A membránpotenciál eredete. A diffúziós potenciál, Donnan-potenciál, Goldmann-potenciál, a Nernst-Planckegyenlet. A nyugalmi és akciós potenciál (általános jellemzői, ionáramok). Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet Szeged, 2011.november 21.
A sejtmembrán feladatai Meghatározza a sejt alakját Szelektív áteresztőképessége van A sejt belsejét és külsejét elválasztja Részt vesz a sejtek közötti kommunikációban, receptorfelszín
Ionmegoszlás a plazmamembrán két oldalán (mm) Extracelluláris Na + : 145 K + : 4 Ca 2+ : 1,5 Cl - : 115 HCO 3 - : 24 A - : 10 Intracelluláris nagy grádiensek extracelluláris NaCl két oldal elektroneutrális Na + : 12 K + : 155 Ca 2+ : < 10-4 Cl - : 4 HCO 3 - : 8 A - : 155
A membrán felépítése Jelentősége: barrier, transzport-út, sejtösszekötő, felszín a receptoroknak Szerkezete: 1. Lipidek 2. Fehérjék a) integráns: ioncsatorna transzporter pumpa receptor b) felületi: antigén enzim 3. Szénhidrátok
A nyugalmi membránpotenciál eredete A Na +, K +, Cl - és Ca 2+ ionok megoszlása Nernst egyenlet: egyensúlyi (reversal) potenciál áram (I) vs. feszültség (V) karakterisztikák Elektrokémiai hajtóerő A membránpoteciál eredete A vezeték modell Modellek-helyettesítő áramkörök
A membrántranszport alapjai Membránpotenciál - bevezetés Általában a sejtek belső tere negatívabb az extracelluláris térnél nyugalmi körülmények között. V Extracelluláris + (0 mv) Intracelluláris ( -70 mv)
A membrántranszport alapjai Potenciálkülönbség elektrolitokban - néhány elvi lehetőség 1. Diffúziós potenciál Eltérő ionmobilitású anion és kation esetén. (pl. egy csepp sósav diffúziója) V + Cl - H +
ΔE 1, az oldat ionjait a koncentráció különbség mozgatja a túloldalra 2, a különböző töltéssel rendelkező ionok átlépési sebessége a szemipermeábilis hártyán keresztül különböző az ábrán az előre siető negatív töltésű ionok a túloldalon negatív töltésű réteget hoznak létre, így átmeneti feszültség: diffúziós potenciál alakul ki 3, ez lassítja a további anion előrehaladást de gyorsítja a kationok átjutását ez a hatás csökkenti a diffúziós potenciált 4, a végén a koncentrációk kiegyenlítődnek, és a diffúziós potenciál eltűnik
Hány darab anion átlépése kell - 100 mv feszültség kialakításához egy 1 μm 2 -es membránon? -100 mv U C Q C F 1 cm 2 1 10 14 F m 2 0,1 1 96500 14 10 6 x 10 23 x 6218db persze, ha a kation párja azonos irányban őt nem követi
A membrántranszport alapjai Potenciálkülönbség elektrolitokban - néhány elvi lehetőség 2. Membránpotenciál Előfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és szelektív permeabilitás A. Egyensúlyi potenciál V Szemipermeábilis membrán (átmegy: K +, nem: Cl -, H 2 O) -60 mv Cl - Cl - Cl - K + K + K + 100 mm KCl 10 mm KCl + 1. K + áramlás a koncentrációkülönbség miatt 2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly)
A membrántranszport alapjai Potenciálkülönbség elektrolitokban - néhány elvi lehetőség Az egyensúlyi potenciál jellemzői - Néhány ezer ion egyenlőtlen megoszlása elég a potenciálkülönbség kialakításához, az ionkoncentrációk változása elhanyagolható. - Az egyensúlyi potenciál tartósan (elvileg végtelen ideig) fennállhat. Ilyenkor a koncentrációkülönbség miatt az egyik irányba ugyanannyi ion mozog, mint a potenciálkülönbség miatt a másikba. - Minél nagyobb a membránon átjutó ion két oldalon található koncentrációinak hányadosa, annál nagyobb a potenciálkülönbség.
