Diffúziós potenciál Membránpotenciál Akciós potenciál

1. Diffúziós potenciálMembránpotenciálAkciós potenciál

2. + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ Töltéssel rendelkező részecskék, ionok diffúziója

3. + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ Eltérő diffúziós állandójú ionok diffúziós potenciál _ + A kialakuló potenciálgrádiens lassítja a „+” és gyorsítja a „-” ionok diffúzióját

4. + Diffúziós potenciálEltérő ionmobilitású anion és kation esetén.(pl. egy csepp sósav diffúziója) V Cl- H+

5. V -60 mV + Membránpotenciál Előfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és eltérő diffúziós sebesség :szelektív permeabilitás Szemipermeábilis membrán (átmegy: K+, nem: Cl-, H2O) 1. K+ áramlás a koncentráció- különbség miatt 2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly) Egyensúlyi potenciál Cl- K+ K+ Cl- Cl- K+ 100 mM KCl 10 mM KCl

6. Az egyensúlyi potenciál jellemzői • nagyon kevés ion egyenlőtlen megoszlása elég a potenciálkülönbség kialakításához, az ionkoncentrációk változása elhanyagolható. • Az egyensúlyi potenciál tartósan (elvileg végtelen ideig) fennállhat. Ilyenkor a koncentrációkülönbség miatt az egyik irányba ugyanannyi ion mozog, mint a potenciálkülönbség miatt a másikba. • Minél nagyobb a membránon átjutó ion két oldalon található koncentrációinak hányadosa, annál nagyobb a potenciálkülönbség.

7. Az egyensúlyi potenciál kiszámítása - RT zF - 60 mV cbelső z ckülső • Nernst egyenlet:E= ln • E : membránpotenciál (volt) • R: általános gázállandó ( 8.31 J/mol/K) T: abszolút hőmérséklet (K) • z : töltésszám (K+-ra: pl. +1) F : Faraday-állandó ( 96500 C/mol) • Gyakorlatban jól használható formája: • E=log cbelső ckülső

8. V -60 mV K+egyensúlyi potenciál !! Em = -60 mV IK=INa=0 + Cl- K+ K+ Cl- Cl- K+ PK>>PNa=0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

9. V +60 mV Na+egyensúlyi potenciál !! Em = + 60 mV IK=INa=0 + Na+ Cl- Cl- Na+ Na+ Cl- PNa>>PK=0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

10. V 0 mV IK = -INa>0 Em = 0 mV Nincs egyensúly Koncentráció-kiegyenlítődés Na+ K+ PNa=PK>0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

11. V + PK>>PNa>0 PCl=0 “IC” “EC” Em = ? Na+ K+ 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

12. V + PK>>PNa>0 PCl=0 “IC” “EC” IK = -INa>0 EK < Em << 0 Koncentráció-kiegyenlítődés Na+ K+ 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl

13. Stabil membránpotenciál esetén a membránon átfolyó összes áram összege nulla. (A példában IK+INa=0) (Egyébként valamelyik oldalon töltésfelhalmozódás lenne, és Em változna) Ha membrán többféle ionra is permeábilis, akkor hosszú idő után a koncentrációk kiegyenlítődhetnek. (A példában mindkét oldalon [Na+] = [K+] = 55 mM értéken). Sejtekben ezt a Na+/K+-pumpa akadályozza meg. Nyugalomban lévő sejtekre jellemző: PK>>PNa>0PCl=eltérő

14. Egy ‘átlagos’ nyugvó sejtben: - kifelé K+ áramot befolyásolja: nagy koncentrációkülönbség nagy K+ permeabilitás negatív membránpotenciál - befelé Na+ áramot befolyásolja:nagy koncentrációkülönbség kis Na+ permeabilitás negatív membránpotenciálÍgy a két áram egyenlő  stabil nyugalmi Em

