Az idegsejt elektrokémiai és

Hasonló dokumentumok
Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

Membránpotenciál, akciós potenciál

Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása. A patch-clamp technika

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Sejtek membránpotenciálja

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Hodkin-Huxley formalizmus.

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Biofizika szeminárium

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektromos ingerelhetőség. A membránpotenciál mérése. Panyi György

Az ingerületi folyamat sejtélettani alapjai

a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál. Nyugalmi potenciál. 3 tényező határozza meg:

Membránszerkezet. Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Folyékony mozaik modell. Membrán-modellek. Biofizika szeminárium

Egy idegsejt működése. a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál

Érzékszervi receptorok

A membránpotenciál. A membránpotenciál mérése

Gyógyszerészeti neurobiológia. Idegélettan

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

A nyugalmi potenciál megváltozása

MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNPOTENCIÁL, AKCIÓS POTENCIÁL. Biofizika szeminárium

BIOFIZIKA. Membránpotenciál és transzport. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

Az idegsejtek biofizikája. 1. Az egyensúlyi potenciál

Potenciálok. Elektrokémiai egyensúly

Nyugalmi és akciós potenciál

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Harmadik rész

Elektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András

Kódolás az idegrendszerben

a. Szinaptikus jelátvitel b. Receptorok c. Szignál transzdukció neuronokban d. Neuromoduláció. Szinaptikus jelátvitel.

A sejtek közöti kommunikáció formái. BsC II. Sejtélettani alapok Dr. Fodor János

In vitro elektrofiziológiai technikák Mike Árpád

Ahonnan letölthető az anyag (egy része):

Az idegsejtek kommunikációja. a. Szinaptikus jelátvitel b. Receptorok c. Szignál transzdukció neuronokban d. Neuromoduláció

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Az akciós potenciál (AP) 2.rész. Szentandrássy Norbert

IONCSATORNÁK. I. Szelektivitás és kapuzás. III. Szabályozás enzimek és alegységek által. IV. Akciós potenciál és szinaptikus átvitel

CELLULÁRIS SZÍV- ELEKTROFIZIOLÓGIAI MÉRÉSI TECHNIKÁK. Dr. Virág László

Egy idegsejt működése

Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

A sejtek membránpotenciálja (MP)

Az idegi működés strukturális és sejtes alapjai

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Az egyedi neuronoktól az EEG hullámokig Somogyvári Zoltán

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Első rész

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Élettan szemináriumok 1. félév Bevezetés. Dr. Domoki Ferenc Szeptember 6

Élettan szemináriumok 1. félév Bevezetés

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája

FEJEZETEK AZ ÉLETTAN TANTÁRGYBÓL

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Transzportfolyamatok

6 Ionszelektív elektródok. elektródokat kiterjedten alkalmazzák a klinikai gyakorlatban: az automata analizátorokban

IONCSATORNÁK. Osztályozás töltéshordozók szerint: pozitív töltésű ion: Na+, K+, Ca2+ negatív töltésű ion: Cl-, HCO3-

A somatomotoros rendszer

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Elektromos ingerlés ELEKTROMOS INGERLÉS. A sejtmembrán szerkezete. Na + extra. Elektromos ingerlés:

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

A sejtmembrán szabályozó szerepe fiziológiás körülmények között és kóros állapotokban

A szívizomsejt ioncsatornái és azok működése

ORVOSI BIOFIZIKA. Damjanovich Sándor Mátyus László QT Szerkesztette

AZ IDEGSEJTEK KÖZTI SZINAPTIKUS KOMMUNIKÁCIÓ Hájos Norbert. Összefoglaló

TRANSZPORTFOLYAMATOK A SEJTEKBEN

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

1. Mi jellemző a connexin fehérjékre?

NÖVÉNYGENETIKA. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Orvosi Fizika 12. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektrotónusos potenciálok. - Ionális mechanizmusok -

