Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektrotónusos potenciálok - Ionális mechanizmusok - Támpontok:4-6 Sántha Péter 2017.09.11. Transzmembrán potenciál (E m ) Nyugalmi potenciál (E 0 ): Elektromos szempontból nyugalomban lévő sejt membránján mért potenciál különbség (a membránpotenciált befolyásoló külső és belső ingerek hiánya) Mértéke sejttípustól függ: -90 - -50 mv Az ionkoncentrációk és az iontranszport determinálják Mérése: mikroelektróda + erősítő + voltméter direkt elektromos kontaktus szükséges Élettani szerepe: Ingerület képzés és ingerület továbbítás Transzportfolyamatok hajtóereje A sejttérfogat szabályozásának faktora A sejtek többsége stabil, negatív membrán potenciállal rendelkezik a stabilitást folyamatos ATP felhasználás biztosítja (akár az ATP 70%-át is felemészti) Bizonyos sejtek nem rendelkeznek stabil E 0 -lal: pacemaker (ritmusgenerátor) sejtek pl.: sinus csomó (nodális szövet); Cajal-féle intersticiális sejtek (GI traktus) 1
Az extracelluláris és az intracelluláris folyadéktér aszimmetrikus ioneloszlása ECF (mmol/l) (intersticiális folyadék) ICF (mmol/l) (sejtplazma) 0.00004 (ph=7.4) Plazmamembrán Ionok diffúziós egyensúlya - töltésszétválasztás - a Nernst potenciál A kémiai (koncentráció grádiens) és az elektromos (elektrosztatikus erőtér) hajtóerők egyensúlya következtében a nettó ionáramlás megszűnik diffúziós egyensúly Nernst potenciál megadja a vizsgált ion diffúziós egyensúlyi állapotában mért feszültséget Kiindulási állapot diffúziós egyensúly - + Szelektív K + permeábilis membrán Negatív Pozitív 2
A Nernst egyenlet: megadja a vizsgált ion egyensúlyi potenciálját az adott ECF és ICF koncentráció értékek mellett: Z = ionok töltése R = gáz konstans F = Faraday konstans T = hőmérséklet T=37 ºC Az egyes ionokra számított egyensúlyi potenciál értékek (ld. korábbi adatok): Problémák: A különböző ionoknak eltérő egyensúlyi potenciáljuk van Ezek az értékek eltérnek a tapasztalati E 0 értékétől is Egyensúlyon alapuló tartós membránpotenciál feltétele, hogy a figyelembe vett ionok (K +, Na +, Cl - ) nettó fluxusa, az ionáramok eredője, nulla legyen. Ohm törvénye: R = U / I I = U / R és I = U x g (g=vezetőképesség) Mekkora az egyes ionokra ható elektrokémiai hajtóerő (E i ) =?? - Az aktuális membránpotenciál (Em) és az ion egyensúlyi potenciáljának (E Nernst ) a különbsége: E i = E m - E Nernst Pl. A kálium áram (I K+ ) nagysága: I K+ =Ei K+ x gk + =(E m - E K+ ) x gk + ΣI net = 0 = I K+ + I Na+ + I Cl- = g K+ x Ei K+ + g Na+ x Ei Na+ + g Cl- x Ei Cl- 3
Goldmann-Hodgkin-Katz (GHK) egyenlet: Megadja az egyensúlyi membránpotenciál értéket az adott ionkoncentráció és ion permeabilitás (konduktancia) értékek esetén: A sejtmembrán nyugalmi permeabilitás (konduktancia) értékeinek aránya: P K : P Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 Magas K+ permeabilitás - a nyugalmi potenciál közel van a K + egyensúlyi potenciáljához. A fenti paraméterekben bekövetkező változások az E m (E 0 ) változását okozzák! E m negatív irányba tér el: hiperpolarizáció E m pozitív irányba tér el: depolarizáció Az ionkoncentrációk megváltozása: [K + ] az ECF-ban megnő (hyperkalémia): depolarizáció (arrhythmiák, szívmegállás) [K + ] az ECF-ben lecsökken (hypokalémia): hiperpolarizáció (arrhythmiák, idegi zavarok Ezek a változások súlyos, életveszélyes állapotokat eredményezhetnek!! A konduktancia változik meg (pl. ioncsatornák aktiválódása/zárása): fázikus (gyors) változások: akciós potenciál tónusos (lassú) változások: posztszinaptikus potenciál, szenzoros (generátor) potenciál Újabb probléma: az ionok folyamatos egyirányú áramlása (A. ábra) hamar megszüntetné a koncentráció grádienst végül az E m 0 mv körül stabilizálódna! Az élő sejtekben egy elektrogén transzport a passzívan diffundáló Na+ és K+ ionokat visszajuttatja az ECF-be illetve ICF-ba, és