Diffúziós potenciálMembránpotenciálAkciós potenciál

Töltéssel rendelkező részecskék, ionok diffúziója

_

+

_

+

_

+ _

+ _

+

_+ _

+ _

+

_

+

Eltérő diffúziós állandójú ionok diffúziós potenciál

_

_

_

_

_ _

_ _

+

+

++

+

+

+

+

+_

A kialakuló potenciálgrádiens lassítja a „+” és gyorsítja a „-” ionok diffúzióját

Diffúziós potenciálEltérő ionmobilitású anion és kation esetén.

(pl. egy csepp sósav diffúziója)

V

+

Cl- H+

MembránpotenciálElőfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és

eltérő diffúziós sebesség :szelektív permeabilitásSzemipermeábilis membrán (átmegy: K+, nem: Cl-, H2O)

1. K+ áramlás a koncentráció- különbség miatt

2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly)

+

Cl-

100 mM KCl 10 mM KCl

Cl-

Cl-

K+

K+

K+

V

-60 mV

Egyensúlyi potenciál

Az egyensúlyi potenciál jellemzői

- nagyon kevés ion egyenlőtlen megoszlása elég a potenciálkülönbség kialakításához, az ionkoncentrációk változása elhanyagolható.

- Az egyensúlyi potenciál tartósan (elvileg végtelen ideig) fennállhat. Ilyenkor a koncentrációkülönbség miatt az egyik irányba ugyanannyi ion mozog, mint a potenciálkülönbség miatt a másikba.

- Minél nagyobb a membránon átjutó ion két oldalon található koncentrációinak hányadosa, annál nagyobb a potenciálkülönbség.

Az egyensúlyi potenciál kiszámítása

- Nernst egyenlet:

E= ln

E : membránpotenciál (volt) R: általános gázállandó ( 8.31 J/mol/K)T: abszolút hőmérséklet (K)z : töltésszám (K+-ra: pl. +1)F : Faraday-állandó ( 96500 C/mol)

- Gyakorlatban jól használható formája:

- E= log

- RT

zF

cbelső

ckülső

cbelső

ckülső

- 60 mV

z

100 mM KCl 10 mM KCl

10 mM NaCl 100 mM NaCl

“IC” “EC”

PK>>PNa=0

PCl=0

Em = ?

+

Cl-

Cl-

Cl-

K+

K+

K+

V

-60 mV

K+ egyensúlyipotenciál !!

Em = -60 mV

IK=INa=0

100 mM KCl 10 mM KCl

10 mM NaCl 100 mM NaCl

“IC” “EC”

PNa>>PK=0

PCl=0

Em = ?

+

Na+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

V

+60 mV

Na+ egyensúlyipotenciál !!

Em = + 60 mV

IK=INa=0

100 mM KCl 10 mM KCl

10 mM NaCl 100 mM NaCl

“IC” “EC”

PNa=PK>0

PCl=0

Em = ?IK = -INa>0

Em = 0 mV

Nincs egyensúlyKoncentráció-kiegyenlítődés

Na+

V

0 mV

K+

100 mM KCl 10 mM KCl

10 mM NaCl 100 mM NaCl

“IC” “EC”

PK >>PNa>0

PCl=0

V

+Na+

K+

Em = ?

100 mM KCl 10 mM KCl

10 mM NaCl 100 mM NaCl

“IC” “EC”

PK >>PNa>0

PCl=0

V

+Na+

K+

IK = -INa>0

EK < Em << 0

Koncentráció-kiegyenlítődés

Stabil membránpotenciál esetén a membránon átfolyó összes áram összege nulla. (A példában IK+INa=0) (Egyébként valamelyik oldalon töltésfelhalmozódás lenne, és Em változna)

Ha membrán többféle ionra is permeábilis, akkor hosszú idő után a koncentrációk kiegyenlítődhetnek. (A példában mindkét oldalon [Na+] = [K+] = 55 mM értéken).

