2016.09.14.
Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektrotónusos potenciálok - Ionális mechanizmusok -
Sántha Péter 2016.09.15.
Transzmembrán potenciál (Em) Nyugalmi potenciál (E0): Elektromos szempontból nyugalomban lévő sejt membránján mért potenciál különbség (a membránpotenciált befolyásoló külső és belső ingerek hiánya) Mértéke sejttípustól függ: -90 - -50 mV Az ionkoncentrációk és az iontranszport determinálják Mérése: mikroelektróda + erősítő + voltméter – direkt elektromos kontaktus szükséges Élettani szerepe: •Ingerület képzés és ingerület továbbítás •Transzportfolyamatok hajtóereje •A sejttérfogat szabályozásának faktora A sejtek többsége stabil, negatív membrán potenciállal rendelkezik a stabilitást folyamatos ATP felhasználás biztosítja (akár az ATP 70%-át is felemészti) Bizonyos sejtek nem rendelkeznek stabil E0-lal: pacemaker (ritmusgenerátor) sejtek pl.: sinus csomó (nodális szövet); Cajal-féle intersticiális sejtek (GI traktus)
1
2016.09.14.
Az extracelluláris és az intracelluláris folyadéktér aszimmetrikus ioneloszlása
ECF (mmol/L) (intersticiális folyadék)
ICF (mmol/L) (sejtplazma)
0.00004 (pH=7.4)
Plazmamembrán
Ionok diffúziós egyensúlya - töltésszétválasztás - a Nernst potenciál A kémiai (koncentráció grádiens) és az elektromos (elektrosztatikus erőtér) hajtóerők egyensúlya következtében a nettó ionáramlás megszűnik – diffúziós egyensúly Nernst potenciál – megadja a vizsgált ion diffúziós egyensúlyi állapotában mért feszültséget Kiindulási állapot diffúziós egyensúly
-
Szelektív K+ permeábilis membrán
Negatív
+
Pozitív
2
2016.09.14.
A Nernst egyenlet: megadja a vizsgált ion egyensúlyi potenciálját az adott ECF és ICF koncentráció értékek mellett: Z = ionok töltése R = gáz konstans F = Faraday konstans T = hőmérséklet
T=37 ºC
Az egyes ionokra számított egyensúlyi potenciál értékek (ld. korábbi adatok):
Problémák: •A különböző ionoknak eltérő egyensúlyi potenciáljuk van •Ezek az értékek eltérnek a tapasztalati E0 értékétől is Egyensúlyon alapuló tartós membránpotenciál feltétele, hogy a figyelembe vett ionok (K+, Na+, Cl-) nettó diffúziója, az ionáramok eredője, nulla legyen. Ohm törvénye: R = U / I → I = U / R és I = U x g
(g=vezetőképesség)
Mekkora az egyes ionokra ható elektrokémiai hajtóerő (Ei) =?? - Az aktuális membránpotenciál (Em) és az ion egyensúlyi potenciáljának (ENernst) a különbsége: →Ei = Em- ENernst Pl. A kálium áram (IK+) nagysága: IK+=EiK+ x gK+ =(Em - EK+) x gK+
ΣInet = 0 = IK++ INa++ ICl- = gK+ x EiK+ + gNa+ x EiNa+ + gCl- x EiCl-
3
2016.09.14.
