Elektrofiziológiai alapjelenségek 1.

Elektrofiziológiai alapjelenségek

1.

SZTE-ÁOK Farmakológiai és Farmakoterápiai Intézet

Szeged, Dóm tér 12.

Témák

Biofizikai alapok

Nyugalmi membránpotenciál

Elektrotónusos potenciálok

Akciós potenciálok Ioncsatornák és tulajdonságaik Az ingerületvezetés alapjai

Potenciálokról általában

A1

B1

• A potenciál(különbség) lehetőséget teremt hogy a rendszerben változás álljon be, az egyensúly irányába, hogy a potenciál megszűnjön

• Minél nagyobb a potenciálkülönbség, elvileg annál nagyobb munka végezhető

• A potenciál(különbség) nem feltétlenül jelenti azt, hogy történni is fog változás! Más egyéb tényezőktől is függhet

A2

B2

A3

B3

Potenciál = Hajtóerő

(B1-A1)<(B2-A2)<(B3-A3)

• Kémiai potenciál

• Elektromos potenciál

• Elektrokémiai potenciál

• Donnan potenciál

Elektrofiziológiai szempontból fontos potenciálok

‘A’ térrész ‘B’ térrész

• Az ‘A’ térrészben a cukormolekulák száma jóval nagyobb mint a ‘B’ részben

• A membrán a glükóz számára átjárható

• A rendszer nincs egyensúlyban: a

koncentrációgrádiens az ‘A’ részből a ‘B’ rész irányába mutat

‘A’ térrész ‘B’ térrész

• Az ‘A’ térrészben a cukormolekulák száma egyenlő a ‘B’ részben találhatóval

• A rendszer dinamikus egyensúlyban van

• Nincs koncentrációgrádiens, nincs kémiai potenciál

Kémiai potenciál

10 0

5 5

A kémiai potenciál a töltéssel nem rendelkező részecskék egyszerű

diffúziójának hajtóereje, lényegében azonos a koncentrációkülönbséggel A diffúzió rövid távon hatékony transzport folyamat

Pl.: O₂-CO₂ gázcsere a tüdőben

1. Kémiai potenciál

Kémiai potenciál (leegyszerűsítve):

• Elektromosan semleges anyagokra értendő

• Parciális moláris szabadentalpia: megadja a teljes rendszer energiájának a változását, ha ebből az anyagból 1 mólt hozzáadunk a rendszerhez

• Az abszolút értéke nem ismert, a megváltozását tudjuk mérni

• Ha egy rendszerben potenciálkülönbség alakul ki, akkor kémiai potenciálkülönbség keletkezik

• Jele: µ

‘A’ térrész ‘B’ térrész

µA > µ_B

Δ µ= RTln [c

]

[c

]

µ= µ0+ RTlnC

A diffúzió hatékonysága a távolság függvényében

A membrán csak K⁺-ra permeábilis 20 K⁺

K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^-

K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^- K⁺Cl^-

20 Cl^- 0 K⁺ 0 Cl^-

Kémiai (K⁺)

- 20 mV K⁺

K⁺ K⁺

K⁺

K⁺

K⁺ K⁺

K⁺

K⁺ K⁺

Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^-

Cl^-

Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^- K⁺

K⁺

K⁺ K⁺

K⁺

K⁺ K⁺

K⁺ K⁺

K⁺

20 Cl^- 0 Cl^-

14 K⁺ 6 K⁺

Kémiai

Elektromos

+ -

Kémiai (Cl^-)

K⁺ K⁺

K⁺ Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^-

K⁺ K⁺

+ -

+ -

Kémiai

Elektromos

Egyensúlyban a kémiai hajtóerő és az elektromos hajtóerő

egyenlő nagyságú, és ellentétes irányú

A két oldalon a koncentrációk nem egyenlőek

A két térrész között

feszültségkülönbség mérhető

Δ µ= RTlg [c

]

[c

] + zF(E

-E

)

0= RTlg [c

]

