2019.09.06.

1

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál éselektrotónusos potenciálok

- Ionális mechanizmusok -

Sántha Péter2019.09.09.Támpontok:4-6

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 mVAz 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 potenciállalrendelkezika stabilitást folyamatos ATP felhasználás biztosítja (akár az ATP 70%-át is felemészti)

Bizonyos sejtek nem rendelkeznek stabil E0-lal: pacemaker (ritmusgenerátor) sejtekpl.: sinus csomó (nodális szövet); Cajal-féle intersticiális sejtek (GI traktus)

2019.09.06.

2

Az extracelluláris és az intracelluláris folyadéktér aszimmetrikus ioneloszlása

ECF (mmol/L)(intersticiális folyadék)

ICF (mmol/L)(sejtplazma)

Plazmamembrán

0.00004 (pH=7.4)

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

- +

Negatív PozitívSzelektív K+ permeábilis membrán

Kiindulási állapot diffúziós egyensúly

2019.09.06.

3

A Nernst egyenlet: megadja a vizsgált ion egyensúlyi potenciálját azadott ECF és ICF koncentráció értékek mellett:

Az egyes ionokra számított egyensúlyi potenciál értékek (ld. korábbi adatok):

Z = ionok töltéseR = gáz konstansF = Faraday konstansT = hőmérséklet

T=37 ºC

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 vettionok (K+, Na+, Cl-) nettó fluxusa, 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-

2019.09.06.

4

Goldmann-Hodgkin-Katz (GHK) egyenlet:

Megadja az egyensúlyi membránpotenciál értéket az adott ionkoncentráció ésion 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: hiperpolarizációEm 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 zavarokEzek a változások súlyos, életveszélyes állapotokat eredményezhetnek!!

A konduktancia változik meg (pl. ioncsatornák aktiválódása/zárása):fázikus (gyors) változások: akciós potenciáltónusos (lassú) változások: posztszinaptikus potenciál, szenzoros (generátor) potenciál

Újabb probléma: az ionok folyamatos egyirányú áramlása (A. ábra) hamar meg-szüntetné a koncentráció grádienst → végül az Em 0 mV körül stabilizálódna!

Az élő sejtekben egy elektrogén transzport a passzívan diffundáló Na+ és K+ ionokatvisszajuttatja 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 potenciálértékét még kb. 5 mV-tal a negatív irányba - hiperpolarizáló pumpa potenciálKövetkezmények:

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!

Na+

K+

IC EC

Em=-65mV Na+

K+

IC EC

Em=-70mV

Na+

K+

A) B)passzív diffúzió passzív diffúzió

aktív transzport

ATP

2019.09.06.

5

A membrán kapacitás jelentősége

A plazmamembrán kondenzátorként is viselkedik (a lipid kettősréteg a szigetelő réteg, a szomszédos folyadék rétegek a vezetők).

Nyugalmi állapotban a membrán kapacitása határozza meg az Emfeszültségű elektromos erőteret fenntartó ionok mennyiségét

C=Q/U → Q=Cm x Um (Um=Em)

Cm nagyságát a membrán felszíne, vastagsága és a dielektromos állandóhatározzák meg

Példa:

Gömb alakú, 50 µm átmérőjű sejtnél Em=- 60 mV, a membrán kapacitásaCm= 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 – elektrotónusos potenciálok

A sejt (membrán) ingerlése intracelluláris elektródával

A potenciál változás lefutása „lekerekített”:membrán kapacitás gyors „kisülése”(kezdeti gyors depolarizáció)kationok kompenzáló kiáramlása fokozódik(késői lassú depolarizáció és steady state)

Befelé irányuló áram (kation áram) – DEPOLARIZÁCIÓKifelé irányuló áram (kation áram) – HIPERPOLARIZÁCIÓ

Az elektromos ingerléssel kiváltott passzív potenciál változást ELEKTROTÓNUSNAK nevezzükEz az elektrotónusos potenciálik egyik típusa.

∆Em (Emax) arányos a stimuláló áram intenzitásával és a membrán ellenállásával –GRADÁLHATÓSÁG: a pot. változás mértéke az ingererősségétől függ, fokozatosan („gradálva”) változtatható .

E0

Stimuláló áram

electrotónusospotenciál

sejt

2019.09.06.

6

Extracelluláris ingerlés:

Katód–membrán depolarizáció

(katelektrotónus) Anód– membrán hiperpolarizációja

(anelektrotónus)

ECF

ICF

membrán

katód anód

Az ingerlés csak helyi, LOKÁLIS potenciál változást okoz, a potenciál változás mértéke az ingerlés helyétől távolodva csökken:

Az elektrotónusos potenciál csökkenő amplitúdóval, DEKREMENTUMMAL terjed

Extracelluláris ingerlés felhasználása a gyógyászatban:Kamrai tachycardia (életveszély!!) – elektrokardioverzió és defibrilláció –DEFIBRILLÁTOR

Pacemaker therápia (szív, rekeszizom, KIR)Elektrokonvulzív therápia (Psychotikus állapot)Endocochlearis implantáció („mesterséges” belső fül)TENS: Transdermal Electric Nerve Stimulation (fájdalomkezelés)

Hordozható defibrillátor

2019.09.06.

