Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben
Elektrofiziológiai jelenségek és a transzportfolyamatok kapcsolata
Transzportfolyamatok a sejt nyugalmi állapotában
A nyugalmi potenciál jelentősége
A nyugalmi potenciál értelmezése:
-Donnan vagy egyensúlyi modell a sejt homeosztázisának (sejttérfogat, pH) fenntartása
-Transzport modell
ingerlékenység -Elektromos modell érzékelés jelátadás
A sejtmembrán elektromos modellje:
membrán
extracelluláris tér
Im INa
++++ ----
elektromotoros erő ICl
IK
gNa U0Na
vezetőképesség
gK
gCl
U0K
U0Cl
Um
kapacitás
A nyugalmi potenciál megváltozása 1. A membrán “passzív” elektromos tulajdonságai
intracelluláris tér
I m = I ion + I c Konduktív áram
Kapacitív áram
I c = Cm
Változik, ha a csatorna vezetőképessége potenciálfüggő
ingerlő elektród
Kísérlet
ΔU m Δt
mérő elektród
Miért éppen így?
Áramirány : pozitív töltések áramlásásának iránya.
membrán
extracelluláris tér intracelluláris tér
Nem így Nem így
Hol is láttam már ehhez hasonlót?
Miért éppen így? A membrán elektromos tulajdonságai miatt: -ellenállás -kapacitás
Párhuzamos RC-kör töltése és kisütése UC=I0R(1-e 100%
-t/τ)
UC=U0e-t/τ
63% 37%
τ=RC
Összevetése az elektromos modellel:
I ion + I c = I m = 0 a membrán kapacitása
Im INa ++++ ----
IK
gNa (Um-U0Na)= INa
ICl
gNa
gK
gCl
U0Na
U0K
U0Cl
τ = Cm Rm
gion (Um-U0)= Iion
Um
Cm
ΔU m ΔU m − U 0 + − I inger = 0 Δt Rm
Az ingerlés kezdetétől eltelt idő
t − ⎡ ⎤ Rm C m U m (t ) = U t ⎢1 − e ⎥ ⎣⎢ ⎦⎥
A membránpotenciál időbeli változása
a membrán keresztirányú ellenállása
A membránpotenciál telítési értéke
τ a membrán időállandója: az az idő, ami alatt az impulzussal keltett feszültségváltozás -eléri a telítési érték 63%-át vagy -az ingerlés megszünte után e-ed részére csökken
1
-1
obligát ugrásmentes változtatható amplitúdójú változtatható irányú analóg lokalizált
-1
Um (mV)
Um (mV)
t − ⎡ ⎤ Rm C m U m (t ) = U t ⎢1 − e ⎥ ⎣⎢ ⎦⎥
1
Iinger (μA)
Iinger (μA)
A nyugalmi potenciál helyi megváltozása
-30
-30
-60 -60
Ut egyenesen arányos az depolarizáció ingerlő impulzus nagyságával
hiperpolarizáció
A változás meredeksége függ az ingerlő impulzus nagyságától
A nyugalmi potenciál helyi megváltozása az ingerlés helyétől távolodva λ a membrán térkonstansa:
A nyugalmi potenciál helyi megváltozása
az a távolság, amely alatt az impulzussal keltett feszültségváltozás maximális értékének e-ed részére csökken
- kísérletileg áramimpulzusokkal - adekvát ingerekkel
Változás az ingerlés helyén
100%
ΔUx=ΔU0e-x/λ
ΔU 37%
- posztszinaptikus membránon neurotranszmitterekkel -serkentő - depolarizáló
x
λ
λ~
Rm Ri
-gátló - hiperpolarizáló
A nyugalmi potenciál helyi megváltozásának jelentősége
A nyugalmi potenciál megváltozása 2. A membrán “aktív” elektromos tulajdonságai
ingerületvezetés érzékelés - receptorműködés jelátadás
“Akciós
potenciál történelem”
1780: Luigi Galvani – elektromos vezetés és
1938: K.C. Cole – méréssel igazolta, hogy a membrán vezetőképessége megnő az akciós potenciál alatt
izomösszehúzódás kapcsolata 1843: Emil Dubois-Reymond – nyugalmi potenciál, ami megváltozik izomösszehúzódáskor 1948: Alan Hodgkin és Bernard Katz – kimutatta, hogy az akciós potenciál 1868: Dubois-Reymond tanítványa Julius Bernstein –
amplitúdója függ az extracelluláris Na+
egyenlőtlen ioneloszlás leírása; ionáram ingerléskor; terjedő
koncentrációtól
elektromos potenciálváltozás: akciós potenciál
Az akciós potenciál kialakulása +20mV
Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál
csúcspotenciál
0mV
kialakulásáról
repolarizáció depolarizáció utópotenciál
depolarizációs küszöb
feszültségfüggő ioncsatornák működése
-70mV
ϕe − ϕi = −
ingerlés
fakultatív azonos amplitúdójú – minden vagy semmi nem lokalizált
RT Σpk+ cke+ + Σpk− cki− ln + + F Σpk cki + Σpk− cke−
depolarizáció
Na+ beáramlás
gNa megnő
Hodgkin-Katz hipotézise az akciós potenciál kialakulásáról K-csatornák nyitnak Na-csatornák záródnak Na-csatornák nyitnak K-csatornák záródnak
Andrew Fielding Huxley (1917- )
Alan Loyd Hodgkin (1914-1998)
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963
Idő
Hogyan lehetne az egyedi ionáramokat mérni?
