Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál."— Előadás másolata:

1 Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál

2 Töltéssel rendelkező részecskék, ionok diffúziója _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ +

3 Eltérő diffúziós állandójú ionok  diffúziós potenciál _ _ _ _ _ _ _ _ _ A kialakuló potenciálgrádiens lassítja a „+” és gyorsítja a „-” ionok diffúzióját

4 Diffúziós potenciál Eltérő ionmobilitású anion és kation esetén. (pl. egy csepp sósav diffúziója) V + Cl - H+H+

5 Membránpotenciál Előfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és eltérő diffúziós sebesség :szelektív permeabilitás Szemipermeábilis membrán (átmegy: K +, nem: Cl -, H 2 O) 1. K + áramlás a koncentráció- különbség miatt 2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly) + Cl mM KCl 10 mM KCl Cl - K+K+ K+K+ K+K+ V -60 mV Egyensúlyi potenciál

6 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.

7 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 (  C/mol) -Gyakorlatban jól használható formája: -E= log - RT zF c belső c külső c belső c külső - 60 mV z

8 100 mM KCl10 mM KCl 10 mM NaCl100 mM NaCl “IC”“EC” P K >>P Na =0 P Cl =0 E m = ? + Cl - K+K+ K+K+ K+K+ V -60 mV K + egyensúlyi potenciál !! E m = -60 mV I K =I Na =0

9 100 mM KCl10 mM KCl 10 mM NaCl100 mM NaCl “IC”“EC” P Na >>P K =0 P Cl =0 E m = ? + Na + Cl - V +60 mV Na + egyensúlyi potenciál !! E m = + 60 mV I K =I Na =0

10 100 mM KCl10 mM KCl 10 mM NaCl100 mM NaCl “IC”“EC” P Na =P K >0 P Cl =0 E m = ? I K = -I Na >0 E m = 0 mV Nincs egyensúly Koncentráció- kiegyenlítődés Na + V 0 mV K+K+

11 100 mM KCl10 mM KCl 10 mM NaCl100 mM NaCl “IC”“EC” P K >>P Na >0 P Cl =0 V + Na + K+K+ E m = ?

12 100 mM KCl10 mM KCl 10 mM NaCl100 mM NaCl “IC”“EC” P K >>P Na >0 P Cl =0 V + Na + K+K+ I K = -I Na >0 E K < E m << 0 Koncentráció- kiegyenlítődés

13 Stabil membránpotenciál esetén a membránon átfolyó összes áram összege nulla. (A példában I K +I Na =0) (Egyébként valamelyik oldalon töltésfelhalmozódás lenne, és E m 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: P K >>P Na >0 P Cl =eltérő

14 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 E m

15 Mi határozza meg a membránpotenciált??? 1. Az eltérő ionmegoszlás 2. A membrán permeabilitása a különböző ionokra

16 A membránpotenciál kiszámítása E m : E K és E Na között van. E m kiszámítható: (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK) - RT zF p K [K + ] IC +p Na [Na + ] IC +p Cl [Cl - ] EC p K [K + ] EC +p Na [Na + ] EC +p Cl [Cl - ] IC E m = ln * * * * * *

17 Milyen irányban és mitől változhat a sejt membránpotenciálja? E m  : depolarizáció E m  : hiperpolarizáció “pozitívabbá válik” “negatívabbá válik” 1.Ionkoncentráció változás (in vivo előfordul, de nem jellemző) pl. DE: [K + ] EC   I K   depolarizáció 2.Permeabilitás változás (in vivo a szabályozás fő útja) pl. P K   I K   hiperpolarizáció P Na   I Na   depolarizáció

18 Mi biztosítja a sejtmembrán szelektív permeabilitását?  Ioncsatornák felelősek különböző sejtek elektromos tulajdonságaiért

19 KCSA kálium csatorna szerkezete RTG-diffrakciós kép alapján

20 Ioncsatornák Csoportosítás a transzportált ion szempontjából: Na +, K +, Ca 2+, H +, nem-specifikus kation csatornák. Cl - csatornák, nem-specifikus anion csatornák K+K+ Na +

21 Ioncsatornák Csoportosítás szabályozásuk alapján : feszültségfüggő ligandfüggő mechanoszenzitív Csurgó/szivárgó/leak (ez is lehet szabályozott!!!)

22 A membránpotenciál megmérhető U

23 Két elektródos voltage clamp U A

24 U A Két elektródos voltage clamp feszültség clamp (feszültségzár) Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen?

25 Voltage clamp  patch clamp U A Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen?

26 A sejt ionáramainak mérése: patch clamp Teljes sejt (whole cell) felállás Feszültség clamp mért csatornák Pipetta széle és a membrán között NAGY (G  ) ellenállású kapcsolat (seal).