Goldmann-Hodgkin-Katz (GHK) egyenlet: Megadja az egyensúlyi membránpotenciál értéket az adott ionkoncentráció és ion permeabilitás (konduktancia) értékek esetén:
A sejtmembrán nyugalmi permeabilitás (konduktancia) értékeinek aránya:
PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45
Magas K+ permeabilitás - a nyugalmi potenciál közel van a K+ egyensúlyi potenciáljához. A fenti paraméterekben bekövetkező változások az Em (E0) változását okozzák! Em negatív irányba tér el: hiperpolarizáció Em pozitív irányba tér el: depolarizáció Az ionkoncentrációk megváltozása: [K+] az ECF-ban megnő (hyperkalémia): depolarizáció – (arrhythmiák, szívmegállás) [K+] az ECF-ben lecsökken (hypokalémia): hiperpolarizáció – (arrhythmiák, idegi zavarok Ezek a változások súlyos, életveszélyes állapotokat eredményezhetnek!! A konduktancia változik meg (pl. ioncsatornák aktiválódása/zárása): fázikus (gyors) változások: akciós potenciál tónusos (lassú) változások: posztszinaptikus potenciál, szenzoros (generátor) potenciál
Újabb probléma: az ionok folyamatos egyirányú áramlása (A. ábra) hamar megszüntetné a koncentráció grádienst → végül az Em 0 mV körül stabilizálódna! Az élő sejtekben egy elektrogén transzport a passzívan diffundáló Na+ és K+ ionokat visszajuttatja az ECF-be illetve ICF-ba , és stabilizálja a membrán potenciált (B. ábra) Na+ -K+ ATPáz A sztöhiometrikus arány: 3 Na+ kifelé 2 K+ befelé (nettó 1+ kifelé/ciklus) Az ATPáz elektrogén hatása eltolja a GHK egyenletből számított egyensúlyi potenciál értékét még kb. 5 mV-tal a negatív irányba - hiperpolarizáló pumpa potenciál Következmények: A Na-K ATPáz gátlása (pl.: ouabain, hypoxia) depolarizálja a membránt. Az Em csökkenése Cl- (és Na+) beáramlást okoz, ami sejtduzzadáshoz vezet (pl.: az agyban ödéma alakul ki) → Na+ -K+ ATPáz részt vesz a sejttérfogat szabályozásában! A)
passzív diffúzió Em=-65mV
B) Em=-70mV passzív diffúzió Na+
K+
Na+ K+ Na+
IC
EC
IC
ATP
aktív transzport
K+ EC
4
2016.09.14.
A membrán kapacitás jelentősége A plazmamembrán kondenzátorként is viselkedik (a lipid kettősréteg a szigetelő réteg, a szomszédos folyadék réteg a vezető). Nyugalmi állapotban a membrán kapacitása határozza meg az Em feszültségű elektromos erőteret fenntartó ionok mennyiségét
C=Q/U → Q=Cm x Um
(Um=Em)
Cm nagyságát a membrán felszíne, vastagsága és a dielektromos állandó határozzák meg
Példa: Gömb alakú, 50 µm átmérőjű sejtnél Em=- 60 mV, a membrán kapacitása Cm= 1 µF/cm2 A számítás szerint 30 x 106 töltés (ion) tartja fenn a membránpotenciált. Azonban ez csak 1/200 000 része a teljes intracelluláris ionmennyiségnek!
A membránpotenciál passzív változásai: elektrotónus
Stimuláló áram
A sejt (membrán) ingerlése intracelluláris elektródával A potenciál változás lefutása: membrán kapacitás gyors „kisülése” (kezdeti gyors depolarizáció) kationok kompenzáló kiáramlása fokozódik (késői lassú depolarizáció és steady state)
electrotónusos potenciál E 0
Befelé irányuló áram (+ töltések) – depolarizáció Kifelé irányuló áram (+ töltések) – hyperpolarizáció Az elektromos ingerléssel kiváltott passzív potenciál változást elektrotónusos potenciálnak vagy elektrotónusnak nevezzük. ∆Em (Emax) arányos a stimuláló áram intenzitásával és a membrán ellenállásával.
sejt
5
2016.09.14.
katód
Extracelluláris ingerlés: Katód –membrán depolarizáció (katelektrotónus) Anód – membrán hiperpolarizációja (anelektrotónus)
ECF
anód
membrán
ICF
Felhasználás a gyógyászatban: Kamrai tachycardia (életveszély!!) – elektrokardioverzió és defibrilláció Pacemaker therápia (szív, rekeszizom, KIR) Elektrokonvulzív therápia (Psychotikus állapot) Endocochlearis implantáció („mesterséges” belső fül) TENS: Transdermal Electric Nerve Stimulation (fájdalomkezelés)
Nem külső ingerléssel kiváltott elektrotónusos (gradált vagy lokális) potenciálok: Posztszinaptikus potenciálok (PSP) kémiai transzmisszió, a posztszinaptikus membránon ligandfüggő ioncsatornák (ionotróp receptor aktiváció) másodlagos hírvivők által aktivált ioncsatornák (metabotróp receptor aktiváció) Receptor- (generator) potenciál elsődleges érző neuron vagy érzékhámsejtek membránja Szenzoros szignál által aktivált transzdukciós folyamat eredménye Az akciós potenciál terjedése tovaterjedő depolarizációs „front” Pacemaker potenciálok a pacemaker sejtek spontán depolarizációja
6
2016.09.14.
