Transcript AKČNÝ POTENCIÁL Akčný potenciál

BIOFYZIKA AKČNÉHO
POTENCIÁLU A SYNAPSA
Ivan Poliaček
Dráždivé tkanivá – nervové tkanivo, svalové tkanivo
Neurón
- základná stavebná a funkčná jednotka nervového
tkaniva (mozog, miecha, nervy, senzorické bunky)
- 4 – 130 μm (soma – proteosyntéza, dendrity – vstup
signálu, axón – výstup signálu)
dendrity
axónové
zakončenie
soma
jadro
Ranvierove
zárezy
Schwannova
axónový hrbolček
bunka
iniciálny segment myelínová pošva
Šírenie sa neurónového podráždenia
(vzruchu) z dendritov na axón
dendrity
soma
axón s axónovými
kolaterálami
Bunková membrána - pripomenutie
• dvojvrstva fosfolipidov + cholesterol + proteíny
• Oddeľuje bunku od okolia + regulácia priepustnosti +
“komunikácia” (receptory a vzrušivosť)
bunková
membrána
INTRA- A EXTRACELULÁRNE
KONCENTRÁCIE
IÓNOV
vnútro neurónu
extracelulárne
ión
intracelulárne
vnútri
vonku
(napr. plazma)
vnútro neurónu
Na+
K+
ClHCO3 proteín -
12 mM
140 mM
4 mM
12 mM
140 mM
145 mM
4 mM
115 mM
30 mM
10 mM
Mikroelektróda
Neurónové
snímanie
Zosilňovač
Membránový
potenciál /
prúd
Patch elektróda
Zosilňovač
Iónový
tok
Sklenená, alebo
kovová
mikroelektróda
Zosilňovač
Potenciál
Kľudový membránový potenciál (MP) – polarizácia
bunkovej membrány – vnútro bunky je NEGATÍVNE
NABITÉ (pre neurón obvykle okolo 70 mV)
Depolarizácia – zníženie hodnoty membránového
potenciálu (napr. z -70 mV na -60 mV alebo viac)
Hyperpolarizácia – zvýšenie hodnoty membránového
potenciálu – MP (napr. z -70 mV na -80 mV alebo viac)
Eflux K+ (cez K kanály), alebo influx Cl– (cez Cl kanály)
MP
stúpanie
depolarizácia
AKČNÝ POTENCIÁL
klesanie
repolarizácia
prah
stimulácia
čas (ms)
hyperpolarizácia
Akčný potenciál – AP (nervový impulz) vzniká na vzrušivých
tkanivách (najmä neurónové vlákno a svalová bunka), keď
lokálny potenciál dosiahne prahovú hodnotu – „firing level“
Odpoveď je : VŠETKO alebo NIČ (kompletný akčný potenciál
alebo nijaký akčný potenciál)
MP
Prah a stúpanie – Na kanály sú otvorené
vrchol – Na+ permeabilita je maximálna, Na kanály
sa zatvárajú – transpolarizácia – až do +30 mV
prah
čas (ms)
Iónová
permeab.
čas (ms)
klesanie - Na kanály sú inaktivované, vysoký
potenciál otvára napätím-riadené K kanály –
pokles k úrovni kľudového potenciálu
a dokonca ho „prestrelí“ (post-)hyperpolarizácia
Len malé množstvo iónov sa podieľa na vzniku 1 akčného
potenciálu vzhľadom na veľkosť bunky (axónu).
Podiel membránovej priepustnosti pre ióny - perm K+ : perm Na+ : perm Clpočas stúpajúcej fázy akčného potenciálu = 1 : 20 : 0.45
v kľude (kľudový membránový potenciál) = 1 : 0.04 : 0.45
Napätím riadený (voltage-gated) kanál
uzavretý
otvorený
Bakteriálny „voltage-gated“ draslíkový kanál
Extracelulárne snímanie respiračného
neurónu
exp
tlak v
dýchacích
cestách
insp
EMG
bránice
exspiračný
neurón
vrchol
salva výbojov exspiračného neurónu
„prestrelenie“
MP
stúpanie
klesanie
prah
kľudový potenciál
„podstrelenie“
stimulus
čas (ms)
schematický akčný potenciál
tvar výkyvov
extracelulárne
zaznamenaného
výboja (spike)
MP
stúpanie
klesanie
skutočný akčný
potenciál
prah
„podstrelenie“
kľudový potenciál
čas (ms)
• Každý akčný potenciál (spike) je nasledovaný
refraktérnou periódou.
• Refraktérne periódy sú spôsobené zmenami v
stave (priepustnosti) iónových kanálov.