15. Mi határozza meg a membránpotenciált??? 1. Az eltérő ionmegoszlás 2. A membrán permeabilitása a különböző ionokra

16. A membránpotenciál kiszámítása Em: EKés ENa között van. Em kiszámítható: (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK) pK [K+]IC+pNa[Na+]IC+pCl[Cl-]EC - RT * * * Em=ln * zF pK [K+]EC+pNa[Na+]EC+pCl[Cl-]IC * *

17. Milyen irányban és mitől változhat a sejt membránpotenciálja? • Em : depolarizációEm : hiperpolarizáció • “pozitívabbá válik” “negatívabbá válik” • Ionkoncentráció változás (in vivo előfordul, de nem jellemző)pl.DE:[K+]EC IK  depolarizáció • Permeabilitás változás (in vivo a szabályozás fő útja)pl.PK  IK  hiperpolarizációPNa  INa  depolarizáció

18. Mi biztosítja a sejtmembrán szelektív • permeabilitását? • Ioncsatornák felelősek különböző sejtek elektromos tulajdonságaiért

19. KCSA kálium csatorna szerkezete RTG-diffrakciós kép alapján

20. Csoportosítás a transzportált ion szempontjából: Na+, K+, Ca2+ , H+, nem-specifikus kation csatornák. Cl- csatornák, nem-specifikus anion csatornák Ioncsatornák Na+ K+

21. Csoportosítás szabályozásuk alapján : feszültségfüggő ligandfüggő mechanoszenzitív Csurgó/szivárgó/leak (ez is lehet szabályozott!!!) Ioncsatornák

22. A membránpotenciál megmérhető U

23. Két elektródos voltage clamp U A

24. Két elektródos voltage clampfeszültség clamp (feszültségzár) Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen? U A

25. Voltage clamp patch clamp Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen? U A

26. A sejt ionáramainak mérése: patch clamp Teljes sejt (whole cell) felállás Feszültség clamp Pipetta széle és a membrán között NAGY (G) ellenállású kapcsolat (seal). mért csatornák

27. A sejt ionáramainak mérése: patch clamp Sejtre tapasztott (cell-attached) felállás Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen? Feszültség clamp mért csatornák

28. A sejt ionáramainak mérése: patch clamp sejtre tapasztott (cell-attached) felállás Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen? Feszültség clamp egy csatorna

29. A sejt ionáramainak mérése: patch clamp kivágott folt (excised patch) felállás Feszültség clamp mért csatorna/csatornák (Akár egy csatorna árama is mérhető, az áram pA (10-12 A) nagyságrendű.) Nyitott Zárt

30. Makroszkópos áram(sok csatorna áramának eredője)

31. Extracelluláris (EC) tér 0 potenciál pozítív töltés kiáramlás + árampozítív töltés beáramlás- áram Nyugalmi membránpotenciál (-20)-(-90) mV -90 mV  -50 mV depolarizáció -90 mV  -96 mV hyperpolarizáció

32. Szivárgó (leak) csatorna, szimmetrikus ionösszetétel szimmetrikus [K+]nagy szimmetrikus [K+]kicsi aszimmetrikus koncentráció csurgó csatorna (GHK rektifikálás)

33. aszimmetrikus koncentráció EK a sejt membrán- potenciálja csurgó (leak) csatorna aszimmetrikus koncentráció szimmetrikus [nagy] szimmetrikus [kis] EK csurgó csatorna

34. A háttér K+ csatorna működése hasonló a K+ szelektív póruséhoz. • Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja. • Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját. • Gátolja a depolarizációt. Repolarizál. • (repolarizáció = a depolarizált membrán nyugalmi • Em-hez valóvisszatérése)

35. Feszültségfüggő (ff.) K+ csatorna nyitási valószínűség I leak (csurgó) K+ áram EK Em (mV) I ff. csatorna K+ árama (EKés küszöb között IK=0) EK Em (mV) küszöb -30 mV

