====== Biológiai jelátvitel V.: ioncsatornák, nyugalmi potenciál ====== ===== ALAPFOGALMAK ===== - __**Nyugalmi membránpotenciál**__ * megegyezés szerint a külvilágot tekintjük 0 mV-nak * ehhez képest a sejt belseje elektronegatív → az érték -90 és -10 mV között változik * ez nyugalomban mérhető a sejtek belsejében, ezért nevezzük **nyugami membránpotenciál**nak * (megjegyzés: vannak olyan sejtek, amelyek membránpotenciálja folyamatosan változik = **pacemaker sejtek**) - __**Depolarizáció, repolarizáció és hiperpolarizáció**__ * ha a nyugalmi potenciáltól nulla felé mozdul el a potenciál → **DEPOLARIZÁCIÓ** * ha a depolarizálódott sejt membránpotenciálja visszafelé mozog a nyugalmi érték felé → **REPOLARIZÁCIÓ** * ha a nyugalmi értéknél negatívabb potenciál alakul ki → **HIPERPOLARIZÁCIÓ** - __**Diffúziós potenciál**__ * az ionok eltérő diffúziójából adódó potenciálkülönbség (pl. KCl vizes oldatban disszociál K+ és Cl- ionokra) * a különböző ionok mozgékonysága más → a gyorsabb ion hamarabb éri el a B pontot, vagyis potenciálkülönbséget fogunk mérni * ez a különbség **kicsi** és **átmeneti**, mivel rövid időn belül kialakul egy egyensúlyi állapot. ==== EGYENSÚLYI POTENCIÁL ==== * **__Kísérlet:__** * Vegyünk egy membránnal elválasztott kádat, amelyben a két oldal ionkoncentrációja különbözik → az A oldalon 100 mM K+ van, a B oldalon víz * A két folyadékot elválasztó membrán K+-ra permeábilis * kezdetben a két oldal között nincs potenciálkülönbség. * a membránon keresztül K+-ionok áramlanak a B oldal felé a koncentrációgradiensnek megfelelően * mivel a membrán anionokra nézve átjárhatatlan, az átvándorló K+-ok negatív töltéseket hagynak maguk után a membrán A oldal felöli felszínén, és pozitív töltéseket halmoznak fel a B oldalon * ezzel egyre növekvő potenciálkülönbség keletkezik → az A oldal negativitása egyre nagyobb mértékben tartja vissza a K+-ok áramlását * egy adott potenciálkülönbség mellett megszűnik a nettó áram: ekkor a kémiai gradiens okozta hajtóerő megegyezik a potenciálkülönbség okozta ellentétes irányú hajtóerővel * azt a potenciálkülönbséget, amelynél az egyensúly beáll, **EGYENSÚLYI POTENCIÁL**-nak nevezzük * az egyensúlyi potenciál A és B oldal közti koncentrációktól függ. * a membrán permeabilitásának változtatása mindössze azt befolyásolja, hogy a rendszer milyen sebességgel éri el az egyensúlyi potenciált, magát az értéket nem * fontos még, hogy a fenti változásokhoz minimális mennyiségű ionra van szükség, így az A oldalon a koncentráció gyakorlatilag nem változik * **__A Nernst-egyenlet:__** * egy adott ion egyensúlyi potenciálját mutatja meg ==== MEMBRÁNPOTENCIÁL ==== * __**Kísérlet:**__ * vegyünk egy membránnal elválasztott kádat, amelyben a két oldal ionkoncentrációja különbözik * → az A oldalon 100 mM KCl és 10 mM NaCl * → a B oldalon 100 mM NaCl és 10 mM KCl * a két folyadékot elválasztó membrán K+-ra és Na+ permeábilis, de a K+-permebilitás jóval nagyobb * a K+-ok a koncentrációgradiensüknek megfelelően haladnak a B oldal felé * azonban ugyanekkora a gradiens Na+-ra nézve, így egy ellentétes Na+-áram is elindul, igaz - ez a permeabilitás miatt jóval kisebb * a B oldalon pozitív töltések halmozódnak fel → potenciálkülönbség kezd kialakulni * ez a potenciálkülönbség a K+-áramot csökkenteni, míg a Na+-áramot növelni fogja * egy bizonyos potenciálkülönbségnél itt is beáll az egyensúlyi állapot → ez a **MEMBRÁNPOTENCIÁL** * a fontos különbség az egyensúlyi potenciállal szemben, hogy itt a //steady state// fenntartása folyamtos ionáramot igényel * idővel a koncentrációkülönbségek kiegyenlítődnének, az ionáramok megszűnnének, így a potenciálkülönbség is megszűnne, azaz a rendszer leállna * ezt kiküszöbölendő szükség van egy aktív pumpára (sejtekben ez a Na+-K+ ATPáz), amely fenntartja a két oldal közti koncentrációkülönbséget * a sejtek nyugalmi potenciálja alapjait tekintve egy diffúziós potenciálnak felel meg * a sejtekben a membrán nagyobb K+-permeabilitásáért a leak “szivárgási” K+-csatornák felelősek * **__Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet:__** * leírja a membránpotenciál összefüggését az ionpermeabilitásokkal és ionkoncentrációkkal * az aktuális permeabilitások függvényében számolható belőle az aktuális potenciál * __**A membránpotenciált befolyásoló tényezők:**__ * a legpermeabilisabb ion határozza meg (főként) a membránpotenciált * [K+]EC ↑ → a membránpotenciál pozitív irányba tolódik (**DEPOL.