27 A sejt ionáramainak mérése: patch clamp Sejtre tapasztott (cell-attached) felállás Feszültség clamp Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy E m az általam megkívánt érték legyen? mért csatornák

28 A sejt ionáramainak mérése: patch clamp sejtre tapasztott (cell-attached) felállás Feszültség clamp Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy E m az általam megkívánt érték legyen? egy csatorna

29 A sejt ionáramainak mérése: patch clamp kivágott folt (excised patch) felállás Feszültség clamp mért csatorna/csatornák (Akár egy csatorna árama is mérhető, az áram pA ( A) nagyságrendű.) Zárt Nyitott

30 Makroszkópos áram (sok csatorna áramának eredője)

31 pozítív töltés kiáramlás  + áram pozítív töltés beáramlás  - áram Extracelluláris (EC) tér  0 potenciál Nyugalmi membránpotenciál (-20)-(-90) mV -90 mV  -50 mV depolarizáció -90 mV  -96 mV hyperpolarizáció

32 szimmetrikus [K + ] kicsi szimmetrikus [K + ] nagy aszimmetrikus koncentráció csurgó csatorna (GHK rektifikálás) Szivárgó (leak) csatorna, szimmetrikus ionösszetétel

33 szimmetrikus [kis] szimmetrikus [nagy] aszimmetrikus koncentráció csurgó csatorna EKEK aszimmetrikus koncentráció EKEK csurgó (leak) csatorna a sejt membrán- potenciálja

34 A háttér K + csatorna működése hasonló a K + szelektív póruséhoz. E m -t negatív (E K -hoz közeli) értéken stabilizálja. Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi P K -ját. Gátolja a depolarizációt. Repolarizál. (repolarizáció = a depolarizált membrán nyugalmi E m -hez való visszatérése)

35 Feszültségfüggő (ff.) K + csatorna I E m (mV) EKEK nyitási valószínűség leak (csurgó) K + áram I E m (mV) ff. csatorna K + árama (E K és küszöb között I K =0) küszöb  -30 mV EKEK

36 FF. K + csatorna Ált. nem befolyásolja a nyugalmi E m -t. Nem gátolja a kezdeti depolarizációt. Repolarizál. (E m >küszöb esetén) Késői (tetraetil-ammónium (TEA)-érzékeny) és gyors típusai vannak feszültségfüggés a 4. transzmembrán szegmens pozitív aminosavai miatt

37 I E m (mV) EKEK “átjárhatóság” (tömeszelés belülről: Mg 2+, spermin) leak (csurgó) K + áram I (nagyítva!) E m (mV) befelé rektifikáló csatorna K + árama (E K felett: I K >0 csak egy szűk tartományban) EKEK Befelé rektifikáló K + csatorna

38 E m -t negatív (E K -hoz közeli) értéken stabilizálja. Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi P K -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 E m >E K ).)

39 Speciálisan szabályozott K + csatornák Ca 2+ -aktivált K + csatorna : citoplazma [Ca 2+ ]  hatására aktiválódik ATP-szenzitív K + csatorna : olyan bef. rekt. csatorna, ami [ATP]/[ADP]  hatására aktiválódik (pl. O 2 hiány  [ATP]   hiperpol.  sejt aktivitása  ) G-fehérje által aktivált K + csatorna: olyan bef. rekt. csatorna, ami G i fehérje  -alegység kötés hatására aktiválódik (pl. szív szinuszcsomó)

40 TM 1 TM 2 P1 TM 3 TM 4 P2 K2P háttér K + csatorna Kálium csatorna családok szerkezete

41 Feszültség-kapuzott K + csatorna Feszültség-függő Na + csatorna

42 Feszültségfüggő Na + csatorna

43 Na + szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok I E m (mV) C2C2 C1C1 Pl.: belül C 1 =15, kívül C 2 =140 mM [Na + ] I Na =0, ha E m =E Na E Na

44 Feszültségfüggő Na + -csatorna I E m (mV) E Na E m (mV) E Na nyitási valószínűség leak (csurgó) Na + áram ff. csatorna Na + árama küszöb  -60 mV I

45 Feszültségfüggő Na + csatorna Az idegvezetés, az idegsejt a harántcsíkolt- és a szívizom akciós potenciáljának főszereplője Aktivációjához kezdeti depolarizációra van szükség (a nyugalmi E m és a küszöb között). Ezt in vivo más csatornának kell létrehoznia. Aktivációja további depolarizációt okoz, ami öngerjesztő folyamatot, akciós potenciált eredményez.

46 A FF. Na + csatorna (és a FF K + cstornák többsége) inaktiválódik ZártNyitott Inaktív (nem vezet) Depolarizáció Spontán Repolarizáció Inaktiváció: N-típusú (gyors) C-típusú (lassú)

47 EmEm I Na Idő (ms) zártnyitottinaktív Az inaktiváció kísérletes kimutatása (makroszkópos áram)

48 Idő (ms) A megnyílás és az inaktiváció is statisztikus jelenség az elemi áram szintjén EmEm elemi áramok több mérés során egy csatornán összegzett áram

49 Tetrodotoxin (fugu)

50 Saxitoxin (Dinoflagellate) Kékalga (cyanobaktérium); kagyló megeszi immunizálódik életben marad fertőzött kagyló  mérgezés Saxitoxin is a neurotoxin that acts as a selective sodium channel blocker.neurotoxinsodium 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 fishermenSix 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…blue musselsNantucket

