Guyton-Hall: The Textbook of Medical Physiology (11 th ed) című könyvének első két részéből Bevezetés, sejtbiológiai alapok Elektrofiziológia, az ideg- és izomműködés élettana : Email: tamas.ferenci@medstat.hu
Előszó Ezek az élettani vázlatok Guyton-Hall: The Textbook of Medical Physiology (11 th ed) címe könyve alapján készültek. A vizsgára készülésem keretében megírt több mint 30 oldalnyi kézírásos jegyzetet kezdtem el begépelni annak idején, hogy ha már ennyit szenvedtem a megírásukkal :) hátha mások is tudják valamire hasznosítani. Hiányzik 2 fejezet, ami papíron megvan, de még be kellene gépelni; továbbá a már begépelt részeket sem ellenőriztem túl alaposan. Ennek megfelelően ez az anyag nem teljes és persze akár hibákat is tartalmazhat, nem beszélve arról, hogy az egész könyvnek csak a töredéke de talán még így sem teljesen haszontalan. Bármilyen hibajelzést, továbbfejlesztési javaslatot, vagy általában megjegyzést a jegyzettel kapcsolatban örömmel veszek a tamas.ferenci@medstat.hu címen! 2
I. rész Bevezetés, sejtbiológiai alapok 3
1. fejezet Bevezetés, szabályozás Bevezetés Az élő szervezet alapegysége a sejt (ember: 100 billió, 10 14 db) Felnőtt ember 60%-a folyadék (főleg ionok és egyéb anyagok vizes oldata) 1/3 sejten belül: intracelluláris (IC) folyadék 2/3 sejten kívül: extracelluláris (EC) folyadék lényegében ez jelenti az összes sejt számára a környezetet, milieu interieur A folyadékterek jellemzői EC: sok Na +, Cl, CO 2 3, tápanyagok (oxigén, glükóz, zsírsavak, aminosavak), elszállított salakanyagok (pl. szén-dioxid) IC: sok K +, Mg 2 +, PO 3 4 a kettőt határoló sejthártyákon át: jellegzetes transzport-folyamatok Homeosztázis: a belső környezet állandóságának fenntartása (vérkeringés, tápanyagok bevitele, végtermékek eltávolítása, stb.) Szabályozás Például: CO 2 légzés, baroreceptorok vérnyomás Jellemzők: legtöbbször negatív feedback (a kiváltó hatás gyengítése irányában hat) Gain = Correction Error (pl. 100 mmhg artériás középnyomásnál (MAP) transzfúzió; végén a MAP 175 helyett csak 125 mmhg, ekkor Gain = 50 25 = 2; termoreguláció sokkal jobb: G T 30... 40) Pozitív feedback sokszor veszélyes circulus vicius (pl. vérvesztés szívkoszorúér-keringés romlása szív pumpafunkciójának további romlása coronaria keringés tovább romlik és így tovább... ) de néha hasznos is lehet, pl. véralvadás Egyéb megoldások: feed-forward, adaptív irányítás is 4
2. fejezet A sejt és funkciói 100 billió, azaz 10 14 darab sejt az emberben Felépítés Két fő alkotóelem sejtmag cytoplasma A sejtmagot a cytoplasmától a maghártya; a cytoplasmát a külvilágtól a sejthártya választja el Fő felépítő anyagok víz: zsírsejtek kivételével minden sejtben, 70-85% ionok: K +, Mg 2 +, PO 3 4, SO2 4, CO2 3 (legfontosabbak) Na +, Cl, Ca 2 + (kisebb mennyiségben) fehérjék: 10-20% lipidek szénhidrátok Fizikai struktúra, szerveződés Sejthártya 7,5-10 nm vastag alapstruktúra: lipoid kettősréteg (bilayer) hidrofób farki résszel szembefordult lipoidrétegek fehérjék is találhatóak a membránban integráns (vagy transzmembrán) fehérjék: beékelődtek a sejthártyába perifériás fehérjék: kívülről csatlakoznak a sejthártyához integráns fehérjék funkciói csatornákat képeznek 5
UNIT I Chapter 2 karrier fehérjék (anyagok szállítása a külvilágból a sejtbe) enzimek receptorfehérjék (pl. hormonkötők) sejt külső felszínén szénhidrát burok, a glycocalyx Cytoplasma és organellumai cytosol: a cytoplasma folyadék része endoplasmicus reticulum csatornácskákból és üregekből álló hálózat a felszínéhez apró szemcsék riboszómák kötődhetnek Golgi-apparátus ahol van: durva felszínű endoplasmaticus retikulum szerep: fehérjemolekulák szintézisében ahol nincs: sima felszínű endoplasmaticus reticulum szerep: pl. lipidek felszívásában és anyagcseréjében az endoplasmaticus reticulummal működik együtt váladéktermelő sejtekben domináns legfontosabb szerep: összetett szénhidrátok létrehozásában lizoszómák intracelluláris emésztőrendszer (károsodott sejtalkotók, bekerült tápanyagok, nemkívánatos anyagok, pl. baktériumok) 250-750 nm átmérőjű belül 5-8 nm átmérőjű granulák, melyek akár 40 különféle bontóenzimből épülnek fel ezek végzik az emésztést membrán határolja, sérülése esetén önemésztés indulhat meg peroxiszómák: hidrogén-peroxid képző és egyéb lebontó enzimek, pl. alkohol detoxikálása mitokondriumok: sejtek energiaforrásai a tápanyagokból adenozin-trifoszfátot (ATP) gyártanak, önállóan tudnak reprodukálódni filamentumok microtubulusok: a filamentumokkal együtt a sejt alapvázát, a cytoskeletont alkotja Sejtmag: nagymennyiségű DNS-t tartalmaz, osztódni képes Maghártya: a sejtmagot határolja; rajta pórusokkal Magvacska 6