“for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane"
Na+ és K+ áram mérése
Voltage Clamp
K+-áram blokkolva
Um (mV)
jelgenerátor
Na+-áram
extracelluláris elektród
visszacsatolt erősítő
Árammérő
Im (μA)
t (ms)
K+-áram
Na+-áram
t (ms)
- membránpotenciált állandó értéken tartja - az ionáramot – áramerősséget – méri
blokkolva t (ms)
Vezetőképesség az akciós potenciál alatt
Feszültségszabályozott Na+ -csatornák állapotai
zárt csatorna
nyitott csatorna
inaktív csatorna
Membránpotenciál (mV)
Abszolút refracter periódus
Relativ refracter periódus
akciós potenciál
depolarizációs küszöb felett Idő (ms)
Rel. vezetőképesség
inracelluláris elektród
Patch-Clamp technika
Patch-Clamp áramkör Visszacsatóló ellenállás (FBR)
Egyetlen csatornán át folyó áramot (10-12 A). méri. _
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991 was awarded jointly to Erwin Neher and Bert Sakmann
+
"for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells"
A visszacsatoló ellenálláson (50 GΩ folyó áram erősségét mérjük (10-12 A).
current
open closed time
Membrán Patch egy ionocsatornával
Patch-Clamp berendezés
Erősítő
Patch-Clamp konfigurációk
From Hamill et al 1981
Cell-attached recording
Inside-out recording Patch-pipetta Külső lipidréteg Patch-pipetta
The internal face of the lipid bi-layer faces the bath solution
Belső lipidréteg Sejt
The external face of the lipid bi-layer faces the bath solution
Outside-out recording
Whole-cell recording
Single-channel I/V függvény a csatorna vezetőképességének meghatározására
Egyes csatornáknak több állapota lehet B
A
-120
-20 mV -40 mV
-100
-80
-60
Membrane potential (mV)
-60 mV
-40
-20
0
-1 -2
-80 mV 40 pS
-100 mV
-3 Single-channel current (pA) -4 -5
50 pS 6 pA 20 ms
gcsatorna= Δ I ÷ Δ V = 1.6 × 10-12 A ÷ 50 × 10-3 V = 32 × 10-12 S = 32 pS
From Hamill et al 1981
-6
Sodium action potentials synchronize [Ca2+] transients in all dendritic compartments of mitral cells in the olfactory bulb of anesthetized rats.
Az elektromos jellemzők hatása a jelvezetés sebességére
Charpak S et al. PNAS 2001;98:1230-1234
©2001 by National Academy of Sciences
Az akciós potenciál terjedése (1)
extracelluláris tér
intracelluláris tér
csúcspotenciál
Az akciós potenciál terjedése (2)
refrakter tartomány
pozitív töltések helyi áramok áramlása
Alapja: helyi áramok kialakulása – helyi depolarizáció
refrakter tartományban a K+ -csatornák nyitva, a Na + -csatornák inaktív állapotban vannak
aktív tartomány
depolarizálódó tartomány
Disztális oldalon a + töltések áramlása hely depolarizéciót okoz
Terjedés sebessége – milyen gyorsan, milyen messze?
Az axon sugarának hatása a vezetés sebességére: Sebessége: τ és λ, vagyis az elektromos jellemzők függvénye
-mennyi idő alatt éri el a depolarizációs küszöböt ⎯
r↑
τ
- milyen távolságon éri még el a depolarizációs küszöböt ⎯
λ~
λ
τ = Cm Rm
Rm Ri
Ri↓ (~1/r2)
τ↓
Rm↓ (~1/r)
λ↑
tintahal óriás axon r=250μm v=25m/s emberi idegsejt
r= 10 μm v≠0.5m/s ?
Hogyan növelhetjük a vezetés sebességét? 1. Az axon sugarának növelésével – metabolikusan “drága” – helyigényes 2. A membránkapacitás csökkentése , mert kevesebb töltés szükséges a membránpotenciál vátoztatásához
Megoldás: mielinhüvely !
Megoldás: mielinhüvely ! Rm – nagyon nagy
Saltatorikus vezetés – gyors, energiatakarékos Ranvier befűződés
nagy térkonstans Na+
Cm – nagyon kicsi
mielinhüvely
Na+
kis időállandó depolarizáció
emberi idegsejt
r= 10 μm v~ 100 m/s ?
Sérült mielinhüvely Na+
Szökik a Na+
Na+
Az átmérő és a mielinhüvely hatása a vezetés sebességére axon típusa mielinált
axon átmérője (μm)
vezetés sebessége (m/s)
Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás sikerességére
nem mielinált
Jelátadás a szinapszisban
Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás
akciós potenciál
sikerességére térbeli szummáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése
Preszinaptikus neuron
időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése
neurotranszmitter Posztszinaptikus neuron
Példa az időbeli és térbeli szummációra
időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése akciós potenciált válthat ki Posztszinaptikus jel τ=10 ms
Posztszinaptikus jel -40 mV
τ=1 ms mérő elektród
Um
Um
gátó szinapszis
-60 mV
-60 mV
Preszinaptikus jel
Preszinaptikus jel
idő
idő 2 ms
2 ms
Membrán potenciál
-40 mV
serkentő szinapszis
depol. küszöb
Összefoglalás Nyugalmi potenciál leírása: egyensúlyi modell transzport modell elektromos modell szerepe A nyugalmi potenciál helyi megváltozása jellemzői: időállandó térkonstans szerepe: ingerületvezetés sebessége jelátadás sikeressége Akciós potenciál szerepe: információ továbbítás lefolyása
