Potencjał spoczynkowy i czynnościowyMarcin Koculak
Biologiczne mechanizmy zachowania
©https://backyardbrains.com/
3
Prąd jest uporządkowanym ruchem cząstek posiadających niezerowy ładunek elektryczny.
Ciała stałe – elektrony
Ciecze, gazy – jony
Anion – jon ujemny
Kation – jon dodatni
Napięcie to względna miara, informująca o różnicy potencjałów pomiędzy dwoma punktami.
Istota prądu
4
A – synapsa elektryczna
1 – kierunek przepływu impulsu
2 – wymiana jonów pomiędzy komórkami
B – synapsa chemiczna
1 – kierunek przepływu impulsu
2 - pęcherzyki z neurotransmiterem
3 – wyrzut neurotransmitera
4 – aktywacja receptorów
Potencjałem błonowym nazywamy różnicę potencjałów pomiędzy wnętrzem komórki i jej otoczeniem.
Przyjmujemy, że potencjał po zewnętrznej stronie błony wynosi zero (obowiązująca konwencja).
Napięcie pomiędzy obu stronami błony jest po prostu potencjałem wnętrza komórki mierzonym względem jej otoczenia.
5
Potencjał błonowy
Polaryzacja błonywnętrze komórki zawiera więcej jonów ujemnych względem jej otoczenia (różnica ładunku elektrycznego).
Potencjał spoczynkowy:§ Neuron: od -60 do -70mV
§ Kom. mięśnia poprzecznego: -95mV
§ Kom. mięśnia gładkiego: -60mV
§ Fotoreceptor: -40mV
6
Polaryzacja błony
Polaryzacja błony:
w cytoplazmie występują ujemnie naładowane aniony białkowe; nierównomierne rozmieszczenie jonów nieorganicznych między cytoplazmą a toczeniem komórki - Na+, K+, Cl-, Ca2+
Gradient elektryczny:
różnica ładunku elektrycznego pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórki
Gradient stężeń:
różnica w rozmieszczeniu jonów pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórki
Pompa sodowo-potasowa:
mechaniczne regulowanie ilości jonów Na+ oraz K+
7
Stan spoczynkowy neuronu
8
Gradient stężeń Gradient elektryczny
Przed osiągnięciem równowagi
Po osiągnięciu równowagi
Przed osiągnięciem równowagi
Po osiągnięciu równowagi
Gradienty
Stężenie [mM]
Jony Wewnątrz Na zewnątrz
Neurony ośmiornicy
Potas (K+) 400 20
Sód (Na+) 50 440
Neuron ssaka
Potas (K+) 140 5
Sód (Na+) 5-15 145
Chlor (Cl-) 4-30 110
Wapń (Ca2+) 0,0001 1-2
9
Bilans jonów w neuronie
11
Pompy sodowo-potasowe
Płyn zewnątrzkomórkowy
Wnętrzekomórki
Błona komórkowaneuronu
Pompa sodowo(Na+) - potasowa(K+)
Pompa sodowo(Na+) - potasowa(K+)
Zapobiega wpływaniu do wnętrza komórkowego wypompowanych jonów
Na+ i pozwala na częściowe wypływanie z wnętrza komórkowego wcześniej
wpompowanych jonów K+
Pompa ta jest skuteczna tylkoze względu na selektywną
przepuszczalność błony
Selektywna przepuszczalność błony komórkowej
Różnice aktywności poszczególnych kanałów jonowych:
§ H2O, CO2, O2 i mocznik – stale otwarte
§ K+ – przymknięte
§ Na+ – zamknięte
12
Mechanizmy regulacji potencjału
Powstanie potencjału spoczynkowego jest spowodowane przede wszystkim tendencją K+ do przepływania zgodnie z gradientem stężeń tych jonów z wnętrza na zewnątrz błony komórkowej.
13
Powoduje to pozostanie niewielkiegonadmiaru ładunku ujemnych po wewnętrznej stronie błony.
Inne jony (np. sodu) jedynie w niewielkim stopniu wpływają na wartości potencjału spoczynkowego.
Celowość potencjału spoczynkowego
14
Zmniejszenie ujemnego potencjału elektrycznego
błony komórkowej spowodowane napływem
przez kanały jonowe w błonie komórkowej jonów Na+ do cytoplazmy komórki
(potencjał zmienia się średnio od
−70 mV do +10 mV)
Depolaryzacja błony
15
W przypadku gdy na błonę komórkową działa seria bodźców podprogowych jeden po drugim, każdy z nich podnosi potencjał błonowy, aż kolejny staje się bodźcem progowym, zjawisko to nazywamy sumowaniem w czasie.
W przypadku gdy na błonę komórkową działa jednocześnie duża liczba bodźców podprogowych zjawisko to nazywamy sumowaniem w przestrzeni.