• Absolútna refraktérna perióda (fáza) – vtedy je
nemožné vyvolať ďalší akčný potenciál (Na kanály
sú "inaktivované" na konci a okamžite po vrchole
spike - nedajú sa otvoriť bez ohľadu na úroveň
membránového potenciálu.
• Relatívna refraktérna
perióda (fáza)
- silnejší než obvykle
stimul je potrebný
na vznik akčného
potenciálu
(-)
Na a K
kanály
MP
Na
(+)
Na (-) a K (+)
(-) a Na kanály reaktivácia
(-)
Kanály
uzavreté – (-)
otvorené – (+)
Absol. refraktérna fáza
Relat. refraktérna fáza
Akčný
potenciá
Iónová
priepustnosť
Na kanály
inaktivované
Na kanály uzavreté
reaktivácia
EXCITABILITA
excitabilita nulová
čas (ms)
Na kanály uzavreté
aktivovateľné
excitabilita
vysoká
Na kanál
uzavretý, schopný
sa otvoriť
otvorený,
aktivovaný
uzavretý, neschopný sa
otvoriť - inaktivovaný
K kanál
uzavretý
otvorený
Schémy Na voltagegated kanála a K
voltage-gated kanála,
ktoré sa podieľajú na
vzniku akčného
potenciálu
Šírenie sa
akčného
potenciálu
Lokálne prúdy
sa šíria
(elektrotonická
vodivosť) –
depolarizácia
susedných
častí membrány
(vznikne tam tiež
akčný potenciál
(spike) ak lokálna
zmena MP
dosiahne prah).
Miesto pôvodnej
zmeny potenciálu
Straty náboja
Straty náboja
Smer toku prúdu
Smer toku prúdu
Straty tepla
Analógia
horúca tyč
chladné
horúce
Straty tepla
Šírenie sa akčného potenciálu
Smer šírenia
refraktérnosť
- Trvanie približne a menej než 1 ms
- Bez poklesu (energia na akčný potenciál je dodaná bunkou)
- Vlna (miesto) elektrickej negativity na povrchu bunky
(elektrickej pozitivity na vnútornej strane membrány)
- Otvorenie a uzavretie sa napätím riadených iónových kanálov
čas (ms)
čas (ms)
uzavretý kanál
otvorený kanál
inaktivovaný kanál
Ranvierov
zárez
Myelínová pošva
Ranvierov
zárez
Axón
Plazmatická
membrána
ortodrómne
vedenie
Saltatórne
vedenie
z jedného Ranvierovho
zárezu na ďalší
Schwannova bunka
Myelínová pošva
Ranvierov
zárez
antidrómne
vedenie
(intenzita
prúdu
[mA])
Elektrická stimulácia
nervového vlákna
anóda - vyššia polarizácia membrány
- nižšia excitabilita
katóda – depolarizácia membrány
- vyššia excitabilita
2x reobáza
reobáza
chronaxia
(trvanie elektrického pulzu [ms])
Reobáza - najnižšia amplitúda elektrického prúdu nekonečného trvania
(v praxi niekoľko 100 ms), ktorá vyvolá akčný potenciál (kontrakciu svalu).
Chronaxia – najkratší čas pôsobenia elektrického prúdu s intenzitou 2x
reobázy, ktorý je potrebný na stimuláciu neurónu (svalového vlákna) – AP.
SYNAPSA
Signál z neurónu na neurón, sval, alebo žľazu
• Elektrická
synapsa
– spojenie
typu „gap
junction“
elektrický signál
(obojsmerne)
• Chemická synapsa – chemický prenos (jednosmerný)
z presynaptickej na postsynaptickú bunku
(je štrukturálne aj funkčne asymetrická)
ľudský mozog - 1014 až 5 x 1014 (100-500 biliónov) synáps
(1 mm3 mozgovej kôry - okolo miliardy synáps)
Axo-dendritické
synaptické zakončenia
– chemické synapsy
Axónové zakončenie
Sekrečné granule
Synaptická štrbina
Vezikuly s mediátorom
Receptory
Dendrit
Vezikuly
Neurotransmiter
Napätím riadené
Ca kanály
Axónové
zakončenie
Neurotransmiter
„re-uptake“
pumpovanie
Receptor pre
neurotransmiter
Synaptická
štrbina
Dendrit
Synaptický prenos
• Akčný potenciál depolarizuje pre-synaptickú membránu
synaptického zakončenia – Ca2+ influx cez napätím riadené
(„voltage gated“) Ca kanály
• Ca2+ aktivuje proteíny (stenín a neurín) naviazané na
vezikuly (s neurotransmiterom - každý vezikul obsahuje tisíce
molekúl) – vezikuly sa posunú a splynú s membránou –
otvoria sa a uvoľnia neurotransmiter do synaptickej štrbiny
– exocytóza (forma aktívneho transportu)
• Molekuly neurotransmitera difundujú cez synaptickú
štrbinu (30-50nm medzi pre- and post-synaptickou membránou)
a naviažu sa na receptory subsynaptickej membrány (časť
post-synaptickej membrány pod zakončením) a spustia
odpoveď (buď cez G-proteíny naviazané na enzým alebo cez
molekulou riadené - „ligand-gated“ iónové kanály)
axón
zakončenie
synapsa
Typy neurotransmiterov
Aminokyseliny : glutamát, GABA, aspartát, glycín, ...