A Nernst egyensúly magyarázata
Az egyensúlyi potenciál kiszámítása - Nernst egyenlet: - RT E = zf * ln c BELSŐ c KÜLSŐ E : membránpotenciál (volt) R: általános gázállandó ( 8.31 J/mol/K) T: abszolút hőmérséklet (K) z : töltésszám (K + -ra: pl. +1) F : Faraday-állandó ( 96500 C/mol) - Gyakorlatban jól használható formája: - 60 mv E= * log z 10 c BELSŐ c KÜLSŐ
Az egyes ionok egyensúlyi potenciálja állati sejtekben fiziológiás ionmegoszlások esetén - 60 mv 140 mm E K = log 10-90 mv +1 4 mm - 60 mv 15 mm E Na = log 10 + 60 mv +1 140 mm - 60 mv 4 mm E Cl = log 10-80 mv -1 103 mm - 60 mv 10-7 M E Ca = log 10 + 120 mv +2 10-3 M
A membrántranszport alapjai Potenciálkülönbség elektrolitokban - néhány elvi lehetőség B, Donnan-potenciál - Ionokra átjárható, fehérjére nem permeábilis membrán esetén jön létre - A negatív töltésekkel rendelkező fehérjék oldalán nagyobb kation koncentráció és a kis molekulájú, permeábilis anion alacsonyabb koncentrációja alakul ki az ellenkező oldalhoz képest, egyensúlyi állapot formájában. -10-15 mv potenciálkülönbség jön létre. (A fehérjék oldala a negatívabb.) - A sejt nyugalmi membránpotenciálja döntően NEM a Donnan-potenciálon alapul.
A membrántranszport alapjai Potenciálkülönbség elektrolitokban - néhány elvi lehetőség C. Pumpapotenciál - A H + -pumpa, és állati sejtek esetén a nátrium pumpa (Na + /K + -ATPáz) elektrogén. (3 Na + ki, 2 K + be) - A H + -pumpa (és Na + -pumpa) folyamatos működése ezért negatívabbá teszi a sejt belsejét. Ez közvetlenül csak kb. 10-20 mv-tal járul hozzá a membrán-potenciálhoz. - A Na + -pumpa azonban az egyenlőtlen külső és belső Na + és K + koncentrációkat biztosítja, és így közvetve a membránpotenciál fenntartásához szükséges.
A sejt membránpotenciálja rávezető gondolatkísérlet I. I V -60 mv E P K >>P Na =0 P Cl =0 Cl - Cl - K + K + + K + egyensúlyi E m =? potenciál!! V m = -60 mv Cl - K + I K =I Na =0 10 mm NaCl 100 mm NaCl 100 mm KCl 10 mm KCl
A sejt membránpotenciálja rávezető gondolatkísérlet II. I V +60 mv E P Na >>P K =0 P Cl =0 + Na + Na + Na + Cl - Cl - Cl - Na + egyensúlyi E m =? potenciál!! V m = +60 mv I K =I Na =0 10 mm NaCl 100 mm NaCl 100 mm KCl 10 mm KCl
A sejt membránpotenciálja rávezető gondolatkísérlet III. I V 0 mv E P Na =P K >0 P Cl =0 E m =? K + Na + 10 mm NaCl 100 mm NaCl I K = -I Na >0 V m = 0 mv Koncentrációkiegyenlítődés 100 mm KCl 10 mm KCl
A III. gondolatkísérlet tanulságai 1. A kifelé áramló pozitív töltések áramát tekintjük pozitívnak hagyomány szerint. (A példában I K >0) 2. Stabil membránpotenciál esetén a membránon átfolyó összes áram összege nulla. (A példában I K +I Na =0) (Egyébként valamelyik oldalon töltésfelhalmozódás lenne, és V m változna) 3. Ha membrán többféle ionra is permeábilis, akkor hosszú idő után a koncentrációk kiegyenlítődhetnek. (A példában mindkét oldalon [Na + ] = [K + ] = 55 mm értéken). In vivo ezt a Na + -pumpa akadályozza meg.