[c

] + zF(E

-E

)

Kémiai Elektromos

Elektrokémiai potenciál

Egyensúlyban zérus

K⁺ K⁺

K⁺ Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^-

K⁺ K⁺

+ -

+ -

Kémiai

Elektromos

Egyensúlyban a kémiai hajtóerő és az elektromos hajtóerő

egyenlő nagyságú, és ellentétes irányú

EGYENSÚLY VAN, DE

A két oldalon a koncentrációk nem egyenlőek

A két térrész között

feszültségkülönbség mérhető

E

-E

= -RT lg [c

] [c

] zF

Elektrokémiai potenciál

E

= -60mV lg [X

] [X

]

Nernst-egyenlet, Egyértékű kationra

E

= -60mV lg [X

] [X

]

E

= -60mV lg [5]

[133]

A szívizomsejt extracelluláris oldalán 5 mM, az intracelluláris térben 133 mM K⁺ van

E

= - 85 mV

koncentrációkülönbség határozza meg.

A Nernst-egyenlet megadja, hogy egy adott ion ismert külső és belső koncentrációk mellett mekkora feszültség mellett kerül egyensúlyba

Donnan-egyensúly

K⁺

Cl^- K⁺

A^-

K⁺ K⁺ K⁺

A^-

A^- A^- Cl^-

Cl^- Cl^- K⁺ K⁺ K⁺

K⁺

A^-

A^- Cl^-

Cl^- K⁺ K⁺ K⁺

K⁺

A^-

A^- Cl^-

Cl^- K⁺ K⁺ K⁺

K⁺ > K⁺ Cl^- < Cl^- Negatív Pozitív

[K]_A x [Cl]_A = [K]_B x [Cl]_B

A Donnan-egyensúly minden esetben ~ - 17 mV

Nyomásokra nem áll fenn az egyensúly! Ozmotikus

potenciál keletkezik!

A Donnan-egyensúly nem magyarázza a membránpotenciál kialakulását

- 17 mV versus – 80 mV

Egy élő sejtben a Na/K pumpa folyamatos aktivitása megakadályozza a Donnan egyensúly kialakulását

A Donnan-egyensúly a halott sejt membránpotenciálja!

Nyugalmi membránpotenciál kialakulása

A sejtmembrán

elektromosan szigetel, és ioncsatornák révén a rajta keresztül megvalósuló ionmozgás szabályozhat

A szervezet összes élő sejtje rendelkezik

valamekkora nyugalmi membránpotenciállal

Az eltérő ionmegoszlás miatt potenciálkülönbség alakul ki, a belső oldal

megegyezés szerint negatív Eközben makroszinten mind a két tér elektroneutrális

marad Nyugalmi membránpotenciált fenntartó tényezők

• Egyenlőtlen ioneloszlás

• Szelektív permeábilitás

• Na/K pumpa működése

• Donnan-potenciál

+

A&B: Egyenlőtlen ionmegoszlás + szelektív permeábilitás

Egyenlőtlen ionmegoszlás + szemipermeábilis membrán = egyensúlyi potenciál kialakulásához vezet

- A nyugalmi memb.pot. kialakuláshoz a K egyenlőtlen megoszlása a fontos

135 mM

KCl 5 mM KCl

-

~ -90 mV

E

=-60mV lg [X

]

[X

]

E

=-RT lg [X

]

[X

]

zF

Egy jól alkalmazható forma:

R: egyetemes gázállandó: 8,31 J/mol/K T: abszolút hőmérséklet (K)

Z: ion vegyértéke (K+ = 1)

F: Faraday állandó 96500 C/mol

E(K)= -90 mV E(Na) = +70 mV E(Ca) = +120 mV

C) Na/K pumpa

Működése elektrogén: 3 Na+ ki, 2 K+ be (nettó 1 + töltés ki, tehát negatív irányba viszi a Em-et)

