Transcript Akčný potenciál, vznik, šírenie, synaptický prenos

BIOFYZIKA AKČNÉHO
POTENCIÁLU A SYNAPSA
Ivan Poliaček
Dráždivé tkanivá - neurón (nervové tkanivo)
- svalové vlíkna (svalové tkanivo)
Neurón
- základná stavebná a funkčná jednotka nervového
tkaniva (mozog, miecha, nervy, senzorické bunky)
- 4 – 130 μm
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
Membránový potenciál,
depolarizácia, hyperpolarizácia
membrány
Bunková membrána - pripomenutie
• dvojvrstva fosfolipidov + cholesterol + proteíny
INTRA- A EXTRA-CELULÁRNE KONCENTRÁCIE IÓNOV
intracelulárne
vnútro neurónu
vnútro neurónu
ión
vnútri
vonku
(napr. plazma)
extracelulárne
Na+
K+
ClHCO3 proteín Ca++
12 mM
145 mM
140 mM
4 mM
4 mM
115 mM
12 mM
30 mM
140 mM
10 mM
0,0001 mM
2 mM
Membránový potenciál – Goldmanova rovnica
Veľkosť je daná koncentráciami a permeabilitami membrány
pre ióny draslíka, chlóru a sodíka
 
 
 
 
 
