Transzportfolyaatok a biológiai rendszerekben Elektrofiziológiai jelenségek és a transzportfolyaatok kapcsolata Transzportfolyaatok a sejt nyugali állapotában A nyugali potenciál jelentősége a sejt hoeosztázisának (sejttérfogat, ph) fenntartása ingerlékenység érzékelés A nyugali potenciál értelezése: -Donnan vagy egyensúlyi odell -Transzport odell -Elektroos odell jelátadás
A sejtebrán elektroos odellje: extracelluláris tér I elektrootoros erő A nyugali potenciál egváltozása ebrán ++++ ---- I IK I Cl Na g Na g K g Cl U vezetőképesség kapacitás 1. A ebrán passzív elektroos tulajdonságai U 0Na U 0K U 0Cl intracelluláris tér I = I + I ion Konduktív ára Változik, ha a csatorna vezetőképessége potenciálfüggő c Kapacitív ára I c = C ΔU Δt Kísérlet ingerlő elektród érő elektród Miért éppen így? Árairány : pozitív töltések áralásásának iránya. ebrán extracelluláris tér intracelluláris tér Ne így Ne így
Miért éppen így? A ebrán elektroos tulajdonságai iatt: -ellenállás -kapacitás Hol is látta ár ehhez hasonlót? Párhuzaos RC-kör töltése és kisütése U C =I 0 R(1-e -t/τ ) 100% U C =U 0 e -t/τ 63% 37% τ=rc Összevetése az elektroos odellel: I Na I I K I Cl I ion + Ic = I = 0 g Na (U -U 0Na )= I Na a ebrán kapacitása a ebrán keresztirányú ellenállása ++++ ---- g Na g K g Cl U g ion (U -U 0 )= I ion τ = C R U 0Na U 0K U 0Cl C ΔU Δt U ( t) U t 1 e t = R C ΔU U 0 + Iinger = 0 R Az ingerlés kezdetétől eltelt idő τ a ebrán időállandója: az az idő, ai alatt az ipulzussal keltett feszültségváltozás -eléri a telítési érték 63%-át vagy A ebránpotenciál időbeli változása A ebránpotenciál telítési értéke -az ingerlés egszünte után e-ed részére csökken
A nyugali potenciál helyi egváltozása U ( t) U t 1 e t = R C U (V) I inger (μa) 1-1 -30-60 1 U (V) I inger (μa) -1-30 obligát ugrásentes változtatható aplitúdójú változtatható irányú analóg lokalizált U t egyenesen arányos az ingerlő ipulzus nagyságával A változás eredeksége függ az ingerlő ipulzus nagyságától depolarizáció hiperpolarizáció -60 A nyugali potenciál helyi egváltozása az ingerlés helyétől távolodva λ a ebrán térkonstansa: az a távolság, aely alatt az ipulzussal keltett feszültségváltozás axiális értékének e-ed részére csökken A nyugali potenciál helyi egváltozása - kísérletileg áraipulzusokkal Változás az ingerlés helyén ΔU 100% 37% ΔU x =ΔU 0 e -x/λ - adekvát ingerekkel - posztszinaptikus ebránon neurotranszitterekkel -serkentő - depolarizáló λ λ ~ x R R i -gátló - hiperpolarizáló
A nyugali potenciál helyi egváltozásának jelentősége ingerületvezetés A nyugali potenciál egváltozása 2. A ebrán aktív elektroos tulajdonságai érzékelés - receptorűködés jelátadás Akciós potenciál történele 1780: Luigi Galvani elektroos vezetés és izoösszehúzódás kapcsolata 1938: K.C Cole éréssel igazolta, hogy a ebrán vezetőképessége egnő az akciós potenciál alatt 1843: Eil Dubois-Reyond nyugali potenciál, ai egváltozik izoösszehúzódáskor 1868: Dubois-Reyond tanítványa Julius Bernstein egyenlőtlen ioneloszlás leírása; ionára ingerléskor; terjedő elektroos potenciálváltozás: akciós potenciál 1948: Alan Hodgkin és Bernard Katz kiutatta, hogy az akciós potenciál aplitúdója függ az extracelluláris koncentrációtól
Az akciós potenciál kialakulása +20V 0V depolarizációs küszöb -70V csúcspotenciál repolarizáció depolarizáció utópotenciál ingerlés Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról feszültségfüggő ioncsatornák űködése ϕ ϕ = e i RT ln F Σp c Σp + + k ke + + k cki + Σp c + Σp k ki k cke fakultatív azonos aplitúdójú inden vagy sei ne lokalizált beáralás depolarizáció g Na egnő Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról K-csatornák nyitnak Na-csatornák záródnak Na-csatornák nyitnak K-csatornák záródnak Andrew Fielding Huxley (1917- ) Alan Loyd Hodgkin (1914-1998) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963 Idő for their discoveries concerning the ionic echaniss involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell ebrane" Hogyan lehetne az egyedi ionáraokat érni?