Folyadékkristályok; biológiai és mesterséges membránok

A Sejtmembrán Szerkezete, Nyugalmi Membránpotenciál

NÖVÉNYGENETIKA. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Inger Modalitás Receptortípus. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

KÉSZÍTETTE: BALOGH VERONIKA ELTE IDEGTUDOMÁNY ÉS HUMÁNBIOLÓGIA SZAKIRÁNY MSC 2015/16 II. FÉLÉV

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektrotónusos potenciálok. - Ionális mechanizmusok -

Computational Neuroscience

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Receptor felépítése. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

Membránok, nanopórusok, ioncsatornák és elektrokémiai kettősrétegek tulajdonságainak vizsgálata számítógépes szimulációkkal

Biológus Bsc. Sejtélettan II. Szekréció és felszívódás a gasztrointesztinális tractusban. Tóth István Balázs DE OEC Élettani Intézet

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA A BIOLÓGIAI MEMBRÁNOK 1. kulcsszó cím: MEMBRÁNOK

Nusser Zoltan. Celluláris Idegélettani Laboratórium MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Budapest

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Speciális működésű sejtek

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek 2. Dr. Tóth András 2018

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Szerkezet és funkció kapcsolata a membránműködésben. Folyadékkristályok típusai (1) Dr. Voszka István

Általános Kémia, 2008 tavasz

A Kv1.3 ioncsatorna szerepe a T sejt aktivációban

Biológiai membránok és membrántranszport

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Szerkezet és funkció kapcsolata a membránműködésben. Folyadékkristályok típusai (1) Dr. Voszka István

EA. Elektrokémia alap mérés: elektromotoros erő és kapocsfeszültség mérése a Daniell cellában, az EMF koncentráció függése

1. SI mértékegységrendszer

Jelátvitel az idegrendszerben:

AZ EGYENÁRAM HATÁSAI

Átírás:

Mottó: Mert az angyal a részletekben lakik. Petri György: Mosoly Az idegsejt elektrokémiai és fiziológiai működésének alapjai. ELTE, 2006. október 6.

Tartalom Az idegsejt felépítése Az idegi elektromosság A membránpotenciál kialakulása Nernst egyenlet GHK egyenlet A pumpa-potenciál Az equivalent circuit Párhuzamos konduktancia modell A spike-generáció: a Hodgkin-Huxley formalizmus

Az idegsejt felépítése Neuron doktrina: az idegrendszer alapvető működési egysége az idegsejt. Az idegrendszer feladata: a környezet ingereinek felvétele, feldolgozása (a pillanatnyi és múltbéli ingerek alapján) és az azokra adott válasz megszervezése. Az idegsejt is hasonló dolgot csinál kicsiben. 1. Intrinsic oszcillációk: feszültségfüggő ioncsatornák és másodlagos messengerek 2. Szinaptikus inputok fogadása: főleg a dendriten és a szómán, esetenként az axon-terminálison 3. Computation: a szinaptikus és intrinsic áramok összesítése 4. A kimenet kódolása: főként akciós potenciálok 5. Szinaptikus output axon terminálisokról és különleges esetekben dendritekről és szómáról is. Larry R Squire and others: Fundamental Neuroscience 2nd Edition., Academic Press, 2002

Az idegi elektromosság felfedezése. Az állati elektromosság felfedezése: Galvani, De Viribus - Electricitatis in Motu Musculari. 1792.