Sejtekben ezt a Na+/K+-pumpa akadályozza meg.

Nyugalomban lévő sejtekre jellemző:

PK >>PNa>0 PCl=eltérő

Egy ‘átlagos’ nyugvó 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 Em

Mi határozza meg a membránpotenciált???

1. Az eltérő ionmegoszlás2. A membrán permeabilitása a különböző ionokra

A membránpotenciál kiszámítása

Em: EK és ENa között van.

Em kiszámítható: (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK)

- RTzF

pK [K+]IC +pNa [Na+]IC+pCl [Cl-]EC

pK [K+]EC+pNa [Na+]EC+pCl [Cl-]IC

Em= ln **

*

*

*

*

Milyen irányban és mitől változhat asejt membránpotenciálja?

Em : depolarizáció Em : hiperpolarizáció “pozitívabbá válik” “negatívabbá válik”

1. Ionkoncentráció változás (in vivo előfordul, de nem jellemző)pl.

DE: [K+]EC IK depolarizáció

2. Permeabilitás változás (in vivo a szabályozás fő útja)

pl. PK IK hiperpolarizációPNa INa depolarizáció

Mi biztosítja a sejtmembrán szelektívpermeabilitását?

Ioncsatornák

felelősek különböző sejtekelektromos tulajdonságaiért

KCSA kálium csatorna szerkezete RTG-diffrakciós kép alapján

Ioncsatornák

Csoportosítás a transzportált ion szempontjából:

Na+, K+, Ca2+ , H+, nem-specifikus kation csatornák.

Cl- csatornák, nem-specifikus anion csatornák

K+Na+

Ioncsatornák

Csoportosítás szabályozásuk alapján :

feszültségfüggő

ligandfüggő

mechanoszenzitív

Csurgó/szivárgó/leak (ez is lehet szabályozott!!!)

A membránpotenciál megmérhető

U

Két elektródos voltage clamp

U A

U A

Két elektródos voltage clampfeszültség clamp (feszültségzár)

Mekkora áramot kell átfolyatnom,hogy Em az általammegkívánt értéklegyen?

Voltage clamp patch clamp

U A

Mekkora áramot kell átfolyatnom,hogy Em az általammegkívánt értéklegyen?

A sejt ionáramainak mérése: patch clampTeljes sejt (whole cell) felállás

Feszültség clamp

mért csatornák

Pipetta széle és amembrán között

NAGY (G) ellenállású

kapcsolat (seal).

A sejt ionáramainak mérése: patch clampSejtre tapasztott (cell-attached) felállás

Feszültség clamp

Mekkora áramot kell átfolyatnom,

hogy Em az általammegkívánt érték

legyen?

mért csatornák

A sejt ionáramainak mérése: patch clampsejtre tapasztott (cell-attached) felállás

Feszültség clamp

Mekkora áramot kell átfolyatnom,

hogy Em az általammegkívánt érték

legyen?

egy csatorna

A sejt ionáramainak mérése: patch clampkivágott folt (excised patch) felállás

Feszültség clamp

mért csatorna/csatornák(Akár egy csatornaárama is mérhető, az árampA (10-12 A) nagyságrendű.)

Zárt

Nyitott

Makroszkópos áram(sok csatorna áramának eredője)

pozítív töltés kiáramlás + árampozítív töltés beáramlás- áram

Extracelluláris (EC) tér 0 potenciál

Nyugalmi membránpotenciál (-20)-(-90) mV

-90 mV -50 mV depolarizáció -90 mV -96 mV hyperpolarizáció

szimmetrikus [K+]kicsi

szimmetrikus [K+]nagy

aszimmetrikus koncentráció

csurgó csatorna (GHK rektifikálás)

Szivárgó (leak) csatorna, szimmetrikus ionösszetétel

szimmetrikus [kis]

szimmetrikus [nagy]

aszimmetrikus koncentráció

csurgó csatorna

EK

aszimmetrikus koncentráció

EK

csurgó (leak) csatorna

a sejtmembrán-potenciálja

A háttér K+ csatorna működése hasonló a K+

szelektív póruséhoz.

• Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja.

• Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját.

• Gátolja a depolarizációt. Repolarizál.

(repolarizáció = a depolarizált membrán nyugalmi Em-hez való visszatérése)

Feszültségfüggő (ff.) K+ csatorna

I

Em (mV)

EK

nyitásivalószínűség

leak (csurgó)K+ áram

I

Em (mV)

ff. csatornaK+ árama

(EK és küszöbközött IK=0)

küszöb -30 mV

EK

FF. K+ csatorna

• Ált. nem befolyásolja a nyugalmi Em-t.

• Nem gátolja a kezdeti depolarizációt.

• Repolarizál. (Em>küszöb esetén)

• Késői (tetraetil-ammónium (TEA)-érzékeny) és gyors típusai vannak

feszültségfüggés a 4. transzmembránszegmens pozitív aminosavai miatt

I

Em (mV)

EK

“átjárhatóság”(tömeszelés

belülről:Mg2+, spermin)

leak (csurgó)K+ áram

I (nagyítva!)

Em (mV)

befelé rektifikáló csatorna K+ árama

(EK felett: IK>0csak egy szűktartományban)

EK

Befelé rektifikáló K+ csatorna

Befelé rektifikáló K+ csatorna

• Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja.

• Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját.

• Csak a depolarizáció kezdetét gátolja, nem repolarizál.

• (A csatorna a nevét a nagyobb és ezért (kísérleti körülmények között) jobban mérhető befelé áramról kapta, azonban ez in vivo nem jön létre (mivel Em>EK ).)

Speciálisan szabályozott K+ csatornák

• Ca2+-aktivált K+ csatorna : citoplazma [Ca2+] hatására aktiválódik

• ATP-szenzitív K+ csatorna : olyan bef. rekt. csatorna, ami [ATP]/[ADP] hatására aktiválódik(pl. O2 hiány [ATP] hiperpol. sejt aktivitása)

• G-fehérje által aktivált K+ csatorna: olyan bef. rekt. csatorna, ami Gi fehérje -alegység kötés hatására aktiválódik (pl. szív szinuszcsomó)

TM1

TM2

P1

TM3

TM4

P2

K2P háttér K+ csatorna

Kálium csatorna családok szerkezete

Feszültség-kapuzott K+ csatornaFeszültség-függő

Na+ csatorna

Feszültségfüggő Na+ csatorna

Na+ szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok

I

Em (mV)

C2

C1

Pl.: belül C1=15, kívül C2=140 mM [Na+]INa=0, ha Em=ENa

ENa

Feszültségfüggő Na+-csatorna

I

Em (mV)

ENa

Em (mV)

ENa

nyitásivalószínűség

leak (csurgó)Na+ áram

ff. csatornaNa+ árama

küszöb -60 mV

I

Feszültségfüggő Na+ csatorna

• Az idegvezetés, az idegsejt a harántcsíkolt- és a szívizom akciós potenciáljának főszereplője

• Aktivációjához kezdeti depolarizációra van szükség (a nyugalmi Em és a küszöb között).Ezt in vivo más csatornának kell létrehoznia.

• Aktivációja további depolarizációt okoz, ami öngerjesztő folyamatot, akciós potenciált eredményez.