stabilizálja a membrán potenciált (B. ábra) Na + -K + ATPáz A sztöhiometrikus arány: 3 Na + kifelé 2 K + befelé (nettó 1 + kifelé/ciklus) Az ATPáz elektrogén hatása eltolja a GHK egyenletből számított egyensúlyi potenciál értékét még kb. 5 mv-tal a negatív irányba - hiperpolarizáló pumpa potenciál Következmények: A Na-K ATPáz gátlása (pl.: ouabain, hypoxia) depolarizálja a membránt. Az E m csökkenése Cl - (és Na + ) beáramlást okoz, ami sejtduzzadáshoz vezet (pl.: az agyban ödéma alakul ki) Na + -K + ATPáz részt vesz a sejttérfogat szabályozásában! A) passzív diffúzió B) Em=-70mV passzív diffúzió Em=-65mV Na + Na + K + K + Na + ATP K + IC EC IC aktív transzport EC 4
A membrán kapacitás jelentősége A plazmamembrán kondenzátorként is viselkedik (a lipid kettősréteg a szigetelő réteg, a szomszédos folyadék rétegek a vezetők). Nyugalmi állapotban a membrán kapacitása határozza meg az E m feszültségű elektromos erőteret fenntartó ionok mennyiségét C=Q/U Q=C m x U m (U m =E m ) C m nagyságát a membrán felszíne, vastagsága és a dielektromos állandó határozzák meg Példa: Gömb alakú, 50 µm átmérőjű sejtnél E m =- 60 mv, a membrán kapacitása Cm= 1 µf/cm 2 A számítás szerint 30 x 10 6 töltés (ion) tartja fenn a membránpotenciált. Azonban ez csak 1/200 000 része a teljes intracelluláris ionmennyiségnek! A membránpotenciál passzív változásai: elektrotónus Stimuláló áram A sejt (membrán) ingerlése intracelluláris elektródával A potenciál változás lefutása: membrán kapacitás gyors kisülése (kezdeti gyors depolarizáció) kationok kompenzáló kiáramlása fokozódik (késői lassú depolarizáció és steady state) Befelé irányuló áram (+ töltések) depolarizáció Kifelé irányuló áram (+ töltések) hyperpolarizáció E 0 electrotónusos potenciál Az elektromos ingerléssel kiváltott passzív potenciál változást elektrotónusos potenciálnak vagy elektrotónusnak nevezzük. E m (E max ) arányos a stimuláló áram intenzitásával és a membrán ellenállásával. sejt 5
Extracelluláris ingerlés: Katód membrán depolarizáció (katelektrotónus) Anód membrán hiperpolarizációja (anelektrotónus) katód ECF membrán ICF anód Felhasználás a gyógyászatban: Kamrai tachycardia (életveszély!!) elektrokardioverzió és defibrilláció Pacemaker therápia (szív, rekeszizom, KIR) Elektrokonvulzív therápia (Psychotikus állapot) Endocochlearis implantáció ( mesterséges belső fül) TENS: Transdermal Electric Nerve Stimulation (fájdalomkezelés) Nem külső ingerléssel kiváltott elektrotónusos (gradált vagy lokális) potenciálok: Posztszinaptikus potenciálok (PSP) kémiai transzmisszió, a posztszinaptikus membránon ligandfüggő ioncsatornák (ionotróp receptor aktiváció) másodlagos hírvivők által aktivált ioncsatornák (metabotróp receptor aktiváció) Receptor- (generator) potenciál elsődleges érző neuron vagy érzékhámsejtek membránja Szenzoros szignál által aktivált transzdukciós folyamat eredménye Az akciós potenciál terjedése tovaterjedő depolarizációs front Pacemaker potenciálok a pacemaker sejtek spontán depolarizációja 6
Az ingerlékeny sejtek passzív és aktív potenciálváltozásai elektromos ingerlést követően Neuroscience Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick Akciós potenciál: küszöb feletti ingerléssel kiváltott önfenntartó sztereotíp depolarizáló potenciálváltozás Jellemzők: Az akciós potenciál A membrán gyors depolarizációja Aktivációs küszöb Sztereotíp: a potenciál változás alakja (időlefutás), hossza, amplitúdója állandóak (sejtre jellemzők) és függetlenek a stimulus paramétereitől (minden vagy semmi szabály) Tintahal óriás axon Patkány izom Macska szívizomrost 7