51 µ-conotoxin Izom feszültségfüggő,Na + csatornára specifikus

52 µ-conotoxin Izom feszültségfüggő,Na + csatornára specifikus

53 Veratridine Liliomfélék (Fehér zászpa) Aconitin Sisakvirág Batrachotoxin Na + csatorna aktiválók (gátolják az inaktiválást)

54 Batrachotoxin A FF Na + csatorna nem inaktiválódik, permanensen nyitva marad Szteroid-termelő őserdei növény bennszülött Nyílméreg béka Coresine rovar columbiai ESŐERDŐ

55 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

56 Feszültségfüggő Ca 2+ 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 [Ca 2+ ] megváltozása is  IC szignál Fajtái különböznek egymástól: küszöbpotenciál, inaktiváció gyorsasága konduktancia szabályozás farmakológia T tranziens L long lasting (harántcsíkolt izom, feszültségérzékelő) N neuronális

57 A nem specifikus kationcsatorna nyílás depolarizál A nem-specifikus kationcsatornák: áteresztenek Na +, K +, Ca 2+ ionokat elsősorban Na + áramlik be rajtuk in vivo (de fontos lehet a Ca 2+ is). K + sokkal kevésbé ki, mivel K + -ra kisebb a hajtóerő: E m -E K  +20 mV E m -E Na  -130 mV E m -E Ca  -190 mV

58 Cl - csatornák A legtöbb sejtben E m  E Cl, 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. GABA A - és Glicin-receptor) - Ca 2+ -aktivált - cAMP-aktivált (pl. CFTR) - mechanoszenzitív

59 *

60 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 Ca 2+ csatorna küszöbpotenciálját,  akciós potenciálba megy át) okozhatja: nem-specifikus kation csatorna nyílás: receptorpotenciál (generátorpotenciál) excitatoros posztszinaptikus potenciál (EPSP) (elektromos ingerlés; katód közelében) hyperpolarizáció okozhatja: K + csatorna nyílás, Cl - csatorna nyílás inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP) (elektromos ingerlés; anód közelében)

61 Elektrotónusos potenciál: térbeli lecsengés IC ECEC I E m (mV) :  E m 1/e részére csökken

62 Elektrotónusos potenciál: tér- és időbeli lecsengés IC ECEC VV 0 I idő (ms) EmEm EmEm  :  E m 1/e részére csökken

63 1. van befelé Cl - hajtóerő  E m  (IPSP) 2. nincs Cl - hajtóerő   E m =0, de az EPSP ekkor is gátolt (3. kifelé Cl - hajtóerő  E m  ) Cl - csatorna nyílás következményei

64 Akciós potenciál (AP) A sejtre jellemző mintázatú, a sejt (közel) teljes felszínén tovaterjedő feszültségváltozás. Ideg- és harántcsíkolt izomsejten: a ff. Na + csatornák aktivációjának hulláma. Kiváltásához elektrotónusos depolarizáció szükséges a ff. csatorna küszöbéig.

65 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 sokat késve utóhyperpolarizáció megszűnik Ionkoncentrációk folyamatos helyreállítása: Na + /K + -ATPáz

66 Akciós potenciál (AP) E m (mV) +20 idő (ms) 05

67 Vezetőképességek változása az AP során EmEm

68 Tintahal óriás axon áramai EmEm Áram 56 mV depolarizáció Korai “befelé” áram Késői “kifelé” áram

69 Kontroll Áram TTX és TEA hatása az axon áramaira FF Na + csatorna gátlás FF K + csatorna gátlás

70 idő elektrotónusos depolarizáció Az ingerlékenység változásai az AP során csúcspotenciál (tüske (spike)) utódepolarizáció utóhiperpolarizáció kezdeti fokozott ingerlékenység refrakter periódus szupernormális periódus szubnormális periódus EmEm ingerlékenység

71 Kis eredő PSP Nagyobb eredő PSP -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

72 Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) mV 160 msec Injektált áram (pA)

73 mV 160 msec Injektált áram (pA) Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

74 mV 160 msec Injektált áram (pA) Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

75 mV 160 msec Injektált áram (pA) Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

76 Az akciós potenciál vezetése

77 (csupasz idegrost) Ff. Na + csat. -80 mV -60 mV 0 mV +20 mV

78 mV Vékony rost mV Vastag rost

79 mV Vékony rost mV Vastag rost +++

80 Az akciós potenciál vezetése (myelinizált idegrost) Ff. Na + csat. -80 mV -60 mV 0 mV +20 mV

81 Az akciós potenciál vezetése (saltatoricus ingerületvezetés max m/s) mV -60 mV 0 mV +20 mV ++

82 Az akciós potenciál vezetése 1. Gyors, veszteség-, hiba- és torzításmentes 2. Egyirányú 3. Vastagabb rost gyorsabban vezet 4. Velőhüvelyes rost gyorsabban vezet (saltatoricus vezetés)


Letölteni ppt "Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál."

Hasonló előadás


Google Hirdetések