UNIT I Chapter 2 sejtmagon belül található, nincs membránja fehérjét és RNS-t tartalmaz fehérjeszintézisben van szerepe Sejtek működése, életjelenségei Tápanyag bekerülése tápanyagok bejutása a sejtbe: diffúzió és aktív transzport (jórészt) nagy részecskék: endocitózis (két fajtája: pinocitózis és fagocitózis) pinocitózis nagy makromolekulák, pl. fehérjék csak így tudnak a sejtbe belépni a molekulák általában a sejtfelszínen lévő receptorokhoz kötődnek ezután a sejthártya körbeöleli, és vezikulum formájában bekerül a cytoplasmába fagocitózis: hasonló a pinocitózishoz, de molekulák helyett nagy részecskék, pl. baktériumok, szövettörmelékek Emésztés a bekebelezett anyagot tartalmazó vezikulumokhoz lizoszómák kapcsolódnak a lizoszómák a vezikulumokba ürítik bontóenzimeiket, melyek elvégzik az emésztést ezután a visszamaradt ún. reziduális test exocitózissal (az endocitózis fordítottja) kilép a sejtből károsodás esetén a sejt részleges vagy teljes megsemmisítése is a lizoszómák feladata (a teljes sejt megemésztése az autolízis) Sejtalkotók szintézise két kulcsszereplő: endoplasmaticus reticulum és a Golgi-apparátus fehérjék lipidek durva felszínű ER-ban képződnek részben a cytosolba, részben az ER belsejébe, az endoplasmaticus mátrixba kerülnek a szintetizált fehérjék jórészt a sima felszínű ER-ban az ER-ból leszakadó vezikulumok vándorolnak a Golgi-apparátushoz Golgi-apparátus szerepe bizonyos szénhidrátok szintézise (amire az ER nem képes) 7
UNIT I Chapter 2 az ER-ban szintetizált anyagok további feldolgozása vezikulumok az ER-ból a Golgi-apparátusba; onnan vezikulumok a külvilágba (exocitózis) Energia felszabadítása a tápanyagokból átalakulások szénhidrátok glükóz piroszőlősav fehérjék aminosavak zsírok zsírsavak a glikolízis (glükóz piroszőlősav) csak a teljes energiatermelés 5%-ért felelős (2 ADP 2 ATP) ezután a piroszőlősav, az aminosavak és a zsírsavak acetil-coa-vá alakulnak az acetil-coa belép a mitokondriumba és ott (oxigénnel reagálva) vízzé és szén-dioxiddá bomlik le eközben hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, mely 36 ADP-t alakít ATP-vé a sejt tehát akármilyen forrásból is származzon az energia, azt ATP-vé alakítja ( energiavaluta ) ebből visszanyerhető a benne raktározott energia, ha ADP-vé bomlik; ez az energia különféle célokra hasznosulhat, elsősorban: Mozgás membránon keresztüli transzportfolyamatok különféle anyagok (pl. fehérjék) szintézise mechanikai munka állábakkal (amoeboid mozgás): pl. fehér vérsejtek csillókkal (ciliaris mozgás) ostorral (flagelliumos mozgás): pl. spermiumok 8
3. fejezet Gének, fehérjeszintézis, sejt reprodukció DNS RNS fehérje A DNS alkotóelemei foszforsav dezoxiribóz nitrogéntartalmú bázis purin adenin (A) guanin (G) pirimidin timin (T) citozin (C) A foszforsav és a dezoxiribóz láncot alkot; két ilyen csavarodik fel egy kettős héixbe A nitrogéntartalmú bázisok a hélix két láncát kötik össze A mindig T-vel, G mindig C-vel kerül szembe a két lánc között, a két bázis között pedig hidrogénkötés alakul ki A genetikai kódot a három ilyen bázisból álló ún. triplettek hordozzák Fehérjeszintézis A DNS tartalma átíródik RNS-be, ez a transzkripció Az RNS hasonlít a DNS-hez, de a benne lévő cukor dezoxiribóz helyett ribóz timin helyett uracil (U) van benne A transzkripció egy RNS polimeráz nevű enzim hatására zajlik le az RNS polimeráz felismeri a DNS szálban lévő ún. promotert és onnantól szétválasztja a kettős hélixet 9