Az (idegi) akciós potenciál szakaszai 1. Gyors depolarizáció 2. Csúcspotenciál ( túllövés ) 3. Repolarizáció Utópotenciálok: 4a. Hyperpolarizáló 4b. Depolarizáló 1. 2. 3. Tintahal óriás axon 4b. 4a. Az idegi akciós potenciál ionális mechanizmusa Az ingerléssel kiváltott depolarizáció megközelíti a küszöbértéket.(-50 - - 40 mv) A feszültségfüggő Na + csatornák egy kis része megnyílik. Ha nincs további depolarizáció akkor az ingerület elhal - local response Amint a depolarizáció eléri az aktivációs küszöböt (E m ~ -40 mv), a Na + csatornák tömegesen nyílnak meg, ami további depolarizációhoz és a még inaktív csatornák nyitásához vezet. A folyamat pozitív visszacsatolás révén önfenntartóvá válik. Az aktiválódott Na + - csatornák gyorsan inaktiválódnak A feszültségfüggő K + -csatornák 0,2-0,3 ms késéssel nyílnak. Utópotenciálok: különböző K + csatornák aktiválódása alakítja ki. Az akciós potenciál alatt az IC és az EC folyadékokban az ionkoncentrációk nem változnak szignifikánsan, a Na + és a K + ionok egyensúlyi potenciálja változatlan, az elektrokémiai hajtóerők az aktuális E m -nak megfelelően változnak. Az AP során az IC Na + koncentráció csak kb. 0.013%-kal nő!! 8
A Na + és K + konduktancia változásai az akciós potenciál során A GHK egyenlet szerint a membránpotenciált meghatározza: -EC/IC ionkoncentrációk (minimális változás) -Ionok permeabilitása (konduktanciája): gna + - gyors emelkedés/csökkenés gk + - késleltetett emelkedés/lassú csökkenés Következmények: depolarizáció során E m megközelíti a Na+ egyensúlyi potenciálját (E Na + ~+60 mv) - Repolarizáció során Em megközelíti a K+ egyensúlyi potenciálját (E K +~ - 70mV) E Na+ E 0 E K+ A feszültségfüggő Na + és K + csatornák szerepének különbsége az (idegi) akciós potenciál keletkezésében Normál + TTX + TEA TTX: tetrodotoxin, Nav-csatorna gátló; TEA: tetraehtyl-ammonium, K-csatorna gátló http://www2.neuroscience.umn.edu/eanwebsite/metaneuron.htm 9
A membránok (axonok) ingerelhetőségének jellemzése Stimuláló áram Ingerintenzitás Ingerintenzitás Ingeridő E 0 electrotónusos potenciál 2 x rheobázis rheobázis chronaxia Ingeridő A vastag, velős rostok ingerelhetősége jobb mint a vékony, velőtlen rostoké! (a rheobázis és a chronaxia értéke is alacsonyabb) Az EC kalcium koncentráció változásának hatása a membrán ingerelhetőségére hypokalcémiás tetánia Tetánia hipokalcémia következtében kialakuló izomgörcsök (glottis görcs életveszély!) Hyperkalcémia: Izomgyengeség Fiziológiás Ca 2+ koncentráció 10
A membrán ingerelhetőségének változása az akciós potenciál alatt refrakter periódusok Aktivációs küszöb Refrakter periódus Abszolút refrakter periódus: a membrán nem ingerelhető Relatív refrakter periódus: az ingerlési küszöb emelkedett (erősebb inger kell) következmény: az AP sorozatok frekvenciája korlátozott (max. 500-1000 Hz) A feszültségfüggő Na + -csatorna funkcionális modellje E m depolarizáció repolarizáció Ruhepotential Aktiválható állapot Refrakter állapot Aktiválható állapot A refrakter állapot csak a teljes repolarizáció után szűnik meg! - Lassú tartós depolarizáció felfüggesztheti a membrán ingerelhetőségét 11
A membrán áramok az egyes ioncsatornák elemi áramainak összegződése (eredője) Egy csatorna áramának mérése depolarizáció által kiváltott nyitási események csatorna Whole cell Single channel Az elektrotónusos potenciál terjedése elongált struktúrákban (rostokban) Az EP amplitúdója a távolsággal exponenciálisan csökken - dekrementum Ok: a depolarizáló áram a stimulus helyétől folyamatosan csökken (inhomogén árameloszlás) lokális áramkörök modell (kábelteória) R m membránellenállás R a axon (hossz) ellenállás Hossz konstans (37% E max ): - R m : egyenesen arányos - R a : fordítottan arányos 37% E max 12
Az áramsűrűség térbeli alakulása az ingerlés környezetében (inhomogén eloszlás) R a = axon (hossz) ellenállás az axon vastagsága befolyásolja Az akciós potenciál terjedése az axonokban Ionáramok: Na+ áram depolarizáló hatás Tintahal axon A depolarizáció elektrotónusosan terjed Azokon a területeken, ahol a depolarizáció eléri az aktivációs küszöböt AP jön létre Az AP előrefelé terjed a még nyugalomban lévő membrán ellenállása nagy Visszafelé nincs lehetőség az AP terjedésére: -Azokon a területeken a K + konduktancia nagy, Rm alacsony -Az feszültségfüggő Na+ csatornák refrakter állapotban vannak 20 m/s Vezetés így történik: C-rostokban, izomrostokban, + elektromos nexusokon keresztül (szívizom, simaizom) + elektromos szinapszisban 13