Az ingerlékeny sejtek passzív és „aktív” potenciálváltozásai elektromos ingerlést követően
Neuroscience Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick
Az akciós potenciál Akciós potenciál: küszöb feletti ingerléssel kiváltott önfenntartó sztereotíp depolarizáló potenciálváltozás
Jellemzők: A membrán gyors depolarizációja Aktivációs küszöb Sztereotíp: a potenciál változás alakja (időlefutás), hossza, amplitúdója állandóak (sejtre jellemzők) és függetlenek a stimulus paramétereitől (minden vagy semmi szabály) Tintahal óriás axon
Patkány izom
Macska szívizomrost
7
2016.09.14.
Az (idegi) akciós potenciál szakaszai 2. Tintahal óriás axon
1. Gyors depolarizáció 2. Csúcspotenciál („túllövés”) 3. Repolarizáció 1.
3.
Utópotenciálok: 4a. Hyperpolarizáló 4b. Depolarizáló
4b.
4a.
Az idegi akciós potenciál ionális mechanizmusa •
Az ingerléssel kiváltott depolarizáció megközelíti a küszöbértéket.(-50 - 40 mV) A feszültségfüggő Na+ csatornák egy része megnyílik. Ha nincs további depolarizáció akkor az ingerület elhal - „local response”
•
Amint a depolarizáció eléri az aktivációs küszöböt (Em ~ -40 mV), a Na+ csatornák tömegesen nyílnak meg, ami további depolarizációhoz és a még inaktív csatornák nyitásához vezet. A folyamat pozitív visszacsatolás révén önfenntartóvá válik.
•
Az aktiválódott Na+- csatornák gyorsan inaktiválódnak
•
A feszültségfüggő K+-csatornák 0,2-0,3 ms késéssel nyílnak.
•
Utópotenciálok: különböző K+ csatornák aktiválódása alakítja ki.
Az akciós potenciál alatt az IC és az EC folyadékokban az ionkoncentrációk nem változnak szignifikánsan, a Na+ és a K+ ionok egyensúlyi potenciálja változatlan, az elektrokémiai hajtóerők az aktuális Em-nak megfelelően változnak. Az AP során az IC Na+ koncentráció csak kb. 0.013%-kal nő!!
8
2016.09.14.
A feszültségfüggő Na+ és K+ csatornák szerepének különbsége az (idegi) akciós potenciál keletkezésében Normál
+ TTX
+ TEA
http://www2.neuroscience.umn.edu/eanwebsite/metaneuron.htm
A Na+ és K+ konduktancia változásai az akciós potenciál során
ENa+ A GHK egyenlet szerint a membránpotenciált meghatározza: -EC/IC ionkoncentrációk (minimális változás) -Ionok permeabilitása (konduktanciája): gNa+ - gyors emelkedés/csökkenés gK+ - késleltetett emelkedés/lassú csökkenés
E0
Következmények: – depolarizáció során Em megközelíti a EK+ Na+ egyensúlyi potenciálját (ENa+ ~+60 mV) - Repolarizáció során Em megközelíti a K+ egyensúlyi potenciálját (EK+~ 70mV)
9
2016.09.14.
A membránok (axonok) ingerelhetőségének jellemzése
Ingerintenzitás
Ingerintenzitás
Stimuláló áram
electrotónusos potenciál
Ingeridő E 0
2 x rheobázis rheobázis chronaxia
Ingeridő
A vastag, velős rostok ingerelhetősége jobb mint a vékony, velőtlen rostoké! (a rheobázis és a chronaxia értéke is alacsonyabb)
Az EC kalcium koncentráció változásának hatása a membrán ingerelhetőségére – hypokalcémiás tetánia
Tetánia – hipokalcémia következtében kialakuló izomgörcsök (glottis görcs – életveszély!) Hyperkalcémia: Izomgyengeség
Fiziológiás Ca2+ koncentráció
10
2016.09.14.