UNIT I Chapter 3 a DNS-ben lévő bázisok komplementereiből egyesével felépül az RNS-lánc a DNS ún. lánc-záró szekvenciáját elérve az RNS szintézise befejeződik, a DNS hélixe újra összezáródik az RNS bázisai a DNS komplementerét alkotják (csak timin helyett uracillal) az RNS fajtái: messenger RNS, transzfer RNS, riboszomális RNS A messenger RNS (mrns) tárolja a fehérje felépítéséhez szükséges információt ( aminosavak sorrendje) ugyanis minden bázistriplett megfelel aminosavnak (egy aminosavnak általában több triplett is), valamint a lánckezdés és a lánczárás utasításokhoz is tartoznak triplettek A transzfer RNS (trns) az aminosavakat szállítják a fehérjeszintézis helyére, a riboszómákhoz minden aminosavnak saját trns-e van (némelyiknek több is) a trns egyik oldalán köti a szállított aminosavat, másik oldalán felismeri a kérdéses aminosavnak megfelelő mrns szekvenciát (kodon-antikodon) így a trns-ek az mrns-ben kódolt információ szerint hozzák az aminosavakat a fehérje szintetizálásához A riboszomális RNS (rrns) a fehérjeszintézis helye a sejtben a riboszóma a riboszómák 60%-a rrns (a maradék: fehérjék és enzimek) a riboszóma együttműködik a fehérjeszintézis során a másik két RNS típussal: a trns-ek hozzák a beépítendő aminosavakat, az mrns-ek pedig a beépítés sorrendjére vonatkozó információkat a riboszómák tehát lényegében a fehérjék gyártóüzemei Fehérjék képződése a riboszómában, a transzláció az mrns a lánckezdő kodontól indulva végighalad a riboszómán, miközben legyártódik a benne kódolt fehérje ez a transzláció a már leolvasott, riboszómából klépő mrns-vég gyakran belép egy másik riboszómába, így a fehérje gyártása egyszerre több helyen is zajlik (mindegyik más fázisban tart), akár 3... 10 riboszóma is egyszerre ezek az egységek a poliriboszómák a riboszómák nem specifikusak: bármelyik képes bármilyen fehérjét gyártani nagyon sok riboszóma az endoplasmaticus reticulumhoz kötődik a termelt fehérjék nagyobb része a cytosolba jut, és csak kisebb része az ER-be 10
UNIT I Chapter 3 a riboszómák ATP felhasználásával kialakítják a peptidkötéseket a trns-ek által odaszállított aminosavak között (melyek az mrns szerinti sorrendben fognak állni, mert minden trns a saját helyéhez kapcsolódik) Biokémiai aktivitás szabályozása genetikai: a szintetizált termékek gátolják a szintézisért felelős DNS területek érvényre jutását enzimatikus: a szintézishez szükséges enzimek aktivációja/inhibíciója; szintén negatív feedback Sejt reprodukció Inhibíció nélkül az emlős sejtek életciklusa 10-30 óra: ennek végén kettéosztódnak (mitózis), ami körülbelül 30 percet vesz igénybe a sejtek idejük 95%-ában osztódások közötti szakaszban (itnerfázisban) vannak Emberi szervezetben (az inhibitáló hatások miatt) a sejtek életciklusa lehet 10 óra (csontvelő), de lehet az ember egész élete is (idegsejtek) A reprodukció első lépése a DNS megkettőződése (replikáció) minden kromoszómában a kettős hélix mindkét szála duplikálódik, az elejétől a végéig az ezt segítő enzim a DNS polimeráz a hélix szálainak szétbontását és összeillesztését egy DNS ligáz nevű enzim segíti A megkettőződést ellenőző és javító folyamatko követik ezek hibája esetén lép fel mutáció A sejtmag DNS hélixei kromoszómákba csomagolódnak A sejt tényleg kettéosztódása a mitózis; ennek részei: profázis prometafázis metafázis anafázis telofázis Apoptózis Programozott sejthalál: szükségtelenné vált sejtek önfelszámolása 11
UNIT I Chapter 3 Rák Ezzel ellentétesen, a sérülés hatására történő sejtelhalás a necrosis ekkor a sejt belső tartalma kiszabadulhat, károsodást okozva a környezetben, pl. gyulladáshoz vezehet (apoptózisnál nincs ilyen) Egészséges esetben az apoptózis és a sejtek létrejötte egyensúlyban van Szinte mindig mutáció, vagy sejtosztódásért felelős gén más módon történő aktivációja okozza (az abnormális gén neve: onkogén) A mutálódott sejtek töredéke vezet csak rákhoz (elpusztulnak, immunrendszer, stb.) A mutáció valószínűsége csekély a DNS pontos replikációja miatt de ezt megnöveli pl. ionizáló sugárzás, bizonyos vegyianyagok, fizikai irritáció, öröklött tendencia stb. A rákos sejtek kontroll nélkül nőnek; kisebb adhéziójuk miatt könnyen leszakadnak és (a véráramba kerülve) máshol kezdhetnek el szaporodni Megölik a többi, nem korlátlanul osztódó sejtet, mert ugyanazokért a tápanyagokért kompetálnak a rákos sejtek fognak győzni 12