Csak 10-20 mV-al járul hozzá közvetlenül a membránpotenciálhoz Azonban biztosítja az egyenlőtlen Na és K koncentrációkat, így, nagy szerepe van a membránpotenciál fenntartásában

Teljes gátlása az élettel összeegyeztethetetlen, mégis bizonyos gyógyszerek pont ezt a pumpát gátolják (pl. digoxin, digitoxin)

D) Donnan-potenciál

A nagyméretű, impermeábilis anionok (fehérjék) révén kialakuló potenciál

A Donnan-potenciál kb. 15 mV potenciálkülönbséget eredményez, tehát a nyugalmi membránpotenciál szempontjából nincs túl nagy jelentősége

A Donnan-potenciál a halott sejt membránpotenciálja

Gliasejtekben, és a szív Purkinje sejtjein a nyugalmi membránpotenciál közel egyenlő a K- equilibrium potenciálllal = A sejt nyugalomban gyakorlatilag csak K-ra permeábilis.

Idegsejtekben a nyugalmi membránpotenciál kissé pozitívabb mint a K-egyensúlyi potenciál

= a sejt nyugalmi Na konduktanciával is rendelkezik

Szinusz-csomóban és AV-csomóban nincs stabil nyugalmi potenciál

Sejttípus Nyug.memb.pot.

Belső fül szőrsejt -15 to -40mV

Vázizomsejt −95 mV

Símaizomsejt –60 mV

Astroglia –80 to –90 mV

Idegsejtek –60 to –70 mV

Eritrocita –8.4 mV

Chondorcita -8 mV

Aorta símaizom sejt -45 mV

Szívizomsejt -80 mV

Fotoreceptor sejt –40 mV

Mi a célja a nyugalmi membránpotenciálnak?

Neuronokban az akciós potenciál kialakulás és így az ingerületvezetés alapja Simaizomsejtben, vázizomsejtben az akciós potenciál kialakulás és így a kontrakció alapja

Szívizomsejtben az akciós potenciál és így a kontrakció, és az ingerületvezetés alapja

Egyéb sejtekben a másodlagosan aktív transzport folyamatokban (pl.:

glukóz/Na kotranszporter

A sejtek energiaigényének közel 40%-a az egyenlőtlen ioneloszlás fenntartására

fordítódik

A Na/K pumpa gátlása a nyugalmi

membránpotenciál megszűnését, és a sejt halálát jelenti

Nyugalmi membránpotenciál nélkül nincs ingerületvezetés, szívműködés…

A nyugalmi membránpotenciál megváltozása

Ligandok

(neurotranszmitterek, szignál molekulák, ionok, stb), feszültségváltozás Környezeti ingerek (fény, hang, szag, mechanikus, termikus…stb)

A nyugalmi membránpotenciál értéke megváltozik

Még negatívabbá válik (hiperpolarizáció)

Pozitívabbá válik (depolarizáció) Lokális

potenciálváltozás történik (elektrotónusos

potenciál)

Megszűnik

Akciós potenciál keletkezik

Tovaterjed, újabb AP-t vált

ki

Elektrotónusos potenciálváltozások

Ligand-aktivált Na-csatorna

- - - - - - - - Axon + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Ligand-aktivált Na-csatorna

+ + Axon

+ + + + + + + +

+ + + ^{+ + + +}

- - - -

+ +

+ + + + + +

+ + +

+ +

+ + + +

+ +

+ +

+ +

+ +

Pozitív töltés + Negatív töltés

X

Na-csatorna

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Axon - - - -

+ +

+ + + + + +

+ + +

+ +

+ + + +

+ +

+ +

+ +

+ +

+

A potenciálváltozás a kiváltás helyétől számítva rövid távol lecseng

OKA:

1.: A potenciálváltozás nem képes újabb ioncsatornákat bevonni a folyamatban

2.: A Na/K pumpa folyamatosan a nyugalmi membránpotenciálra jellemző töltés

helyreállítására törekszik

Időkonstans: Az az idő, amely alatt a potenciálváltozás az eredeti 37%-ra csökkent