7

Nem külső ingerléssel kiváltott elektrotónusos (gradált vagy lokális) potenciálok:

Posztszinaptikus potenciálok (PSP)

kémiai transzmisszió, a posztszinaptikus membránonligandfüggő ioncsatornák (ionotróp receptor aktiváció)másodlagos hírvivők által aktivált ioncsatornák (metabotróp receptor aktiváció)

Receptor- (generator) potenciálelsődleges érző neuron vagy érzékhámsejtek membránjaSzenzoros szignál által aktivált transzdukciós folyamat eredménye

Az akciós potenciál terjedésetovaterjedő depolarizációs „front” (pl. idegrost, harántcsíkolt izomrost, szívizom, egyegységes simaizom)

Pacemaker potenciáloka pacemaker sejtek spontán depolarizációja (sinus és AV csomó, Cajal-féleintersticiális sejt a vékonybélben, egyes neuronok)

Az ingerlékeny sejtek passzív és „aktív” potenciálváltozásai elektromosingerlést követően

Neuroscience Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick

2019.09.06.

8

Az akciós potenciál

Jellemzők:

A membrán gyors depolarizációjaAktivációs küszöbSztereotíp: a potenciál változás alakja (időlefutás), hossza, amplitúdója állandóak (sejtre jellemzők) és függetlenek a stimulus paramétereitől(minden vagy semmi szabály)

Akciós potenciál: küszöb felettiingerléssel kiváltott önfenntartó sztereotíp depolarizáló potenciálváltozás

Tintahal óriás axon

Patkány izom

Macska szívizomrost

Az (idegi) akciós potenciál szakaszai

1. Gyors depolarizáció2. Csúcspotenciál („túllövés”)3. Repolarizáció

Utópotenciálok:4a. Hyperpolarizáló4b. Depolarizáló

1.

2.

3.

4b.

4a.

Tintahal óriás axon

2019.09.06.

9

Az idegi akciós potenciál ionális mechanizmusa

• Az ingerléssel kiváltott depolarizáció megközelíti a küszöbértéket.(-50 - -40 mV) A feszültségfüggő Na+ csatornák egy kis 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 pozitívvisszacsatolás 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 ionkoncentrációknem 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!!

A Na+ és K+ konduktancia változásai az akciós potenciál során

A GHK egyenlet szerint a membrán-potenciált meghatározza: -EC/IC ionkoncentrációk (minimális

változás)-Ionok permeabilitása (konduktanciája):

gNa+ - gyors emelkedés/csökkenésgK+ - késleltetett emelkedés/lassú csökkenés

Következmények:– depolarizáció során Em megközelíti a

Na+ egyensúlyi potenciálját (ENa+ ~+60 mV)

- Repolarizáció során Em megközelíti a K+ egyensúlyi potenciálját (EK+~ -70mV)

EK+

ENa+

E0

2019.09.06.

10

A feszültségfüggő Na+ és K+ csatornák szerepének különbsége az (idegi) akciós potenciál keletkezésében

http://www2.neuroscience.umn.edu/eanwebsite/metaneuron.htm

Normál + TTX + TEA

TTX: tetrodotoxin, Nav-csatorna gátló; TEA: tetraehtyl-ammonium, K-csatorna gátló

A membránok (axonok) ingerelhetőségének jellemzése

Ingeridő

Inge

rinte

nzitá

s

rheobázis

2 x rheobázis

chronaxia

IngeridőInge

rinte

nzitá

s

A vastag, velős rostok ingerelhetősége jobb mint a vékony, velőtlen rostoké!(a rheobázis és a chronaxia értéke is alacsonyabb)

E0

Stimuláló áram

electrotónusospotenciál

2019.09.06.

11

Az EC kalcium koncentráció változásának hatása a membrán ingerelhetőségére – hypokalcémiás tetánia

Fiziológiás Ca2+ koncentráció

Tetánia – hipokalcémiakövetkeztében kialakuló izomgörcsök(glottis görcs – életveszély!)

Hyperkalcémia:Izomgyengeség

A membrán ingerelhetőségének változása az akciós potenciál alatt – refrakter periódusok

Abszolút refrakter periódus: a membrán nem ingerelhető („az inger küszöb végtelen”)Relatív refrakter periódus: az ingerlési küszöb emelkedett (erősebb inger kell)következmény: az AP sorozatok frekvenciája korlátozott (max. 500-1000 Hz)

Aktivációs küszöb

Refrakter periódus

2019.09.06.

