Membránpotenciál Vig Andrea 2014.10.29. Nyugalmi membránpotenciál http://quizlet.com/8062024/ap-11-nervous-system-part-5-electrical-flash-cards/ Akciós potenciál http://cognitiveconsonance.info/2013/03/21/neuroscience-the-action-potential/ 1
Nyugalomban valamennyi sejt belseje negatív a külső felszínhez képest: negatív nyugalmi potenciál (Em: -30 es -90 mv között) Mikroelektróddal történő vizsgálat. (KCl oldattal töltött azonos mobilitás. Nincs zavaró diffúziós pot.) Az élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető potenciálkülönbség. V Tintahal óriás axon Preparált izomsejtek Extracelluláris + (0 mv) Intracelluláris ( -70 mv) Nyugalmi membránpotenciál 0V U nyugalmi : -30mV _ -100 mv Mikroelektróda A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V). Intracelluláris tér Extracelluláris tér 2
Miért alakul ki a membránpotenciál? egyenlőtlen ioneloszlás a membrán két oldalán: a sejt belsejében magas K+ és alacsony Na+ koncentráció. folyamatosan működő K-Na ionpumpa: Na+ ionokat kifelé, K+ ionokat befelé szállítja szelektív membrán permeabilitás: a sejtmembrán K+ ionokra nézve sokkal átjárhatóbb, mint Na+ ionokra a sejt belsejében negatív töltésű, nem diffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak) vannak Intracelluláris tér [Na + ] 10 mm [K + ] 140 [Ca 2+ ] <10-3 [Cl - ] 3-4 [A - ] 140 Extracelluláris tér [Na + ] 120 mm [K + ] 2,5 [Ca 2+ ] 2 [Cl - ] 120 http://physiology.elte.hu/eloadas/kiegtanar_elettan/potencial_neuro_2009.pdf Hajtóerők : A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők 1) Az adott ionok koncentráció különbsége - Kémiai koncentráció grádiens: Kémiai potenciál (Willard Gibbs - 1876) 2) A membrán két oldala között kialakuló töltéskülönbség - Elektromos grádiens: Elektromos potenciál Elektrokémiai potenciál Egyensúlyi állapotban az elektromos és kémiai koncentráció grádiens szabadenergia-változása egyenlő és ellentétes irányú. Az egyensúlyi potenciál számolható a koncentráció viszonyokból (bármely ionra nézve) 3
A nyugalmi membrán-potenciál eredete Bernstein kálium hipotézise Nernst-féle egyensúlyi potenciál (elektromos potenciál - kémiai potenciál) Donnan egyensúly: a membrán egyes ionos összetevők számára átjárhatatlan (pl. intracelluláris fehérjék). Goldman egyenlet: az egyensúlyi potenciálok és a membránpermeabilitások súlyozott értékeit valamint az abszolút ionkoncentrációk értékeit egyaránt figyelembe kell venni. http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html Nernst - egyenlet Kémiai potenciál W chem [ X NRT ln [ X 1 2 ] ] N = a koncentrációgrádiens kialakításában résztvevő mólok száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X 1 / X 2 = koncentráció grádiens Elektromos potenciál W elektr NzFE N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia (vegyérték) F = Faraday szám E= elektromos térerő (V) 4
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. RT E zf http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html ln X X 1 2 Egyensúlyi potenciál [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = - 101.2 mv K + =2.5 mm K + =139 mm - + - 101.2 mv E mv = - 101.2 mv töltések nettó mozgás zéró (egyensúly) E mv > - 101.2 mv K + áramlik ki E mv < - 101.2 mv K + áramlik be Egy ionra nézve az a feszültség érték, mely egyensúlyt tart a koncentráció különbséggel. http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html 5
Ionkoncentrációk 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) = [Na + ] E mv = -58/1 log (20/120) = [Cl - ] E mv = -58/1 log (3.8/120) = - 101.2 mv + 45.1 mv + 86.9 mv = 30.8 mv Nyugalmi potenciál (mért) E mv =-92mV A Nernst-egyenlet önmagában nem alkalmas a membránpotenciál meghatározására. Más értékeket kapunk, ha külön-külön számoljuk a potenciál értékeket és mást, ha mérjük a nyugalmi potenciált. Nem zárt rendszer Az ionok viselkedése nem független egymástól. 6
A nyugalmi membrán-potenciál eredete Bernstein kálium hipotézise Nernst-féle egyensúlyi potenciál (elektromos potenciál - kémiai potenciál) Donnan egyensúly: a membrán egyes ionos összetevők számára átjárhatatlan (pl. intracelluláris fehérjék). Goldman egyenlet: az egyensúlyi potenciálok és a membránpermeabilitások súlyozott értékeit valamint az abszolút ionkoncentrációk értékeit egyaránt figyelembe kell venni. http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás: Frederick George Donnan (1870-1956; Ír kémikus) Eltérő mozgékonyságú ionok szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása diffúziós potenciál Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék) egyensúlyi koncentráció különbség 7