Térkonstans: Az a távolság amely alatt a potenciálváltozás az eredeti 37%-ra csökken

1. Minél nagyobb a stimulus, annál nagyobb a kiváltott potenciál, nincs küszöbpotenciál

2. Lehet depolarizáció, vagy hiperpolarizáció

3. Az egyes potenciálváltozások összeadódnak, vagy gyengítik egymást (térbeli és időbeli szummáció)

4. Nem gátolható

5. Nincs refrakter periódus

6. Ha eléri a küszöbpotenciált akciós potenciált vált ki 7. Nincs feszültségfüggő csatorna megnyílás

Élettanilag fontos!

1. Excitatórikus posztszinaptikus potenciál (EPSP) 2. Inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP) 3. Retinában fényinger hatására

Funkciója a

jeltovábbítás, sejtek közötti kommunikáció, de csak rövid távon hatékony!

Hosszabb távon akciós potenciál kiváltása

szükséges

Akciós potenciálok

Az ingerlékeny sejtek membránja megfelelő nagyságú ingerre sajátos potenciálváltozással reagál, amit akciós potenciálnak nevezünk

Az akciós potenciálok morfológiája az adott szövetre jellemző és azon belül is változik

Funkciója: Idegsejtekben az ingerület gyors továbbítása Vázizom & Simaizomban a kontrakció létrehozása

Szívizomban: az ingerület továbbítása + kontrakció biztosítása

Az egyes akciós potenciálok eltérő morfológiát mutatnak egy adott szerven belül is

Ebből az következik, hogy az akcióst potenciált létrehozó ioncsatornák nagymértékben különböznek az egyes

régiókban

Ennek komoly funkcionális jelentősége van!

Akciós potenciálok szakaszai

Depolarizációs fázis: Az AP kezdeti fázisa. Minden akciós potenciálnak van.

Létrehozó ionáram általában Na+ áram. (Szinusz-csomóban, AV-csomóban Ca²⁺)

Repolarizáció: Az AP visszatér a kiindulási értékre. Minden akciós potenciálnak van. A létrehozó áram valamilyen K⁺ áram

Platófázis: Csak a szívizomban van, ott sem minden esetben. Kamrai, pitvari,

Purkinje sejtekben. Ca²⁺ áram tartja fenn, a kontrakciós folyamatot hozza létre a Ca²⁺ belépés

Dep. Dep.

Dep.

Rep. Rep.

Rep.

Plat. Nyugalmi

membránpotenciál:

Két akciós potenciál közötti izoelektromos szakasz. A legtöbb AP-nél van, kivéve a szinusz csomót, AV-csomót, és a szívizom Purkinje sejtjeit

Konduktancia viszonyok az akciós potenciál alatt

-80 mV -90 mV

(Em) (E_K) +30 mV

(Em)

+70 mV (E_Na)

2. Hol várhatunk legnagyobb részecskeáramlást a Na és K esetében?

1. Van-e hajtóerő az akciós potenciál minden pontján a Na és K-nak?

120 mV

10 mV

40 mV 150 mV

3. Hol jön létre ténylegesen részecskeáramlás?

Goldmann-Hodgkin-Katz egyenlet

Több ion együttes jelenléte, illetve változó

permeábilitás esetén a GHK-egyenletet használjuk

E

=-RT lg F

P_K[K+]out+P_Na[Na+]out+P_Cl[Cl-]in P_K[K+]in+P_Na[Na+]in+P_Cl[Cl-]out

A Nernst egyenlet megadja egy ion egyensúlyi potenciálját,

adott külső és belső ionszintek mellett, állandó membrán

permeábilitás mellett

Nernst egyenlet vs. GHK- egyenlet

Csak egy diffúzibilis ion van a

rendszerben

Több diffúzibilis ion is lehet a

rendszerben

Nem számol az ioncsatornák változó

permeábilitásáva l

Figyelemben veszi az adott

csatorna aktuális permeábilitását

Akciós potenciál

minden pillanatában alkalmazható

Az akciós potenciál pillanatnyi értékének számítására nem

alkalmazható (max.