A membrán ingerelhetőségének változása az akciós potenciál alatt – refrakter periódusok
Aktivációs küszöb
Refrakter periódus Abszolút refrakter periódus: a membrán nem ingerelhető Relatív refrakter periódus: az ingerlési küszöb emelkedett (erősebb inger kell) következmény: az AP sorozatok frekvenciája korlátozott (max. 500-1000 Hz)
A feszültségfüggő Na+-csatorna funkcionális modellje Em depolarizáció
repolarizáció
Ruhepotential
Aktiválható állapot
Refrakter állapot
Aktiválható állapot
A refrakter állapot csak a teljes repolarizáció után szűnik meg! - Lassú tartós depolarizáció felfüggesztheti a membrán ingerelhetőségét
11
2016.09.14.
A membrán áramok az egyes ioncsatornák elemi áramainak összegződése (eredője) Egy csatorna áramának mérése – depolarizáció által kiváltott nyitási események
csatorna Whole cell Single channel
Az elektrotónusos potenciál terjedése elongált struktúrákban (rostokban) Az EP amplitúdója a távolsággal exponenciálisan csökken - dekrementum Ok: a depolarizáló áram a stimulus helyétől folyamatosan csökken (inhomogén árameloszlás) lokális áramkörök modell (kábelteória) Rm – membránellenállás Ra – axon (hossz) ellenállás Hossz „konstans” (37% Emax): - Rm: egyenesen arányos - Ra: fordítottan arányos
37% Emax
12
2016.09.14.
Az áramsűrűség térbeli alakulása az ingerlés környezetében
Ra= axon (hossz) ellenállás – az axon vastagsága befolyásolja
Az akciós potenciál terjedése az axonokban Ionáramok: Na+ áram – depolarizáló hatás
Tintahal axon
A depolarizáció elektrotónusosan terjed Azokon a területeken, ahol a depolarizáció eléri az aktivációs küszöböt AP jön létre Az AP előrefelé terjed – a még „nyugalomban” lévő membrán ellenállása nagy Visszafelé nincs lehetőség az AP terjedésére: -Azokon a területeken a K+ konduktancia nagy, Rm alacsony -Az feszültségfüggő Na+ csatornák refrakter állapotban vannak
20 m/s
Vezetés így történik: C-rostokban, izomrostokban, + elektromos nexusokon keresztül (szívizom, simaizom) + elektromos szinapszisban
13
2016.09.14.
Membránpotenciál alakulása
Eküszöb E0
Na+ influx: aktivált Na+ csatornák
Passzív áramok: főleg K+ efflux („szivárgó” csatornák)
Áramsűrűség alakulása a rost hosszában
A helyi potenciál változás sebessége a membrán KAPACITÁSÁTÓL függ!!
Ra= axon ellenállás
Idegrostok (axonok) vezetési sebessége
Velőtlen rostok (C-rostok) 1 m/s -- 3,6 km/h
Velőshüvelyes rostok (A-alpha) 100 m/s – 360 km/h
14
2016.09.14.
Az axonok vezetési sebessége Az AP vezetési sebessége függ: • A depolarizáló áram(ok) erősségétől (Na+ csatornák felszíni sűrűsége) • A depolarizáció sebességétől (felszálló szár meredeksége) • A membrán „passzív” elektromos (fizikai) tulajdonságaitól: A vezetési sebesség Egyenesen arányos: Membrán ellenállásával Fordítottan arányos: Axonális (hossz) ellenállással – (axon átmérő függő; tintahal óriás axon 1mm!!) Membrán kapacitásával (a membrán vastagsága befolyásolja)
Gerincesek: myelin (velőshüvely) – egyszerre csökkenti a membrán kapacitását és növeli a membrán ellenállását !!
Velős és velőtlen rostok és a Schwann sejtek
Na+ csatorna: befűződés (zöld) K+ csatorna: paranodium (vörös)
15
2016.09.14.
Szaltatórikus ingerületvezetés a velős axonokban Ranvier féle befűződés (2µm): AP-ok keletkezése (feszültségfüggő Na+ csatornák) Internodium (2-3000 µm): nincs AP – a depolarizáció elektrotónusos tovaterjedése!! Az ingerület terjedése jelentősen lassúbb a befűződéseknél (alacsony Rm nagyobb Ra és membrán kapacitás) Energetikai előny: az internodiumban minimális transzmembrán ionáramlás – lényegesen kisebb Na+-K+ ATPáz aktivitásra van szükség AP
EP
EP
EP
AP
Em
L
Demyelinizáció: Vezetés lassulása, majd teljes kiesése pl.: sclerosis multiplex
16
2016.09.14.