Voltage Clap és K + ára érése K + -ára inracelluláris elektród jelgenerátor U (V) blokkolva -ára extracelluláris elektród t (s) Áraérő visszacsatolt erősítő I (μa) K + -ára - ebránpotenciált állandó értéken tartja - az ionáraot áraerősséget éri t (s) -ára blokkolva t (s) Feszültségszabályozott -csatornák állapotai Vezetőképesség az akciós potenciál alatt Abszolút refracter periódus Relativ refracter periódus zárt csatorna nyitott csatorna inaktív csatorna Mebránpotenciál (V) akciós potenciál Rel. vezetőképesség depolarizációs küszöb felett Idő (s)
- csatornák K + - csatornák Patch Clap Egy csatornán keresztül folyó áraot éri Erwin Neher Bert Sakann The Nobel Prize in Physiology or Medicine (1991) Az elektroos jellezők hatása a jelvezetés sebességére Az akciós potenciál terjedése (1) Az akciós potenciál terjedése (2) extracelluláris tér csúcspotenciál refrakter tartoány aktív tartoány depolarizálódó tartoány intracelluláris tér pozitív töltések helyi áraok áralása refrakter tartoányban a K + -csatornák nyitva, a -csatornák inaktív állapotban vannak Disztális oldalon a + töltések áralása hely depolarizéciót okoz Alapja: helyi áraok kialakulása helyi depolarizáció Terjedés sebessége ilyen gyorsan, ilyen essze?
Az axon sugarának hatása a vezetés sebességére: Sebessége: τ és λ, vagyis az elektroos jellezők függvénye λ ~ R R i τ = C R -ennyi idő alatt éri el a depolarizációs küszöböt τ - ilyen távolságon éri ég el a depolarizációs küszöböt λ r R i (~1/r 2 ) R (~1/r) tintahal óriás axon r=250μ τ λ v=25/s eberi idegsejt r= 10 μ v 0.5/s? Hogyan növelhetjük a vezetés sebességét? Megoldás: ielinhüvely! 1. Az axon sugarának növelésével etabolikusan drága helyigényes 2. A ebránkapacitás csökkentése, ert kevesebb töltés szükséges a ebránpotenciál vátoztatásához
Megoldás: ielinhüvely! Saltatorikus vezetés gyors, energiatakarékos R nagyon nagy C nagyon kicsi nagy térkonstans kis időállandó depolarizáció Ranvier befűződés ielinhüvely eberi idegsejt r= 10 μ v~ 100 /s? Sérült ielinhüvely Szökik a Az átérő és a ielinhüvely hatása a vezetés sebességére axon típusa axon átérője (μ) vezetés sebessége (/s) ielinált ne ielinált Az átérő és a ielinhüvely hatása a vezetés sebességére é r f ö l d / ó r a S é t a kerékpár repülőgép
Jelátadás a szinapszisban Az elektroos jellezők hatása a jelátadás sikerességére akciós potenciál Preszinaptikus neuron neurotranszitter Posztszinaptikus neuron kötődés a ligandu-szabályozott csatornákhoz ionok neurotranszitter Az elektroos jellezők hatása a jelátadás sikerességére extracelluláris tér térbeli szuáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése intracelluláris tér időbeli szuáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése posztszinaptikus potenciál (gátló v. serkentő)
időbeli szuáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése akciós potenciált válthat ki Példa az időbeli és térbeli szuációra serkentő szinapszis Posztszinaptikus jel Posztszinaptikus jel -40 V U -40 V τ=10 s τ=1 s U érő elektród -60 V -60 V gátó szinapszis Preszinaptikus jel idő Preszinaptikus jel idő 2 s 2 s Mebrán potenciál depol. küszöb Összefoglalás Nyugali potenciál leírása: egyensúlyi odell transzport odell elektroos odell szerepe Elektroos ráják A nyugali potenciál helyi egváltozása jellezői: időállandó térkonstans szerepe: ingerületvezetés sebessége jelátadás sikeressége Akciós potenciál szerepe: inforáció továbbítás lefolyása
Na+ Neurotranszitter (Ach) kötődik a -csatornákhoz, beáralást okoz.. Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Electrocita Speciális alakú sejtek Akciós potenciál csak a sejt egyik oldalán 6000 electrocita x 0.1 V per sejt = 600 Volts! - + - + - + - + Olyanok, int a sorba kötött eleek