Az élet alapvető sajátossága Élőlények kapcsolata a környezettel A környezettől való elkülönülés: szgorúan szabályozott energa és anyag forgalom. A környezet megváltozása: alkalmazkodás Nytott rendszer: szabad anyag- és energacsere a környezettel Feltétele: nformácók a környezetből, helyes és gyors feldolgozás, megfelelő válasz. Informácók feldolgozása Ingerület folyamatok (defnícók) nformácó feldolgozás válasz Inger: külső nger: belső nger: Ingerület: a szervezetet érő hatások (jel és zaj) a környezetből (fény, hang, stb.) a szervezet belsejéből (cukor koncentrácó, vér ph, stb.) az nger felvételére és továbbítására szolgáló megváltozások a szervezetben 1
Egyszerű válaszok a növényvlágban Gyors mozgás a növényvlágban fototropzmus geotropzmus vénusz légycsapó mmóza Egyszerű válaszok az állatvlágban nzuln termelés Állatvlág és az ember helyváltoztató mozgás (gyors folyamatokat gényel) van kéma elven működő rendszer s: hormonáls szabályozás melann termelés összetettebb és gyorsabb rendszer alakult k: deg- és zomműködés 2
Membránok a sejtben A membránok szerkezete sejtmembrán A sejtmembrán szerepe: elhatárolás és ellenőrzött kapcsolat a környezettel Az alapmátrx: foszfolpd kettősréteg. Belső membránok: Belső terek (kompartmentek) kalakítása. Sok alapvető folyamat membránhoz kötött. Fehérjék, polszachardok, stb. elhelyezkedésük: extracellulárs tér felé ntracellulárs tér felé transzmembrán molekulák Foszfolpdek Foszfolpd struktúrák vízben poláros fejcsoportok (hdrofl régó) apoláros láncok (hdrofób régó) poláros vízmolekulák foszfolpdek vízben Smls sml gaudet (hasonló a hasonlónak örül) Energetka szempontból ezek az elrendeződések a kedvezőbbek. Lotróp folyadékkrstályok. (szerkezetük a koncentrácó függvénye) Anzotrópát mutató, tehát részben rendezett struktúrájú, ám folyékony anyagok. 3
Nyugalm membránpotencál megfgyelés Nyugalm állapotban kb. -30 és -90 mv között feszültség mérhető az extra- és ntracellulárs tér között. (Az ntracellulárs tér a negatívabb) megfgyelés Az onok eloszlása Intracellulárs tér (mm/l) Az onok koncentrácója eltérő a membrán két oldalán. Extracellulárs tér (mm/l) elektródák extracellulárs tér Tntahal órásaxon Na + K + Cl - 72 345 61 Tntahal órásaxon Na + K + Cl - 455 10 540 Békazom 20 139 3,8 Békazom 120 2,5 120 membrán ntracellulárs tér Patkányzom 12 180 3,8 Patkányzom 150 4,5 110 Ionok dffúzója Dffúzó membránon keresztül Semleges részecskék dffúzója. Töltéssel rendelkező részecskék esetében az elektromos munkatagot s számításba kell venn! Intenzív mennység: kéma potencál Intenzív mennység: elektrokéma potencál Használjuk a permeabltás állandót (p) jellemző mennységként! p = D/d kezdet állapot z: töltések száma F: Faraday áll. : elektromos potencál e zf Mozgékony onok (a membrán permeábls), a végeredmény kegyenlítődés. Egyensúly feltétele: e e 1 2 Nernst-egyenlet RT zf ln c c 1 2 Egyensúly: c(1) = c(2) = 0!!! 4