A membránpotenciál változásainak regisztrálása extracelluláris elektródákkal
a. Felhasználás: ENG: electro-neurogramm EMG: electro-myogramm EKG: electro-cardiogramm EEG: electro-encephalogramm ERG: electro-retinogramm (nem mindig AP aktivitásból ered a regisztrált elektromos jel)
b.
AP terjedés
a: unipoláris elvezetés: Az aktív elektróda potenciálját egy indifferens (referens) elektróda potenciáljához (0) viszonyítjuk
Monofázisos akciós potenciál Bifázisos akciós potenciál
b: bipoláris elvezetés: Mindkét elektróda „aktív” potenciálkülönbség „kiemelése”
Az ingerléssel kiváltott akciós potenciálok terjedése a perifériás ideg axonjain Motoneuron vagy vegetatív efferens neuron (KIR/veg. ganglion) efferens axon
antidrómos
orthodrómos
afferens axon
orthodrómos
antidrómos
Szenzoros neuron (szenzoros ganglion)
17
2016.09.14.
A kevert perifériás ideg compound akciós potenciálja
Proximális (centrális)
n. Saphenus compound akciós potenciál
idő
Stimulus
disztális
Disztális ingerlés-proximális regisztrálás: Efferensek (motor, vegetatív): antidrómos ingerületvezetés Afferensek (szenzoros): orthodrómos ingerületvezetés
Classifications of the axons of the mixed peripheral nerves Lloyd and Hunt (Sensory)
Erlanger and Gasser (Sensory Diameter Velocity (µ µ m) (m/s) and Motor) Function
Ia fibers
A-alpha fibers
10 20 largest
50 120 fastest
Ib fibers
A-alpha fibers
10 20
50 120
II fibers
A-beta fibers
4 12
25 70
III fibers
A-gamma fibers 2 8 A-delta fibers 1 5
10 50 3 30
IV fibers
B-fibers C-fibers
3 15 <2
1 3 <1
Motor: alpha motor neurons Sensory: muscle spindle Sensory: Golgi tendon organ, touch, pressure Motor: intrafusal and extrafusal muscle fibers Sensory: muscle spindle, touch, pressure Motor: gamma motor neurons, muscle spindle Sensory: touch, pain, temperature Motor: preganglionic autonomic fibers Motor: postganglionic autonomic fibers Sensory: pain, temperature
18
2016.09.14.
Dendritek és sejttest: szinaptikus bemenetek Az Em-t a befutó serkentő (excitatórikus) és gátló (inhibitoros) hatások együttesen befolyásolják Elektrotónusos potenciálok (PSP), szummáció (analóg információ-feldolgozás) Axon eredési domb: az akciós potenciálok keletkezésének a helye Az ide beérkező elektrotónusos potenciálok integrálása (szummációk) -”döntéshozás”; kódolás (spatio-temporális mintázat) Elektrotónus amplitúdó – akciós potenciál frekvencia: analóg – digitális átalakítás Axon: akciós potenciálok vezetése (digitális jel) Nincs információ vesztés („High Fidelity”) Korlátozott „sávszélesség” (max. tüzelési frekvencia) Kimenet: axon terminális (preszinaptikus apparátus) –neurotranszmitter felszabadulás (analóg jel) Digitális – analóg átalakítás
19
2016.09.14.
A szinaptikus bementek által kiváltott PSP-ok térbeni és időbeni szummációja
Az axon eredési domb funkciója – az akciós potenciál keletkezése Az axonok kezdeti szakasza különösen gazdag feszültségfüggő Na+ csatornákban Ha a PSP-ok szummációja küszöb felett depolarizál - AP keletkezik Bemeneti aktivitás integrálása – döntéshozás Az összegzett PSP-k (analóg jel) amplitúdója és időtartama meghatározza az AP tüzelés (digitális jel) frekvenciáját és időtartamát – frekvencia kódolás Előnyök: az AP (sorozat) csillapodás nélkül terjed Kevésbé érzékeny a zavaró tényezőkre (robosztus, redundáns) De: adaptáció jelensége
20