**) (!) * [K+]EC ↓ → a membránpotenciál negatív irányba tolódik (**HIPERPOL.**) * (megjegyés: a Na+-ion egyrészt nagyon kis permeabilitással bír, másrészt külső koncentrációja nagy - így * érdemi változása nem lehetséges - ezért az általa létrehozott változások elhanyagolhatóak) * pK+ ↓ → egyre kevésbé elhanyagolható a többi tag a GHK-egyenletben → DEPOL. * pK+ ↑ → még inkább elhanyagolható a többi tag a GHK-egyenletben → HIPERPOL. * pNa+ ↑ → a Em a ENa+ felé mozdul el → DEPOL. * (megjegyzés: általánosságban elmondható, hogy ha a membránban nyit egy ioncsatorna, akkor a Em az adott ion Eion-ja irányába próbál meg elmozdulni) * pCl- ↑ → önmagában nem változtatja meg a membránpotenciált, viszont ez lesz az uralkodó potenciálérték, a többieknek nagyon nagyot kéne változnia, hogy kimozdítsa a membránpotenciált. A Cl- stabilizálja potenciált → így ér el gátló hatást. * **__A Na+/K+ ATP-áz - a PUMPAPOTENCIÁL__** * a pumpa elektrogén, 3 Na+-ot szállít kifelé, 2 K+-ot befelé → eggyel több pozitív töltés hagyja el a sejtet * ha gátoljuk (pl. ouabainnal), a plusz + töltés bent ragad és a membrán azonnal depolarizálódik → ezt nevezzük **PUMPAPOTENCIÁL**-nak * ez a membránpotenciál kb. 5%-át adja * (megjegyzés: a diffúziós potenciál adja a 90-95%-át, míg a fehérjékből adódó Donnan-potenciál a maradék 3-5%-ot) ==== IONCSATORNÁK ==== - __**Osztályozás töltéshordozók szerint:**__ - Na+, K+, Ca2+ - Cl- - Non-specifikus kationcsatornák - Non-specifikus anioncsatornák - **__A kapuzás (gating) típusa szerint:__** - ligandoperált - feszültségfüggő - depolarizációra nyílik - hiperpolarizációra nyílik - mechanoszenzitív - „háttér” ioncsatornák (nagyrészt nem tudjuk, hogy melyik csoportba tartoznak) - egy csatorna több típusba is tartozhat, több tényező is aktiválhatja őket * Megjegyzés: feszültségfüggő Ca2+-csatornák: * HVA (high voltage activated) → L-típusú (long lasting) * LVA (low voltage activtated) → T-típusú (tranziens, azaz átmeneti áram folyik rajta) * egyéb típusok: N, P, Q, R - **__Energetikai besorolás:__** * az ioncsatornák energetikailag passzívak * az ionáram erőssége: - **__Az ioncsatornák vizsgálata:__** * Voltage-clamp (“feszültségzár”) technikával * több fajtája van - Két mikroelektród módszer * Kísérlet: * a kérdés az, hogy a vizsgált sejt ioncsatornáin keresztül mekkora áram folyik. * a modellben két elektródát használunk fel: * az egyikkel mérjük a mindenkori membránpotenciál értékét * a másikon keresztül viszont áramot juttatunk a sejt belsejébe → ezzel képesek vagyunk feszültségbeállításra * amikor az ioncsatorna nyit → megváltozik az első elektródán mért, beállított feszültség → ezt érzékeljük, és a második elektródával biztosítunk egy kompenzáló áramot, ami visszaállítja az eredeti értéket * ebben az esetben a kompenzáló áram pontosan akkora, mint az ioncsatornákon átfolyó áram * az eredmények ismeretében meg tudjuk nézni, hogy adott feszültségértékeknél milyen áram jön létre * ebből meghatározhatjuk az egyensúlyi potenciált, amiből pedig az ionra következtethetünk * A görbe meredeksége a nyitott csatornák számától függ (kevesebb csatorna, alacsonyabb meredekség) * vannak olyan cstornák, amelyek bizonyos feszültségtartományban eltérnek a lineáris görbétől → másképp vezetnek → ezek a **REKTIFIKÁLÓ CSATORNÁK** (pl. befelé rektifikáló K+-csatorna) * Patch-clamp módszer: * membrándarabot izolálnak → megvan rá az esély, hogy csak egyetlen csatorna van benne (!) - **__A csatornák inaktivációja:__** * a csatornák több állapotban létezhetnek * **ZÁRT** (aktiválható) → **NYITOTT** → **INAKTÍV** (zárt - nem aktiválható) * relatív és abszolút refrakter szakaszok ==== AZ ELEKTROTÓNUSOS POTENCIÁL ==== “A membrán passzív, ioncsatornáktól független vezetése.” - dr. Várnai Péter === TULAJDONSÁGAI: === * analóg jel * térben-időben