A FF. Na+ csatorna (és a FF K+ cstornák többsége) inaktiválódik

Zárt Nyitott

Inaktív (nem vezet)

Depolarizáció

Spon

tán

Repolarizáció

Inaktiváció:

N-típusú (gyors)C-típusú (lassú)

Em

INa

Idő (ms)

zárt nyitott inaktív

Az inaktiváció kísérletes kimutatása(makroszkópos áram)

Idő (ms)

A megnyílás és az inaktiváció is statisztikusjelenség az elemi áram szintjén

Em

elemi áramok több mérés során

egy csatornán

összegzettáram

Tetrodotoxin (fugu)

Saxitoxin (Dinoflagellate)Kékalga (cyanobaktérium); kagyló megeszi immunizálódik életben marad

fertőzött kagylómérgezés

Saxitoxin is a neurotoxin that acts as a selective sodium channel blocker. One of the most potent natural toxins known (0,2 mg is fatal), it acts on the voltage-gated sodium channels of nerve cells, preventing normal cellular function and leading to paralysis. A more insidious aspect of the colourful history of saxitoxin has to be its involvement in covert government operations and in chemical warfare.

Six fishermen prepared a meal of baked fish, boiled rice, boiled potatoes and boiled blue mussels that they had harvested themselves off the coast of Nantucket. An hour after finishing the meal, their mouths started to tingle. Their face, arms, legs and tongue soon went numb…

µ-conotoxinIzom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus

µ-conotoxinIzom feszültségfüggő ,Na+ csatornára specifikus

VeratridineLiliomfélék (Fehér zászpa)

AconitinSisakvirág

Batrachotoxin

Na+ csatorna aktiválók (gátolják az inaktiválást)

Batrachotoxin

A FF Na+ csatorna nem inaktiválódik, permanensen

nyitva marad

Szteroid-termelőőserdei növény

bennszülött

Nyílméreg béka

Coresinerovar

columbiaiESŐERDŐ

Batrachotoxin

A FF Na+ csatorna nem inaktiválódik, permanensen

nyitva marad

Idegrendszeri + szívhatás

0.5 µg halálos, nincs antidotum

A mérgezés kezelésére még a leghatékonyabb a tetrodotoxin

Feszültségfüggő Ca2+ csatornák Szerkezete hasonlít a FF Na+ csatornáéra

Aktivációjuk további depolarizációt okoz öngerjesztő folyamatot, akciós potenciált eredményez vagy hozzájárul az akciós potenciál depolarizáló szakaszához.

Működésének nemcsak a potenciálváltozás a fontos következménye, hanem az IC [Ca2+] megváltozása isIC szignál

Fajtái különböznek egymástól:küszöbpotenciál,inaktiváció gyorsaságakonduktanciaszabályozásfarmakológia

T tranziensL long lasting (harántcsíkolt izom, feszültségérzékelő)N neuronális

A nem specifikus kationcsatorna nyílásdepolarizál

A nem-specifikus kationcsatornák:

• áteresztenek Na+, K+, Ca2+ ionokat

• elsősorban Na+ áramlik be rajtuk in vivo (de fontos lehet a Ca2+ is). K+ sokkal kevésbé ki, mivel K+-ra kisebb a hajtóerő:

Em-EK +20 mV Em-ENa -130 mVEm-ECa -190 mV

Cl- csatornák

• A legtöbb sejtben Em ECl, vagyis nincs hajtóerő. A csatorna nyílás nem okoz lényeges ionáramot.

• Egyes (pl. hám-, simaizom-, idegsejtekben) ettől eltérés lehet (szekréció/reszorpció, gátló neurotranszmitterek).

• Szabályozásra pl.:- Ligandfüggő (pl. GABAA- és Glicin-receptor)- Ca2+-aktivált- cAMP-aktivált (pl. CFTR)- mechanoszenzitív

*

Elektrotónusos potenciál

Jellemzői: - lokális, nem tovaterjedő, nem öngerjesztő- térben és időben lecseng

(: térkonstans, : időkonst.)

