A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

Hasonló dokumentumok
A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Membránpotenciál, akciós potenciál

MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNPOTENCIÁL, AKCIÓS POTENCIÁL. Biofizika szeminárium

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

A Sejtmembrán Szerkezete, Nyugalmi Membránpotenciál

Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Biofizika szeminárium

Érzékszervi receptorok

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Sejtek membránpotenciálja

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

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

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

Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

Az idegsejt elektrokémiai és

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

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

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

Biológiai membránok és membrántranszport

Membrántranszport. Gyógyszerész előadás Dr. Barkó Szilvia

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

7. előadás: A plazma mebrán szerkezete és funkciója. Anyagtranszport a plazma membránon keresztül.

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

Az ingerületi folyamat sejtélettani alapjai

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

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

Potenciálok. Elektrokémiai egyensúly

Transzporterek vizsgálata lipidmembránokban Sarkadi Balázs MTA-SE Molekuláris Biofizikai Kutatócsoport, MTA-TTK Budapest

Elektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András

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

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

térrészek elválasztása transzport jelátvitel Milyen a membrán szerkezete? Milyen a membrán szerkezete? lipid kettısréteg, hidrofil/hidrofób részek

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

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

A membránpotenciál. A membránpotenciál mérése

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Nyugalmi és akciós potenciál

Gyógyszerészeti neurobiológia. Idegélettan

ORVOSI BIOFIZIKA. Damjanovich Sándor Mátyus László QT Szerkesztette

1. előadás Membránok felépítése, mebrán raftok, caveolák jellemzője, funkciói

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

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

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

Folyadékkristályok; biológiai és mesterséges membránok

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

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

Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Kevéssé fejlett, sejthártya betüremkedésekből. Citoplazmában, cirkuláris DNS, hisztonok nincsenek

Redox reakciók. azok a reakciók, melyekben valamely atom oxidációs száma megváltozik.

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

Radioaktív nyomjelzés

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

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

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Az élethez szükséges elemek

A BIOLÓGIAI JELENSÉGEK FIZIKAI HÁTTERE Zimányi László

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Az idegi működés strukturális és sejtes alapjai

1. Előadás Membránok felépítése, mebrán raftok

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Egy idegsejt működése

AZ ÉLET KÉMIÁJA... ÉLŐ ANYAG SZERVEZETI ALAPEGYSÉGE

A transzportfolyamatok és a sejtek közötti kommunikáció

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

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

Biofizika 1 - Diffúzió, ozmózis 10/31/2018

Eukariota állati sejt

Hodkin-Huxley formalizmus.

Orvosi Fizika 13. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Biológiai membránok és membrántranszport

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

TRANSZPORTFOLYAMATOK A SEJTEKBEN

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

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

A transzportfolyamatok és a sejtek közötti kommunikáció

Általános Kémia, 2008 tavasz

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

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

Víz. Az élő anyag szerkezeti egységei. A vízmolekula szerkezete. Olyan mindennapi, hogy fel sem tűnik, milyen különleges

Szigeti Gyula Péter. Homeosztázis

Válasz Tombácz Etelkának az MTA doktorának disszertációmról készített bírálatában feltett kérdéseire és megjegyzéseire

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

A nyugalmi potenciál megváltozása

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

Biokémiai és Molekuláris Biológiai Intézet. Sejtbiológiai alapok. Sarang Zsolt

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

Ciklodextrinek alkalmazási lehetőségei kolloid diszperz rendszerekben

Membrán, transzport. Tankönyv 3.1 és 3.2 fejezetei. Szabó Gábor, 2016

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Átírás:

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál A sejtmembrán szerkezete Nyugalmi membránpotenciál A Nernst egyenlet Donnan potenciál A Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet 2014.11.11. A biológiai membránok fő komponense. Foszfolipidek foszfolipid = diglicerid + foszfát csoport + szerves molekula (pl. kolin). Poláros fej (hidrofil) Apoláros farok (hidrofób) vízoldékony zsír Foszfatidil - kolin 1

Irving Langmuir (1881-1957) Amerikai fizikai kémikus 1932 kémiai Nobel-díj 1917 a zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén - poláros feji rész (hidrofil) víz felé orientált - apoláros farki rész (hidrofób) távol esik a vizes fázistól Irving Langmuir, "The Constitution and Fundamental Properties of Solids and Liquids. II," Journal of the American Chemical Society 39 (1917): 1848-1906. Kettős lipidréteg 1925 - Evert Gorter és F. Grendel vörösvértestek felszínének és lipid tartalmának összehasonlítása Gorter E, Grendel F. On Bimolecular Layers of Lipoids on the Chromocytes of the Blood. J Exp Med. 1925 Mar 31;41(4):439-43. 2

