Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Hasonló dokumentumok
Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

A nyugalmi potenciál megváltozása

Membránpotenciál, akciós potenciál

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

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

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Érzékszervi receptorok

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

Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

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

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Az ingerületi folyamat sejtélettani alapjai

CELLULÁRIS SZÍV- ELEKTROFIZIOLÓGIAI MÉRÉSI TECHNIKÁK. Dr. Virág László

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

A membránpotenciál. A membránpotenciál mérése

Gyógyszerészeti neurobiológia. Idegélettan

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

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Biofizika szeminárium

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

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

Potenciálok. Elektrokémiai egyensúly

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

Az idegi működés strukturális és sejtes alapjai

Sejtek membránpotenciálja

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Negyedik rész

Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

Az idegsejt elektrokémiai és

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

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

Elektrofiziológiai vizsgálómódszerek alkalmazása a sejtek elektromos tevékenységének kutatásában. A kezdetek 1.

Ex vivo elektrofiziológia. Élettani és Neurobiológiai Tanszék

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

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

Nyugalmi és akciós potenciál

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

A sejtek membránpotenciálja (MP)

Egy idegsejt működése

Enzimaktivitás szabályozása

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Harmadik rész

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

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

MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNPOTENCIÁL, AKCIÓS POTENCIÁL. Biofizika szeminárium

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája

CELLULÁRIS SZÍV- ELEKTROFIZIOLÓGIAI MÉRÉSI TECHNIKÁK. Dr. Virág László

In vitro elektrofiziológiai technikák Mike Árpád

klorid ioncsatorna az ABC (ATP Binding Casette) fehérjecsaládba tartozik, amelyek általánosságban részt vesznek a gyógyszerek olyan alapvetı

Ex vivo elektrofiziológia. Élettani és Neurobiológiai Tanszék

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Szignáltranszdukció Mediátorok (elsődleges hírvivők) az információ kémiailag kódolt

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

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Első rész

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

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

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

A harántcsíkolt izom struktúrája általános felépítés

Elektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András

Ioncsatorna funkciók mérése in vitro körülmények között. Dr. Nagy Norbert Tudományos munkatárs SZTE Farmakológiai és Farmakoterápiai Intézet

AZ IDEGSEJTEK KÖZTI SZINAPTIKUS KOMMUNIKÁCIÓ Hájos Norbert. Összefoglaló

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

Hullámtan. A hullám fogalma. A hullámok osztályozása.

A szívizom akciós potenciálja, és az azt meghatározó ioncsatornák

Interneurális kommunikáció

Hodkin-Huxley formalizmus.

Elemi idegi működések, az idegrendszer felépítése és működésének alapjai

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Sáry Gyula SZTE ÁOK Élettani Intézet

Speciális működésű sejtek

13. Román-Magyar Előolimpiai Fizika Verseny Pécs Kísérleti forduló május 21. péntek MÉRÉS NAPELEMMEL (Szász János, PTE TTK Fizikai Intézet)

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

Az idegsejtek biofizikája. 1. Az egyensúlyi potenciál

Jelkondicionálás. Elvezetés. a bioelektromos jelek kis amplitúdójúak. extracelluláris spike: néhányszor 10 uv. EEG hajas fejbőrről: max 50 uv

Computational Neuroscience

Orvosi élettan. Bevezetés és szabályozáselmélet Tanulási támpontok: 1.

A szívizomsejt ioncsatornái és azok működése

A sejtmembrán szabályozó szerepe fiziológiás körülmények között és kóros állapotokban

22. Az idegrendszer működésének alapjai. Az idegszövet felépítése

Az egyedi neuronoktól az EEG hullámokig Somogyvári Zoltán

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

Az idegsejtek diverzitása

Neuronok előkészítése funkcionális vizsgálatokra. Az alkalmazható technikák előnyei és hátrányai. Neuronok izolálása I

1. Mi jellemző a connexin fehérjékre?

A somatomotoros rendszer

Jelátvitel az idegrendszerben:

Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

Mágneses momentum, mágneses szuszceptibilitás

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

EGYENÁRAM. 1. Mit mutat meg az áramerısség? 2. Mitıl függ egy vezeték ellenállása?

-Két fő korlát: - asztrogliák rendkívüli morfológiája -Ca szignálok értelmezési nehézségei

Intelligens Rendszerek Elmélete. Biológiai érzékelők és tanulságok a technikai adaptáláshoz. Az érzékelés alapfogalmai

Metabolikus utak felépítése, kinetikai és termodinamikai jellemzésük

SZAGLÁS 2

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek


Mérés és adatgyűjtés

Nusser Zoltan. Celluláris Idegélettani Laboratórium MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Budapest

Átírás:

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 I I Cl Na K 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 IK 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 Na + 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 Na + 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 Na + és K + ára érése K + -ára inracelluláris elektród jelgenerátor U (V) blokkolva Na + -ára extracelluláris elektród t (s) Áraérő visszacsatolt erősítő I (μa) K + -ára - ebránpotenciált állandó értéken tartja - az ionáraot áraerősséget éri t (s) Na + -ára blokkolva t (s) Feszültségszabályozott Na + -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)

Patch-Clap technika Egyetlen csatornán át folyó áraot (10-12 A). éri. Patch-Clap árakör Visszacsatóló ellenállás (FBR) _ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991 was awarded jointly to Erwin Neher and Bert Sakann + Erősítő "for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells" A visszacsatoló ellenálláson (50 GΩ folyó ára erősségét érjük (10-12 A). current tie open closed Mebrán Patch egy ionocsatornával Patch-Clap berendezés Patch-Clap konfigurációk Fro Haill et al 1981

Cell-attached recording Patch-pipetta Inside-out recording Külső lipidréteg Patch-pipetta Belső lipidréteg Sejt The internal face of the lipid bi-layer faces the bath solution The external face of the lipid bi-layer faces the bath solution Whole-cell recording Outside-out recording Single-channel I/V függvény a csatorna vezetőképességének eghatározására Egyes csatornáknak több állapota lehet A -20 V -40 V -60 V -80 V -100 V 6 pa B -120-100 -80-60 -40-20 0 Mebrane potential (V) -1-2 -3 Single-channel 40 ps current (pa) -4-5 50 ps -6 20 s g csatorna = Δ I ΔV = 1.6 10-12 A 50 10-3 V = 32 10-12 S = 32 ps Fro Haill et al 1981

Sodiu action potentials synchronize [Ca2+] transients in all dendritic copartents of itral cells in the olfactory bulb of anesthetized rats. Az elektroos jellezők hatása a jelvezetés sebességére Charpak S et al. PNAS 2001;98:1230-1234 2001 by National Acadey of Sciences 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 Na + -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 Na + Ranvier befűződés Na + ielinhüvely eberi idegsejt r= 10 μ v~ 100 /s? Na + Sérült ielinhüvely Szökik a Na + Na + Az átérő és a ielinhüvely hatása a vezetés sebességére axon típusa axon átérője (μ) vezetés sebessége (/s) ielinált Az elektroos jellezők hatása a jelátadás sikerességére ne ielinált

akciós potenciál Jelátadás a szinapszisban Az elektroos jellezők hatása a jelátadás sikerességére térbeli szuáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése Preszinaptikus neuron időbeli szuáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése neurotranszitter Posztszinaptikus neuron 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 A nyugali potenciál helyi egváltozása jellezői: időállandó térkonstans szerepe: ingerületvezetés sebessége jelátadás sikeressége Akciós potenciál szerepe: inforáció továbbítás lefolyása