nyugalmi pot. alatt)

Akciós potenciálok típusai I. Idegrost akciós potenciál

Nyugalmi membránpotenciál: ~ 70 mV Időtartam: ~ 1-2 ms

Amplitúdó: 100-110 mV Túllövés: 30-35 mV

Utópotenciál: hiperpolarizáció

Ioncsatornák: gyors, feszültségfüggő Na-csatorna, lassú feszültségfüggő K- csatornák

A refrakter szak nagyon rövid, ezért tetanizálható

Akciós potenciálok típusai II. Vázizom akciós potenciál

Nyugalmi membránpotenciál: ~ 90 mV Időtartam: ~ 2-3 ms

Amplitúdó: 110-120 mV Túllövés: 20-25 mV

Utópotenciál: Depolarizáció

Ioncsatornák: gyors, feszültségfüggő Na-csatorna, lassú feszültségfüggő K- csatornák

Akciós potenciálok típusai

III. Simaizom akciós potenciál

Rendkívül változatos morfológia

Nyugalmi membránpotenciál: ~ -50 és -60 mV ha vanIdőtartam: ~ 50-300 ms

Amplitúdó: 60-70 mV Túllövés: alig van

Utópotenciál: (Depolarizáció)

Ioncsatornák: döntően lassú Ca²⁺, lassú

feszültségfüggő K-csatornák, oszcilláló háttér K-konduktancia (lassú hullám)

Akciós potenciálok típusai

IV. Szívizom lassú akciós potenciál

Szinusz-csomó, AV-csomó

Nyugalmi membránpotenciál: Nincs (legnegatívabb pont kb -50 mV)

Időtartam: 250-350 ms Amplitúdó: 50-60 mV

Túllövés: Alig van Utópotenciál: Nincs

Ioncsatornák: Depolarizáció Ca²⁺ áram révén jön létre, nincs gyors feszültségfüggő Na⁺ áram

Akciós potenciálok típusai

IV. Szívizom lassú akciós potenciál

Pitvar, kamra, Purkinje

Nyugalmi membránpotenciál: -70 -90 mV Időtartam: 250-350 ms

Amplitúdó: 105-130 mV

Túllövés: 20-30 mV Utópotenciál: Nincs

Ioncsatornák: Gyors feszültségfüggő Na- áram, lassú Ca²⁺ áram, lassú K⁺-áramok

Elektrotónusos Potenciál Akciós Potenciál

A stimulustól függően lehet depolarizáció vagy hiperpolarizáció. Nincs küszöbpotenciál

A küszöbpotenciált meghaladó inger mindig depolarizációt vált ki

Az amplitúdó a stimulussal arányos Az amplitúdó mident-vagy-semmit jelenség. Ha kiváltódik mindig maximális nagyságú. Nagysága az ioncsatornák tulajdonságaitól (Na, Ca) függ

Az amplitúdó általában néhány milivolt. Ált. < 10- 20 mV

Az amplitúdó szövettípustól függő de általában jóval nagyobb, akár 120 mV is lehet

A kiváltása általában ligand-aktivált, mechanoszenzitív, termoszenzitív ioncsatornáktól függ

A kiváltása Na vagy Ca csatornáktól függ

Nincs refrakter periódus Abszolút illetve relatív refrakter periódus van

Térbeli és időbeli szummációt mutat Szummáció nem lehetésges a mindent-vagy- semmit jelenség miatt, illetve a refrakteritás miatt

Dekrementummal terjed (az idő és távolság függvényében csökken majd megszűnik)

Dekrementummal nélkül terjed (az idő és távolság nem befolyásolja az AP-t)

II. Ioncsatornák általános

tulajdonságai

Membrántranszport folyamatok felosztása

(energiaigény alapján)

Aktív Passzív

Na/KATPáz SERCA

PMCA

Egyszerű

diffúzió Carrierek Ioncsatornák Víztranszport

Uniport Antiport Szimport Glükóz NCX

NHE

Glükóz/Na

Aquaporinok O₂, CO₂

Ioncsatorna „definíciója”

Protein ( vagy protein komplex), mely a sejt-, vagy sejtorganellum membránban pórusként működik és lehetővé teszi (facilitálja) ionok szelektív transzportját.