IV. Az állati sejtek nyugalmi membránpotenciálja I E K + 10 mm NaCl 100 mm NaCl V Na + + P K >>P Na >0 P Cl =0 I K = -I V Na >0, mert egyensúly m hol van van az (állandó V E K, 0, E Na m ) értékekhez E K képest? < V m << 0 Koncentrációkiegyenlítődés 100 mm KCl 10 mm KCl
A IV. gondolatkísérlet tanulságai 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
Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet: A Nernst egyenlet csak egy ion esetében adja meg a nyugalmi membrán potenciált. Abban az esetben, ha több ion is jelen van, ez kiegészül a vezetőképességekkel és a releváns ion koncentrációkkal V eq RT F ln P Kálium Nátrium Klorid K K [ K [ K ] ] out in P P Na [ Na ] [ Na ] Na in out PCl[ Cl P [ Cl ] Az adott ion permeabiltását az ion mérete, motilitása stb. határozza meg Pl. a tinta hal óriás axonnál: P k : P Na : P Cl = 1 : 0.03 : 0.1 1(10) 0.03(460) 0.1(40) V eq 58log 70mV 1(400) 0.03(50) 0.1(540) Cl ] out in
A membrántranszport alapjai A membránpotenciál kiszámítása V m : E K és E Na között van. Hogy hol, az a P K és P Na arányától függ. P Na <P K (nyugalmi) esetben: E K <V m <<E Na P Na >P K esetben: E K <<V m <E Na g K g teljes g Na g teljes Képlettel: V m = E K + E Na + (ahol g=1/r: vezetőképesség (Siemens)) V m kiszámítható (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK) V m = - RT zf ln P K [K + ] I +P Na [Na + ] I +P Cl [Cl - ] E P K [K + ] E +P Na [Na + ] E +P Cl [Cl - ] C
Mitől és milyen irányban változhat a membránpotenciál? V m : depolarizáció V m : hiperpolarizáció pozitívabbá válik negatívabbá válik 1. Ionkoncentráció változás (in vivo nem jellemző) pl. [K + (Vm E ] E I K depol. Ix [Na + R ] I I Na hiperpol. x ) g (V m E x ) 2. Permeabilitás változás (in vivo a szab. fő útja) pl. P K I K hiperpol. P Na I Na depol.
A membrántranszport alapjai Szelektív permeabilitás - ioncsatornák Mi biztosítja a sejtmembrán szelektív permeabilitását? Ioncsatornák Transzmembrán fehérjék, melyek hidrofil pórust képeznek ionok számára Egy ion transzportja során nincs konformációváltozás, csak nyitás zárásnál Igen magas katalitikus szám (10 6-10 8 ion/sec) Erősen szelektívek lehetnek (1 hiba/10 3-10 4 ion) Nyitás zárás szabályozott lehet: - ligandfüggő - háttér (csurgó, leak) - feszültségfüggő - mechanoszenzitív
A megváltozott ion koncentrációkat ATP függő ionpumpák állítják helyre Ion [Extracellular] (in mm) [Intracellular] (in mm) Na + 150 15 Cl - 100 5 K + 4.5 150 Ca 2+ 1.8 0.0001 H + 0.0001(pH=7) 0.0002 (ph=6.7)
OK! Szóval aki azt gondolja, hogy 65 mv mint nyugalmi potenciál (és ennek fenntartása) könnyű feladat (gyerekjáték?) számoljon egy kicsit: ez 130,000 volt/cm térerőt jelent ( ha a membrán 50 nm vastag)!
