Upload
alpha
View
72
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál. +. +. +. +. +. +. +. +. +. _. _. _. _. _. _. _. _. _. Töltéssel rendelkező részecskék, ionok diffúziója. +. +. +. +. +. +. +. +. _. _. _. _. _. _. _. _. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Diffúziós potenciálMembránpotenciálAkciós potenciál
Töltéssel rendelkező részecskék, ionok diffúziója
_
+
_
+
_
+ _
+ _
+
_+ _
+ _
+
_
+
Eltérő diffúziós állandójú ionok diffúziós potenciál
_
_
_
_
_ _
_ _
+
+
++
+
+
+
+
+_
A kialakuló potenciálgrádiens lassítja a „+” és gyorsítja a „-” ionok diffúzióját
Diffúziós potenciálEltérő ionmobilitású anion és kation esetén.
(pl. egy csepp sósav diffúziója)
V
+
Cl- H+
MembránpotenciálElőfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és
eltérő diffúziós sebesség :szelektív permeabilitásSzemipermeábilis membrán (átmegy: K+, nem: Cl-, H2O)
1. K+ áramlás a koncentráció- különbség miatt
2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly)
+
Cl-
100 mM KCl 10 mM KCl
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
V
-60 mV
Egyensúlyi potenciál
Az egyensúlyi potenciál jellemzői
- nagyon kevés 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.
Az egyensúlyi potenciál kiszámítása
- Nernst egyenlet:
E= ln
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:
- E= log
- RT
zF
cbelső
ckülső
cbelső
ckülső
- 60 mV
z
100 mM KCl 10 mM KCl
10 mM NaCl 100 mM NaCl
“IC” “EC”
PK>>PNa=0
PCl=0
Em = ?
+
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
V
-60 mV
K+ egyensúlyipotenciál !!
Em = -60 mV
IK=INa=0
100 mM KCl 10 mM KCl
10 mM NaCl 100 mM NaCl
“IC” “EC”
PNa>>PK=0
PCl=0
Em = ?
+
Na+
Na+
Na+
Cl-
Cl-
Cl-
V
+60 mV
Na+ egyensúlyipotenciál !!
Em = + 60 mV
IK=INa=0
100 mM KCl 10 mM KCl
10 mM NaCl 100 mM NaCl
“IC” “EC”
PNa=PK>0
PCl=0
Em = ?IK = -INa>0
Em = 0 mV
Nincs egyensúlyKoncentráció-kiegyenlítődés
Na+
V
0 mV
K+
100 mM KCl 10 mM KCl
10 mM NaCl 100 mM NaCl
“IC” “EC”
PK >>PNa>0
PCl=0
V
+Na+
K+
Em = ?
100 mM KCl 10 mM KCl
10 mM NaCl 100 mM NaCl
“IC” “EC”
PK >>PNa>0
PCl=0
V
+Na+
K+
IK = -INa>0
EK < Em << 0
Koncentráció-kiegyenlítődés
Stabil membránpotenciál esetén a membránon átfolyó összes áram összege nulla. (A példában IK+INa=0) (Egyébként valamelyik oldalon töltésfelhalmozódás lenne, és Em változna)
Ha membrán többféle ionra is permeábilis, akkor hosszú idő után a koncentrációk kiegyenlítődhetnek. (A példában mindkét oldalon [Na+] = [K+] = 55 mM értéken).
Sejtekben ezt a Na+/K+-pumpa akadályozza meg.
Nyugalomban lévő sejtekre jellemző:
PK >>PNa>0 PCl=eltérő
Egy ‘átlagos’ nyugvó 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 Em
Mi határozza meg a membránpotenciált???
1. Az eltérő ionmegoszlás2. A membrán permeabilitása a különböző ionokra
A membránpotenciál kiszámítása
Em: EK és ENa között van.
Em kiszámítható: (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK)
- RTzF
pK [K+]IC +pNa [Na+]IC+pCl [Cl-]EC
pK [K+]EC+pNa [Na+]EC+pCl [Cl-]IC
Em= ln **
*
*
*
*
Milyen irányban és mitől változhat asejt membránpotenciálja?
Em : depolarizáció Em : hiperpolarizáció “pozitívabbá válik” “negatívabbá válik”
1. Ionkoncentráció változás (in vivo előfordul, de nem jellemző)pl.
DE: [K+]EC IK depolarizáció
2. Permeabilitás változás (in vivo a szabályozás fő útja)
pl. PK IK hiperpolarizációPNa INa depolarizáció
Mi biztosítja a sejtmembrán szelektívpermeabilitását?
