A nyugalmi potenciál jelentősége Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben Transzportfolyamatok a sejt nyugalmi állapotában a sejt homeosztázisának (sejttérfogat, ph) fenntartása ingerlékenység érzékelés jelátadás A nyugalmi potenciál értelmezése: -Transzport modell -Elektromos modell A nyugalmi potenciál megváltozása 1. A membrán passzív elektromos tulajdonságai
Kísérlet Áramirány : pozitív töltések áramlásásának iránya. membrán ingerlő elektród mérő elektród extracelluláris tér intracelluláris tér Miért éppen így? A membrán elektromos tulajdonságai miatt: -ellenállás -kapacitás Hol is láttam már ehhez hasonlót? Párhuzamos RC-kör töltése és kisütése U C =I 0 R(1-e -t/τ ) 100% U C =U 0 e -t/τ a membrán kapacitása τ = C m R m a membrán keresztirányú ellenállása 63% τ=rc 37% τ a membrán időállandója: az az idő, ami alatt az impulzussal keltett feszültségváltozás -eléri a telítési érték 63%-át vagy -az ingerlés megszünte után e-ed részére csökken
1 U m (mv) I inger (μa) -1-30 -60 A nyugalmi potenciál helyi megváltozása obligát ugrásmentes változtatható amplitúdójú változtatható irányú analóg lokalizált A nyugalmi potenciál helyi megváltozása az ingerlés helyétől távolodva λ a membrán térkonstansa: az a távolság, amely alatt az impulzussal keltett feszültségváltozás maximális értékének e-ed részére csökken Változás az ingerlés helyén ΔU 100% 37% ΔU x =ΔU 0 e -x/λ λ λ ~ x R R m i A nyugalmi potenciál helyi megváltozása - kísérletileg áramimpulzusokkal - adekvát ingerekkel - posztszinaptikus membránon neurotranszmitterekkel -serkentő - depolarizáló -gátló - hiperpolarizáló A nyugalmi potenciál helyi megváltozásának jelentősége ingerületvezetés érzékelés - receptorműködés jelátadás
Az akciós potenciál kialakulása A nyugalmi potenciál megváltozása 2. A membrán aktív elektromos tulajdonságai +20mV 0mV depolarizációs küszöb -70mV csúcspotenciál repolarizáció depolarizáció utópotenciál ingerlés fakultatív azonos amplitúdójú minden vagy semmi nem lokalizált Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról feszültségfüggő ioncsatornák működése Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról K-csatornák nyitnak Na-csatornák záródnak Na-csatornák nyitnak K-csatornák záródnak ϕ ϕ = e i RT ln F Σp c Σp depolarizáció + + k ke + + k cki + Σp c + Σp k ki k cke Na + beáramlás g Na megnő Idő Hogyan lehetne az egyedi ionáramokat mérni?
Voltage Clamp inracelluláris elektród jelgenerátor Andrew Fielding Huxley (1917- ) Alan Loyd Hodgkin (1914-1998) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963 for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane" extracelluláris elektród Árammérő visszacsatolt erősítő - membránpotenciált állandó értéken tartja - az ionáramot áramerősséget méri Na + és K + áram mérése Feszültségszabályozott Na + -csatornák állapotai U m (mv) K + -áram blokkolva Na + -áram t (ms) I m (μa) K + -áram zárt csatorna nyitott csatorna inaktív csatorna t (ms) Na + -áram blokkolva t (ms) depolarizációs küszöb felett
Vezetőképesség az akciós potenciál alatt Abszolút refracter periódus Relativ refracter periódus Membránpotenciál (mv) akciós potenciál Rel. vezetőképesség Az elektromos jellemzők hatása a jelvezetés sebességére Idő (ms) Az akciós potenciál terjedése (1) Az akciós potenciál terjedése (2) extracelluláris tér csúcspotenciál refrakter tartomány aktív tartomány depolarizálódó tartomány intracelluláris tér pozitív töltések helyi áramok áramlása refrakter tartományban a K + -csatornák nyitva, a Na + -csatornák inaktív állapotban vannak Disztális oldalon a + töltések áramlása hely depolarizéciót okoz Alapja: helyi áramok kialakulása helyi depolarizáció Terjedés sebessége milyen gyorsan, milyen messze?
Az axon sugarának hatása a vezetés sebességére: Sebessége: τ és λ, vagyis az elektromos jellemzők függvénye λ ~ R R m i τ = C R m m -mennyi idő alatt éri el a depolarizációs küszöböt τ - milyen távolságon éri még el a depolarizációs küszöböt λ r R i (~1/r 2 ) R m (~1/r) tintahal óriás axon r=250μm τ λ v=25m/s emberi idegsejt r= 10 μm v 0.5m/s? Hogyan növelhetjük a vezetés sebességét? Megoldás: mielinhüvely! 1. Az axon sugarának növelésével metabolikusan drága helyigényes 2. A membránkapacitás csökkentése, mert kevesebb töltés szükséges a membránpotenciál vátoztatásához
Megoldás: mielinhüvely! R m nagyon nagy C m nagyon kicsi nagy térkonstans kis időállandó Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás sikerességére emberi idegsejt r= 10 μm v~ 100 m/s? akciós potenciál Jelátadás a szinapszisban Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás sikerességére térbeli szummáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése Preszinaptikus neuron időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése neurotranszmitter Posztszinaptikus neuron
időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése akciós potenciált válthat ki Példa az időbeli és térbeli szummációra serkentő szinapszis Posztszinaptikus jel Posztszinaptikus jel -40 mv Um -40 mv τ=10 ms τ=1 ms U m mérő elektród -60 mv -60 mv gátó szinapszis Preszinaptikus jel idő Preszinaptikus jel idő 2 ms 2 ms Membrán potenciál depol. küszöb Összefoglalás Nyugalmi potenciál leírása: egyensúlyi modell transzport modell elektromos modell szerepe A nyugalmi potenciál helyi megváltozása jellemzői: időállandó térkonstans szerepe: ingerületvezetés sebessége jelátadás sikeressége Akciós potenciál szerepe: információ továbbítás lefolyása