Membránpotenciál Az idegsejt membránja: kettős lipid réteg (szigetelő). A membránban lévő fehérjék pórusokat alkothatnak, ezek az egyes ionokra szelektíven áteresztőek (ioncsatornák). Membránpotenciál: E m, V, V m Nyugalmi potenciál: konvencionálisan külső áram hiányában mért membránpotenciál. Értéke kb. E nyug = 70 mv Jelölik még így is: V nyug vagy V rest Reverzál potenciál (egyensúlyi potenciál): az a feszültségérték, amelyet a membrán két oldalára kapcsolva az adott csatonán a nettó áram nulla (minden ionnak (csatornának) külön). E Na, E K, E syn... Larry R Squire and others: Fundamental Neuroscience 2nd Edition., Academic Press, 2002

Membránpotenciál Az ionok megoszlása a béka vázizomrostjában (mmol/dm 3 ): Ion Kívül Belül Na + 120 9.2 K + 2.5 140 Cl 120 (3-4) Egyéb anion (fehérje) -? Kétféle hajtóerő: az elektromos (feszültség) és a kémiai (koncentráció) potenciál-különbség. Termodinamikai egyensúly esetén a Nernst egyenlet megadja a kapcsolatot a két hatás között. Például: 0 = zf E K + + RT ln [K+ in ] [K out] + (1)

Membránpotenciál Végezzük el tehát a következő gondolatkísérletet : Az axoplazma a kationok közül csak K + iont, anionként pedig impermeábilis fehérjeionokat tartalmaz. A külső közeg impermeábilis kationt, tengervíznyi K + iont és Cl aniont tartalmaz. A kísérlet kezdetén még nincs potenciálkülönbség a membrán két oldala között. Az axon K + csatornákat tartalmaz, ezért erre az ionra nézve permeábilis A K + a koncentráció-gradiensnek megfelelően kifelé áramlik a sejtből Larry R Squire and others: Fundamental Neuroscience 2nd Edition., Academic Press, 2002 A sejt belseje negatív, a külseje a K + ionok miatt pozitívabbá válik: a kémiai potenciálgradiens csökken, az elektromos nő.

Membránpotenciál Mindaddig így megy, amíg az elektromos potenciálkülönbség a membrán két oldala között el nem éri a Nernst egyenletben meghatározott értéket: E K + = RT zf ln [K+ in ] [K + out] (2) Larry R Squire and others: Fundamental Neuroscience 2nd Edition., Academic Press, 2002 Ezt a képzeletbeli potenciálértéket nevezzük a K + ion reverzálpotenciáljának, és jelöljük E K +-val. Ha tehát termodinamikai egyensúly lenne, és csak a K + -ra lenne permeábilis a membrán a K + reverzálpotenciáljára állna be. De a membrán a többi ionra is átereszt (GHK egyenlet) Nincs termodinamikai egyensúly, a membránban működik a K + /Na + ATP-áz, ionpumpa, amely energia befektetésével ionokat pumpál. Fonyó Attila: Az orvosi élettan tankönyve Medicina könyvkiadó, Budapest, 1999

A GHK egyenlet Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) egyenlet: megadja a nyugalmi membránpotenciált az egyedi ionkoncentrációk és -permeabilitások függvényében több, egymástól függetlenül mozgó ion konstans térerő a membránon belül V nyug = RT zf ln P K[K + belső ] + P Na[Na + belső ] + P Cl[Cl külső ] P K [K + külső ] + P Na[Na + külső ] + P Cl[Cl belső ] (3) ha a permeabilitások megváltoznak, akkor velük megy a membránpotenciál értéke is nyugalomban a permeabilitások arányai p K : p Na : p Cl = 1.00 : 0.04 : 0.45 (4) Mi történik, ha az egyes ionkoncentrációkat vagy permeabilitásokat megváltoztatom? Mi a V nyug maximuma/minimuma?