Kettős lipidréteg a membrán kétszer annyi lipidet tartalmaz mint amennyi indokolt lenne kettős lipidréteg EC Poláros fejek intra- és extracelluláris irányba mutatnak Farki részek azonos irányba rendeződnek IC 3

Gibbs-féle szabad energia [Joule] G = H - TS Spontán folyamatok során a rendszer Gibbs féle szabad energiája csökken állandó hőmérséklet és nyomás esetén. A Gibbs féle szabad energia egyenlő a folyamatot kísérő maximális hasznos munkával. Hidrofób kölcsönhatás hidrofób = víztaszító; alacsony affinitás (oldékonyság) vízhez Walter Kauzmann (Amerikai kémikus) Apoláros molekulák poláros környezetben (oldószer) minimalizálják a kapcsolatukat a vízmolekulákkal. 1 ketrec kialakulása 2 klaszter képződés A hidrofób kölcsönhatás erejét befolyásoló tényezők Hőmérséklet (T erősség ) A szénatomok száma az apoláros régióban (Hossz Erősség ) A nem egyszeres kötések száma az apoláros régióban (pl. kettős-, hármaskötés, ) (alak) (nem egyszeres kötések száma Erősség ) 4

Termodinamikai változások H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Hidrofób molekula + Hidrofób molekula Hidrofób molekula Hidrofób molekula ketrec kialakulása (nincs kapcsolat a hidrofób molekulák között) H = kicsit pozitív S = nagyon negatív G = pozitív NEM SPONTÁN FOLYAMAT Klaszter képződés (hidrofób kapcsolat kialakulása) H = kicsit pozitív S = nagyon pozitív G = negatív SPONTÁN FOLYAMAT Folyékony Mozaik modell 1972 - S.J. Singer és Garth L. Nicolson Folyékony Mozaik modellje Foszfo-lipid kettősréteg Folyékony (folyadékszerű) membrán komponensek oldalirányú szabad mozgása Mozaik különböző makromolekulákból, mozaikszerűen összerakott szerkezet http://www.molecularexpressions.com/cells/plasmamembrane/plasmamembrane.html Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 1972 Feb 18;175(23):720-31. 5

Sejtmembrán szerkezete Laterális diffúzió Foszfolipid molekula (~40-60%) Poláros fej (hidrofil) Flip-flop apoláros (hidrofób) farok ~ 5 nm rotáció Fehérje molekula (~30-50%) A membrán fehérjék feladatai Ion csatornák (pl. Na + /K + ATPáz) Transzporterek (Aquaporin - H 2 O transzport) Szerkezeti elemek Intracelluláris kapcsolódások - citoszkeleton Extracelluláris kapcsolódások - szívizomsejtek Receptor (inzulin receptor) Jeltovábbítás (akciós potenciál) 6

K + csatorna (PDB: 1K4C) Filter regió membrán kapu Intracelluláris tér K + csatorna (PDB: 1K4C) O 2 K + Na + are too small to fit tightly in the "oxygen cage" 7

Az intra- és extra-cellulári tér fő összetevői Víz Ionok Kationok (K +, Na +, Ca 2+ ) Anionok (Cl -, H 2 PO 4 és HPO 4 2 ionok) Fehérjék Főleg intracellulárisan Többnyire negatívak (ph! izoelektromos pont) Ionok koncentrációja béka izomsejt esetén Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm 8

Membrán potenciál 0V -100 mv > U resting < -30 mv A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V). Mikroelektróda Microelectrode Intracelluláris tér Extracelluláris tér A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők Kémiai potenciál: (Willard Gibbs - 1876) A kémiai potenciálja egy termodinamikai rendszernek azzal az energiamennyiséggel egyenlő amennyivel a rendszer teljes energiája megnőne, ha növelnénk a rendszerben lévő alkotóelemek számát. Koncentráció grádiens diffúzió: részecskék mozgása a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely felé diffúziós potenciál. Elektromos potenciál: Az elektromos térben lévő töltött részecskére vonatkozó energiamennyiség. Az elektromos tér erőt fejt ki a töltött részecskére (ionok, fehérjék) elektromos áram: töltött részecskék mozgása. Elektro-kémiai potenciál 9