II. rész Elektrofiziológia, az ideg- és izomműködés élettana 13
4. fejezet Anyagszállítás a sejthártyán keresztül EC-ben sok Na + és kevés K + ; IC-ben pont fordítva EC-ben sok Cl, IC-ben kevés; IC-ben viszont sok PO 3 4 és fehérje Sejthártya jellemzői Sejthártya: lipoid kettősréteg, fehérjemolekulákkal Ez a lipoid kettősréteg nem átjárható a víz és a vízoldékony anyagok számára csak néhány zsíroldokény anyag tud közvetlenül átjutni a sejthártyán A sejthártyát fehérjék szíktják meg, ezek jórésze transzport fehérjeként tud működni csatornaképző fehérjék (a bennük lévő csatornán át víz és bizonyos ionok, molekulák szabad mozgását teszik lehetőve) karrier fehérjék (a szállítandó iont vagy molekulát megkötik, majd konformációs változás következik be az ion vagy molekula bentre kerül) Ezek a fehérjék általában szelektívek A transzemembrán transzport (akár a kettősrétegen, akár fehérjén kereszül zajlik) két folyamatra épülhet Diffúzió diffúzió (random molekula-mozgás; hajtóerő: normál hőmozgás) aktív transzport (karrier fehérje az energiagradiens ellenében (pl. kis koncentráció nagy koncentráció) mozgat anyagot, így energiaforrást igényel Spontán hőmozgás, molekulák egymással ütközése energiaátadással a molekulák véletlenszerűen pattognak a gázokban és folyadékokban diffúzió Sejthártyán keresztüli diffúzió formái egyszerű diffúzió: hőmozgás miatti diffúzió (karrier fehérje nem játszik szerepet) 14
UNIT II Chapter 4 közvetlenül a kettősrétegen át: zsíroldékonyság a meghatározó (O 2 -re, N 2 -re, CO 2 -ra, alkoholokra jó könnyen átjutnak, zsíroldékonysággal arányosan O 2 szinte ellenállás nélkül fehérjecsatornán át: így ját át a víz és más, kisméretű vízoldékony anyagok (méret kritikusan fontos) facilitált diffúzió: a transzportot karrier fehérje segíti Fehérjecsatornál: összeköttetést teremtenek az EC és az IC tér között. Jellemzőik: szelektív permeabilitás: csak bizonyos ionok vagy molekulák jutnak át okok: csatorna geometriája (pl. átmérő), elektromos töltése, kémiai kötései pl.: Na + -csatorna, 0,3 0,5 mm, erősen negatív töltéssel (dehidrált Na + -ot vonzza) pl.: K + -csatorna, 0,4 0,3 mm, töltés nélkül (vonzás nincs, de a hidrált K + sokkal kisebb, mint a hidrált Na + csak a K + fér át) kapuzás (gating): változóképes ionpermeabilitás feszültségvezérelt kapuzás: a sejthártya elektromos potenciálja nyitja/csukja a kaput. Pl. Na-csatorna nyílik, ha a sejt belseje veszít negatív töltéséből; vagy pl. K-csatorna nyílik, ha a sejt belseje pozitívan töltött lesz ligandfüggő kapuzás: a nyitást/csukást egy meghatározott anyagnak a csatornafehérjéhez való kötődése okozza, pl. acetilkolin csatorna csatorna vagy teljesen nyitva van, vagy teljesen zárva (ha egy feszültségnél állandóan nyitva van, egy másiknál pedig állandóan csukva, akkor a kettő között feszültségeken a megfelelő frekvenciával folyamatosan nyit és csuk) ionáramok kimérés (akár egyetlen csatornára is): patch-clamp technika (µm-es sejthártyadarabka felszívása mikropipettára, és ott mérés) Facilitált diffúzió: egy karrier fehérje segíti a diffúziót a kívül lévő molekula ráköt a karrier fehérje egy pontjára konformációs változás a fehérjében a molekula bekerül a kötés elég gyenge, így ott leszakad ez csak olyan gyorsan történhet, amilyen gyorsan a karrier fehérje kapcsolgatni tud míg az egyszerű diffúzió sebessége a koncentrációkülönbséggel egyenesen arányos, adddig a facilitált diffúzió sebessége egy adott sebességnél betelít facilitált diffúzióval lépi át a membránt glukóz (és egyéb hasonló monoszacharidok; az inzulin 10-20-szorosával is gyorsítani tudja a diffúziót aminosavak a facilitált diffúzió oda-vissza működik 15
