Idegi Kommunikáció – 2. Egy idegsejt működése
Egy idegsejt működése 2a. Nyugalmi potenciál A nyugalmi potenciál (feszültség) egy nem stimulált ingerelhető sejt (neuron, izom, vagy szívizom sejt) membrán potenciálját jelenti. A membránpotenciál a plazmamembrán két oldala között fennálló feszültség különbség. A nyugalmi potenciál a sejt belsejében negatív, értéke egy neuronban, idegsejt típustól függően, -65 milivolt (mV) és -90 mV (tipikusan 70 mV) között lehet. Egy ion egyensúlyi potenciálja az a feszültség állapot, amikor nincs nettó ionáramlás a membránon. Magyarázat: van ionáramlás (dinamikus állapot), de a ki- és belépő ionok száma megegyezik. A töltött részecskék vándorlását (dia 5) egy sejtben 3 tényező határozza meg: (1) koncentráció (= kémiai) gradiens; (2) elektromos gradiens; (3) ion pumpa. A természetben minden kiegyenlítődésre törekszik. Egy ion kettős természetű: egyrészt egy bizonyos anyagi minőséggel rendelkező részecske (atom, molekula), másrészt, egy töltéssel rendelkező részecske. Mint részecske, az ion arra törekszik, hogy egyenlően oszoljon el a sejtmembrán két oldalán. Ebben a törekvésében nem számít, hogy milyen más atomok vagy molekulák vannak a közegben. Mint töltött részecske, arra törekszik, hogy a töltései is egyenlően oszoljanak el a sejten belüli és kívüli térben. Itt azonban nem számít az anyagi természet csak a töltés. Ha valamelyik ionfajta nem képes áthaladni a membránon, akkor annak az lesz a következménye, hogy megváltozik a többi ion eloszlása is, nevezetesen el fog térni az egyenletestől. De az össz-ion eloszlás sem egyenlítődik ki, mert a részecskék koncentrációja sem tud az előbbiek miatt egyformává válni. A folyamatot tovább bonyolítja az ionpumpák aktív részvétele a membrán potenciál kialakításában. A Donnan egyensúly (dia 6) az ionok egy szemipermeábilis (félig áteresztő) hártya* két oldalán való eloszlására vonatkozik. Néhány ionféleség szabadon átjuthat a membránon (diffúzió* révén), míg mások nem. Ez a helyzet a határfelületen az ionok egyenlőtlen eloszlását okozza. A steady state (dia 7, 8) az ionok olyan dinamikus eloszlása egy membrán két oldalán, ami nem változik az időben. Egy ion egyensúlyi potenciálja (dia 9) az a feszültség, ahol nincs nettó ionvándorlás a membránon keresztül. A nyugalmi membrán potenciál (dia 10, 11) egy nem stimulált neuron feszültségkülönbsége a plazma membrán két oldala között. Amikor egy neuron nem küld jelet, akkor mondjuk azt, hogy nyugalomban van. Nyugalmi állapotban az idegsejt belseje az extracelluláris térhez képest negatív. Bár a különböző ionok koncentrációja kiegyenlítődésre törekszik, ez nem valósul meg, mivel nem minden ion számára átjárható a sejtmembrán. Nyugalomban, a kálium ionok (K+) viszonylag könnyen áthaladhatnak a membránon (a szivárgó kálium ioncsatornákon keresztül; ld. később), míg a klorid (Cl-) és nátrium (Na+) ionok számára ez jóval nehezebb. A negatív töltésű fehérje molekulák (A-) egyáltalán nem képesek a membránon keresztül kijutni (kivéve kiválasztott proteinek). A Na+-K+-pumpa, energia felhasználásával, egy fordulattal 3 Na+-t a sejtből ki, ill. 2 K+-t a sejtbe bejuttat a sejtmembránon keresztül. Ez a folyamat aktív transzporton alapul, melyet at ATP szolgáltat. A neuronok tipikus -70 mV nyugalmi feszültség értékét az ionpumpák állítják be. Ezek nélkül Donnan egyensúly valósulna meg, amely szintén negatív érték lenne, de alacsonyabb abszolút értékű. Az elektrokémiai erő, amely az ionokat mozgatja a sejtmembránon keresztül a nyugalmi potenciál és az egyes ionok egyensúlyi potentenciáljának különbözőségéből adódik. ALAPKÖVETELMÉNY
17. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
1
Idegi Kommunikáció – 2. Egy idegsejt működése 2b. Transzport proteinek A transzport proteinek típusai (dia 12) A transzport fehérjék integráns membrán proteinek, amelyek ionokat vagy molekulákat szállítanak a plazma membránon keresztül. Az ionok transzportjában résztvevő transzmembrán proteinek két alapvető típusát különböztetjük meg annak alapján, hogy a működéséhez energiát használ-e fel vagy sem. E transzport fehérjék az ioncsatornák és az ion pumpák. Egy ioncsatorna egy több fehérje alegységből összeálló membránt átérő (integráns membrán fehérje) szerkezet. Az ilyen több-alegységből álló struktúrák kör-körös elrendeződésűek, s felépülhetnek azonos (homo-) vagy különböző (hetero-) tetramer (4) alegységből. Az ioncsatornákon át az ionokat az elektrokémiai gradiens* diktálta irányban mozognak (passzív transzport). Két alap típusuk különböztethető meg. Ezek egyike a szivárgó csatornák, amelyek az ionok folyamatos mozgását teszik lehetővé a pórusokon keresztül (emiatt, természetesen csak kevés iont képesek egységnyi idő alatt átereszteni). A másik ioncsatorna típust szabályozott csatornák alkotják, melyek több altípusba sorolhatóak: feszültség-függő-, ligand-szabályozott-, foszforiláció-szabályozott-, feszülés-függő csatornák, valamint G protein-kapcsolt- és „gap junction” (rés kapcsolat) csatornák. Egy más típusú csoportosítás szerint megkülönböztethetünk specifikus- és kationszelektív csatornákat. A specifikus ioncsatornák egyféle ion számára átjárhatóak, míg a kation-szelektív csatornák több mint egy ionféleséget engednek át a pórusaikon. Az ion pumpa is egy transzmembrán fehérje, amely az ionokat képes az elektrokémiai gradiensükkel ellentétes irányba mozgatni (aktív transzport). Az ilyen ion pumpák, melyeket ion transzportereknek is neveznek, különböző forrásból (ATP, más ionok koncentráció gradiense) származó energiát használhatnak a működésükhöz. Szabályozott ioncsatornák (dia 13) A szabályozott ioncsatornáknál, a csatorna típusától függően, a pórushoz való hozzáférést egy „kapu” biztosítja, amely kinyit vagy bezár kémiai vagy elektromos szignálok, ill. hőmérséklet vagy mechanikai erő hatására. A Feszültség-függő ioncsatornák az ioncsatornák olyan típusai, amelyek a környező feszültség változás hatására aktiválódnak. Alapvető szerepük van az ingerelhető szövetekben (ideg, izom) mivel gyors és koordinált depolarizációt* tesznek lehetővé. Általában több alegységből állnak, amelyek úgy rendeződnek, hogy egy központi pórust képezzenek, amin keresztül vándorolhatnak az ionok az elektrokémiai gradiensük megszabta módon. A csatornák ion-specifikusak, bár hasonló méretű ionok számára bizonyos fokig átjárhatók. Ide tartoznak az ideg és izomsejtek feszültség-függő nátrium- és kalcium csatornái, ill. a kálium csatornák, amelyek a preszinaptikus idegvégződésekben a neurotranszmitter kibocsátásban játszanak szerepet. A feszültség-függő csatornák több funkcionális részből állnak. (1) Az ion szelektivitás filter azt határozza meg, hogy milyen ionok juthatnak át a pórusokon. (2) Az Külső tér aktivációs kapu reagál a feszültségváltozásra; a nátrium csatornák kapui depolarizációs-, míg a kálium csatornák kapui repolarizációs környezetben Feszültség Szelektivitás nyílnak ki. Az ioncsatorna aktivációs kapuját a (3) szenzor filter feszültség szenzor szabályozza, azáltal, hogy elmozdul a membrán potenciál változás hatására. (4) Az inaktivációs kapu korlátozza a csatorna nyitva tartásának időtartamát. A legtöbb aktivációs kapu ioncsatorna féleségnek nincs inaktivációs kapuja. Belső tér