E küszöb Membránpotenciál alakulása E 0 Passzív áramok: főleg K+ efflux ( szivárgó csatornák) Na+ influx: aktivált Na+ csatornák Áramsűrűség alakulása a rost hosszában A helyi potenciál változás sebessége a membrán KAPACITÁSÁTÓL függ!! R a = axon ellenállás Idegrostok (axonok) vezetési sebessége Velőtlen rostok (C-rostok) 1 m/s -- 3,6 km/h Velőshüvelyes rostok (A-alpha) 100 m/s 360 km/h 14
Az axonok vezetési sebessége Az AP vezetési sebessége függ: A depolarizáló áram(ok) erősségétől (Na + csatornák felszíni sűrűsége) A depolarizáció sebességétől (felszálló szár meredeksége) A membrán passzív elektromos (fizikai) tulajdonságaitól: A vezetési sebesség Egyenesen arányos: Membrán ellenállásával Fordítottan arányos: Axonális (hossz) ellenállással (axon átmérő függő; tintahal óriás axon 1mm!!) Membrán kapacitásával (a membrán vastagsága befolyásolja) Gerincesek: myelin (velőshüvely) egyszerre csökkenti a membrán kapacitását és növeli a membrán ellenállását!! Velős és velőtlen rostok és a Schwann sejtek Na+ csatorna: befűződés (zöld) K+ csatorna: paranodium (vörös) 15
Szaltatórikus ingerületvezetés a velős axonokban Ranvier féle befűződés (2µm): AP-ok keletkezése (feszültségfüggő Na+ csatornák) Internodium (2-3000 µm): nincs AP a depolarizáció elektrotónusos tovaterjedése!! Az ingerület terjedése jelentősen lassúbb a befűződéseknél (alacsony Rm nagyobb Ra és membrán kapacitás) Energetikai előny: az internodiumban minimális transzmembrán ionáramlás lényegesen kisebb Na+-K+ ATPáz aktivitásra van szükség AP EP EP EP AP E m L Demyelinizáció: Vezetés lassulása, majd teljes kiesése pl.: sclerosis multiplex 16
A membránpotenciál változásainak regisztrálása extracelluláris elektródákkal Felhasználás: a. ENG: electro-neurogramm EMG: electro-myogramm EKG: electro-cardiogramm EEG: electro-encephalogramm ERG: electro-retinogramm (nem mindig AP aktivitásból ered a regisztrált elektromos jel) a: unipoláris elvezetés: Az aktív elektróda potenciálját egy indifferens (referens) elektróda potenciáljához (0) viszonyítjuk b: bipoláris elvezetés: Mindkét elektróda aktív potenciálkülönbség kiemelése b. AP terjedés Monofázisos akciós potenciál Bifázisos akciós potenciál Az ingerléssel kiváltott akciós potenciálok terjedése a perifériás ideg axonjain Motoneuron vagy vegetatív efferens neuron (KIR/veg. ganglion) efferens axon antidrómos orthodrómos afferens axon orthodrómos antidrómos Szenzoros neuron (szenzoros ganglion) 17
A kevert perifériás ideg compound akciós potenciálja Proximális (centrális) n. Saphenus compound akciós potenciál idő Stimulus disztális Disztális ingerlés-proximális regisztrálás: Efferensek (motor, vegetatív): antidrómos ingerületvezetés Afferensek (szenzoros): orthodrómos ingerületvezetés Classifications of the axons of the mixed peripheral nerves Lloyd and Hunt (Sensory) Erlanger and Gasser (Sensory Diameter and Motor) (µm) Velocity (m/s) Function Ia fibers A-alpha fibers 10 20 largest 50 120 fastest Motor: alpha motor neurons Sensory: muscle spindle Ib fibers A-alpha fibers 10 20 50 120 Sensory: Golgi tendon organ, touch, pressure II fibers A-beta fibers 4 12 25 70 Motor: intrafusal and extrafusal muscle fibers Sensory: muscle spindle, touch, pressure III fibers IV fibers A-gamma fibers A-delta fibers B-fibers C-fibers 2 8 1 5 1 3 <1 10 50 3 30 3 15 <2 Motor: gamma motor neurons, muscle spindle Sensory: touch, pain, temperature Motor: preganglionic autonomic fibers Motor: postganglionic autonomic fibers Sensory: pain, temperature 18