A pumpa-potenciál Visszatérve a gondolatkísérlethez: A K + és a Na + egyidejű diffúziója csökkenti a koncentrációgradienst, de ugyanekkor az elektromos potenciálkülönbség nem változik. Hosszú idő alatt a koncentrációk kiegyenĺıtődéséhez vezet. Na/K-ATP-áz: ATP-t bont, energiát fektet be, 3/2 arányban transzportálja az ionokat a koncentrációgradienssel szemben

Az akciós potenciál generálása A konduktancia alapú modellek alapjai: equivalent circuit modell

Az akciós potenciál generálása Az áram-egyensúly egyenlet: C m dv dt = I Cl(t) + I Na (t) + I K (t) + I ext (t) (5) Az egyedi ionáramok: konduktancia, hajtóerő, reverzál potenciál I leak = g leak (E leak V m (t)) (6) I Na = g Na (E Na V m (t)) (7) I K = g K (E K V m (t)) (8)

Az akciós potenciál generálása Hodgkin-Huxley egyenlet: a csatornák kapukból épülnek fel, melyek nyitnak és zárnak időfüggő csatornakinetika. A csatorna nyitott, ha minden kapu nyitott Maximális konduktancia (csatornasűrűség), egyedi csatorna / egyedi kapu nyitvatartási valószínűsége g Na (t) = g Na kapu {}}{ m 3 (t) h(t) (9) g K (t) = g K n 4 (t) }{{} kapu Ezt átírva az áram-egyensúly egyenletbe: (10) C m dv (t) dt = g leak (E leak V m (t))+g Na (t) (E Na V m (t))+g K (t) (E K V m (t))+i ext (t)

Az akciós potenciál generálása 40 8 closed 1-m αm β m open m 1/time (1/ms) 30 20 10 0 1 β m αm -100-60 -20 20 Voltage (mv) 0 1 Time (ms) 6 4 2 τ h τ m -100-60 -20 20 τ n Voltage (mv) Time (ms) 0.8 0.6 0.4 m8 0.8 0.6 8 m8 τ m 0.4 8h n m:activation h:inactivation 0.2 0.2 0-100 -60-20 20 Voltage (mv) 0-100 -60-20 20 Voltage (mv) Az angyal a részletekben: a Hodgkin-Huxley modell lelke: feszültségfüggő kapukinetikák: dm dt = α m(v )(1 m) β m (V )m (m inf (V ) m)/τ m (V ) (11) m inf (V ) = τ m (V ) = α m (V ) α m (V ) + β m (V ) 1 α m (V ) + β m (V ) (12) (13)

Az akciós potenciál generálása A Hodgkin-Huxley modell működés közben: Az x-tengelyen: idő vagy tér? Mi a V m maximuma/minimuma?

Az akciós potenciál generálása Egyetlen csatorna nyitvatartása: kvantált sztochasztikus folyamat. Ebben az esetben m,h,n az egyes kapuk nyitvatartási valószínűségét jelenti. Kellően sok csatorna esetében azonban a fenti leírás úgy is értelmezhető, hogy a kapuváltozók a nyitott kapuk arányát mondják meg.

A Hodgkin Huxley felfedezés jelentősége Sir John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley kapták az orvosi Nobel-díjat 1963-ban az idegsejtmembránok perifériális és központi szakaszain fellépő ionális mechanizmusok szerepének felfedezéséért az excitációs és gátlási folyamatokban. Hodgkin és Huxley kísérletei: 1939-1952 között: módszertani újítások: voltage clamp és space clamp első közvetlen (intracelluláris) mérése a membránpotenciálnak az egyes ionok szerepe a membránpotenciál és az akciós potenciál kialakításában membránbanfehérjék szerepe képletes jóslat

A Hodgkin Huxley felfedezés jelentősége A feszültségfüggő nátrum csatorna szerkezete. Négy α és két β alegység alkotja a csatornát. Az α alegységeket szokták megfeleltetni a modell m-kapujával. Az érdekes az, hogy a 3. és a 4. homológ egység (α alegység) között az intracelulláris hurok positív töltésű aminosavakat tartalmaz. Ez a lánc felelős a csatorna inaktivációjáért (hkapu). Larry R Squire and others: Fundamental Neuroscience 2nd Edition., Academic Press, 2002 A kálium csatorna felépítése hasonló, ott az α alaegységek külön fehérjeláncot alkotnak, így nincsen intracelulláris hurok positív töltésű aminosavakkal.