ALAPKÖVETELMÉNY
inaktivációs kapu
17. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
2
Idegi Kommunikáció – 2. Egy idegsejt működése A Ligand-vezérelt ioncsatornák (más néven ionotróp receptorok) transzmembrán fehérjék, amelyek egy kémiai hírvivő (elsődleges hírvivő, ligand) hatására nyílnak ki. Azok az ioncsatornák, amelyek neurotranszmittereket kötnek meg rendszerint szelektívek egy vagy több ionra: Na+, K+, Ca2+, vagy Cl-. A szinapszisoknál elhelyezkedő receptorok nagyon gyorsan átalakítják a preszinaptikus (küldő) neuron által küldött kémiai jelet posztszinaptikus elektromos jellé. Foszforiláció-vezérelt ioncsatornák Egy foszforiláció-vezérelt ioncsatorna, a csatorna típusától függően, kinyit vagy bezár foszforiláció hatására. A foszforilációt rendszerint egy kináz enzim végzi el egy adott szignál transzdukciós folyamat részeként. A Feszülés-függő ioncsatornák a neuronok plazmamembrán deformációja hatására aktiválódnak. A sejtváz fehérjéi közvetítik a sejtet ért mechanikai hatást, melynek eredményeként az ioncsatornák szerkezetváltozáson mennek keresztül, aminek hatására megváltozik az ionáteresztő képességük. Az ATP függő ioncsatornák ATP-val való kapcsolódás hatására, típusuktól függően, kinyílnak, vagy bezáródnak (ez utóbbira példák az inzulintermelő sejtek ATP-függő K+ csatornái). Több ioncsatorna-féleség kombinált hatásra nyílik ki, pl. egyidejű membrán potenciálváltozás és cGMP (vagy cAMP, vagy Ca2+) kapcsolódása szükséges a nyitáshoz. A gap junction (rés kapcsolat) (dia 14) egy kapcsolat a neuronok között, amely ionok és molekulák szabad áramlását teszi lehetővé. A junkció összekapcsolja a sejtek citoplazmáját. Egy gap junction konnexonokból áll, s minden konnexont 6 konnexin* alkot. A gap junction által összekapcsolt neuronok néha úgy viselkednek, mintha egyetlen nagy neuront alkotnának, melyek egymással szinkronban tüzelnek. A Na+/K+-pumpa (dia 15) (másnéven Na+/K+-ATPáz vagy Na+/K+ exchanger) egy membránban elhelyezkedő transzport fehérje. Gyakorlatilag minden sejt plazmamembránjában előfordul, s a következőképpen működik: (1) A pumpa, ATP-vel való kapcsolódás hatására, megköt 3 intracelluláris Na+ iont. (2) Az ATP elbomlik, amely a pumpa foszforilálódásához (egy nagyon konzervált aszparaginsavnál) és ADP képződéséhez vezet. (3) A foszforiláció megváltoztatja a pumpa szerkezetét, aminek hatására 3 Na+ iont juttat a külső térbe. A pumpa foszforilált formája alacsony aktivitás mutat a Na+ felé, s ezért elengedi. (4) Ezt követően az ionpumpa megköt 2 extracelluláris K+ iont, ami a pumpa defoszforilálódásához vezet. (5) Újra ATP kötődik a pumpához, ami annak fordulását és a kálium ionok sejtbe való kibocsátását eredményezi. A K+-csatornák (dia 16, 17) a leggyakoribb ioncsatorna féleségek, melyek kálium-szelektív pórusokat képeznek. Homo- és heterotetramer formában is előfordulhatnak. Az egyes alegységek mindegyike hat membránt-átérő szegmenst tartalmaz melyeket S1-től S6-ig számoznak. A négy alegység a központi pórus körül helyezkedik el. Eddig több mint 80 emlős kálium csatorna gént írtak le. Az itt említett prototípus mellett, más szerkezetű kálium ioncsatornák is léteznek: vannak, amelyek hasonlóan a nátrum csatornákhoz, inaktivációs kaput is tartalmaznak, ill. vannak olyan típusok is, amelyek nyitódásához a feszültség változás mellett egyéb feltételnek is teljesülnie kell, pl. Ca2+, ciklikus nukleotid, vagy Mg2+ kötődés. Az ún. inward recifier (befelé egyenirányító) csatornák mindössze két transzmembrán szegmenssel rendelkeznek (tévesen nevezték el őket). Na+/Ca+-csatornák (dia 18, 19) A feszültség-függő Na+ csatornáknak négy ismétlődő doménből épülnek fel, amelyeket I-től IV-ig számozunk. A domének nagyon hasonló ALAPKÖVETELMÉNY
17. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
3
Idegi Kommunikáció – 2. Egy idegsejt működése aminosav szekvenciával rendelkeznek, melynek oka az, hogy ezek a csatornák ősi kálium csatornákból keletkeztek két egymást követő génkettőződés által. Minden domén hat szegmensből áll. A nátrium és kalcium csatornák fő alegysége ( alegység) tk. megegyezik 4 kálumcsatornával, a különbség mindössze annyi, hogy az utóbbiak nincsenek kovalensen összekötve egymáshoz. Az ioncsatornák az alegységen kívül, gyakran egyéb alegységeket (1, 2, stb.) is tartalmaznak. A feszültség-függő csatornák működése (dia 20) Zárt állapotban egy nátrium csatorna a neuronok nyugalmi állapotát segít fenntartani; nyitott állapotban lehetővé teszi a nátrium ionok gyors beáramlását a sejtbe, ami depolarizációt idéz elő. A feszültség-függő nátrium csatornák három különféle állapotban lehetnek: nyugalmi (zárt), aktivált (nyitott), és inaktivált (zárt). A nyugalmi állapotú csatornák az aktivációs kapu általi blokkolt állapotban vannak. Az inaktivációs kapu (az alegység III és IV-es doménjei alkotják) röviddel az aktiváció után lép működésbe. Az inaktiváció akkor szűnik meg, amikor a membrán potenciál ismét negatív lesz, de csak egy rövid látencia idő után. A feszültség-függő nátrium csatornák alapvető szerepet játszanak az akciós potenciál létrehozásában. Ha elegendő csatorna nyílik ki a membrán potenciál változása következtében, akkor nagy mennyiségű Na+ ion kerül be a sejtbe, ami további depolarizációs hatással jár az axon szomszédos területein. Tehát, minél több nátrium ioncsatorna van a membránban, a membránban annál érzékenyebben reagál az adott axonális régió a potenciálváltozásra. A nátrium csatornák inaktivációjának fontos szerepe van az áram egyenirányúsításában: az impulzus csak anterográd irányban -, azaz a sejttest felől az axon terminálisok felé, - haladhat. Ennek oka az, hogy amíg a depolarizációs hullám a közelben van, az inaktivációs kapu nem engedi újra kinyílni az előzőleg nyitott ioncsatornákat egy rövid ideig (a depolarzációs hullám tovább haladásáig). A feszültség szenzor működése (dia 21) Az evolúciósan erősen konzervált S4 régió a feszültség szenzor, amely minden 3. pozícióban pozitív töltésű aminosavakat, a közbülső helyeken pedig hidrofób aminosavakat tartalmaz. Potenciálváltozás hatására az S4 alegység elmozdul az extracelluláris tér felé, s ezáltal megnyitja a pórust (aktivációs kaput). 2c. Akciós potenciál A posztszinaptikus potenciál (dia 22-28) a membrán potenciál változása az információt fogadó (poszt-szinaptikus) neuron sejttestjén. Első lépésben a preszinaptikus neuronok axon végződései neurotranszmittereket bocsátanak a szinaptikus résbe. Ezt követően a transzmitterek a posztszinaptikus neuron receptoraihoz kapcsolódnak, amit a receptor típusától függően, aktiválhatnak vagy gátolhatnak. A serkentő posztszinaptikus potenciál (EPSP) (dia 22) a posztszinaptikus potenciál ideiglenes megváltozása (csökkenése) a dendritekben vagy a sejttestben, melyet a