Peptidy : vazopresín, somatostatín, neurotenzín, ...
Monoamíny : noradrenalín, dopamín, serotonín
a acetylcholín
Najdôležitejšie v mozgu : glutamát a GABA
Typ odpovede je podmienený najmä RECEPTOROM
(nie len neurotransmiterom).
Excitačné - acetylcholín - ACh (nervo-svalová
platnička - napr. vôľový pohyb)
- glutamát
Inhibičné - GABA
- glycín (spinálne reflexy)
neuropeptidy
neurotransmitery
molekulová
hmotnosť
Ionotropické receptory
(molekulou riadené – „ligand gated“ iónové kanály)
– zmeny permeability napr. eflux K+ a/alebo influx Ca2+ a
Na+ cez subsynaptickú membránu postsynaptickej bunky
- rýchly synaptický prenos (synaptické zdržanie cca 1-5 ms)
Metabotropické receptory (receptory naviazané
na G-proteíny) - extracelulárna doména sa viaže
s neurotransmiterom, intracelulárna doména
s G-proteínom – 2. posol (intracelulárna signalizácia)
– aktivovaný G-proteín (uvoľnený z receptora
interaguje s inými proteínmi napr. s iónovými kanálmi ich otvorenie či uzavretie) - pomalá synaptická
odpoveď: ms - min
ELIMINÁCIA NEUROTRANSMITERA
molekula sa uvoľní z receptora vďaka tepelnému pohybu
- reabsorbcia do vezikúl presynaptickej bunky
- metabolická eliminácia
- difúzia mimo synaptickej štrbiny
MP
(mV)
EPSP – excitačný post-synaptický potenciál
depolarizuje
IPSP – inhibičný post-synaptický potenciál
hyperpolarizuje
prah = spúšťacia úroveň akčného potenciálu = firing level
EPSP
IPSP
čas
sumácia EPSP + IPSP
10 ms
Veľkosť PSP závisí od:
• množstva neurotransmitera (a počtu receptorov)
• membránového potenciálu postsynaptickej bunky (treba menej
neurotransmitera, ak už čiastočná depolarizácia)
• ako dlho je neurotransmiter prítomný v synaptickej štrbine
(rýchle odstránenie či inaktivácia umožní ďalší synaptický prenos)
SUMÁCIA PSP
1 EPSP
časová
sumácia 3 EPSP
Efekt viacerých než jedného
synaptického potenciálu
na neuróne je kumulatívny ak :
- je čas medzi stimulmi krátky – časová sumácia
- stimuly prídu na blízke miesta na neuróne - priestorová sumácia
Priestorová sumácia PSP
Synaptická
integrácia
- kombinovanie
excitačných a
inhibičných signálov
na susediacich
oblastiach membrány
neurónu.
Aby vznikol akčný
potenciál, sumácia
excitačných
a inhibičných
postsynaptických
potenciálov (lokálnych
odpovedí) musí
dosiahnuť prahovú
hodnotu.
excitačné
presynaptické vstupy
postsynaptická bunka
axónový hrbolček
iniciačný segment
inhibičný
presynaptický vstup
Divergencia
axón jedného pre-synaptického
neurónu sa vetví na niekoľko
post-synaptických neurónov
Konvergencia
axóny niekoľkých pre-synaptických
neurónov smerujú na jeden
post-synaptický neurón
Zhrnutie
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
depolarizácia – hyperpolarizácia
akčný potenciál – tvar, mechanizmus
refraktérne periódy
šírenie sa akčného potenciálu (postupné šírenie sa
po nemyelinizovanom vlákne, saltatórne vedenie)
elektrická stimulácia – reobáza, chronaxia
lokálny potenciál
synapsa, neurotransmiter a mechanizmus
synaptického prenosu
receptory (ionotropické vs. metabotropické)
EPSP, IPSP, sumácia (časová, priestorová)
konvergencia, divergencia