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 ingerlékenység érzékelés jelátadás
-Transzport modell -Elektromos modell
A sejtmembrán elektromos modellje:
membrán
extracelluláris tér
Im INa
++++ ----
elektromotoros erő ICl
IK gK
gNa U0Na
U0K
vezetőképesség
gCl
Um
kapacitás
A nyugalmi potenciál megváltozása 1. A membrán “passzív” elektromos tulajdonságai
U0Cl
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 ingerlő impulzus nagyságával
depolarizáció
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 Változás az ingerlés helyén
- kísérletileg áramimpulzusokkal - adekvát ingerekkel
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
Erwin Neher Na+csatornák
K+csatornák
Bert Sakmann
Egy csatornán keresztül folyó áramot méri
The Nobel Prize in Physiology or Medicine (1991)
Patch Clamp
Az akciós potenciál terjedése (1)
extracelluláris tér
intracelluláris tér
csúcspotenciál
Az elektromos jellemzők hatása a jelvezetés sebességére
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 !
Saltatorikus vezetés – gyors, energiatakarékos Megoldás: mielinhüvely ! Rm – nagyon nagy
Ranvier befűződés
nagy térkonstans Na+
Cm – nagyon kicsi emberi idegsejt
Na+
kis időállandó depolarizáció
r= 10 μm v~ 100 m/s ?
Az átmérő és a mielinhüvely hatása a vezetés sebességére axon típusa
axon átmérője (μm)
vezetés sebessége (m/s)
Sérült mielinhüvely Na+
Szökik a Na+
Na+
Az átmérő és a mielinhüvely hatása a vezetés sebességére
repülőgép
kerékpár
Séta
mérföld/óra
mielinált
nem mielinált
mielinhüvely
Jelátadás a szinapszisban
Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás
akciós potenciál
sikerességére
Preszinaptikus neuron
neurotranszmitter Posztszinaptikus neuron
kötődés a ligandum-szabályozott csatornákhoz ionok
Az elektromos jellemzők hatása a jelátadás sikerességére
neurotranszmitter
extracelluláris tér
intracelluláris tér
posztszinaptikus potenciál (gátló v. serkentő)
térbeli szummáció: egyidejűleg, több ponton érkező küszöb alatti ingerek összegződése időbeli szummáció: egyazon pontba érkező küszöb alatti ingerek összegződése
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
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
2 ms
Membrán potenciál
-40 mV
serkentő szinapszis
depol. küszöb
Elektromos ráják
Akciós potenciál – csak a sejt egyik oldalán
Neurotranszmitter (Ach) kötődik a Na+ -csatornákhoz, Na+ beáramlást okoz….. Na+ Na+
Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
+ Na+
+
Na+ Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
Na+
Electrocita
Na+
Na+
Na+
Olyanok, mint a sorba kötött elemek
+
+
Speciális alakú sejtek
6000 electrocita x 0.1 V per sejt = 600 Volts!