UNIT II Chapter 4 Nettó diffúziós sebességet befolyásoló tényezők koncentrációkülnbség (a diffúziósebesség arányos a koncentrációkülönbséggel) potenciálkülönbség (töltött részecskéket akkor is diffúzióra késztet, ha nincs koncentrációkülönbség amíg a felépülő koncentrációkülönbség ellent nem tart; ekkor e.m.e [mv]=±61 log c 1 c 2 egy vegyértékű ionokra, e.m.e=elektromotoros erő; ez a Nernst-egyenlet egy formája) nyomáskülönbség (kapillárisok membránján akár 20 mmhg is lehet; diffúzió arányos ezzel) Ozmózis a membrán két oldalán eltár pl. a víz koncentrációja, ezért nettó vízáramlás lesz oka lehet: szelektíven permeabilis membrán pl. víz át tud jutni, Na + és Cl nem ha az egyik oldalon víz van, a másikon NaCl oldat, a víz igyekszik hígitani az NaCl oldatot ahogy áramlik be a víz, bent megnő a nyomás, és egy ponton (az ún. ozmotikus nyomásnál) ez épp ellentart a beáramlásnak az ozmotikus nyomás az oldott molekulák darabszámától és nem a tömegétől függ ezt fejezi ki az osmole (Osm): anyagmennyiség szorozva azzal, hogy hány molekulára disszociál egy molekula. Molalitás = oldott anyag anyagmennyisége / oldószer tömege; végül osmolalitás: ugyanet, csak oldott anyag Osm-ban. IC és EC folyadék ozmolalitása kb. 300 mosm/kg testhőmérskéleten 1 mosm/liter megfelel 19,3 mmhg ozmotikus nyomásnak; így a testen belül 5790 mmhg kéne, hogy lgyen a testfolyadékban az ozmotikus nyomás (valójában csak 550 mmhg, mert sok ion, pl. Na + és Cl kötődik egymáshoz és nem mozognak teljesen szabadon) ozmolalitás helyett használatos az ozmolaritás is (oldott anyag anyagmennyisége / oldat térfogata); az ozmotikus nyomást az ozmolalitás határozza meg, de az ozmolaritást könnyebb mérni, és híg oldatokban (pl. emberben) a kettő jó közelítéssel egyezik Aktív transzport Néha kell: nagy koncentráció IC-ben, miközben EC-ben kevés (pl. K + ), vagy fordítva (pl. Na + ) ez spontán diffúzióval nem jöhet létre Molekulák mozgatása koncentrációgradiens ellenében: aktív transzport Ilyenben vesz részt pl. aminosavak többsége Na +, K +, Ca 2+, Fe, H +, Cl, I, urea, cukrok, 16
UNIT II Chapter 4 Ebben is karrier fehérjék vesznek részt (de aktív energiafelvétel mellett) Fajtái primer (elsődleges) aktív transzport: energiaforrás ATP, vagy más nagy energiájú foszfát-kötés szekunder (másodlagos) aktív transzport: energiaforrás primer aktív transzporttal létrehozott koncentrációkülönbség Primer aktív transzport: a Na + -K + pumpa a sejt Na és K koncentrációjának beállításáért felel, és a sejten belüli negatív potenciált hozza létre a karrier fehérje egy nagyobb α- és egy kisebb β részegysségből áll a kisebb részegység funkciója ismeretlen, talán a sejthártyához rögzítést szolgálja a nagyobb részegységben három receptorterület Na + -nak (belül két receptorterület K + -nak (kívül) a fehérje belső részében ATPáz aktivitás működés: kívül beköt 2 K +, belül 3 Na +, majd 1 ATP-t ADP-vé alakítva a pumpa kicseréli a két iont fordítva is tud működni (ezt a koncentrációviszonyok határozzásk meg); ekkor ATP-t szintetizál néhány sejtnél akár az energiafelvétel 60-70%-a is a Na + -K + pumpa működtetésére mehet fontos szerepe van a sejt méretének szabályozásában (enélkül hamar szétrobbanna a sejt), hiszen 3 Na + -ot csak 2 K + -ra cserél (ráadásul a Na + kevésbé tud visszajönni, mert rá kisebb a sejthártya permeabilitása) elektrogén pumpa (a sjet belsejét negatív felé tolja működése közben) Primer aktív transzport: Ca 2+ ionok IC-ben rendkívül kevés Ca 2+ két Ca 2+ -pumpa egyik EC-be pumpál, másik IC vezikuláris organellumokba (szarkoplazmás retikulum, vagy pl. mitokondrium) a karrier fehérje itt is ATPát funkciójú Primer aktív transzport: H + ionok jelentős: gyomorban (gyomorsav) és vesében (ph beállítás) Primer aktív transzport enegiaigénye: E[kalória/osmole]=1400log c 1 c 2 Szekunder aktív transzport 17