36. FF. K+ csatorna • Ált. nem befolyásolja a nyugalmi Em-t. • Nem gátolja a kezdeti depolarizációt. • Repolarizál. (Em>küszöb esetén) • Késői (tetraetil-ammónium (TEA)-érzékeny) • és gyors típusai vannak feszültségfüggés a 4. transzmembrán szegmens pozitív aminosavai miatt

37. Befelé rektifikáló K+ csatorna “átjárhatóság” (tömeszelés belülről: Mg2+, spermin) I leak (csurgó) K+ áram EK Em (mV) EK I (nagyítva!) befelé rektifikáló csatorna K+ árama (EKfelett: IK>0 csak egy szűk tartományban) Em (mV)

38. Befelé rektifikáló K+ csatorna • Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja. • Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját. • Csak a depolarizáció kezdetét gátolja, nem repolarizál. • (A csatorna a nevét a nagyobb és ezért (kísérleti körülmények között) jobban mérhető befelé áramról kapta, azonban ez in vivo nem jön létre (mivel Em>EK ).)

39. Speciálisan szabályozott K+ csatornák • Ca2+-aktivált K+ csatorna : citoplazma [Ca2+] hatására aktiválódik • ATP-szenzitívK+ csatorna :olyan bef. rekt. csatorna, ami [ATP]/[ADP] hatására aktiválódik(pl. O2 hiány  [ATP]  hiperpol.  sejt aktivitása) • G-fehérje által aktiváltK+ csatorna:olyan bef. rekt. csatorna,ami Gi fehérje -alegység kötés hatására aktiválódik (pl. szív szinuszcsomó)

40. P2 P1 TM 1 TM 2 TM 3 TM 4 Kálium csatorna családok szerkezete K2P háttér K+ csatorna

41. Feszültség-kapuzott K+ csatorna Feszültség-függő Na+ csatorna

42. Feszültségfüggő Na+ csatorna

43. Na+ szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok I C2 C1 Em (mV) ENa Pl.: belül C1=15, kívül C2=140 mM [Na+] INa=0, ha Em=ENa

44. Feszültségfüggő Na+-csatorna nyitási valószínűség I leak (csurgó) Na+ áram Em (mV) ENa I ff. csatorna Na+ árama Em (mV) küszöb  -60 mV ENa

45. Feszültségfüggő Na+ csatorna • Az idegvezetés, az idegsejt a harántcsíkolt- és a szívizom akciós potenciáljának főszereplője • Aktivációjához kezdeti depolarizációra van szükség (a nyugalmi Em és a küszöb között).Ezt in vivo más csatornának kell létrehoznia. • Aktivációja további depolarizációt okoz, ami öngerjesztő folyamatot, akciós potenciált eredményez.

46. A FF. Na+ csatorna (és a FF K+ cstornák többsége)inaktiválódik Zárt Depolarizáció Nyitott Spontán Repolarizáció Inaktiváció: N-típusú (gyors) C-típusú (lassú) Inaktív (nem vezet)

47. Az inaktiváció kísérletes kimutatása (makroszkópos áram) zárt nyitott inaktív Em INa Idő (ms)

48. A megnyílás és az inaktiváció is statisztikus jelenség az elemi áram szintjén Em elemi áramok több mérés során egy csatornán összegzett áram Idő (ms)

49. Tetrodotoxin (fugu)

50. Saxitoxin (Dinoflagellate) Kékalga (cyanobaktérium); kagyló megeszi immunizálódik életben marad fertőzött kagylómérgezés Six fishermen prepared a meal of baked fish, boiled rice, boiled potatoes and boiled blue mussels that they had harvested themselves off the coast of Nantucket. An hour after finishing the meal, their mouths started to tingle. Their face, arms, legs and tongue soon went numb… Saxitoxin is a neurotoxin that acts as a selective sodium channel blocker. One of the most potent natural toxins known (0,2 mg is fatal), it acts on the voltage-gated sodium channels of nerve cells, preventing normal cellular function and leading to paralysis. A more insidious aspect of the colourful history of saxitoxin has to be its involvement in covert government operations and in chemical warfare.