====== 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