Aktiválódása következtében transzmembrán elektromos

áram generálódik, amely lehet befele mutató („inward”)

vagy kifele mutató („outward”).

Ioncsatornák felosztása

Feszültségaktivált ioncsatornák INa, ICaL, ICaT, IKr, IKs, IK1…stb

Extracelluláris ligandaktivált ioncsatornák

Ezeknél a receptor része az ioncsatornának, és a ligandkötés allosztérikusan szabályozza az ioncsatorna működését

nACh, AMPA, GABA, NMDA (szívben nemigen van ilyen) 1. Ionotrop receptor közvetítésével

2. Metabotrop receptor közvetítésével

Metabotrop receptorok képesek ioncsatornákat modulálni, ált. G- proteineken keresztül

IK(ACh), ICl(PKA)

Intacelluláris ligandaktivált ioncsatornák

ICl(Ca), IK(Ca)

Ioncsatornák felosztása

Mechanoszenzitív ioncsatornák ICl(stretch)

Fényenergia-aktivált

1 – csatorna domain-ek

(tipikusan csatornánként négy) 2 – outer vestibule

3 – a „selectivity filter”

4 – a „selectivity filter” átmérője 5 – foszforilációs hely

6 – sejt membrán

Egy ioncsatorna elvi struktúrája

A legtipikusabb csatorna-pórus legszűkebb

pontján csak egy-két atomnyi széles és szelektív a rá specifikus ionra (pl. Na⁺, H⁺, K⁺).

Ugyanakkor jónéhány ion csatorna több – azonos előjelű töltéssel rendelkező – ion számára is

permeábilis lehet (azaz kation vagy anion szelektív).

Az ionáram iránya

+ Extracelluláris oldal

Intracelluláris oldal -

Ha a pozitív töltés kintről befelé, vagy a negatív töltés bentről kifelé megy az áram iránya befelé irányuló, azaz INWARD mert

DEPOLARIÁZIÓT hoz létre (a membránpotenciál

pozitívabbá válik)

Az ionáram iránya

+

Extracelluláris oldal

Intracelluláris oldal

- Ha a pozitív töltés bentről

kifelé, vagy a negatív töltés kintről befelé megy az áram iránya kifelé

irányuló, azaz OUTWARD mert

REPOLARIZÁCIÓT hoz létre (a membránpotenciál

negatívabbá válik)

I=

Ohm-törvény, Driving force

Az Ohm-törvény az áram, a feszültség, és az ellenállás kapcsolatát írja le, amely ioncsatornák működésére is igaz

U I= R

I= áram

U= feszültség R= ellenállás

Ioncsatorna esetében inkább

konduktanciáról (g)-ról beszélünk, ami az ellenállás reciproka

g= R 1 U*g Ha g = 0, a csatorna zárt

Ha g = 1, a csatorna nyitott

I= U*g

Vagyis az ioncsatornán átfolyó áram annál nagyobb, minél

nagyobb a

feszültség(különbség), és minél jobban vezet a csatorna

U=E

-E

A feszültségkülönbség egy adott ion esetében az adott ion Nernst-potenciáljának (E

), és az aktuális membránpotenciálnak a különbsége (Em)

I= g*(E

-E

)

I= g*(E

-E

) Ez az egyenlet az Ohm- törvény alkalmazása ioncsatornákra

!

(E

-E

) = az adott ionra, az adott pillanatban

jellemző hajtóerő (driving force).