Bodźce „podprogowe”
16
Jest przejściową zmianą potencjału błonowego komórki, związaną z przekazywaniem informacji.
Bodźcem do powstania potencjału czynnościowego jest zmiana potencjału elektrycznego w środowisku zewnętrznym komórki.
Wędrujący potencjał czynnościowy nazywany jest impulsem nerwowym.
Potencjał czynnościowy (iglicowy)
17
„Wszystko albo nic":
Wszystkie potencjały czynnościowe, w danej komórce
mają tą samą wielkość. Do zapoczątkowania potencjału czynnościowego niezbędny jest bodziec
o intensywności wystarczającej do zdepolaryzowanianeuronu powyżej określonej wartości progowej.
Silniejsza stymulacja neuronów (bodźcami
ponadprogowymi) nie prowadzi do wytwarzania silniejszych potencjałów. Może natomiast prowadzić
do zwiększenia częstotliwości wytwarzania potencjałów przez neuron.
Wszystkie potencjały czynnościowe
w danej komórce osiągają tę samą amplitudę.
Potencjał czynnościowy
19
Depolaryzacja błony zmienia konformację
białka
Depolaryzacja
Hiperpolaryzacja
Kanał zamknięty Kanał otwarty
Przepływjonów
Przepuszczalność kanałów Na+ zależy od różnicy potencjałów po obu stronach błony
Kanały sodowe napięciowozależne
W odpowiedzi na depolaryzację, następuje aktywacja potasowa,
czyli otwarcie kanałów dla odkomórkowegoprądu kationów potasowych.
Powoduje to zmianę potencjału wnętrza
komórki z powrotem na ujemny, czyli repolaryzację.
Ostatecznie, potencjał błonowy osiąga wartość spoczynkową, gdy:
1. kanały K+ przechodzą w stan zamknięty (lub dezaktywują się w sposób zależny od czasu)
2. aktywuje się pompa sodowo-potasowa (wymaga to czasu)
20
Kanały potasowe
21
Refrakcja bezwzględnakomórka nie jest w stanie odpowiedzieć na żaden bodziec (nie można wygenerować potencjału czynnościowego) (Kanały Na+)
Refrakcja względnapotrzeba silniejszego bodźca aby wywołać ponowny potencjał czynnościowy)
Refrakcja względna i bezwzględna
22
Refrakcjabezwzględna
Refrakcjawzględna
Potencjał czynnościowy
Przepuszczalność jonów Na+
Pot
encj
ał bło
now
y (m
V)
Czas (milisekundy)
Rel
atyw
na p
rzep
uszc
zaln
ość
bło
ny
(wie
lokr
otność
prz
enik
alnośc
i N
a+
przy
pot
encj
ale
spoc
zynk
owym
)
Przepuszczalność jonów K+
Refrakcja względna i bezwzględna
Podlega zasadzie „wszystko albo nic”
Ograniczony jest refrakcją względną i bezwzględną(wynikających z aktywności, odpowiednio, kanałów potasowych i sodowych)
Charakterystyka potencjału czynnościowego zależy od:
§ stymulacji otrzymywanej przez neuron(silniejsza stymulacja nie generuje silniejszego potencjału, jednak jej ilość
moduluje pobudliwość neuronu oraz częstość potencjałów)
§ budowy aksonu i stopnia jego zmielinizowania
23
Potencjał czynnościowy
24
Jądro
Ciało
Zakończeniapresynaptyczne
Włóknomięśniowe
Przewężenie Ranviera
Osłonamielinowa
Wzgórekaksonalny
Kolce dendrytyczne
Dendryty
Budowa neuronu – akson
ZALEŻY OD:
• Grubości włókna nerwowego im większa średnica, tym mniejszy opór przewodzenia.
• Obecności osłonki mielinowej we włóknach osłonkowych występuje przewodzenie skokowe, natomiast we włóknach bez osłonki zachodzi przewodzenie przez ciągłość.
• Ilości synaps występujących w drodze nerwowej.
25
Szybkość przenoszenia informacji
26
Kanały Na+ lokalnie otwarte –generowanie potencjału
czynnościowego
Lokalny przepływ prąduStymulacja
Propagacja potencjału czynnościowego wzdłuż aksonu
Nieaktywne kanały Na+, kanały K+
otwarte. Repolaryzacja, refrakcja
Lokalna depolaryzacja powoduje otwarcie sąsiednich kanałów Na+, co generuje potencjał
czynnościowy
Kanał Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
Kanał K+
Akson
Propagacja potencjału w aksonie (bez mieliny)
29
Do zapamiętania:
§ potencjał spoczynkowy i czynnościowy
§ Gradient stężeń i elektryczny
§ Polaryzacja błony, depolaryzacja, repolaryzacja oraz hiperpolaryzacja
§ Refrakcja względna i bezwzględna
§ Włókna aksonalne:zmielinizowane oraz niezmielinizowane
Podsumowanie