12

A feszültségfüggő Na+-csatorna funkcionális modellje

Ruhepotential

depolarizáció repolarizáció

Refrakterállapot

Aktiválhatóállapot

Aktiválhatóállapot

A refrakter állapot csak a teljes repolarizáció után szűnik meg!- Lassú tartós depolarizáció felfüggesztheti a membrán ingerelhetőségét

Em

A membrán áramok az egyes ioncsatornák elemi

áramainak összegződése (eredője)

Egy csatorna áramának mérése – depolarizáció által kiváltott nyitási események

csatorna

Whole cell

Single channel

2019.09.06.

13

Az elektrotónusos potenciál terjedése elongált struktúrákban (rostokban)

Az EP amplitúdója a távolsággalexponenciálisan csökken - dekrementum

Ok: a depolarizáló áram a stimulushelyétől folyamatosan csökken(inhomogén árameloszlás)

lokális áramkörök modell (kábel-teória)Rm – membránellenállásRa – axon (hossz) ellenállás

Hossz „konstans” (37% Emax):

- Rm: egyenesen arányos- Ra: fordítottan arányos

37%Emax

Ra= axon (hossz) ellenállás – az axon vastagsága befolyásolja

Az áramsűrűség térbeli alakulása az ingerlés környezetében (inhomogén eloszlás)

2019.09.06.

14

Az akciós potenciál terjedése az axonokban

Ionáramok: Na+ áram – depolarizáló hatás

A depolarizáció elektrotónusosan terjed

Azokon a területeken, ahol a depolarizáció eléri azaktivációs 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, Rmalacsony-Az feszültségfüggő Na+ csatornák refrakter állapotban vannak

20 m/s

Tintahal axon

Vezetés így történik: C-rostokban, izomrostokban,+ elektromos nexusokon keresztül (szívizom, simaizom)+ elektromos szinapszisban

Ra= axon ellenállás

Áramsűrűség alakulásaa rost hosszában

Membránpotenciál alakulása

E0

Eküszöb

Na+ influx: aktivált Na+csatornákPasszív áramok:

főleg K+ efflux(„szivárgó” csatornák)

A helyi potenciál változássebessége a membránKAPACITÁSÁTÓLfügg!!

2019.09.06.

15

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 !!

Na+ csatorna: befűződés (zöld)K+ csatorna: paranodium (vörös)

Velős és velőtlen rostok és a Schwann sejtek

2019.09.06.

16

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 Raés membrán kapacitás)Energetikai előny: az internodiumban minimális transzmembrán ionáramlás – lényegesenkisebb Na+-K+ ATPáz aktivitásra van szükség

Szaltatórikus ingerületvezetés a velős axonokban

AP APEP EP EP

L

Em

A membránpotenciál változásainak regisztrálása extracelluláris elektródákkal

a: unipoláris elvezetés:Az aktív elektróda potenciáljátegy indifferens (referens)elektróda potenciáljához(0) viszonyítjuk

b: bipoláris elvezetés:Mindkét elektróda „aktív”potenciálkülönbség „kiemelése”

a. b.

AP terjedés

Felhasználás:ENG: electro-neurogrammEMG: electro-myogrammEKG: electro-cardiogrammEEG: electro-encephalogrammERG: electro-retinogramm(nem mindig AP aktivitásbólered a regisztrált elektromos jel)

Monofázisos akciós potenciál

Bifázisos akciós potenciál

2019.09.06.

17

Az ingerléssel kiváltott akciós potenciálok terjedése a perifériás ideg axonjain

Szenzoros neuron(szenzoros ganglion)

Motoneuron vagyvegetatív efferens neuron

(KIR/veg. ganglion)

efferens axon

afferens axon

antidrómos orthodrómos

antidrómosorthodrómos

A kevert perifériás ideg compound akciós potenciálja

Stimulus disztális

Proximális(centrális)

Disztális ingerlés-proximális regisztrálás:Efferensek (motor, vegetatív): antidrómos ingerületvezetésAfferensek (szenzoros): orthodrómos ingerületvezetés

idő

n. Saphenus compoundakciós potenciál

2019.09.06.

18

Lloyd and

Hunt

(Sensory)

Erlanger and

Gasser (Sensory

and Motor)

Diameter

(µµµµm)

Velocity

(m/s) Function

Ia fibers A-alpha fibers 10 20

largest

50 120

fastest

Motor: alpha motor

neurons

Sensory: muscle spindle

Ib fibers A-alpha fibers 10 20 50 120 Sensory: Golgi tendon

organ, touch, pressure

II fibers A-beta fibers 4 12 25 70 Motor: intrafusal and

extrafusal muscle fibers

Sensory: muscle spindle,

touch, pressure

III fibers A-gamma fibers

A-delta fibers

2 8

1 5

10 50

3 30

Motor: gamma motor

neurons, muscle spindle

Sensory: touch, pain,

temperature

IV fibers B-fibers

C-fibers

1 3

<1

3 15

<2

Motor: preganglionic

autonomic fibers

Motor: postganglionic

autonomic fibers Sensory:

pain, temperature

Classifications of the axons of the mixed peripheral nerves