UNIT II Chapter 4 Na + -ot sejten kívülre viszi a primer aktív transzport de vissza akarnak jönni ebben energia raktározódik ezt használja ki a szekunder aktív transzport miközben a Na + visszajön a gradiens irányába, cserébe valami a gradiensel szemben transzportálódik ha ez a Na + -mal együtt, kintről befelé jön: kotranszport (szimport) ha ez a Na + -mal szemben, bentről kifelé megy: ellentétes transzport (antiport) a transzportált anyagok megfelelő karrier fehérjére kötődnek, ami elvégzi a transzportot Szekunder aktív transzport: glukóz, ill. aminosavak a Na + -mal (kotranszport) bélben és vesében jelentős a glukóz-na + és az aminosav-na + párokhoz több különböző karrier fehérje tartozik kotranszport: Na + /glukóz vagy aminosav egyaránt kívülről megy be (Na + -ból kívül van sok, glukózból ill. aminosavból bent) Szekunder aktív transzport: Ca 2+ ill. H + ionok a Na + -mal (ellentétes transzport) Ca 2+ -Na + szinte minden sejtben Ca 2+ -H + különösen a vesében jelentős A transzport sokszor kiterjedt felületen történik és nem egyetlen sejthártyán (pl. bélben) ekkor jellemzően az egyik oldalon aktív transzport, a szemben lévőn egyszerű, vagy facilitált diffúzió zajlik. 18
5. fejezet Membránpotenciál és akciós potenciál Elektromos potenciálkülönbségek szinte minden sejthártyánál vannak, szerepük sokrétű Membránpotenciál alapjai Példa: sejthártyán belül sok K +, kívül kevés. A hártya csak K + számára átjárható a K + megy kifelé (koncentrációkülönbség miatti elektrokémiai gradiens) ezért kint pozitívabb lesz a tér, bent negatívabb egy ponton ez épp ellent fog tartani a koncentrációkülönbségnek ekkor a benti potenciál -94 mv lenne. Ugyanez, de kint sok Na +, bent kevés: ez önmagában +61 mv-ot hozna létre. Látható, hogy a szelektíven permeabilis membránok két oldalán potenciálkülönbség jöhet létre. A koncentrációkülönbség és a létrejövő feszültség között a Nernst-egyenlet tartja a kapcsolatot: e.m.e.[mv ] = ±61 log c bent c kint Ennek kiterjesztése több ionra, mindegyikre eltérően permeabilis sejthártyával, az élettan szempontjából jelentős esetben: e.m.e.[mv ] = ±61 log P Na +[Na+ ] bent + P K +[K + ] bent + P Cl [Cl ] kint P Na +[Na + ] kint + P K +[K + ] kint + P Cl [Cl ] bent Goldman Hodgkin Katz egyenlet A Na +, a K + és a Cl lényeges ideg- és izomsejtekben a membránpotenciál szempontjából a koncentrációjuk jelentőségét a membrán rájuk vett permeabilitása súlyozza a jeltovábbításban (a membránpotenciál változtatásában) P Na + és P K + változása a jelentős A membránpotenciál változtatásához hihetetlenül kevés töltött ion átásamlása is elég 19
UNIT II Chapter 5 Nyugalmi membránpotenciál idegsejtben Befolyásoló tényezők Na + -K + pumpa: elektrogén (3 Na + ki, de csak 2 K + be) K + -Na + szivárgó csatornák: csatornaképző fehérjén; K + -ra 100-szor permeabilisabb, mint Na + -ra A nyugalmi membránpotenciál értéke -90 mv, ennek kialakulása ha csak K + áramlásával számolunk: -94 mv lenne (membrán minden másra impermeabilis: 61 log 140mM 4mM = 94mV ) csak a Na + +61 mv-ot adna ( 61 log 14mM 142mM ), de a kettő együtt -86 mv, ugyanis a sejthártya 100-szor permabilisabb K + -ra, így az lesz a döntő a Na + -K + pumpa 4 mv-nyi negatívosítást jelent, így lesz a végeredmény -90 mv Akciós potenciál idegben Jeltovábbítás akció potenciálokkal (AP) hirtelen változás a membránpotenciálban AP-nél hirtelen permeabilissá válik a sejthártya Na + -ra bezúdul a Na + sejt pozitív irányba megy, ez a depolarizáció (gyakran túllövéssel nulla fölé, akár +35 mvig is, más sejtekben csak 0-ig) Ezután Na + -ra való permeabilitás normalizálódik, de K + -ra vett megnő K + kiáramlás helyreállítja a negatív membránpotenciált, ez a repolarizáció Mindez néhány tized ms alatt játszódik le De- és repolarizációban a feszültségfüggő Na + és K + csatornák játszanak kulcsszerepet Feszültségfüggő Na + csatorna két kapuja van: külső oldalon az aktivációs, belsőn az inaktivációs nyugalomban az aktivációs zárt, az inaktivációs nyitott Na + nem tud átjutni kb. -70... -50 mv-nál konformációs változás: aktivációs kapu nyit aktivált állapot, Na + át tud jutni, a membrán rá vett permeabilitása 500... 5000- szeresére nő a megnövekedett feszültség az inaktivációs kaput bezárja, de csak néhány tized ms késéssel (ez lassabb konformáció-változás) pont elég AP létrejöttéhez ha egyszer lezárt, az inaktivációs kapu csak akkor nyit újra, ha a membránpotenciál normalizálódik Feszültségfüggő K + csatorna 20
