Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektromos ingerelhetőség. A membránpotenciál mérése.
Panyi György
Nyugalmi membránpotenciál: TK. 284-285. Akciós potenciál: TK. 294-301. Elektromos ingerelhetőség: TK. 290-294. A membránpotenciál mérése: TK. 297-299.
2015.XI.9.
Nyugalmi membránpotenciál
• ha a regisztrálóelektród (mérőelektród) behatol az intracelluláris térbe, a mérőműszer potenciálkülönbséget (feszültség) jelez
valamennyi élő sejt belseje és külső felszíne között mérhető elektromos
potenciálkülönbség, amikor a sejt nincs ingerületi állapotban • értéke -30 és -100 mV között változik (az ic tér potenciálja mindig negatív az ec térhez képest)
A nyugalmi membránpotenciált (Em) meghatározó tényezők: •Diffúziós potenciál, GHK egyenlet (Ediff) -koncentráció gradiens + szelektív permeábilitás -legfontosabb meghatározója az Em –nek
RT pK [K]i + p Na [Na]i + pCl [Cl] o ln U = Em = − Fz pK [K] o + p Na [Na] o + pCl [Cl]i •Pumpa potenciál (Vp) - Na+/K+ ATP-áz -2K+/3Na+ elektrogén -sejttípustól függően: 2-16 mV (közvetlen hozzájárulás) -legnagyobb jelentősége az egyenlőtlen ionkoncentrációk fenntartása a membrán két oldala között közvetve Ediff •Donnan potenciál - nem permeábilis protein anionok jelenléte a citoszol felől -elhanyagolható hozzájárulás az Em-hez , a sejtek többek között a Donnan egyensúly kialakulása ellen is “küzdenek”
RT [X + ] I ∆ϕ = − ln + II zF [X ]
A membránpotenciál ion permeabilitás függése meghatározott koncentráció gradiens esetén Ediff –t Px határozza meg
• minél nagyobb egy ionra nézve a permeabilitás (sok csatorna nyitva), annál közelebb lesz a MP értéke az adott ion egyensúlyi (Nernst) potenciáljához. Például sok K+ csatorna nyitása esetén a MP -89 mV irányába mozdul el, míg sok Na+ csatorna nyitása esetén +60 mV irányába.
az aktuális MP a permeáló ionok Nernst-potenciáljainak permeabilitásokkal súlyozott átlaga
Akciós potenciál a membránpotenciál jellegzetes időbeli változása, mely feszültségfüggő
ioncsatornák összehangolt működése révén jön létre ingerelhető sejtekben (megfelelő inger hatására) • tipikusan idegendokrin sejtek)
és
izomsejtek (esetleg
• információ továbbítás és a kontrakció indítása • az egyes AP-k amplitúdója, alakja, hosszúsága igen hasonló • az inger erőssége az AP-ok frekvenciájában kódolt • változatlan amplitúdóval csillapodó vagy dekremens)
terjed
(nem
Membránpotenciál (mV)
Az akciós potenciál jellemzői (idegsejt akciós potenciál):
felszálló szár: depolarizáció
túllövés (overshoot)
repolarizáció küszöb
küszöb alatti ingerek
stimulus erősség
utó hiperpolarizáció
Stimulus intenzitás vs. kihasználási idő • kihasználási idő: a legrövidebb idő, amely adott erősségű inger esetén ingerületet vált ki • rheobázis: a végtelen hosszú idő alatt ingerületet kiváltó inger (azaz az ingerküszöb hosszú idejű ingerimpulzusnál) • chronaxia: a rheobázis ingererősség kétszeresével történő ingerléskor a válasz kiváltásához szükséges idő
pontosan a küszöböt meghaladó depolarizáló ingerlés, ami éppen AP-t vált ki.
áramerősség×időtartam = állandó
×1 2
×
• az akciós potenciál kialakulását eredményező küszöbpotenciál eléréséhez a membrán kapacitív elemeit fel kell tölteni. • ehhez ugyanakkora töltésmennyiség szükséges valamennyi időtartam és áramerősség kombináció esetén
az AP [Na+]o függésének bizonyítéka (Hodgkin and Katz, 1949)
Idő (ms)
Ionáramok mérése: a feszültség-zár elv (Cole, Hodgkin, Huxley) Im= Ii + Ic = Ii + Cm dV/dt dV/dt=0 Im= Ii 1, Az axonba szúrt elektróda méri a memebránpotenciált (Vm), ennek jele a feszülség-zár erősítőbe jut
2, A feszülség-zár erősítő összehasonlítja Vm-et a kívánt (parancs) értékkel
feszültség mérés
mérő elektróda só oldat tintahal axon
referencia elekróda
3, Ha Vm különbözik a a parancs értéktől az erősítő olyan nagyságú és irányú áramot injektál az axonba a második elektródán, hogy Vm egynlővé váljon a parancs feszültséggel.