Bernstein kálium hipotézise (1902) Julius Bernstein (1839-1917) - Német fiziológus 1./ A sejtmembrán szelektíven átjárható a kálium ionra nézve Ca 2+ érzékeny kálium csatorna befelé egyenirányító kálium csatorna feszültség-függő kálium csatorna Tandem ismétlődő, két pórusú kálium csatorna (K 2p ) ( Tandem pore domain potassium channel leak channel ) Az ionok szivárgását először 1952-ben Hodgkin és Huxley vetette fel Első leírás: Ketchum, KA; Joiner, WJ; Sellers, AJ; Kaczmarek, LK; Goldstein, SA. (1995) A new family of outwardly rectifying potassium channel proteins with two pore domains in tandem. Nature, 376 (6542): 690-5. 2./ Az intracelluláris kálium cc. magas 3./ Az extracelluláris kálium cc. alacsony Bernstein,J.(1902).Untersuchungen zur Thermodynamik der bioelektrischen Strome. Pflugers Arch.ges. Physiol. 92, 521 562. Bernstein kálium hipotézise K + : 100 mm Cl - : 100 mm K + : 5 mm Cl - : 5 mm 10

Bernstein kálium hipotézise A pozitív iont nagyobb mennyiségben tartalmazó oldal negatívvá válik!! [K + ] [K + ] [Cl - ] [Cl - ] K + grádiens Elektromos grádiens Walther Hermann Nernst Német fiziko-kémikus (1864 1941) Hogy lehet Bernstein hipotézisét kvantitatív úton megközelíteni? 11

X kémiai potenciál W = chem NRT ln X N = a koncentrációgrádiens kialakításában résztvevő mólok száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X 1 / X 2 = koncentráció grádiens 1 2 elektromos potenciál Welektr = NzFE N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia F = Faraday szám E= elektromos térerő (V) Egyensúlyi feltétel X NzFE = NRT ln X 1 2 zfe = RT ln X X 1 2 E = RT zf ln X X 1 2 12

Egyensúlyi potenciál Nernst-egyenlet: Mekkora elektromos potenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult koncentráció grádienst (X 1 /X 2 ). A befelé és kifelé történő ionáramok dinamikus egyensúlyban vannak. E = RT zf ln X X 1 2 Nernst- egyenlet E mv RT E = ln zf X X 58 = log z 1 2 ( Cin ) ( C ) out 13

Ionkoncenrációk béka izomsejt esetén Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = - 101.2 mv [Na + ] E mv = -58/1 log (20/120) = + 45.1 mv [Cl - ] E mv = -58/1 log (3.8/120) = + 86.9 mv = 30.8 mv E mv =-92mV Mi történik, ha a sejtmembrán többféle iontípusra is átjárható? 14

Frederick George Donnan (1870-1956; Ír kémikus) Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás: Eltérő mozgékonyságú ionok (K +, Cl - ) szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása diffúziós potenciál Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék) egyensúlyi koncentráció különbség Donnan potenciál - egyensúly A (-) B (+) A [K + ] B [K + ] Cl - koncentráció grádiens Cl - elektromos grádiens K + elektromos grádiens K + koncentráció grádiens [Cl - ] [Pr - ] [Cl - ] - + 15

Donnan egyensúlyi szabálya Diffúzibilis ionok: K +,Cl - RT zf [ Kin ] [ K ] ln = E = out [ in ] [ K ] K = out RT zf ln [ Clout ] [ Cl ] in [ Clout ] [ Cl ] [ K ][ Cl ] = [ K ][ Cl ] in in out out in A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon! Mi történik ha a Donnan szabály nem érvényesül? 16

Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet (Goldman egyenlet) David E. Goldman (USA) Alan Lloyd Hodgkin (England) Bernard Katz (England). A sejtmembránon keresztüli potenciál meghatározásához figyelembe kell venni, hogy a sejtek milyen mértékben képesek átereszteni egyes ionokat (PERMEABILITÁS!). Goldman egyenlet A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével: E m RT = ln F i i + M i + M i E m = membrán potenciál P ion = az egyes ionokra vonatkozó permeabilitás [ion] out = extracelluláris koncentráció [ion] in = intracelluláris koncentráció R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet F = Faraday állandó - Minden ion szerepét figyelembe veszi. - Jól egyezik a valósággal. N N P P + M [ M i ] + P [ A ] out [ ] [ ] j A j j in + M M i + in P A j A j j out 17

Goldman egyenlet A membránpotenciál egy kompromisszum eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük. Vége! 18