Alkalmazás

-80 mV (Em) +30 mV

(Em)

+70 mV (E_Na)

DF: kb. 40-60 mV

DF: kb. 150 mV

Hajtóerő (DF) az egész AP alatt van a Na ionoknak

1

Na-áramKonduktancia 0

I= g*(E

-E

)

Áram-feszültség karakterisztika (I-V)

-80 mV

10 pA 20 pA

-10 pA -20 pA Ohmikus függvény

Az áram változása mindig arányos a

feszültségváltozással

Egy ioncsatornán átfolyó ionáram ettől mindig eltér valamilyen mértékben.

Az ioncsatornák ionárama nem ohmikus

Áram-feszültség karakterisztika (I-V)

-80 mV

10 pA 20 pA

-10 pA -20 pA

Egy Kálium csatorna áram-feszültség karakterisztikája

Az áram nem 0 mV-nál metszi az x-tengelyt

hanem az adott

ioncsatárna jellemző ún.

fordulási potenciálnál (reverzál potenciál)

Az áram változások nem arányosak a

feszültségváltozással 0 mV-nál is lehet

ionáram, ioncsatornától függően

Outward áram

Inward áram

OKA: Az ioncsatorna feszültség függő nyílása-

záródása

Reverzál potenciál

Reverzál potenciál = fordulási potenciál, ahol az áram iránya megfordul

-90 mV +70 mV

K⁺-csatorna (IK1) Na⁺-csatorna

Az ioncsatorna reverzál potenciálja közel van az adott ion Nernst potenciáljával de ritkán egyenlő azzal!!!

A legtöbb ioncsatorna esetében az áramfordulás nem következik be, mert nem fiziológás membránpotenciál tartományban található (de van kivétel)

Reverzál potenciál

Nernst-potenciál (egyensúlyi potenciál)

Reverzál potenciál (fordulási potenciál) Egy adott ionra vonatkozik (pl.

K-egyensúlyi potenciál)

Egy konkrét ioncsatornára vonatkozik (pl.: Ach-függő K-

csatorna)

Az értékét a Nernst egyenletből számítással kapjuk meg

Nem lehet kiszámolni! Az értékét méréssel kapjuk meg

Mindig csak egy iont vesz figyelembe

A reverzál potenciál aktuális értékét az összes csatornán áthaladó iontípus meghatározza Minél jobban eltér a reverzál potenciál az adott ion egyensúlyi potenciáljától, a

csatorna annál kevésbé szelektív

Rektifikáció (egyenirányítás)

Magyarul egyenirányításnak fordítják, de ez nagyon megtévesztő

Definíció: Az ionáramlás az egyik irányba kedvezményezett! (nem azt jelenti hogy csak az egyik irányba van ionáramlás!)

Inward rektifikáció: A csatorna mindkét irányba vezet, de inward irányba

ugyanakkora feszültségugrásra nagyobb áramváltozás történik.

Outward: A csatorna mindkét irányba vezet, de inward irányba ugyanakkora feszültségugrásra nagyobb áramváltozás történik.

Nem feltétlenül a kedvezményezett irányú áram a fontos élettani szempontból!!!

Szelektív permeábilitás

A legtöbb ioncsatorna rendelkezik bizonyos fokú szelektivitással Az ionokat az oldatban hidrátburok veszi körül → stabilitás

A szelektivitási régiója a csatornának túl szűk, a hidrátburoknak le kell válnia

Szelektív permeábilitás

• A szelektivitási pórusban egymást követő K⁺ ionok között taszító kölcsönhatás lép fel

• Ez a taszítás ellensúlyozza az amúgy erős vonzó kapcsolatot a K⁺ ion, és szelektivitási pórus atomjai között

• Gyors átjutás a csatornán

• A szelektivitási filterben tehát úgy helyezkednek el az oxigén atomok, hogy az egész geometriája a K⁺-nak ideális

Szelektív permeábilitás

• Ahogy egy K+ ion eléri a szelektivitási filtert, dehidratálódik, és

kölcsönhatásba lép 4 db treonin hidroxil csoporttal, ahol kötődik az oxigén atommal.