Elektrokémiai hajtóerő és ionáramlás in K + K + + - out K + K + V M és E ion közötti különbség driving force = V M - E ion Ha V M = E K, I= 0 Ha V M nagyobb (+), mint E K, kifelé irányuló K + áram (outward current) (a koncentráció grádiensnek megfelelően) HaV M negatívabb (-) mint E K, befelé irányuló K + áram (inward current) (a koncentráció grádienssel ellentétes) K + - K +
Egy idegsejt ingerlésének következménye
Az elektrofiziológia: ma is az idegrendszer, az izomszövet és az egyéb struktúrák vizsgálatának eszköztára- a megismerést, a mechanizmusok feltárását szolgálja Az elektromos jelenségek törvényszerűségeit a Maxwell egyenletek foglalják össze: pl: Faraday indukció törvénye: Nem kell megijedni, de Ohm, Gauss stb. törvényei érvényesek a bioelektromosság esetében is Science > 1997.okt.17. > Chen et al., pp. 463 46- patkány szagló gumó (bulbus olfactorius)- számunkra akciós potenciál tovaterjedés (változó ingererősség, minden-vagy semmi törvény ) A középiskolában az elektromosságból tanultakat tudni kell!! Fogalmak: töltés, feszültség, áram, ellenállás, (impedancia) 2006. szeptember 6. Fizika 1 32
A sejtmembránok ioncsatornáinak vizsgálata folt zárásos (patch clamp) technikával A regisztrált csatorna-áramok pa nagyságrendűek (piko -10-12 ) Mekkora töltés ez, ha a kapu 2 ms ideig van nyitva? Q=I*t (2 pa*2 ms)=4*10-15 As Egy coulomb (C) az a töltés mennyiség, amely 1 A áramerősség esetén (1 s) alatt átfolyik a vezetőn (csatornán) 1C=6,2 10 18 elemi töltés Egy csatornán tehát ~24*10 3 ~2,4*10 4 töltés áramlott át Ha ez Na + akkor ennyi ion, ha Ca 2+ ez akkor a fele! 2006. szeptember 6. Fizika 1 33
Az idegsejt membránpotenciáljának mérési elve
Az idegsejt akcióspotenciáljának mérési elve
Akciós potenciál típusok összehasonlítása (lefutások-értékek)
Az akciós potenciál során megváltozik a membrán Na + és a K + vezetőképessége
A sejtmembrán elektromos modellje A) - a membrán párhuzamos ellenállásokkal és kondenzátorokkal modellezhető - V M (-80 mv) jelöli a membrán potenciált B) - négy legfontosabb ionra (K +,Cl -,Na +,Ca 2+) külön is feltüntetve. Ellenállások egymástól függetlenül
A gyors feszültségfüggő Na+ csatornának van inaktív állapota (ezzel magyarázzuk a refrakteritást)
A FESZÜLTSÉGFÜGGŐ Na-CSATORNA Több alegység (alpha, beta1, beta2) Az alpha képezi a csatornát Erős töltés, a Na elveszti hidrátburkát Helyi érzéstelenítők (pl. Lidocain): Reverzibilis Na-csatorna blokkolók Ca szerepe: Az extracelluláris Ca ionok stabilizálják a Na-csatornákat Hipocalcemia: Na-csatornák megnyílási valószínűsége növekszik, fokozott ideg-izom-ingerlékenység, tetánia, halál Alpha alegység Megnyílás AMILORID-szenzitív, epitheliális Na-csatorna: nem feszültségfüggő. Hormonálisan regulált: ALDOSTERON K-csatorna: Na-csatorna: kisebb töltés erősebb töltés nagyobb lumen kisebb lumen
FESZÜLTSÉGFÜGGŐ Ca-CSATORNÁK AKTIVÁLÁSÁVAL KIVÁLTOTT DEPOLARIZÁCIÓ Ca ++ : befelé mutató elektrokémiai grádiense van Az olyan sejtekben, melyek feszültségfüggő Ca-csatornával rendelkeznek, az akciós potenciál keletkezésében a Ca-beáramlás (is) részt vesz: NEURON, SZÍVIZOM, SIMAIZOM Szívizom Na + Ca 2+ Pacemaker szövet Ca 2+ K + Na + Feszültségfüggő Ca-csatornák: L-típus: (lassú) T-típus: (tranziens) N-típus (neurális) Szerkezet: Na-csatornához hasonló
REPOLARIZÁCIÓ Depolarizáció alkalmával a membránpotenciál értéke eltávolodik a K + Nernst-potenciáljától Ez passzív K + -kiáramlást eredményez A K + -kiáramlás sebessége úgy fokozható, hogy feszültségfüggő K + -csatornák nyílnak meg Az akciós potenciál lezajlása után helyreáll a nyugalmi potenciál, de ez a normális ioneloszlás rovására történik, mert - az intracelluláris K + -koncentráció csökkent - az intracelluláris Na + - koncentráció emelkedett Az intracelluláris Na + -koncentráció emelkedése csökkenti a Na + - grádienst, és a sejt ingerlékenysége csökken Az ioneloszlást a Na-K pumpa állítja helyre A metabolikus energia tehát nem az akciós potenciál generálásához, hanem a nyugalmi ioneloszlás fenntartásához szükséges, és ez feltétele a sejt ingerlékenységének.