lecseng, ill. szummálódik * nem gátolható * lehet de- vagy hiperpolarizáció * jelentősége: * lokális válasz (EPSP, IPSP) * gap-junction * AP-terjedés * időkonstans: az az időtartam, ami alatt a potenciálváltozás az eredeti 37%-ára csökken. * térkonstans: az a távolság, ami alatt a potenciálváltozás az eredeti 37%-ára csökken. → Minél nagyobb, annál lassabb a lecsengés * ha csökkentjük az axon ellenállását (növeljük az átmérőjét) → a térkonstans nő * ha a veszteséget csökkentjük (növeljük a membrán ellenállását → szintén nő ==== AZ AKCIÓS POTENCIÁL ==== * lényege a membrán depolarizációja (amelyet repolarizáció követ) * a membránban terjedő elektromos üzenet * ingerlékeny sejtekben található (pl. idegsejtek, izomsejtek, epithelsejtek (!)) * alakja jellemző a sejtekre * rendelkezik egy küszöbpotenciállal, ami alatt nem jön létre, viszont ha ezt meghaladja, életbe lép a “minden vagy semmi szabály” → az akciós potenciál amplitúdója független a kiváltó inger nagyságától * ioncsatornák hozzák létre * **//__az akciós potenciál lefutása:__//** * bizonyos áramintenzitás fölött a megjelenő potenciálváltozás alakja megváltozik, nem stabilizálódik egy adott értéken, hanem a depolarizálódás robbanásszerűen bekövetkező akciós potenciálban folytatódik * felszálló szárán a depol. előbb teljes lesz, * majd a potenciál előjele megfordul → a sejt belseje átmenetileg pozitív értéket vesz fel → **OVERSHOOT** * az akciós potenciál leszálló szára a repolarizációnak felel meg * majd az átmeneti hiperpolarizálódás után helyreáll a nyugalmi membránpotenciál * **//__ionáramok az akciós potenciál során:__//** * helyi esemény hatására a membrán depolarizálódik → * -50 mV-nál megnyílnak a gyors FF Na+-csatornák → gNa+ ↑ → ionáram nő (l. áramerősség egyenlet) → ec. Na+-ok áramlanak a sejtbe, ezzel depolarizálva a membránt, majd létrehozva az overshoot-ot és a csúcspotenciált (spike) * a Na+-csatornák okozta depol. egyre több csatornát nyit → pozitív feedback, öngerjesztés * ugyanakkor a depolarizált membránban a Na+-csatornák inaktiválódnak → csökken a Na+-permeabilitás → csökken az áram * kb. ugyanebben az időben nyitnak a késői FF K+-csatornák → a K+-kiáramlás megindítja a membrán repolarizálódását. * mivel a membrán K+-permeabilitása ebben a szakaszban nagyobb, mint a nyugalmi érték → a membránpotenciál negatívabb irányba tolódik → átmeneti hiperpolarizáció jön létre * a nyugalmi membránpotenciál csak ezután áll helyre * megjegyzések: * az akciós potenciál a Na+ és a K+ egyensúlyi potenciál értékei között mozog, de egyiket sem éri el * [Ca2+]ec. ↓ → a küszöbpotenciált negatívabbá teszi → könnyebb depol. * a helyi érzéstelenítők (lidocain, kokain) a FF Na+-csatornák gátlásán keresztül hatnak * a Na+-csatornák gátlószere a TTX, a K+-csatornáké a TEA * **//__az akciós potenciál terjedése:__//** * __**PONTRÓL-PONTRA:**__ * az AP alatti deporalizálódás elektrotónusosan vezetődik a közvetlenül szomszédos membránszakaszra, ezt depolarizálja → így helyi elektromos körök alakulnak ki * ez a helyi depol. nyitj a FF Na+-csatornákat → és amikor elérik a küszöbpotenciált, AP jön létre * ezzel a mechanizmussal az AP pontról-pontra terjed az axonon * a vezetés egyirányú, mivel az előző szakasz mindig refrakter állapotban van * ez a mechanizmus lassú → emberben a velőhüvely nélküli axonokra és a vázizomrostokra jellemző * __**SALTATORICUS VEZETÉS:**__ * valóban gyors vezetésre a velőhüvelyes idegrostok képesek * ezt a myelin-hüvelyt a Schwann-sejtek hozzák létre, proteolipidekből állnak és rendkívül nagy az elektromos ellenállásuk * ennek köszönhetően mintegy szigeteli az axont * a velőhüvely néhány mm-es szakaszokban burkolja az axont → ezeket INTERNODIUM-nak nevezzük * az internodiumok között egy rövid 0,5-1 mikrométeres szakaszon hiányzik a hüvely → az axolemma közvetlenül érintkezik az ec. térrel → ezeket Ranvier-féle befűződésnek vagy NODUS-oknak hívják * a nodusok területén nagy mennyiségű FF Na+-csatorna található → az érkező AP it depolarizálhatja a membránt, itt alakulhat ki a következő AP * az AP egyik nodusról a másikra ugrik → ezért kapta a saltatoricus vezetés nevet