Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál

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

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

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

100 mM KCl -60 mV Cl- K+ Cl- K+ + Cl- K+ Membránpotenciál V Előfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és eltérő diffúziós sebesség :szelektív permeabilitás Szemipermeábilis membrán (átmegy: K+, nem: Cl-, H2O) 1. K+ áramlás a koncentráció- különbség miatt 2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly) Egyensúlyi potenciál V -60 mV Cl- K+ Cl- K+ + Cl- K+ 100 mM KCl 10 mM KCl

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 - 60 mV z cbelső ckülső

+ Cl- K+ -60 mV PK>>PNa=0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl K+ egyensúlyi potenciál !! Em = -60 mV IK=INa=0 PK>>PNa=0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

+ Na+ Cl- +60 mV PNa>>PK=0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl Na+ egyensúlyi potenciál !! Em = + 60 mV IK=INa=0 PNa>>PK=0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

Koncentráció-kiegyenlítődés IK = -INa>0 Em = 0 mV Nincs egyensúly Koncentráció-kiegyenlítődés Na+ V 0 mV K+ PNa=PK>0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

+ PK >>PNa>0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? Na+ K+ 10 mM NaCl V + PK >>PNa>0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? Na+ K+ 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

Koncentráció-kiegyenlítődés V + PK >>PNa>0 PCl=0 “IC” “EC” IK = -INa>0 EK < Em << 0 Koncentráció-kiegyenlítődés Na+ K+ 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

Nyugalomban lévő sejtekre jellemző: PK >>PNa>0 PCl=eltérő 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: 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 ionmegoszlás 2. A membrán permeabilitása a különböző ionokra

A membránpotenciál kiszámítása Em: EK és ENa között van. Em kiszámítható: (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK) - RT pK [K+]IC +pNa [Na+]IC+pCl [Cl-]EC * * * Em= ln * zF pK [K+]EC+pNa [Na+]EC+pCl [Cl-]IC * *

Milyen irányban és mitől változhat a sejt membránpotenciálja? Em : depolarizáció Em : hiperpolarizáció “pozitívabbá válik” “negatívabbá válik” Ionkoncentráció változás (in vivo előfordul, de nem jellemző) pl. DE: [K+]EC  IK  depolarizáció Permeabilitás változás (in vivo a szabályozás fő útja) pl. PK  IK  hiperpolarizáció PNa  INa  depolarizáció

Mi biztosítja a sejtmembrán szelektív permeabilitását? Ioncsatornák felelősek különböző sejtek elektromos 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 Na+ K+

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

A membránpotenciál megmérhető U

Két elektródos voltage clamp U A

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

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

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

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

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

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 (10-12 A) nagyságrendű.) Nyitott Zárt

Makroszkópos áram (sok csatorna áramának eredője)

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

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

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

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 nyitási valószínűség I leak (csurgó) K+ áram EK Em (mV) I ff. csatorna K+ árama (EK és küszöb között IK=0) EK Em (mV) küszöb  -30 mV

FF. K+ csatorna feszültségfüggés a 4. transzmembrán szegmens pozitív 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. transzmembrán szegmens pozitív aminosavai miatt

Befelé rektifikáló K+ csatorna “átjárhatóság” (tömeszelés belülről: Mg2+, spermin) I leak (csurgó) K+ áram EK Em (mV) EK I (nagyítva!) befelé rektifikáló csatorna K+ árama (EK felett: IK>0 csak egy szűk tartományban) Em (mV)

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)

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

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

Feszültségfüggő Na+ csatorna

Na+ szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok C2 C1 Em (mV) ENa Pl.: belül C1=15, kívül C2=140 mM [Na+] INa=0, ha Em=ENa

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

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 Depolarizáció Nyitott Spontán Repolarizáció Inaktiváció: N-típusú (gyors) C-típusú (lassú) Inaktív (nem vezet)

Az inaktiváció kísérletes kimutatása (makroszkópos áram) zárt nyitott inaktív Em INa Idő (ms)

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

Tetrodotoxin (fugu)

Saxitoxin (Dinoflagellate) Kékalga (cyanobaktérium); kagyló megeszi immunizálódik életben marad fertőzött kagylómérgezés 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… 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.

µ-conotoxin Izom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus

µ-conotoxin Izom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus

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

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

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 is IC szignál Fajtái különböznek egymástól: küszöbpotenciál, inaktiváció gyorsasága konduktancia szabályozás farmakológia T tranziens L long lasting (harántcsíkolt izom, feszültségérzékelő) N neuronális

A nem specifikus kationcsatorna nyílás depolarizál 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 mV Em-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) hyperpolarizáció K+ csatorna nyílás, Cl- csatorna nyílás inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP) (elektromos ingerlés; anód közelében)

Elektrotónusos potenciál: térbeli lecsengés IC Em (mV) -65 -70 : Em 1/e részére csökken

Elektrotónusos potenciál: tér- és időbeli lecsengés  : Em 1/e részére csökken V Em Em V I EC idő (ms) IC

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

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.

Akciós potenciál (AP) Ionkoncentrációk folyamatos helyreállítása: Na+/K+-ATPáz depolarizáció késve ff. Na+ csatorna nyílik késői K+ csat. nyílik ff. Na+ csatorna inaktiválódik utóhiperpolarizáció. repolarizáció sokat késve ff. Na+ csatorna újra nyitható késői K+ csat. záródik utóhyperpolarizáció megszűnik

Akciós potenciál (AP) Em (mV) +20 -70 idő (ms) 5

Vezetőképességek változása az AP során Em

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

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

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

+20 mV Ff. K+ csat. 0 mV EPSP -60 mV -80 mV +20 mV 0 mV -60 mV -80 mV Kis eredő PSP Kis AP fr. 0 mV EPSP -60 mV -80 mV +20 mV Nagyobb eredő PSP Nagy AP fr. 0 mV -60 mV -80 mV

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) Injektált áram (pA) 160 msec -50 -60 20 mV

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) Injektált áram (pA) 160 msec -80 -150 20 mV

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) 160 msec Injektált áram (pA) -300 -500 20 mV

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) 160 msec Injektált áram (pA) -700 20 mV

Az akciós potenciál vezetése

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

Vékony rost -60 mV + + + + -60 mV Vastag rost

Vékony rost -60 mV + + + + + + + -60 mV Vastag rost

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

Az akciós potenciál vezetése (saltatoricus ingerületvezetés max. 100-120 m/s) +20 mV 0 mV -60 mV -80 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)