Donnan-egyensúly Kezdet feltételek: Vannak nem permeábls onok. Elektroneutraltás mndkét oldalon (az össztöltés mndkét oldalon nulla) c(1) c(2) 0 Helyes magyarázat? - + Ionkoncentrácó arányok (extracell./ntracell.) on Na + K + Cl - tntahal 6,3 0,029 8,9 békazom 6,0 0,018 31,6 patkányzom 12,5 0,025 29,0 elektromos kettősréteg A Nernst egyenlet alapján számított potencál értékek az egyes onokra és a mért membrán potencál (mv) membrán-potencál (mért) Na + K + Cl - Tntahal órásaxon -62 +46-89 -55 Békazom -92 +45-101 -87 Patkányzom -92 +64-93 -85 on A szív tpkus értéke Extracell. tér (mm) Intracell. tér (mm) Arány (extra/ntra) Na + 145 15 9,7 K + 4 150 0,027 Cl - 120 5-30 4-24 Ca 2+ 2 10-7 2. 10 4 Lényeges eltérések a számított és a valóságos érték között! Szembetűnő a Na esetében. 5
Számított membránpotencál on Na + K + Cl - Ca 2+ Membrán potencál (mv) 61-96 -(37-85) Donnan-egyensúly Donnan által megfgyelt jelenség esetében állandó potencálkülönbség mérhető a membrán két oldala között. Vannak a membrán átjárhatósága szempontjából mobls és mmobls onok. Ha fennáll az egyensúly, az elektrokéma potencál a membrán két oldalán azonos. Következtetés A mérés eredmények alapján a sejtmembrán esetében a Donnan-egyensúly nem áll fenn. (A Na + koncentrácó eltérése gen jelentős!) A bológa rendszer nncs egyensúlyban! Passzív folyamatok (dffúzó) az egyensúly rányába változtatnák meg az állapotot. Aktív (energa befektetést génylő) folyamatok szükségesek az állapot fenntartására. Az aktív transzport szerepe A töltés- mellett egyúttal anyagáram s folyk, a koncentrácó megváltozna, pl. Na + lassú beáramlása a sejtbe. Különböző, energát génylő mechanzmusok, ún. pumpák bztosítják a nyugalm állapotot. (pl. Na + -K + pumpa, Na + -Ca ++ stb.) 6
Példa: Na-K pumpa Ionok áramlása membránban semleges részecskék (egyszeres) töltéssel rendelkező részecskék 3 Na + on és 2 K + kcserélődése ATP-t gényel! J pc J pc c F RT J fluxus p permeabltás állandó c koncentrácó gradens J fluxus p permeabltás állandó c koncentrácó gradens F- Fraday áll. T hőmérséklet el. potencál gradens R egyetemes gázáll. A transzport-modell kndulópontja A Goldman-Hodgkn-Katz (GHK) potencál-egyenlet A membrán nyugalomban van, de nncs egyensúly a két oldal között. A membránpotencál nem változk az eredő onáram a membránon keresztül nulla. A potencál gradens a membránban állandó d/dx = konst. A nyugalm állapot feltétele: (az eredő fluxus nulla) RT F p ln p Na Na c c e Na Na p p K K c c e K K p p J k k Cl Cl c c Cl e Cl 0 p az adott on permeabltás állandója e extracellulárs tér ntracellulárs tér 7
Egyszerűsített GHK-egyenlet A membrán elektromos modellje RT pc ln F pc e Na Na c c e K K (p = relatív permeabltás állandó, a K + -hoz vszonyítva) A nyugalm potencált és az onáramot s leíró modell: p (szám.) (mv) (mért) (mv) Tntahal órás-axon 0,04-63 -62 Békazom 0,01-91 -92 R m a membrán ellenállása C m a membrán kapactása A fontosabb onfajták szernt A membránpotencál megváltozása A nyugalm potencált leíró elektromos modell Az ngerület defnícója. A membránpotencál megváltozása hordozza az nformácót. C - a membrán kapactását reprezentálja, R - az adott on áramát jellemző tag, E - a membánpotencált helyettesítő feszültségforrás Nyugalm állapot megváltozása: specfkus onáramlás a membránon keresztül. 8
