D β x c x β c x β: particiós koefficiens K: permeabilitási tényezı Féligáteresztı membránon keresztül történı diffúzió
6 Ozmózis a féligáteresztı membránon 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 EA EB = RT ln [ X ] RT [ X ] A EB = ln zf [ X ] B RT ( E E ) B A B Egyértékő kationra Z = 1 [ ] X [ ] X E = 60mV lg 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 Mért 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 0 Na I Na ( E E m m I E = g K K Na = 0 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 konfigurációi
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 (pl. nikotin típusú Ach)
37 d A G-protein függı csatornák nyitott és zárt állapotainak valószínőségét a (pl. receptor aktiválódás során) aktivált G-protein kötıdése modulálja (pl. muszkarin típusú Ach)
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 Az S 4 hélix voltage sensor mőködésének modellje 6 töltésnek kell elmozdulnia a membránban a csatorna nyitásához
43 A Na csatorna felülnézeti modellje
44 A K csatorna funkcionális modellje
45 A szívben található legfontosabb ioncsatornák
5. Lokális és akciós potenciálok
5.1 Lokális válasz
46 A lokális (küszöb alatti) válasz
47 Idıbeli szummáció
48 Térbeli szummáció
5.2 Akciós potenciál
49 Az akciós potenciál fázisai
50 Különbözı típusú akciós potenciálok
5.3 Akciós potenciálok a szívben
51 Az emlısszívben mérhetı ionkoncentrációk
52 A gyors és lassú válasz szívben
53 Az akciós potenciál regionális változásai a szívben
54 Ionáramok! Gyors Nátrium Funny Delayed rectifier Kálcium I L TL 0 0 Tranziens outward Background Nátrium Inward rectifier Az eltérı akciós potenciálok magyarázata
55 Tetrodotoxin hatása a gyors válaszra
6. Az ingerület terjedése
6.1 Az ingerületvezetés alapelvei
56 A különbözı távolságban regisztrált potenciálváltozások
57 A változás regisztrált maximuma a távolság függvényében
58 Modell RC-kör potenciálváltozásai
59 Az axonmembrán elektromos modellje
60 R m R i C A membrán mért idıkonstansa
61 Modell feszültségosztó (rezisztencia-hányados)
62 R R m i A membrán mért térkonstansa
63 A lokális (küszöb alatti) válasz terjedésének modellje
64 A lokális válasz terjedésének modellje
65 Az akciós potenciál terjedési modellje velıhüvely nélküli rostban
66 Az akciós potenciál szaltatórikus terjedése
67 Akciós potenciál myelinhüvellyel rendelkezı és myelinhüvely nélküli idegrostban mért terjedési sebessége
6.2 Ingerületvezetés szívizomban
68 MW < 1500 Ca 2 ph E m Az elektromos szinapszis (gap junction) szerkezete
69 A szívizomsejt elektromos modellje
70 A mikroszkópikus ingerületterjedés számítógépes szimulációja
A gap junctionok jelentısége a szívizom ingerületvezetésében
71 Impulzusterjedés szubcelluláris szinten
72 Intra- és intercelluláris aktivációs késleltetések közötti különbségek - egyetlen sejt szélességő sejthálózat
73 Intra- és intercelluláris aktivációs késleltetések közötti különbségek - néhány sejt szélességő sejthálózat
74 Impulzusvezetés (izokron vonalak) normális gap junction csatolás esetén (homogén AP-populáció)
75 Impulzusvezetés (izokron vonalak) súlyos gap junction szétkapcsolás esetén (heterogén AP-populáció)
76 Súlyos gap junction szétkapcsolás esetén a vezetési sebesség kb. KÉT nagyságrenddel (!!!) csökkenhet (36.7 cm/s helyett csak 0.31 cm/s)
77 Normális gap junction csatolás esetén viszonylag egyenletesen elhelyezkedı izokron vonalak és homogén AP-populáció
78 Kritikus gap junction szétkapcsolódás esetén az akciós potenciálok klaszterokat alkotnak
79 Az egyes klasztereket alkotó sejtek elhelyezkedése jelentıs mértékő szétkapcsolás esetén- az ingerület visszakanyarodása reentry -hez vezethet
Kérdés: Mi a különbség az alábbi három iontranszporter között? Nátrium-kalcium kicserélı Nátrium-hidrogén kicserélı A szarkolemma kalcium pumpája Mit értünk egy adott ion egyensúlyi potenciálján? Hogyan használható a Nernst egyenlet ionmozgások analízisére diffuzibilis ionok esetén? Mi történik akkor, ha a membrán legalább egy ionra nem permeábilis? Mikor van Gibbs-Donnan egyensúlyban egy élı sejt membránja? Mennyi Na ionnak kell átvándorolnia a membránon (22. ábra) az egyensúly eléréséhez? Melyek az alapvetı feltételei stabil membránpotenciál kialakításának és fenntartásának? Miért 30 mv az egyik sejttípusban (pl. vvt) a nyugalmi potenciál, amíg a másik típusban (pl. kamrai szívizomsejt) 90 mv? Melyek a membránpotenciál aktuális értékét meghatározó tényezık?
Kérdés: Miben különbözik a membránreceptor az ioncsatornától? Van-e olyan membrán 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? Mi a különbség az elektrokémiai potenciál és a membránpotenciál között? Melyek a lokális válasz legfontosabb jellemzıi? Melyek a lokális válasz speciális esetei? Miben különbözik a lokális válasz az akciós potenciáltól? Mi a magyarázata a különbözı szívsejtekben mért akciós potenciálok egymástól jelentısen eltérı alakjának (kinetikájának)? Hogyan tudná megváltoztatni az akciós potenciál alakját? Mi a tetrodotoxin hatása a szívizomsejtre? Mi az értelme annak, hogy jelentıs energiabefektetéssel (ATP) fenntartjuk sejtjeink nyugalmi potenciálját?
Kérdés: Miért éppen az axondombon alakul ki a posztszinaptikus akciós potenciál? Mi a különbség az elektrokémiai potenciál és a membránpotenciál között? Milyen tényezıktıl függ a myelinhüvelyes rostok vezetési sebessége? És a myelinhüvely nélkülieké? Mi a magyarázata a myelinhüvelyes rostok jóval nagyobb vezetési sebességének? Mit értünk azon, hogy a szívizom funkcionális szincitiumot képez? Hol találhatók a szervezetben elektromos szinapszisok? Melyek a fontosabb funkcionális különbségek az elektromos és kémiai szinapszisok között? Mitıl függ, hogy milyen irányban terjed az AP a három dimenziós szívizomban? Mi a magyarázata annak, hogy az AV csomón nagyon lassan halad át az ingerület? Van-e gyors, illetve lassú akciós potenciál terjedés? Miért?
VÉGE