UNIT II Chapter 5 csak egy kapuja van, a belső oldalon akkor nyit, amikor a potenciál elkezd pozitívba menni -90 mv-ról de kis késéssel, ezért kb. akkorra nyit ki, mire a feszültségfüggő Na + -csatorna záródik repolarizáció A fenti jelenségek vizsgálata: voltage-clamp-technika (egy elektróda az IC feszültségét méri, egy másik áramot ad az IC térbe, hogy a feszültséget egy előre beállított értéken tartsa az így adott áram a mintában folyó ionárammal lesz arányos) Az egyes csatornák szelektív megbénítása is lehetséges különféle vegyi anyagokkal Na + -csatorna blokkolása: tetrodotoxin (TTX) K + -csatorna blokkolása: tetraetil-ammónium (TEA) Az AP lezajlása nyugalomban a Na + és K + konduktanciájának aránya 0,01 (a szivárgócsatornák jellegzetessége) AP kezdetekor a Na + konduktancia 5000-szeresére ugrik (feszültségfüggő Na + -csatornák nyitása) 0,1 ms alatt konduktancia-arány 10-re felmegy, a membránpotenciál pedig akár +50 mv-ig is a beáramló Na + miatt néhány tized ms múlva a feszültségfüggő Na + -csatornák zárnak ezalatt nyílni kezdenek a feszültségfüggő K + -csatornák, mire kinyílnak, a feszültségfüggő Na + -csatornák be is záródnak konduktancia-arány 0,001-re is lemehet K + áramlik ki túllövéssel (utó-hiperpolarizálódással), de beáll a nyugalmi membránpotenciál értéke feszültségfüggő K + -csatornák záródnak, konduktancia-arány visszaáll 0,01-re Más ionok szerepe az AP-ben (a Na + -on és a K + -on kívül) negatív töltésű ionok (anionok) az idegsejt axonján belül: fehérjemolekulák anionjai, szerves foszfát, szulfát anionok stb. nem tudnak kilépni (pozitív ionok hiánya esetén felelnek a negatív töltésért) Ca 2+ ionok: minden sejtben Na + -pumpához hasonló Ca 2+ -pumpa Na + -mal együtt, vagy helyette is részt vehet AP létrehozásában vannak feszültségfüggő Ca 2+ -csatornák is: Na + számára is átjárható (hívják ezért Ca 2+ -Na + -csatornának is), de 10-20-szor lassabban aktiválódik, mint a Na + -csatorna ez az ún. lassú csatorna, a Na + pedig a gyors csatorna szíviziomban és simaizomban jelentős (néhány utóbbiban az AP-ért is felelős) 21
UNIT II Chapter 5 Ca 2+ mennyisége a Na + -csatornákat aktiváló feszültség nagyságát is befolyásolja kevesebb Ca 2+ -nál könyebben nyílnak a Na + -csatornák, könyebben jön létre AP ingerelhetőbb az ideg. Ca 2+ koncentráció felére csökkenésénél már tetanizálódhat a beidegzett izom (légzőizom esetén ez halált is okozhat). Ok: a Ca 2+ a Na + -csatorna fehérjéjének külső felére köt, és befolyásolja a csatornát alkotó fehérjét. AP keletkezése inger nélkül folyamatos nyugalmi állapot, AP nincs de ha valami miatt -90 mv-ról megnő a membránpotenciál feszültségfüggő Na + -csatornák nyitnak tovább nő a membránpotenciál pozitív visszacsatolású kör AP indul van egy minimális ingerszint, ami be tudja indítani a fenti lavinát (kell: belépő Na + száma > kilépő K + ), ennek értéke 15... 30 mv. Tehát kb. -65 mv-ra kell emelni a membránpotenciált, hogy berobbanjon az AP, ez a kb. -65 mv az ún küszöbfeszültség. Az AP terjedése egy ponton létrejövő AP általában (a szomszédos sejthártya területeket ingerelve) tovaterjed középen ingerelve egy idegrostot, ott AP alakul ki, és a beáramló Na + miatt mindkét irányban ingerületbe jön a sejthártya mindkét irányba tovaterjed a depolarizációs hullám. Ez az ún. ideg- (vagy izom-) impulzus. minden vagy semmi elv: küszöb alatti ingerlésnél nincs válasz, a fölött ingerléstől függetlenül ugyanaz az AP a válasz ha egy ponton már nincs elég feszültség a szomszédos terület ingerléséhez megáll az AP terjedése Normál ionkoncentráció visszaállítása AP után egy AP alig változtatja meg a Na + és K + koncentrációkat egy nagy idegrost 100 000... 50 millió impulzust tud továbbítani, mielőtt felborulni az ionegyensúlya ezzel együtt is, az ionegyensúlyt helyre kell állítani ezt végzi a Na + -K + - pumpa (AP alatt bekerült plusz-na + megy ki, elfogyott K + -ot pótol) ez energia (ATP) igényes (idegimpulzus-frekvenciával arányos hőtermelődéssel is jár) többlet IC Na + ingerli a Na + -K + -pumpát (IC Na + koncentrációjának 3. hatványával arányosan) Plató az AP-ben a depolarizáció nem szűnik meg azonnal, hanem egy túllövést (tüske) követően állandósul, és csak ezután jön a repolarizáció 22