A membránpotencál megváltozása Depolarzácó, hperpolarzácó Kísérlet nger ngerlés detektálás válasz hperpolarzácó depolarzácó exponencáls felfutás és lefutás jellemz! Depolarzácó (példa) Szőrsejtek: Mechanka behatásra a membránban depolarzácó. Hperpolarzácó (példa) Pálckák: Fotokéma hatás a membrán hperpolarzácóját eredményez. 9
Sznapszs (példa) A megváltozás hatása a membrán mentén a lokáls megváltozás helye exponencáls lecsengés Egy lehetséges mechanzmus: a felszabaduló acetlkoln a receptorhoz kötődve, megnyt egy oncsatornát. Az elektromos modell kterjesztése: kábelmodell A membrán elektromos tulajdonsága: dőállandó A lokáls megváltozás exponencáls jellegű válasza alapján: (a válaszok az ngerlés helyétől való távolság szernt) m R C m m R e az extracellulárs tér membrán ment ellenállása. R az ntracellulárs tér membrán ment ellenállása. Ezek az elemek kötk össze a a membrán különböző részet. az dőtartam, am alatt a megváltozás e-ed részére csökken vagy e-ed részével nő. 10
A membrán elektromos tulajdonsága: térkonstans A depolarzácó terjedése A megváltozás membrán ment terjedése alapján: r m (W cm 2 ) r (W cm 2 ) (ms) átmérő (m) (cm) (a válaszok az ngerlés helyétől való távolság szernt) Rm R R e R R az a távolság, am alatt a megváltozás e-ed részére csökken. m R R e T = 0 Tntahal-deg 700 30 0,7 500 0,5 rákdeg 2000 22 5 30 0,25 Béka-zom 4000 87 24 75 0,2 Mnd az dőállandó, mnd a térkonstans függ a rost átmérőjétől. A térkonstans értéke jelz, hogy ezek lokáls jelenségek, nem képesek nagy távolságra eljutn. Az ngerelhető sejtekben lejátszódó megváltozások Az akcós potencál a - küszöb alatt depolarzácó (lokáls válasz) b - küszöb alatt depolarzácó (lokáls válasz) c küszöb felett depolarzácó - akcós potencál 1 feszültség érzékeny Na + -csatornák 2 - feszültség érzékeny K + -csatornák 11
Ionáramok az akcóspotencál alatt K csatorna A Na + -ok beáramlása kezdetben gen gyors, a nem egyensúly állapotnak megfelelően. g = (1/r) fajlagos vezetőképesség Az akcós potencál jellemző Mtől gyors? onkoncentrácó arányok (külső/belső tér) Első szakasz gen rövd dejű! (Lassú, hosszú folyamat nem alkalmas gyors válaszadásra.) on Na + K + U (mv) tntahal 6,3 0,029-62 békazom 6,0 0,018-92 patkányzom 12,5 0,025-92 12
Egy ks fejszámolás Legyen a sejt sugara 20 m! Ekkor a térfogata: ~3 10-11 l. A K + mennysége: ~6 10-12 mol. A sejt felszíne: ~5 10-5 cm 2. A membrán kapactása: ~5 10-5 F. (a fajlagos kapactás: ~1 F/cm 2 ) A nyugalm potencál alapján: ~5 10-12 C ~5 10-17 mol egyértékű on. A megváltozás csak a membrán környezetében jelent változást és ks mennységű on vándorlása okozza. Debye-hossz és a dffúzó Az onkoncentrácó változása a membrán közelében Debye-hossz: ahol a potencál (konc.) az e-ed részére csökken. Dffúzó sebessége d 3Dt Példa: D ~ 10-9 m 2 /s, t = 0,1 ms d ~ 100-200 nm (hasonlítsuk össze d-t, az átlagos megtett utat, a Debye hosszal!) Az átáramlott onok eldffundálnak a membrán