Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

2014.11.04.

Membránpotenciál

Vig Andrea 2014.10.29.

Nyugalmi membránpotenciál

http://quizlet.com/8062024/ap-11-nervous-system-part-5-electrical-flash-cards/

Akciós potenciál http://cognitiveconsonance.info/2013/03/21/neuroscience-the-action-potential/

1

2014.11.04.

Nyugalomban valamennyi sejt belseje negatív a külső felszínhez képest: negatív nyugalmi potenciál (Em: -30 es -90 mV között) Mikroelektróddal történő vizsgálat. (KCl oldattal töltött – azonos mobilitás. Nincs zavaró diffúziós pot.) Az élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető potenciálkülönbség.

V

Tintahal óriás axon Preparált izomsejtek

Extracelluláris (0 mV)

+

Intracelluláris ( -70 mV)

Nyugalmi membránpotenciál 0V Unyugalmi: -30mV _ -100 mV

Mikroelektróda

A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V).

Intracelluláris tér

Extracelluláris tér

2

2014.11.04.

Miért alakul ki a membránpotenciál? • egyenlőtlen ioneloszlás a membrán két oldalán: a sejt belsejében magas K+ és alacsony Na+ koncentráció. • folyamatosan működő K-Na ionpumpa: Na+ ionokat kifelé, K+ ionokat befelé szállítja • szelektív membrán permeabilitás: a sejtmembrán K+ ionokra nézve sokkal átjárhatóbb, mint Na+ ionokra • a sejt belsejében negatív töltésű, nem diffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak) vannak Intracelluláris tér

[Na+] [K+] [Ca2+] [Cl-] [A-]

Extracelluláris tér

10 mM 140 <10-3 3-4 140

[Na+] [K+] [Ca2+] [Cl-]

120 mM 2,5 2 120

http://physiology.elte.hu/eloadas/kiegtanar_elettan/potencial_neuro_2009.pdf

A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők „Hajtóerők”: 1) Az adott ionok koncentráció különbsége - Kémiai koncentráció grádiens: Kémiai potenciál (Willard Gibbs - 1876) 2) A membrán két oldala között kialakuló töltéskülönbség Elektromos grádiens: Elektromos potenciál

Elektrokémiai potenciál

Egyensúlyi állapotban az elektromos és kémiai koncentráció grádiens szabadenergia-változása egyenlő és ellentétes irányú. Az egyensúlyi potenciál számolható a koncentráció viszonyokból (bármely ionra nézve)

3

2014.11.04.

A nyugalmi membrán-potenciál eredete Bernstein kálium hipotézise Nernst-féle egyensúlyi potenciál (elektromos potenciál - kémiai potenciál) Donnan egyensúly: a membrán egyes ionos összetevők számára átjárhatatlan (pl. intracelluláris fehérjék). Goldman egyenlet: az egyensúlyi potenciálok és a membránpermeabilitások súlyozott értékeit valamint az abszolút ionkoncentrációk értékeit egyaránt figyelembe kell venni.

http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html

Nernst - egyenlet Kémiai potenciál  Wchem  NRT ln

[ X1] [X2] N = a koncentrációgrádiens kialakításában résztvevő „mólok” száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X1 / X2 = koncentráció grádiens

Elektromos potenciál  Welektr  NzFE N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia (vegyérték) F = Faraday szám E= elektromos térerő (V)

4

2014.11.04.

Egyensúlyi potenciál Nernst-egyenlet: Mekkora elektromos potenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult koncentráció grádienst (X1/X2). A befelé és kifelé történő ionáramok dinamikus egyensúlyban vannak.

E

RT X 1  ln zF X 2 


Egyensúlyi potenciál [K+]  EmV = -58/1 log (139/2.5) = - 101.2 mV

-

K+=2.5 mM

K+=139

mM

+

- 101.2 mV

EmV = - 101.2 mV  töltések nettó mozgás zéró (egyensúly) EmV > - 101.2 mV  K+ áramlik ki EmV < - 101.2 mV  K+ áramlik be

Egy ionra nézve az a feszültség érték, mely egyensúlyt tart a koncentráció különbséggel. http://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html

5

2014.11.04.

Ionkoncentrációk béka izomsejt esetén

Na+ : 120 mM

Na+ : 20 mM

K+ : 2.5 mM Cl- : 120

K+ : 139 mM

mM

Cl- : 3.8 mM

[K+]  EmV = -58/1 log (139/2.5) = - 101.2 mV [Na+]  EmV = -58/1 log (20/120) = + 45.1 mV [Cl-]  EmV = -58/1 log (3.8/120) = + 86.9 mV

Nyugalmi potenciál (mért)

= 30.8 mV

EmV=-92mV

A Nernst-egyenlet önmagában nem alkalmas a membránpotenciál meghatározására. Más értékeket kapunk, ha külön-külön számoljuk a potenciál értékeket és mást, ha mérjük a nyugalmi potenciált. Nem zárt rendszer Az ionok viselkedése nem független egymástól.

6

2014.11.04.



Frederick George Donnan (1870-1956; Ír kémikus)

Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás:  Eltérő mozgékonyságú ionok szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása  diffúziós potenciál  Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék)  egyensúlyi koncentráció különbség

7

2014.11.04.

Donnan egyensúlyi szabálya • Diffuzibilis ionok: K+,Cl-

RT K in  RT Clout  ln E ln zF K out  zF Clin 

K in   Clout  K out  Clin 

Kin Clin   Kout Clout  A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon!



8

2014.11.04.

Mi történik ha a Donnan szabály nem érvényesül?

Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet (Goldman egyenlet) David E. Goldman (USA)

Alan Lloyd Hodgkin (England) Bernard Katz (England).

A sejtmembránon keresztüli potenciál meghatározásához figyelembe kell venni, hogy a sejtek milyen mértékben képesek átereszteni egyes ionokat (PERMEABILITÁS!).

Egy ‘átlagos’ nyugvó állati 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 Vm

9

2014.11.04.

Goldman egyenlet A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével:

    P A      P A 

 N   i PM i M i Em  ln  N F  i PM  M i i  RT

- Minden ion szerepét figyelembe veszi. - Jól egyezik a valósággal.

 j in

M

out

j

A j

M

in

j

A j

 j out

    

•Em = membrán potenciál •Pion = az egyes ionokra vonatkozó permeabilitás •[ion]out = extracelluláris koncentráció •[ion]in = intracelluláris koncentráció •R = egyetemes gázállandó •T = abszolút hőmérséklet •F = Faraday állandó

Goldman egyenlet A

membránpotenciál

egy

kompromisszum

eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az

abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük.

10

2014.11.04.

Szivárgás → a membrán-potenciál egyetlen ionra nézve sem egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljának az értékével ◦ EmV_K+ = -101.2 mV ◦ EmV_Na+ = +45.1 mV ◦ EmV_Cl- = +86.9 mV

EmV= - 92mV

→ az ionok megpróbálnak átjutni a membránon K+ próbál kijutni + oNa próbál bent maradni oCl próbál bent maradni o

 „Szivárgás”

Ioncsatornák Nyugalmi v. “független” ioncsatornák Működésüket nem befolyásolja a membrán-potenciál értéke (pl. nyugalmi K+ csatornák; K+-Na+ “szivárgó” csatornák)

“Függő” ioncsatornák Kinyílnak speciális ligandok vagy membrán-potenciál változás esetén (pl. feszültségfüggő K+ és Na+ csatornák)

11

2014.11.04.

Na-K ATPáz • A nyugalmi membránpotenciál kialakulásának főszereplői a K+ és Na+ ionok (eltérő eloszlás és membrán permeabilitás). • A Na-K ATPáz képes ellensúlyozni a Na+ és K+ passzív áramlását, aktív munka kifejtése árán → hozzájárul a membránpotenciál kialakulásához.

• 3 Na+ kifelé és 2 K+ befelé történő mozgatását végzi. • Működéséhez ATP szükséges.

Akciós Potenciál

12

2014.11.04.

Ingerlékeny sejtek membránján: ideg-,izomsejtek, egyes receptorok vagy szekréciós sejtek Sejttípusra jellemző, állandó alak és időbeli lefutás Küszöb feletti inger



Akciós potenciál: a nyugalmi membránpotenciál időleges megváltozása ~ 70mV-ról + 40 mV-ra, melyet a nyugalmi potenciál visszatérése követ



Ionok membránon keresztüli mozgásának eredménye



Stimulus → a membrán potenciál megváltozása (küszöb-potenciál) → akciós potenciál



Kialakulása a „minden vagy semmi” törvényét követi ◦ Ingerküszöb (küszöb-potenciál) alatti ingerlés esetén nincs AP. ◦ Ingerküszöb (küszöb-potenciál) feletti inger mindig egyforma és teljes depolarizációt okoz.



Az akciós potenciálnak különböző fázisai különíthetőek el.

13

2014.11.04.

1. Nyugalmi fázis (potenciál), inger érkezése

Depolarizációs küszöb feletti inger hatására a feszültségfüggő Na+ csatornák megnyílnak. http://termtud.akg.hu/okt/10/embertan/12idr.htm

2. Emelkedő fázis K+ csatornák megnyílnak.

14

2014.11.04.

3. Csúcs fázis

• Na+ beáramlás lelassul EmV_Na+ = +45.1 mV (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál)

• Na+ csatornák nagy részének inaktiválódása • K+ csatornákon K + áramlik ki

2

3

4. Csökkenő fázis

•

• •

2

3

Feszültségfüggő K+ csatornák teljesen megnyílnak Nagyfokú K+ kiáramlás a sejtből Na + csatornák bezárulnak

4

15

2014.11.04.

5. Utódpotenciál • A K+ ionok beáramlása lassul EmV_K+ = -101.2 mV (Nernst egyenlettel számolható egyensúlyi potenciál)

• A K+ csatornák teljes bezáródása • A nagyszámú és lassan inaktiválódó K+ csatorna hiperpolarizációt eredményez

•

A nagyszámú és lassan inaktiválódó K+ csatorna hiperpolarizációt eredményez

16

2014.11.04.

Refrakter periódus Abszolút RF Az abszolút refrakter fázis alatt a Na+csatornák inaktivált állapotban vannak. Új akciós potenciál kialakulása teljesen gátolt.

Relatív RF A relatív refrakter fázis alatt a Na+- csatornák egy része már megnyitható (aktiválható) állapotban van. Az ingerküszöbnél nagyobb depolarizáció elindíthatja az AP létrejöttét.

Akciós potenciál típusai

http://www.getbodysmart.com/ap/nervoussystem/neurophysiology/actionpotentials/actionpotential/tutorial.html

17

2014.11.04.

Az akciós potenciál terjedése Mielin nélküli axonban

Velőshüvelyű axonban

Lassú ingerületvezetés

Ugráló (szaltatórikus) ingerületvezetés - gyors

A vezetési sebesség a rost keresztmetszetével is nő.

http://www.youtube.com/watch?v=7EyhsOewnH4

18

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Recommend Documents