Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál Membránszerkezet Biológiai membránok (citoplazma, sejten belüli membránféleségek) közös jellemzője: Nem kovalens kötésekkel összetartott lipidekből és fehérjékből állnak. Fő komponens: foszfolipid, amfipatikus molekulák Foszfolipid: diglicerid + foszfát csoport + szerves molekula Biofizika szeminárium 2014. 11. 04. Membrán-modellek Amerikai fizikai kémikus Lipid-oldékony 1932 Nobel díj anyagok gyorsan bejutnak a sejtbe. Zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén. Benzin-lipid keverék, a benzin elpárolgása után molekuláris lipid film keletkezik Folyékony mozaik modell Singer Nicolson 1972 Benzin-oldékony lipidek két rétegből álló filmet alkotnak 1925 Kettős víz felszínén. lipidréteg A fehérjék integráns részei a sejt membránnak. A lipid bilayert kívül-belül proteinek rétege fedi. Részben magyarázza a proteinek, cukrok, ionok és más hidrofil anyagok gyors átjutását. Elektronmikroszkóp felfedezése. A sejtek plazmamembránnal burkoltak. Unit-membrane modell. 1972 Proteinek Folyékony mozaikos mozaik modell elrendeződése a membránban. Egyes proteinek átérik a membránt, transzmembrán proteinek. Dr. habil. Kőhidai László http://www.youtube.com/watch?v=zp3i5q9xftk http://www.youtube.com/watch?v=oq4um1ov4ag vvt. membrán 1
Sejtmembrán szerkezete Membránfehérjék Meghatározzák a membránok funkcióit. Csoportosítás: Integrális membránfehérjék (transzmembrán) hidrofób maghoz kapcsolódnak, vagy átívelik a membránt. Perifériális membránfehérjék nem közvetlenül, hanem az integrális fehérjéken keresztül kapcsolódnak a membránhoz. Glikoproteinek ezek az oligoszacharidok az extracelluláris oldalon kapcsolódnak a membránfehérjékhez. Glikozil foszfatidil inozitol (GPI) kovalensen kötődnek a membránlipidekhez. Szerep: Ioncsatornák Receptorok Jelátvitel A nyugalmi membránpotenciál Nyugalomban valamennyi sejt belseje negatív a külső felszínhez képest: negatív nyugalmi potenciál (Em: -30 és -90 mv között) Mikroelektróddal történő vizsgálat. (KCl oldattal töltött azonos mobilitás. Nincs zavaró diffúziós pot.) Nyugalmi membránpotenciál Az élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető potenciálkülönbség. V Tintahal óriás axon Preparált izomsejtek Extracelluláris + (0 mv) Intracelluláris ( -70 mv) 2
Membrán-potenciál Miért alakul ki a membránpotenciál? A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V). Extracelluláris tér U nyugalmi :-30mV -100 mv között Mikroelektróda 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 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://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/1220_resting_membrane_potential.jpg 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). A nyugalmi membrán-potenciál eredete Bernstein kálium hipotézise nyugalmi állapotban feszültségkülönbség; K + ; 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 membrán-permeabilitások súlyozott értékeit valamint az abszolút ionkoncentrációk értékeit egyaránt figyelembe kell venni. 3
Nernst - egyenlet Egyensúlyi potenciál Kémiai potenciál W chem NRT ln X X 1 2 N = a koncentráció grádiens kialakításában résztvevő mólok száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X 1 / X 2 = koncentráció grádiens 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. Elektromos potenciálw elektr NzFE N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia (vegyérték) F = Faraday szám E= elektromos térerő (V) RT E zf ln X X 1 2 Ionkoncentrációk béka izomsejt esetén Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm 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. [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 Nyugalmi potenciál (mért) E mv =-92mV Nem zárt rendszer Az ionok viselkedése nem független egymástól. 4
Egyensúlyi potenciál K + =2.5 mm [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = - 101.2 mv K + =139 mm 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. - - 101.2 mv + 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 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 EmV_Cl - = +86.9 mv E mv = - 92mV az ionok megpróbálnak átjutni a membránon Akciós Potenciál o K + próbál kijutni o Na + próbál bent maradni o Cl - próbál bent maradni Szivárgás 5
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 (küszöbpotenciál) 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. Nyugalmi fázis (potenciál) 1. Emelkedő fázis Depolarizációs küszöb feletti inger hatására a feszültségfüggő Na + csatornák megnyílnak. 6
3. Csúcs fázis 4. Csökkenő fázis Na + beáramlás lelassul EmV_Na + = +45.1 mv (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál) Na + csatornák egy részének inaktiválódása K + csatornák nyitása megindul Feszültségfüggő K + csatornák teljesen megnyílnak Nagyfokú K + kiáramlás a sejtből Na + csatornák teljes bezáródása (inaktiválódás) refrakter periódus 2 3 4 2 3 5. Utódpotenciál Na + csatornák teljes bezáródása (inaktiválódás) refrakter periódus 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 7
Refrakter periódus Akciós potenciál típusai 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. A Na+-csatornák inaktivációból való visszatérése még nem fejeződött be (kevesebb Na+-csatorna áll rendelkezésre az aktiváció során, mint nyugalomban). Emelkedett K+-konduktancia tapasztalható, ami miatt nehezebb olyan Na+-áramot produkálni, ami meghaladja a kifelé irányuló K+-áram nagyságát. Az akciós potenciál terjedése Mielin nélküli axonban Velőshüvelyű axonban Patch-clamp Membránfolt feszültségrögzítés Mikroelektrofiziológiai technika Mikroelektróda: 0,5-1 μm átmérőjű, megfelelő összetételű elektrolitoldatot tartalmaz. Nagy ellenállású kapcsolat jön létre Így csak a mikroelektród alatt lévő területen elhelyezkedő ioncsatornák áramát tudjuk mérni. Egyedi csatornák vizsgálatára alkalmas. Lassú ingerületvezetés Ugráló (szaltatórikus) ingerületvezetés - gyors Ionáram jellemzői: Adott csatornára (fajtára) mindig ugyanakkora áram jellemző. Azonos intenzitású Lehet következtetni, hogy hány csatornát mérünk egyszerre. A vezetési sebesség a rost keresztmetszetével is nő. 8
A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők Hajtóerők : 1) Az adott ionok koncentráció Kémiai potenciál: (Willard Gibbs - 1876) A kémiai potenciálja egy termodinamikai rendszernek azzal az energiamennyiséggel egyenlő, amennyivel a rendszer teljes energiája megnőne, ha növelnénk a rendszerbenlévő 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. Köszönöm a figyelmet! http://commons.wikimedia.org/wiki/file:action_potential_propagation_animation.gif Elektrokémiai potenciál Frederick George Donnan (1870-1956; Ír kémikus) Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás: Eltérő mozgékonyságú ionok szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása diffúziós potenciál Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék) egyensúlyi koncentráció különbség Donnan egyensúlyi szabálya Diffuzibilis ionok: K +,Cl - RT Kin RT Clout ln E ln zf K zf Cl out Kin Cl out K Cl out K Cl K Cl in in in out out in A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon! 9
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!). A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével: 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 RT Em ln F i i M i M i - 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 out j Goldman egyenlet A membránpotenciál egy kompromisszum eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük. 10