Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál

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

5 100 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

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 cbelső ckülső - 60 mV z cbelső ckülső

8 + 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

9 + 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

10 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

11 + 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

12 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

13 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> PCl=eltérő

14 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

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

16 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 * *

17 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

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+, Ca2+ , H+, nem-specifikus kation csatornák. Cl- csatornák, nem-specifikus anion csatornák Na+ K+

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

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

26 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

27 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

28 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

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 (10-12 A) nagyságrendű.) Nyitott Zárt

30 Makroszkópos áram (sok csatorna áramának eredője)

31 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 mV  -50 mV depolarizáció mV  -96 mV hyperpolarizáció

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

33 [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

34 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)

35 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

36 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

37 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)

38 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 ).)

39 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)

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

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

42 Feszültségfüggő Na+ csatorna

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

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

45 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.

46 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)

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

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

49 Tetrodotoxin (fugu)

50 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.

51 µ-conotoxin Izom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus

52 µ-conotoxin Izom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus

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

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

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 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

57 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

58 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

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 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)

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

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

63 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)

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) 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

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

67 Vezetőképességek változása az AP során
Em

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

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

70 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

71 +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

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

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

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

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

76 Az akciós potenciál vezetése

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

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

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

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

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