Ioncsatornák
felelősek különböző sejtekelektromos tulajdonságaiért
KCSA kálium csatorna szerkezete RTG-diffrakciós kép alapján
Ioncsatornák
Csoportosítás a transzportált ion szempontjából:
Na+, K+, Ca2+ , H+, nem-specifikus kation csatornák.
Cl- csatornák, nem-specifikus anion csatornák
K+Na+
Ioncsatornák
Csoportosítás szabályozásuk alapján :
feszültségfüggő
ligandfüggő
mechanoszenzitív
Csurgó/szivárgó/leak (ez is lehet szabályozott!!!)
A membránpotenciál megmérhető
U
Két elektródos voltage clamp
U A
U A
Két elektródos voltage clampfeszültség clamp (feszültségzár)
Mekkora áramot kell átfolyatnom,hogy Em az általammegkívánt értéklegyen?
Voltage clamp patch clamp
U A
Mekkora áramot kell átfolyatnom,hogy Em az általammegkívánt értéklegyen?
A sejt ionáramainak mérése: patch clampTeljes sejt (whole cell) felállás
Feszültség clamp
mért csatornák
Pipetta széle és amembrán között
NAGY (G) ellenállású
kapcsolat (seal).
A sejt ionáramainak mérése: patch clampSejtre tapasztott (cell-attached) felállás
Feszültség clamp
Mekkora áramot kell átfolyatnom,
hogy Em az általammegkívánt érték
legyen?
mért csatornák
A sejt ionáramainak mérése: patch clampsejtre tapasztott (cell-attached) felállás
Feszültség clamp
Mekkora áramot kell átfolyatnom,
hogy Em az általammegkívánt érték
legyen?
egy csatorna
A sejt ionáramainak mérése: patch clampkivágott folt (excised patch) felállás
Feszültség clamp
mért csatorna/csatornák(Akár egy csatornaárama is mérhető, az árampA (10-12 A) nagyságrendű.)
Zárt
Nyitott
Makroszkópos áram(sok csatorna áramának eredője)
pozítív töltés kiáramlás + árampozítív töltés beáramlás- áram
Extracelluláris (EC) tér 0 potenciál
Nyugalmi membránpotenciál (-20)-(-90) mV
-90 mV -50 mV depolarizáció -90 mV -96 mV hyperpolarizáció
szimmetrikus [K+]kicsi
szimmetrikus [K+]nagy
aszimmetrikus koncentráció
csurgó csatorna (GHK rektifikálás)
Szivárgó (leak) csatorna, szimmetrikus ionösszetétel
szimmetrikus [kis]
szimmetrikus [nagy]
aszimmetrikus koncentráció
csurgó csatorna
EK
aszimmetrikus koncentráció
EK
csurgó (leak) csatorna
a sejtmembrán-potenciálja
A háttér K+ csatorna működése hasonló a K+
szelektív póruséhoz.
• Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja.
• Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját.
• Gátolja a depolarizációt. Repolarizál.
(repolarizáció = a depolarizált membrán nyugalmi Em-hez való visszatérése)
Feszültségfüggő (ff.) K+ csatorna
I
Em (mV)
EK
nyitásivalószínűség
leak (csurgó)K+ áram
I
Em (mV)
ff. csatornaK+ árama
(EK és küszöbközött IK=0)
küszöb -30 mV
EK
FF. K+ csatorna
• Ált. nem befolyásolja a nyugalmi Em-t.
• Nem gátolja a kezdeti depolarizációt.
• Repolarizál. (Em>küszöb esetén)
• Késői (tetraetil-ammónium (TEA)-érzékeny) és gyors típusai vannak
feszültségfüggés a 4. transzmembránszegmens pozitív aminosavai miatt
I
Em (mV)
EK
“átjárhatóság”(tömeszelés
belülről:Mg2+, spermin)
leak (csurgó)K+ áram
I (nagyítva!)
Em (mV)
befelé rektifikáló csatorna K+ árama
(EK felett: IK>0csak egy szűktartományban)
EK
Befelé rektifikáló K+ csatorna
Befelé rektifikáló K+ csatorna
• Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja.
• Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját.
• Csak a depolarizáció kezdetét gátolja, nem repolarizál.
• (A csatorna a nevét a nagyobb és ezért (kísérleti körülmények között) jobban mérhető befelé áramról kapta, azonban ez in vivo nem jön létre (mivel Em>EK ).)