UNIT II Chapter 5 szívizomban 0,2-0,3 s hosszú ez a plató; okai: két csatornatípus vesz részt a depolarizálásban: a szokásos, gyors Na + - csatornák és a lassú Ca 2 +-csatornák; ez utóbbi jóval lassabban nyit és a platóért felel, az előbbi a tüskéért az elején a feszültségfüggi K + -csatornák a szokottnál lassabban nyitnak (a plató legvégénél) Ritmikus AP-k ingerelhető szövetekben ritmikus, öngerjesztő kisülések lépnek fel pl. a szívben (szívverés), legtöbb simaizomban (bél-perisztaltika) és a központi idegrendszer sok neuronjában ezeken kívül, szinte bármilyen ingerelhető szövet képes ismétlődő kisülésekre, ha a küszöbfeszültség eléggé lecsökken (okozhatja pl.: veratrin vagy hipokalcémia, mindkettő a sejthártya Na + permeabilitását növeli) spontán ritmicitáshoz nyugalomban is eléggé Na + permeabilis sejthártya kell a nyugalmi potenciál értéke -70... -60 mv nem tudja teljesen zárva tartani a Na + - (és Ca 2+ -) csatornákat a beáramló Na + és Ca 2+ még jobban emeli a membránpotenciált pozitív visszacsatolás AP a repolarizáció után ms... s várakozás, majd újabb AP miért van ez a szünet? mert az AP végén megnő a K + permeabilitás, ez túllövést okoz: a membrán a normálisnál negatívabb lesz az AP végén (utó-hiperpolarizáció) ennek meg kell szűnnie, mielőtt jönne a követező AP (membránpotenciálnak vissza kell nőnie a küszöbig) Ingervezetés idegekben az ideg idegrostokból épül fel az idegrostok lehetnek velőhüvelyesek (myelin-hüvelyesek) vagy velőhüvely nélküliek tipikus velőhüvelyes idegrost részei axon (a sejthártyája vezeti az AP-t) axoplazma (az axon belsejét tölti ki) myelin-hüvely (körbeveszi az axont, gyakran még az axonnál is vastagabb) Ranvier-féle befűződés (1-3 mm-enként) a myelin-hüvelyt Schwann sejtek építik fel ezek a sejtek többször körbeölelik az axont a benne lévő sphingomyelin nevű lipid nagyon jó elektromos szigetelő két Schwann-sejt között 2-3 mm-nyi szigeteletlen rész (itt lehetséges ionáramlás), ez a Ranvier-féle befűződés 23
UNIT II Chapter 5 a myelinhüvelyen nem tudnak átjutni ionok AP csak a befűződéseknél az AP így befűződésről-befűződésre ugrál, ez az ún. szaltatórikus vezetés (ekkor ionáram folyik két befűződés között az axoplazmában, valamint kívül, megkerülve a myelin-hüvelyt) a szaltatórikus vezetés előnyei a nagyobb ugrások miatt 5... 50-szer gyorsabb vezetés energiatakarékos (csak a befűződéseknek kell depolarizálódniuk) a jó szigetelés miatt kevés ion átáramlása kell a repolarizációnál vezetési sebesség: 0,25 m/s (kis, velőhüvely nélküli) - 100 m/s (nagy, velőhüvelyes) Ingerlés, AP kiváltása bármi jó lehet, ami a Na + ionokat bejuttatja: mechanikus, vegyi, elektromos ingerlés laborban legtöbbször árammal fémelektródon Küszöb alatti ingerlésnél is lesz válasz (csak nem AP) elektrotónusos jelenségek Küszöb alatti ingernél a negatív feedback még képes lecsillapítani a hatást és visszaállítani a membránpotenciált, küszöb felett a pozitív feedback lesz a domináns beindul az AP Depolarizált állapotban, miután az Na + (és/vagy a Ca 2+ ) csatornák már bezáródtak, egy ideig semmilyen ingerre nem nyílnak ki ekkor új AP nem váltható ki, a sejt nem ingerelhető, ez az abszolút refrakter stádium (hossza nagy velőhüvelyes rostban kb. 1/2500 s) Ingerelhetőség csökkentése amíg a hipokalcémia növeli az ingerelhetőséget, a hiperkalcémia csökkenti (mert csökkenti a sejthártya Na + permeabilitását) stabilizáló hatású ugyanilyen hatásúak bizonyos helyi érzéstelenítők: a Na + -csatorna aktivációs kapujára hatnak úgy, hogy azok nehezebben nyitnak ki ingerelhetőség csökken egy ponton az ideg már egyáltalán nem tud idegimpulzust továbbítani procain (Novocain, Prokain klorid inj., Hemorid végbélkúp) tetracaine (Drill cukorka) Membránpotenciál és AP regisztrálása: mivel tört-ms-ok alatt játszódik le oszcilloszkóppal (a regisztrátumon az AP előtt a stimulálás okozta artefaktum is meg fog jelenni) 24