FESZÜLTSÉGFÜGGŐ K-CSATORNÁK Több, mint 40 típus Egy domén, több alegység Depolarizáció-aktivált, nem inaktiválódó Szivárgó : Minden sejtben, nyugalmi potenciál fenntartása Késői: klasszikus repolarizáció Gyors Befelé korrigáló: hiperpolarizáció alkalmával K-beáramlást tesz lehetővé Depolarizáció-aktivált, inaktiválódó Depolarizáció- és Ca-aktivált Depolarizáció- és ciklikus nukleotid-aktivált Befelé korrigáló Létezik számos intracelluláris ligand függő (aktivált vagy gátolt) K-csatorna.
AZ AKCIÓS POTENCIÁL TERJEDÉSE A beáramló Na + depolarizálja a szomszédos membránszakaszt. A SEBESSÉG NÖVEKSZIK AZ ÁTMÉRŐVEL
MIÉRT TERJED AZ AKCIÓS POTENCIÁL EGY IRÁNYBAN? Hiperpolarizált membránban a Na-akkumuláció nem képes a csatornát a küszöbértékre depolarizálni. Normális nyugalmi potenciál esetén a Na-akkumuláció okozta depolarizáció eléri a csatornák megnyílási küszöbét. Hiperpolarizáció Nyugalmi potenciál Na + -csatorna Na + akkumuláció
MYELINHÜVELY Myelinhüvely: felcsavarodott Schwann-sejt (periféria) oligodendroglia nyúlványa (KIR) Ranvier befűződés: két gliasejt közötti hézag A hüvely szigetel: alatta NINCS feszültségfüggő Na + -csatorna Csak a Ranvier befűződéseknél van Na + -csatorna Schwann-sejt magja Ranvier befűződés Felcsavarodott sejtmembrán Következő Schwann-sejt
SALTATORIKUS (UGRÁLÓ) INGERÜLETVEZETÉS Akc. pot. Csökkenő amlitúdójú elektrotónusos vezetés Akc. pot. Ranvier Ranvier A saltatorikus vezetés gyorsabb, mert a Na-csatornák megnyílása időigényes A legvastagabb myelinhüvelyes axonok vezetési sebessége kb. 120 m/sec
AZ ELEKTROTÓNUSOS POTENCIÁL Ingerlő áram Hiperpolarizáló áram Depolarizáló áram Membránpotenciál Küszöb Depolarizáció Akciós potenciál Hiperpolarizáció
ELEKTROTÓNUSOS POTENCIÁL Akciós potenciál Küszöb Helyi depolarizáció Helyi hiperpolarizáció ELEKTROTÓNUSOS POTENCIÁL Az akciós potenciál feltétele a feszültségfüggő Na/Ca csatorna Ha ilyen nincs, az inger csak elektrotónusos potenciált kelthet
AZ ELEKTROTÓNUSOS POTENCIÁL JELLEMZŐI Tulajdonság AKCIÓS POTENCIÁL ELEKTROTÓNUSOS POTENCIÁL Ingererősség küszöb felett bármilyen Irány depolarizáció depolarizáció v. hiperpolarizáció Amplitúdó minden vagy semmi arányos az ingererősséggel Terjedés csillapodás nélkül csillapodással Refrakter periódus abszolút és relatív Nincs Szummáció nincs Térbeli (spatialis) és időbeli (temporális) szummáció Funkció Mechanizmus ingerületvezetés gyorsan, messzire feszültségfüggő ioncsatornák - ingerületvezetés (kis távolság) - receptor potenciál - postsynaptikus potenciál - ligandfüggő ioncsatornák - mechanikai ingerfüggő ioncs.