Speciálisan szabályozott K+ csatornák
• Ca2+-aktivált K+ csatorna : citoplazma [Ca2+] hatására aktiválódik
• ATP-szenzitív K+ csatorna : olyan bef. rekt. csatorna, ami [ATP]/[ADP] hatására aktiválódik(pl. O2 hiány [ATP] hiperpol. sejt aktivitása)
• G-fehérje által aktivált K+ csatorna: olyan bef. rekt. csatorna, ami Gi fehérje -alegység kötés hatására aktiválódik (pl. szív szinuszcsomó)
TM1
TM2
P1
TM3
TM4
P2
K2P háttér K+ csatorna
Kálium csatorna családok szerkezete
Feszültség-kapuzott K+ csatornaFeszültség-függő
Na+ csatorna
Feszültségfüggő Na+ csatorna
Na+ szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok
I
Em (mV)
C2
C1
Pl.: belül C1=15, kívül C2=140 mM [Na+]INa=0, ha Em=ENa
ENa
Feszültségfüggő Na+-csatorna
I
Em (mV)
ENa
Em (mV)
ENa
nyitásivalószínűség
leak (csurgó)Na+ áram
ff. csatornaNa+ árama
küszöb -60 mV
I
Feszültségfüggő Na+ csatorna
• Az idegvezetés, az idegsejt a harántcsíkolt- és a szívizom akciós potenciáljának főszereplője
• Aktivációjához kezdeti depolarizációra van szükség (a nyugalmi Em és a küszöb között).Ezt in vivo más csatornának kell létrehoznia.
• Aktivációja további depolarizációt okoz, ami öngerjesztő folyamatot, akciós potenciált eredményez.
A FF. Na+ csatorna (és a FF K+ cstornák többsége) inaktiválódik
Zárt Nyitott
Inaktív (nem vezet)
Depolarizáció
Spon
tán
Repolarizáció
Inaktiváció:
N-típusú (gyors)C-típusú (lassú)
Em
INa
Idő (ms)
zárt nyitott inaktív
Az inaktiváció kísérletes kimutatása(makroszkópos áram)
Idő (ms)
A megnyílás és az inaktiváció is statisztikusjelenség az elemi áram szintjén
Em
elemi áramok több mérés során
egy csatornán
összegzettáram
Tetrodotoxin (fugu)
Saxitoxin (Dinoflagellate)Kékalga (cyanobaktérium); kagyló megeszi immunizálódik életben marad
fertőzött kagylómérgezés
Saxitoxin is a neurotoxin that acts as a selective sodium channel blocker. One of the most potent natural toxins known (0,2 mg is fatal), it acts on the voltage-gated sodium channels of nerve cells, preventing normal cellular function and leading to paralysis. A more insidious aspect of the colourful history of saxitoxin has to be its involvement in covert government operations and in chemical warfare.
Six fishermen prepared a meal of baked fish, boiled rice, boiled potatoes and boiled blue mussels that they had harvested themselves off the coast of Nantucket. An hour after finishing the meal, their mouths started to tingle. Their face, arms, legs and tongue soon went numb…
µ-conotoxinIzom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus
µ-conotoxinIzom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus
VeratridineLiliomfélék (Fehér zászpa)
AconitinSisakvirág
Batrachotoxin
Na+ csatorna aktiválók (gátolják az inaktiválást)
Batrachotoxin
A FF Na+ csatorna nem inaktiválódik, permanensen
nyitva marad
Szteroid-termelőőserdei növény
bennszülött
Nyílméreg béka
Coresinerovar
columbiaiESŐERDŐ
Batrachotoxin
A FF Na+ csatorna nem inaktiválódik, permanensen
nyitva marad
Idegrendszeri + szívhatás
0.5 µg halálos, nincs antidotum
A mérgezés kezelésére még a leghatékonyabb a tetrodotoxin
Feszültségfüggő Ca2+ csatornák Szerkezete hasonlít a FF Na+ csatornáéra
Aktivációjuk további depolarizációt okoz öngerjesztő folyamatot, akciós potenciált eredményez vagy hozzájárul az akciós potenciál depolarizáló szakaszához.
Működésének nemcsak a potenciálváltozás a fontos következménye, hanem az IC [Ca2+] megváltozása isIC szignál
Fajtái különböznek egymástól:küszöbpotenciál,inaktiváció gyorsaságakonduktanciaszabályozásfarmakológia
T tranziensL long lasting (harántcsíkolt izom, feszültségérzékelő)N neuronális
A nem specifikus kationcsatorna nyílásdepolarizál
A nem-specifikus kationcsatornák:
• áteresztenek Na+, K+, Ca2+ ionokat
• elsősorban Na+ áramlik be rajtuk in vivo (de fontos lehet a Ca2+ is). K+ sokkal kevésbé ki, mivel K+-ra kisebb a hajtóerő:
Em-EK +20 mV Em-ENa -130 mVEm-ECa -190 mV
Cl- csatornák
• A legtöbb sejtben Em ECl, vagyis nincs hajtóerő. A csatorna nyílás nem okoz lényeges ionáramot.