környezetéből! Elektrokéma potencál (patkányzom) e c2 RT ln zf c Na + e 8,31310ln12,5 96500 0,092 Na K + 1 e K 8,31310 ln 0,025 96500 0,02 ~ -15,4 kj/mol ~ - 0,625 kj/mol Nyugalm helyzetben a Na + esetében nagy hajtóerő lép fel! K + e K 8,31310 ln 0,025 96500 0,092 ~ - 11,4 kj/mol A polartás megfordulása után a K + esetében lép fel nagy hajtóerő! membrán Na-onokra nagy hajtóerő hat. Igen gyors, passzív beáramlás. Nem gényel energa befektetést. A membrán potencál megváltozása a K + káramlását okozza. Összehasonlítás Ha egyensúly állapot lenne. (Donnan-egyensúly) Membránpotencál megváltozás: csak aktív transzport útján! Energa gényes és sokkal lassabb lenne! 13
Módosított elektromos modell Az akcóspotencál (ap) terjedése x távolságban a lokáls megváltozás elég nagy egy új ap keletkezéséhez. sebesség ~ x/t A membrán keresztrányú ellenállását változtatható ellenállás reprezentálja, lehetővé téve az onáramlás sebességének megváltozását. Előnye Alakja független a kváltó hatás nagyságától: a külső hatásokkal szemben nagyfokú érzéketlenség. Gyengítetlenül terjed nagy távolságokra. A hormonáls hatásokhoz képest gen gyors lefolyású, gyors folyamatokat tesz lehetővé. A terjedés sebességét befolyásoló tényezők térkonstans függ: átmérő, R m, R r m (W cm 2 ) (ms) átmérő (m) (cm) tntahaldeg 700 0,7 500 0,5 rákdeg 2000 5 30 0,25 békazom 4000 24 75 0,2 14
Szaltatorkus terjedés A meln hüvely szerepe x jóval nagyobb! Sokkal nagyobb terjedés sebesség. (A meln hüvely matt az R m gen nagy) R m gen nagy, térkonstans s nagy A Ranver-féle befűződésnél: R m ~ 50 W cm 2 kb. 10 4 Na + -csatorna/m meln hüvely Ranver-féle befűződések A terjedés sebessége nagy térkonstans: akár 10-20 m/s s lehet macska n. saphaneus 6 cm távolság megtételéhez szükséges dő rost A terjedés sebessége Átmérő (m) Sebesség (m/s) a 15 70-120 b 8 30-70 g 5 15-30 d <3 12-30 velőtlen <1 0,5-2 Rm R R e R R m Az átmérő növekedése az R m növekedésével és az R csökkenésével jár. 15
refrakter stádum A refrakter stádum szerepe abszolút: Na-csatornák nytottak, nem ngerelhető. relatív: csak jóval nagyobb nger válthatja k refrakter stádum A refrakterstádum megakadályozza a vsszafelé terjedést. Egy példa amkor nem Egyenrányítás: sznapszs A vezkulák által emttált neurotranszmtter molekulák depolarzálják a postsznaptkus membránt és produkálnak akcós potencált a sznapszs után. Maga a felépítés tesz lehetetlenné a vsszafele terjedést! 16
Nem vsszalépés? Elektromos sznapszs Emlékeztető: dffúzó sebessége d 3Dt A sznaptkus rés szélessége kb. néhányszor 10 nm! konnexonfehérjék 2-3 nm Kétrányú, nncs egyenrányítás. Ks távolságokon a dffúzó gen gyors! A késleltetés nem több mnt néhány tzed ms! Inkább gernctelenekben. Ember: pl. szívzom, smazom. Következtetés Kalakult egy elektromos jelenségeken alapuló, gyors ngerületvezetés rendszer. A töltéshordozók onok, tehát ez a rendszer természetesen lassabb mnt az általunk használt elektromos eszközök. Az ngerület (jel) képes gyengítetlenül nagy távolságokra eljutn. A rendszer zajérzékenysége s fgyelemreméltóan alacsony. 17