• Továbbá körülveszi még 8 db oxigén atom, amely „utánozza” az oxigén atomok elhelyezkedését, hidratált állapotban → stabil állapot

• Miután átjutott a

szelektivitási póruson, újra hidratálódik az ion

• Vagyis az adott ion

átjutását, nemcsak az ion

mérete, hidratációs energiája, és a szelektivitási pórus

szerkezete határozza meg.

• Ezért van az hogy azon a csatornán amelyen a K+

átmegy, egy kisebb ion, mint pl. a Na+ már nem megy át

• Permeábilitási hányados!

Csatorna „kapuzás”

Nyugalmi állapot Aktív állapot Inaktív állapot RecoveryNyugalmi állapot A kapuzás teszi lehetővé, hogy a csatorna az AP meghatárott részén szállítson áramot

• Két kapus mechanizmus, aktivációs és inaktivációs kapu

• Feszültségszenzor az alfa-alegység S4 szegmenségben, pozitívan töltött Arg-aminosavak

Aktivációs kapu Inaktivációs kapu

Molekuláris biológia

Osztályozás α-alegység szerint:

• 6TM-1P: 6 tr.membrán hélix, 1 pórus

Ez tetramert alkotva áll össze α-alegységgé

(Na, Ca-csatorna, több K-csatorna: IKr, IKs, IKur

• 2TM-1P: 2 tr.membrán hélix, 1 pórus

IK1, IK(ATP), IK(ACh)

• 4TM-2P: 4 tr.membrán hélix, 2 pórus

TASK, TWIK, TREK, THIK (kismértékű feszültségfüggés)

Az ingerületvezetés alapjai

Az ingerületvezetés alapjai a Na és Ca-csatornák

Ideg Szív

Gyors Na-csatornák

megnyílásával jön létre Munkaizomrostban,

Purkinje rostokban gyors Na -áram

AV-csomóban lassú Ca- áram

Ingerületvezetés

szempontjából syntitiumot képez

Folyamatos ingerületvezetés

Szaltatorikus ingerületvezeté

Folyamatos ingerületvezetés

Az ingerületvezetés során folyamatosan akciós potenciálok képződnek

Egy irányba terjed, „mögötte”

refrakter szakaszban van a membrán

Az ingerületvezetés sebessége lassú, az átmérővel növekszik (1 m/s)

Egyes fájdalomérző rostok, és a vegetatív rostok nagy része

Szaltatórikus ingerületvezetés

A mielinhüvely ellenállása nagy, szigetelésként

funkcionál

Na-csatorna megnyílás csak a Ranvier-féle befűződéseknél van

A mielinhüvely alatt

elektrotónusosan terjed az ingerület

Gyorsabb mert energetikailag kedvezőbb (>100 m/s)

Velőhüvelyes rostok

Aα 15 70–120 Vázizom motoros rostok,

izomorsók primer végződései, Golgi-ínorsók afferensei

Aβ 8 30–70 Izomorsók szekuder végződései, érintési és nyomási afferensek

Aγ 5 15–30 Izomorsók efferensei („γ-efferensek”) Aδ < 3 12–30 Nyomási és fájdalmi afferensek

B 3 3–15 Vegetatív preganglionáris rostok Velőtlen rostok

C < 1 0,5–2 Vegetatív posztganglionáris rostok, fájdalmi afferensek

Idegrostok osztályozása vezetési sebesség alapján

Ingerületvezetés szívben

Az ingerületvezetés mechanizmusa minden esetben a folyamatos

vezetés

Pitvar, kamra, Purkinje, His-köteg- ben gyors Na-csatorna biztosítja AV-csomó: Ca-csatorna, itt a vezetés lelassul

Cél: a két pitvar összehangolt kontrakciója, majd a utána, a kamrák összehangolt kontrakciója

A pitvari és kamrai munkaizomzat funkcionális szincíciumot alkot!