parancs feszültség feszültségzár erősítő
áram injektáló elektróda
Áramerősség mérés
4, Az axonba jutó áram erőssége mérhető, ami megegyezik az axon membránon átfolyó árammal
Az ionáramok szeparációja gátlószerek segítségével 0 mV -70 mV
membrán áram
TTX
Idő (ms)
Az AP-ért felelős Na+ és K+ konduktanciák Voltage-clamp visszatérés nyugalmi potenciálra
K+ konduktancia
Na+ konduktancia
nyugalmi potenciál
idő (ms)
Na+ és K+ permeabilitás változás az AP alatt
idő (ms)
idő (ms)
Az ioncsatornák kapuzása az AP alatt
A feszültségérzékeny ioncsatornák akciós potenciál alatti viselkedése • membrán depolarizáció • a feszültségvezérelt Na+ csatornák kinyitnak, nő a Na+ permeabilitás • Na+-ionok áramlanak az intracelluláris tér felé • további depolarizáció (mivel a megnövekedett Na+-permeabilitási állandó a membránpotenciál értékét a Na+-egyensúlyi potenciálja felé tolja el) pozitív visszacsatolás • az akciós potenciál maximumának elméleti (!) felső határa a Na+ egyensúlyi potenciálja • a valóságban a csúcspotenciál nem éri el a Na+ egyensúlyi potenciálját, mert… PNa csökken (csökken az elektromos potenciálból származó hajtóerő!) PK fokozódik a csúcs elérése előtt (repolarizáció)
A feszültségérzékeny ioncsatornák akciós potenciál alatti viselkedése II. • a Na+ csatornák inaktiválódnak, ezzel egyidejűleg a feszültségvezérelt K+csatornák kezdenek aktiválódni (késleltetett nyitás) az inaktivált állapot megszűnése (recovery) hiperpolarizált membrán mellett megy végbe nem aktiválható (refrakter) periódus viszonylag lassan
• megnövekedett K+ permeabilitás (ezzel egyidejűleg PNa rohamosan csökken), K+áramlás az extracelluláris tér felé • a K+ csatorna depolarizációra nyit, de a K+ efflux hiperpolarizál, így zárja a csatornát negatív visszacsatolás • átmeneti hiperpolarizáció (a K+ csatornák késletett bezárása miatt)
Refrakter periódusok refrakter periódus:
• megszűnt vagy lecsökkent ingerlékenység, ami megakadályozza az akciós potenciálok fúzióját, ugyanakkor lehetővé teszi az elkülönült impulzusok terjedését • az abszolút refrakter periódus (ARP) alatt a Na+-csatornák inaktivált állapotban vannak, ezért egyáltalán nem váltható ki újabb AP • a relatív refrakter periódus (RRP) alatt a Na+-csatornák egy része már megnyitható (aktiválható) állapotban van, de a még mindig jelentős GK a depolarizáció ellen hat. A hiperpolarizáció miatt korlátozottan, csak nagyobb ingerléssel váltható ki újabb AP.
Az akciós potenciál terjedése az akciós potenciál változatlan amplitúdóval (veszteség nélkül), hullámként terjed
végig az axonon • az egyik régió akciós potenciálja a környező membrán depolarizációját okozza (helyi áramkörök alakulnak ki), ami Na-csatornák nyitásához vezet a szomszédos membránon → AP generálás a membránpotenciál-változás exponenciálisan csökken egy adott helytől mért távolság függvényében (térkonstans, λ, e-ad részre csökkenés távolsága)
• a terjedési sebességet befolyásolja a rost vastagsága és a myelinizáció
az AP egy irányban (sejttestől az axonvégződés felé) terjed (a Na+ csatornák inaktivációja (az ARP) megakadályozza az AP visszafelé történő terjedését)
Az akciós potenciál terjedése. Myelinizáció. • az idegsejtek axonjai myelinhüvellyel (Schwann-sejtek, 20-300 db) borítottak • fokozza az ingerület terjedésének hatékonyságát • szigetelő tulajdonság, a lokális áramkörök kialakulása gátolt • Ranvier-féle befűződések: nincs myelin, sok ioncsatorna, AP kizárólag itt alakulhat ki • ugráló (szaltatorikus) ingerületvezetés: az AP befűződésről befűződésre ugrál gyorsabb terjedés • sclerosis multiplex: demyelinizáció, a myelin sérült az agyban és a gerincvelőben → AP vezetés lassú, vagy megszűnik → változatos neurológiai tünetek • az AP eléri az axon terminálist, ahol... • ...neurotranszmitterek szabadulnak fel, melyek receptoraihoz kötődve befolyásolják annak működését
a
posztszinaptikus
sejt
A membránpotenciál mérése II. Spektroszkópiai módszerek. egyes fluoreszcens molekulák spektroszkópiai tulajdonságai megváltoznak
elektromos térben másik csoportjuk nem változtatja meg a spektroszkópiai tulajdonságait, de mivel
nettó töltéssel rendelkeznek, az elektrokémiai gradiensnek és az oldékonyságnak megfelelően oszlanak meg a membrán két oldalán • ha a töltés változik, akkor az elektrokémiai gradines változását a festék
újraeloszlása követi • a jelenleg használt festékek pozitív (karbocianinok) vagy negatív (oxonolok)
töltésfelesleggel rendelkeznek • pozitív töltésű festékeket alkalmazva minél nagyobb a membránpotenciál (azaz
minél negatívabb a sejt belseje), annál több festék van a sejtekben • a negatív töltésű festékek előnye, hogy nyugalmi állapotban nem jutnak be a
sejtbe, tehát toxikus hatásuk nincs • a fluoreszkáló tulajdonságú festékek nagy érzékenységű vizsgálatokat tesznek
lehetővé akár spektrofluoriméterekben, akár áramlási citométerben