Donnan egyensúlyi szabálya Diffuzibilis ionok: K +,Cl - RT Kin ln zf K K K in out out E Cl Cl out in RT zf ln K Cl K Cl in in out out Cl Cl out in A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon! A nyugalmi membrán-potenciál eredete Bernstein kálium hipotézise Nernst-féle egyensúlyi potenciál (elektromos potenciál - kémiai potenciál) Donnan egyensúly: a membrán egyes ionos összetevők számára átjárhatatlan (pl. intracelluláris fehérjék). Goldman egyenlet: az egyensúlyi potenciálok és a membránpermeabilitások súlyozott értékeit valamint az abszolút ionkoncentrációk értékeit egyaránt figyelembe kell venni. http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html 8
Mi történik ha a Donnan szabály nem érvényesül? 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!). Egy átlagos nyugvó állati sejtben: - kifelé K + áramot befolyásolja: nagy koncentrációkülönbség nagy K + permeabilitás negatív membránpotenciál - befelé Na + áramot befolyásolja: nagy koncentrációkülönbség kis Na + permeabilitás negatív membránpotenciál Így a két áram egyenlő stabil nyugalmi V m 9
Goldman egyenlet A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével: E m RT ln F N i N i P P M M i i M M i P A out j A j j in M M i in P A A j j j out - Minden ion szerepét figyelembe veszi. - Jól egyezik a valósággal. 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 Goldman egyenlet A membránpotenciál egy kompromisszum eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük. 10
Szivárgás a membrán-potenciál egyetlen ionra nézve sem egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljának az értékével EmV_K + = -101.2 mv EmV_Na + = +45.1 mv E EmV_Cl - = +86.9 mv mv = - 92mV az ionok megpróbálnak átjutni a membránon ok + próbál kijutni ona + próbál bent maradni ocl - próbál bent maradni Szivárgás Ioncsatornák Nyugalmi v. független ioncsatornák Működésüket nem befolyásolja a membrán-potenciál értéke (pl. nyugalmi K + csatornák; K + -Na + szivárgó csatornák) Függő ioncsatornák Kinyílnak speciális ligandok vagy membrán-potenciál változás esetén (pl. feszültségfüggő K + és Na + csatornák) 11
Na-K ATPáz A nyugalmi membránpotenciál kialakulásának főszereplői a K + és Na + ionok (eltérő eloszlás és membrán permeabilitás). A Na-K ATPáz képes ellensúlyozni a Na + és K + passzív áramlását, aktív munka kifejtése árán hozzájárul a membránpotenciál kialakulásához. 3 Na + kifelé és 2 K + befelé történő mozgatását végzi. Működéséhez ATP szükséges. Akciós Potenciál 12
Ingerlékeny sejtek membránján: ideg-,izomsejtek, egyes receptorok vagy szekréciós sejtek Sejttípusra jellemző, állandó alak és időbeli lefutás Küszöb feletti inger Akciós potenciál: a nyugalmi membránpotenciál időleges megváltozása ~ - 70mV-ról + 40 mv-ra, melyet a nyugalmi potenciál visszatérése követ Ionok membránon keresztüli mozgásának eredménye Stimulus a membrán potenciál megváltozása (küszöb-potenciál) akciós potenciál Kialakulása a minden vagy semmi törvényét követi Ingerküszöb (küszöb-potenciál) alatti ingerlés esetén nincs AP. Ingerküszöb (küszöb-potenciál) feletti inger mindig egyforma és teljes depolarizációt okoz. Az akciós potenciálnak különböző fázisai különíthetőek el. 13
1. Nyugalmi fázis (potenciál), inger érkezése Depolarizációs küszöb feletti inger hatására a feszültségfüggő Na + csatornák megnyílnak. http://termtud.akg.hu/okt/10/embertan/12idr.htm 2. Emelkedő fázis K + csatornák megnyílnak. 14
3. Csúcs fázis Na + beáramlás lelassul EmV_Na + = +45.1 mv (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál) Na + csatornák nagy részének inaktiválódása K + csatornákon K + áramlik ki 2 3 4. Csökkenő fázis Feszültségfüggő K + csatornák teljesen megnyílnak Nagyfokú K + kiáramlás a sejtből Na + csatornák bezárulnak 2 3 4 15
5. Utódpotenciál A K + ionok beáramlása lassul EmV_K + = -101.2 mv (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál) A K + csatornák teljes bezáródása A nagyszámú és lassan inaktiválódó K + csatorna hiperpolarizációt eredményez A nagyszámú és lassan inaktiválódó K + csatorna hiperpolarizációt eredményez 16
Refrakter periódus Abszolút RF Az abszolút refrakter fázis alatt a Na+csatornák inaktivált állapotban vannak. Új akciós potenciál kialakulása teljesen gátolt. Relatív RF A relatív refrakter fázis alatt a Na+- csatornák egy része már megnyitható (aktiválható) állapotban van. Az ingerküszöbnél nagyobb depolarizáció elindíthatja az AP létrejöttét. Akciós potenciál típusai http://www.getbodysmart.com/ap/nervoussystem/neurophysiology/actionpotentials/actionpotential/tutorial.html 17
Az akciós potenciál terjedése Mielin nélküli axonban Velőshüvelyű axonban Lassú ingerületvezetés Ugráló (szaltatórikus) ingerületvezetés - gyors A vezetési sebesség a rost keresztmetszetével is nő. http://www.youtube.com/watch?v=7eyhsoewnh4 18