Akciós potenciál történelem A nyugalmi potenciál megváltozása 2. A membrán aktív elektromos tulajdonságai 1780: Luigi Galvani elektromos vezetés és izomösszehúzódás kapcsolata 1843: Emil Dubois-Reymond nyugalmi potenciál, ami megváltozik izomösszehúzódáskor 1868: Dubois-Reymond tanítványa Julius Bernstein egyenlőtlen ioneloszlás leírása; ionáram ingerléskor; terjedő elektromos potenciálváltozás: akciós potenciál 1938: K.C. Cole méréssel igazolta, hogy a membrán vezetőképessége megnő az akciós potenciál alatt Az akciós potenciál kialakulása +20mV csúcspotenciál 0mV depolarizációs küszöb -70mV repolarizáció depolarizáció utópotenciál 1948: Alan Hodgkin és Bernard Katz kimutatta, hogy az akciós potenciál amplitúdója függ az extracelluláris koncentrációtól ingerlés fakultatív azonos amplitúdójú minden vagy semmi nem lokalizált
Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról feszültségfüggő ioncsatornák működése Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról K-csatornák nyitnak Na-csatornák záródnak Na-csatornák nyitnak K-csatornák záródnak ϕ ϕ = e i RT ln F Σp c Σp depolarizáció + + k ke + + k cki + Σp c + Σp k ki k cke beáramlás g Na megnő Idő Hogyan lehetne az egyedi ionáramokat mérni? Voltage Clamp inracelluláris elektród jelgenerátor Andrew Fielding Huxley (1917- ) Alan Loyd Hodgkin (1914-1998) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963 for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane" extracelluláris elektród Árammérő visszacsatolt erősítő - membránpotenciált állandó értéken tartja - az ionáramot áramerősséget méri
és K + áram mérése Feszültségszabályozott -csatornák állapotai U m (mv) K + -áram blokkolva -áram t (ms) I m (μa) K + -áram zárt csatorna nyitott csatorna inaktív csatorna t (ms) -áram blokkolva t (ms) depolarizációs küszöb felett Vezetőképesség az akciós potenciál alatt Abszolút refracter periódus Relativ refracter periódus Membránpotenciál (mv) akciós potenciál Rel. vezetőképesség Az elektromos jellemzők hatása a jelvezetés sebességére Idő (ms)
Az akciós potenciál terjedése (1) Az akciós potenciál terjedése (2) extracelluláris tér csúcspotenciál refrakter tartomány aktív tartomány depolarizálódó tartomány intracelluláris tér pozitív töltések helyi áramok áramlása refrakter tartományban a K + -csatornák nyitva, a -csatornák inaktív állapotban vannak Disztális oldalon a + töltések áramlása hely depolarizéciót okoz Alapja: helyi áramok kialakulása helyi depolarizáció Terjedés sebessége milyen gyorsan, milyen messze? Az axon sugarának hatása a vezetés sebességére: Sebessége: τ és λ, vagyis az elektromos jellemzők függvénye λ ~ R R m i τ = C R m m -mennyi idő alatt éri el a depolarizációs küszöböt τ - milyen távolságon éri még el a depolarizációs küszöböt λ r R i (~1/r 2 ) R m (~1/r) tintahal óriás axon r=250μm τ λ v=25m/s emberi idegsejt r= 10 μm v 0.5m/s?
Hogyan növelhetjük a vezetés sebességét? Megoldás: mielinhüvely! 1. Az axon sugarának növelésével metabolikusan drága helyigényes 2. A membránkapacitás csökkentése, mert kevesebb töltés szükséges a membránpotenciál vátoztatásához Megoldás: mielinhüvely! Saltatorikus vezetés gyors, energiatakarékos R m nagyon nagy C m nagyon kicsi nagy térkonstans kis időállandó depolarizáció Ranvier befűződés mielinhüvely emberi idegsejt r= 10 μm v~ 100 m/s? Sérült mielinhüvely Szökik a
Az átmérő és a mielinhüvely hatása a vezetés sebességére axon típusa mielinált axon átmérője (μm) vezetés sebessége (m/s) Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás sikerességére nem mielinált akciós potenciál Jelátadás a szinapszisban Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás sikerességére térbeli szummáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése Preszinaptikus neuron időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése neurotranszmitter Posztszinaptikus neuron
időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése akciós potenciált válthat ki Példa az időbeli és térbeli szummációra serkentő szinapszis Posztszinaptikus jel Posztszinaptikus jel -40 mv Um -40 mv τ=10 ms τ=1 ms U m mérő elektród -60 mv -60 mv gátó szinapszis Preszinaptikus jel idő Preszinaptikus jel idő 2 ms 2 ms Membrán potenciál depol. küszöb A hét kérdése Miért és hogyan befolyásolja a sejtátmérő az ingerületvezetés sebességét a nem mielinált sejtekben?