fogadó neuronba történő nátrium ionok beáramlása idéz elő. A nátrium ionok számára a szabad átjutást a neurotranszmitterek posztszinaptikus receptorokhoz való kötődése váltja ki. Az EPSP-k összegződnek, s ha az axon eredési domb környékén elérnek egy küszöbértéket, akciós potenciál jön létre. Ha nem érik el ezt az értéket, s nem jön új impulzus, akkor az EPSP megszűnik. A gátló posztszinaptikus potenciál (IPSP) (dia 23) a posztszinaptikus neuronokban a membránpotenciál növekedése, amelyet egy gátló neurotranszmitter-receptor kapcsolódás eredményez. A leggyakoribb gátló neurotranszmitterek a γ-amino-vajsav (GABA) és a glicin. Egy tipikus gátló szinapszisnál a posztszinaptikus membrán permeábilissá válik a K+ (kiáramlik) és/vagy a Cl- (beáramlik) ionok számára, de átjárhatatlan marad a Na+ ionok számára, ami a membrán potenciált közelebb viszi ezen ionok egyensúlyi potenciáljához. ALAPKÖVETELMÉNY
17. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
4
Idegi Kommunikáció – 2. Egy idegsejt működése Téridőbeli összegződés (dia 27) Amikor több EPSP-t és IPSP-t okozó esemény történik a posztszinaptikus sejt egy kis felületén, akkor ezek a hatások összegződnek (a jelek integrációja). A “minden vagy semmi” elv (dia 28) Az akciós potenciál egy depolarizációs hullám (impulzus) végig haladása az axon mentén, melynek során a nyugalmi potenciál 0 mV érték felé mozdul el. Amikor az összegződő EPSP-k hatására, az eredési domb* körül a depolarizáció eléri a küszöb potenciált (-55 mV), az idegsejt akciós potenciált gerjeszt, amely egy adott neuronféleségben fix nagyságú (de neuron típusonként változó). Ha a neuron nem éri el a küszöbpotenciált, nem lesz akciós potenciál, ha eléri a küszöb potenciált, akkor az axonban, egy neurontípusra jellemző paraméterekkel rendelkező, akciós potenciál keletkezik. Más szóval, nincs nagy vagy kicsi akciós potenciál, mindegyik ugyanolyan egy adott idegsejtben. Ez a "Minden vagy Semmi” alapelv. A neuron nem a tüzelés nagyságában, hanem a tüzelés gyakoriságában kódolja az ingerület erősségét. A tüzelő neuronok száma egy másik eszköz az ingerület erősségének kódolására: erős inger több neuron aktív. Az akciós potenciál terjedése (dia 29-34) Az akciós potenciál ionok cseréje az axon membránján keresztül. Egy stimulus első lépésben a nátrium csatornák nyitását eredményezi. Mivel a nátrium pozitív töltésű, a neuron belső tere kevésbé negatívvá válik (depolarizáció). A kálium csatornák kinyílása hosszabb időt vesz igénybe. Amikor kinyílnak, a kálium ionok kijutnak a sejtközötti térbe, visszafordítva ezáltal depolarizációt. Szintén ekkor, a nátrium ioncsatornák elkezdenek bezárulni. Mindez azt eredményezi, hogy a membránpotenciál visszaáll -70 mV-ra (a repolarizáció). Valójában, az akciós potenciál túllő -70 mV-on (hiperpolarizáció), mert a kálium csatornák hosszabban maradnak nyitva. Az ionpumpák működése következtében ionkoncentráció fokozatosan visszatér a nyugalmi állapotba, ill. az ionok eloszlása újra a nyugalmi álapotnak megfelelő lesz. +
Még több Na csatorna nyílik ki +
Na csatornák zárulnak +
Na csatornák nyílnak
+
K csatornák nyílnak +
K csatornák zárulnak
A velőhüvelyes axonokban az implulzusok ugrásszerűen terjednek (dia 33) az axon nemburkolt szegmensei (Ranvier befűződés) között. Az ugrásszerű vezetés növeli a vezetés sebességét (az ingerület sebességének növelésére egy másik lehetőség az axon átmérőjének növelése).
ALAPKÖVETELMÉNY
17. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
5