Lehet:depolarizáló (ha ingerlékeny sejtben eléri a sejtre jellemző ff. Na+ vagy Ca2+ csatorna küszöbpotenciálját, akciós potenciálba megy át)okozhatja: nem-specifikus kation csatorna nyílás:

receptorpotenciál (generátorpotenciál)excitatoros posztszinaptikus potenciál (EPSP)

(elektromos ingerlés; katód közelében)

hyperpolarizációokozhatja: K+ csatorna nyílás, Cl- csatorna nyílás

inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP) (elektromos ingerlés; anód közelében)

Elektrotónusos potenciál: térbeli lecsengés

IC

EC

I

Em (mV)

-65

-70: Em 1/e részére csökken

Elektrotónusos potenciál: tér- és időbeli lecsengés

IC

EC

V

V

0I

idő (ms)

Em

Em

: Em 1/e részére csökken

1. van befelé Cl- hajtóerő Em (IPSP)

2. nincs Cl- hajtóerő Em=0, de az EPSP ekkor is gátolt

(3. kifelé Cl- hajtóerő Em)

Cl- csatorna nyílás következményei

Akciós potenciál (AP)

• A sejtre jellemző mintázatú, a sejt (közel) teljesfelszínén tovaterjedő feszültségváltozás.

• Ideg- és harántcsíkolt izomsejten: a ff. Na+ csatornák aktivációjának hulláma.

• Kiváltásához elektrotónusos depolarizáció szükséges a • ff. csatorna küszöbéig.

Akciós potenciál (AP)

depolarizáció

ff. Na+ csatorna nyílik

ff. Na+ csatorna inaktiválódik

ff. Na+ csatorna újra nyitható

repolarizáció

késői K+ csat. nyílik

utóhiperpolarizáció.

késői K+ csat. záródik

késve

sokatkésve

utóhyperpolarizációmegszűnik

Ionkoncentrációkfolyamatos

helyreállítása:Na+/K+-ATPáz

Akciós potenciál (AP)

-70

Em (mV)

+20

idő (ms)0 5

Vezetőképességek változása az AP során

Em

Tintahal óriás axon áramai

EmÁ

ram

56 mV depolarizáció

Korai “befelé” áram

Késői “kifelé” áram

KontrollÁ

ram

TTX és TEA hatása az axon áramaira

FF Na+ csatorna gátlás

FF K+ csatorna gátlás

idő

elektrotónusosdepolarizáció

Az ingerlékenység változásai az AP során

csúcspotenciál (tüske (spike))

utódepolarizáció

utóhiperpolarizáció

kezdeti fokozott ingerlékenység

refrakter periódus

szupernormális periódus

szubnormális periódus

Em

ing

erlé

ken

ység

Kis eredő PSP

Nagyobb eredőPSP

-80 mV-60 mV

0 mV+20 mV

-80 mV-60 mV

0 mV+20 mV

Nagy AP fr.

Kis AP fr.

Ff. K+ csat.

EPSP

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

-50

-60

20 mV

160 msec Injektált áram (pA)

-80

-150

20 mV

160 msec Injektált áram (pA)

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

-300

-500

20 mV

160 msec Injektált áram (pA)

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

-700

20 mV

160 msec Injektált áram (pA)

Elektrotónusos potenciál – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest)

Az akciós potenciál vezetése

Az akciós potenciál vezetése(csupasz idegrost)

+ + +

+ + ++

Ff. Na+ csat.

-80 mV-60 mV

0 mV+20 mV

+ + +

-60 mVVékony rost

+ + +

-60 mVVastag rost

++ +

-60 mVVékony rost

++ +

+ + +

-60 mVVastag rost

+ + +

Az akciós potenciál vezetése(myelinizált idegrost)

+ + +

+ + ++

Ff. Na+ csat.-80 mV-60 mV

0 mV+20 mV

Az akciós potenciál vezetése(saltatoricus ingerületvezetés

max. 100-120 m/s)

+ + ++

-80 mV-60 mV

0 mV+20 mV

+ +

Az akciós potenciál vezetése

1. Gyors, veszteség-, hiba- és torzításmentes

2. Egyirányú

3. Vastagabb rost gyorsabban vezet

4. Velőhüvelyes rost gyorsabban vezet (saltatoricus vezetés)