• Egyes (pl. hám-, simaizom-, idegsejtekben) ettől eltérés lehet (szekréció/reszorpció, gátló neurotranszmitterek).
• Szabályozásra pl.:- Ligandfüggő (pl. GABAA- és Glicin-receptor)- Ca2+-aktivált- cAMP-aktivált (pl. CFTR)- mechanoszenzitív
*
Elektrotónusos potenciál
Jellemzői: - lokális, nem tovaterjedő, nem öngerjesztő- térben és időben lecseng
(: térkonstans, : időkonst.)
Lehet:depolarizáló (ha ingerlékeny sejtben eléri a sejtre jellemző ff. Na+ vagy Ca2+ csatorna küszöbpotenciálját, akciós potenciálba megy át)okozhatja: nem-specifikus kation csatorna nyílás:
receptorpotenciál (generátorpotenciál)excitatoros posztszinaptikus potenciál (EPSP)
(elektromos ingerlés; katód közelében)
hyperpolarizációokozhatja: K+ csatorna nyílás, Cl- csatorna nyílás
inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP) (elektromos ingerlés; anód közelében)
Elektrotónusos potenciál: térbeli lecsengés
IC
EC
I
Em (mV)
-65
-70: Em 1/e részére csökken
Elektrotónusos potenciál: tér- és időbeli lecsengés
IC
EC
V
V
0I
idő (ms)
Em
Em
: Em 1/e részére csökken
1. van befelé Cl- hajtóerő Em (IPSP)
2. nincs Cl- hajtóerő Em=0, de az EPSP ekkor is gátolt
(3. kifelé Cl- hajtóerő Em)
Cl- csatorna nyílás következményei
Akciós potenciál (AP)
• A sejtre jellemző mintázatú, a sejt (közel) teljesfelszínén tovaterjedő feszültségváltozás.
• Ideg- és harántcsíkolt izomsejten: a ff. Na+ csatornák aktivációjának hulláma.
• Kiváltásához elektrotónusos depolarizáció szükséges a • ff. csatorna küszöbéig.
Akciós potenciál (AP)
depolarizáció
ff. Na+ csatorna nyílik
ff. Na+ csatorna inaktiválódik
ff. Na+ csatorna újra nyitható
repolarizáció
késői K+ csat. nyílik
utóhiperpolarizáció.
késői K+ csat. záródik
késve
sokatkésve
utóhyperpolarizációmegszűnik
Ionkoncentrációkfolyamatos
helyreállítása:Na+/K+-ATPáz
Akciós potenciál (AP)
-70
Em (mV)
+20
idő (ms)0 5
Vezetőképességek változása az AP során
Em
Tintahal óriás axon áramai
EmÁ
ram
56 mV depolarizáció
Korai “befelé” áram
Késői “kifelé” áram
KontrollÁ
ram
TTX és TEA hatása az axon áramaira
FF Na+ csatorna gátlás
FF K+ csatorna gátlás
idő
elektrotónusosdepolarizáció
Az ingerlékenység változásai az AP során
csúcspotenciál (tüske (spike))
utódepolarizáció
utóhiperpolarizáció
kezdeti fokozott ingerlékenység
refrakter periódus
szupernormális periódus
szubnormális periódus
Em
ing
erlé
ken
ység
Kis eredő PSP
Nagyobb eredőPSP
-80 mV-60 mV
0 mV+20 mV
-80 mV-60 mV
0 mV+20 mV
Nagy AP fr.
Kis AP fr.
Ff. K+ csat.
EPSP
Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)
-50
-60
20 mV
160 msec Injektált áram (pA)
-80
-150
20 mV
160 msec Injektált áram (pA)
Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)
-300
-500
20 mV
160 msec Injektált áram (pA)
Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)
-700
20 mV
160 msec Injektált áram (pA)
Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)
Az akciós potenciál vezetése
Az akciós potenciál vezetése(csupasz idegrost)
+ + +
+ + ++
Ff. Na+ csat.
-80 mV-60 mV
0 mV+20 mV
+ + +
-60 mVVékony rost
+ + +
-60 mVVastag rost
++ +
-60 mVVékony rost
++ +
+ + +
-60 mVVastag rost
+ + +
Az akciós potenciál vezetése(myelinizált idegrost)
+ + +
+ + ++
Ff. Na+ csat.-80 mV-60 mV
0 mV+20 mV
Az akciós potenciál vezetése(saltatoricus ingerületvezetés
max. 100-120 m/s)
+ + ++
-80 mV-60 mV
0 mV+20 mV
+ +
Az akciós potenciál vezetése
1. Gyors, veszteség-, hiba- és torzításmentes
2. Egyirányú
3. Vastagabb rost gyorsabban vezet
4. Velőhüvelyes rost gyorsabban vezet (saltatoricus vezetés)