A nyugalmi membránpotenciál egyszerűsített modellje Cl - cc Na + cc E E EC IC E eq (mv) -70 mv Na + 150 15 +60 K + 5 150-90 Cl - 125 10-70 cc K + E P K >> P Na E m = -70 mv
POSTSYNAPTIKUS POTENCIÁL (PSP) 1. EPSP: (Excitatorikus postsynaptikus potenciál): Depolarizációs elektrotónusos potenciál Amplitúdója kisebb, mint az akciós potenciálé 2. IPSP: (Inhibitoros postsynaptikus potenciál): Hiperpolarizáció
AZ EPSP AKCIÓS POTENCIÁLT KELT A NEUROMUSCULARIS JUNKCIÓBAN IDEG SYNAPSIS EPSP = EPP (Endplate Potential) EPSP-t generáló receptorok IZOM AKCIÓS POTENCIÁL Feszültségfüggő Na-csatorna
AZ AKCIÓS POTENCIÁL KELETKEZÉSE EPSP-BŐL IDEGSEJTBEN A dendriteken és a sejttesten az ingerület elektrotónusos potenciál formájában terjed, mert itt nincs feszültségfüggő ioncsatorna. (Nem minden neuronra igaz!) Synapsis Terjedő EPSP Axon Axondomb Akciós potenciál Synapsis Synapsistól mért távolság
Az idegsejtek közötti kommunikáció az ingerület továbbítása -70 mv -70 mv
+30 mv -70 mv
+30 mv +30 mv
Az idegsejtek közötti ingerület továbbítása +30 mv -70 mv Ingervezetés Ingerület átvitel
SYNAPSIS Presynapticus sejt Postynapticus sejt ELEKTROMOS Presynapticus sejt Postynapticus sejt KÉMIAI
A PSP IDŐBELI ÉS TÉRBELI SZUMMÁCIÓJA Minden neuron számos bemenetet kap A PSP-ok szummálódnak: - az EPSP-ok erősítik egymást - az IPSP-ok csökkentik az EPSP-ok hatását Ingerlés Synaptikus áram PSP Nagy időkonstans Kis időkonstans Regisztrálás Nagy térkonstans Kis térkonstans
A SYNAPSIS HELYÉNEK JELENTŐSÉGE A leghatékonyabb az axo-somatikus és az axo-axonális synapsis Ezek gyakran gátló synapsisok Axo-somatikus Axo-dendritikus Axo-axonális synapsis
GAP JUNCTION: ELEKTROMOS SYNAPSIS Connexon= 6 connexin Kis synapticus rés Cytoplasmaticus folyamatosság Ionáram sejtről sejtre Nincs synapticus késés Általában kétirányú, de lehet kapuja és akkor egyirányú Előfordulás: - szívizom - simaizom - gliasejtek - bizonyos CNS neuronok Nyitott Zárt
KÉMIAI SYNAPSISOK 1. Nagyobb rés (30-50 nm) 2. Nincs cytoplasmaticus kapcsolat 3. Pre- és postsynapticus struktúrák 4. Synapticus késés (minimum 0.3 ms) 5. Egyirányú (kivétel: NO, CO) 6. Előnye: szummáció, plaszticitás Presynapticus sejt Postynapticus sejt
TRANSZMITTER-FELSZABADULÁS 1. Egy neuronból több transzmitter szabadulhat fel: kotranszmisszió 2. Gyakori a kismolekulájú transzmitter + peptid kotranszmisszió, de két kismolekulájú transzmitter is lehet egy neuronban 3. Egy neurotranszmitter más sejtben lehet hormon vagy paracrin: pl. biogén aminok és peptidek 4. A neurotranszmittert tartalmazó vezikulumok exocytosisa Ca 2+ -t igényel 5. A vezikuláris hormonfelszabadulást szintén az intracelluláris Ca 2+ -szint emelkedése előzi meg 6. Az exocitosis gátlása révén hat - tetanus toxin - botulinum toxin
A FELSZABADULT TRANSZMITTER SORSA 1. Enzimatikus lebomlás a synapticus résben 2. Visszavétel / felvétel: - presynapticus terminál - gliasejt 3. Diffúzió kapillárisokba Transzporterek: Visszavétel / felvétel Transzport vezikulumba Ezek a transzporterek különböznek. Számos szer támadáspontja a transzporter