Biológiai jelátvitel V.: ioncsatornák, nyugalmi potenciál

1. 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 membránpotenciálnak
   • (megjegyzés: vannak olyan sejtek, amelyek membránpotenciálja folyamatosan változik = pacemaker sejtek)
2. 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
3. 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.

• 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

• 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)

1. Osztályozás töltéshordozók szerint:
   1. Na+, K+, Ca2+
   2. Cl-
   3. Non-specifikus kationcsatornák
   4. Non-specifikus anioncsatornák
2. A kapuzás (gating) típusa szerint:
   1. ligandoperált
   2. feszültségfüggő
   3. depolarizációra nyílik
   4. hiperpolarizációra nyílik
   5. mechanoszenzitív
   6. „háttér” ioncsatornák (nagyrészt nem tudjuk, hogy melyik csoportba tartoznak)
   7. 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
3. Energetikai besorolás:
   • az ioncsatornák energetikailag passzívak
   • az ionáram erőssége:
4. Az ioncsatornák vizsgálata:
   • Voltage-clamp (“feszültségzár”) technikával
   • több fajtája van
     1. 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 (!)
5. A csatornák inaktivációja:
   • a csatornák több állapotban létezhetnek
   • ZÁRT (aktiválható) → NYITOTT → INAKTÍV (zárt - nem aktiválható)
   • relatív és abszolút refrakter szakaszok

“A membrán passzív, ioncsatornáktól független vezetése.” - dr. Várnai Péter

• 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

• 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