 
PK  . K  e  PNa  . Na  e  PCl  . Cl  i
R .T
Vm 
. ln
F
PK  . K  i  PNa  . Na  i  PCl  . Cl  e
P K+ , P Na+ , P Cl- - permeability pre K+, Na+, Cl[K+], [Na+], [Cl-] - koncentrácie
100 : 4 : 45
Kľudový membránový
potenciál neurónu - cca -70 mV
Čo udržuje tieto koncentrácie nerovnaké?
Je vnútro bunky nabité negatívne?
Ako sa môže membránový potenciál zmeniť?
Čo spôsobí zmeny permeability membrányy?
Ako zmeny K+, Na+, Cl- permeabilít zmenia membránový potenciál?
Ako sa nazýva stav nižšieho MP – viac polarizovaná membrána bunky?
Ako sa nazýva stav vyššieho MP – menej polarizovaná membrána bunky?
Depolarizácia – nižšia polarizácia = nižšia veľkosť
membránového potenciílu (napr. z -70 mV na -60 mV či viac)
Hyperpolarizácia –
- väčšia polarizácia =
väčšia veľkosť
membránového
potenciálu
(napr. z -70 mV na -80 mV)
Postupná (lokálnal) odpoveď =
postupná depolarizácia alebo
hyperpolarizácia :
- elektricky
- chemicky
- generátorový potenciál (senzory)
- synapticky
EPSP (depolarizácia)
IPSP (hyperpolarizácia)
Oddych 1
Mikroelektróda
Neurónové
snímanie
Zosilňovač
Membránový
potenciál /
prúd
Patch elektróda
Zosilňovač
Iónový
tok
Sklenená, alebo
kovová
mikroelektróda
Zosilňovač
Potenciál
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
ľudský mozog - 1 mm3 mozgovej kôry - okolo miliardy synáps
Axo-dendritické
synaptické
zakončenia
Synapsy:
- axo-dendritické
- axo-somatické
- axo-axonálne
Presynaptická
membrána
Vezikuly
Synaptická štrbina
Neurotransmitter
Postsynaptická
membrána
Vezikuly
Neurotransmiter
Napätím riadené
Ca kanály
Postsynaptický neurón
Axónové
zakončenie
Neurotransmiter
„re-uptake“
pumpovanie
Receptor pre
neurotransmiter
Synaptická
štrbina
Dendrit
Synaptický
prenos
Akčný potenciál prijde axónom na
zakončenie na pre-synaptickú
membránu
1. depolarizácia otvorí napätím
riadené Ca kanály - Ca++
difunduje do neurónu
2. Ca++ intracelulárne - vezikuly ku
membráne (kontraktilné proteíny
stenín a neurín) - exocytóza –
uvolnenie neurotransmitera
(mediátora) do synaptickej štrbiny
Synaptický
prenos
3. difúzia molekúl mediátora cez synaptickú
štrbinu (30-50 nm)
4. molekuly mediátora aktivujú receptory
na subsynaptickej časti postsynaptickej
membrány
IONOTROPICKÉ receptory
– ligandom riadené kanály
vytvárajúce EPSP alebo IPSP
na post-synaptickej bunke
METABOTROPICKÉ receptory
– mediátor na extracelulárnej
doméne aktivuje intracelulárny Gproteín, čo vedie k intracelulárnej
signalizácii (expresia génov, chemické
reakcie, otvorenie / uzavretie kanálov –
zmeny permeability membrány)
Sumár:
- akčný potenciál
- napätím riadené Ca kanýly
- Ca++ influx
- exocytóza vezikúl
- uvolnenie neurotransmitera
(mediátora)
- jeho difúzia cez štrbinu
- interakcia s receptormi
(napr. ligandom riadenými kanálmi)
Ako sa to zastaví?
eliminácia neurotransmittera
- reabsorbcia do presynaptickej bunky
(spáť do vezikúl)
- metabolickí deštrukcia
- oddifundovanie preč
Neurotransmittery
chemicky :
aminokyseliny (glutamát, GABA, aspartát, glycín),
peptidy (vazopresín, somatostatín, neurotenzín,...),
monoamíny (noradrenalín, serotonín, acetylcholín,...)
Excitačné :
- acetylcholín
(nervosvalová platnička)
- glutamát
Inhibičné :
- GABA
- glycín (spinálne reflexy)
excitácia – inhibícia najmä
určená receptorom
V mozgu sú hlavné:
glutamát a GABA
Oddych 2
Komentáre a dotazy sú vítané.
Prečo sa chemická synapsa nazýva chemická?
Krorý ión iniciuje synaptický prenos?
Kde je uložený neuromediátor?
Kam je uvolnený?
Kde neurotransmiter účinkuje?
Čo je hlavný rozdiel medzi metabotropickými receptormi a ligandom
riadenými kanálmi?
Rozdiel medzi ligandom a napätím riadenými kanálmi?
Kde fungujú ligandom a kde napätím riadené kanály pri synaptickom
prenose?
Sumácia postsynaptických potenviálov (stimulácia
niekoľkých synáps s ligandom riadenými iónovými kanálmi)
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
Väčší PSP ?
viac neurotransmitera (a viac receptorov), ak je membrána už čiastočne
depolarizovaná, ako dlho je mediátor dostupný pre receptory (musí byť
odstraňovaný rýchlo zo štrbiny alebo inaktivovaný)
Ďalej od synapsy (od subsynaptickej membrány) napr. v axónovom hrbolčeku
– menší efekt PSP – je POSTUPNOU (STUPŃOVITOU) a LOKÁLNOU
elektrickou odpoveďou, ktorá sa šíri s ÚTLMOM
SUMÁCIA PSP-ov
1 EPSP - výnimočne dosahuje prah, ale pri časovej sumácii 2 EPSP
additívny efekt viacerých synaptických potenciálov na neuróne ak :
- je krátky časový úsek medzi stimulmi - časová sumácia
- stimuli na niekoľkých synapsách neurónu - priestorová sumácia
SUMÁCIA PSP-ov
1 EPSP - výnimočne dosahuje prah, ale
priestorová sumácia 2 EPSP
additívny efekt viacerých synaptických potenciálov na neuróne ak :
- je krátky časový úsek medzi stimulmi - časová sumácia
- stimuli na niekoľkých synapsách neurónu - priestorová sumácia
Synaptická
integrácia
- kombinovanie
excitačných a
inhibičných signálov
na neuróne.
Aby vznikol akčný
potenciál =
AKTIVÁCIA sumácia
PSP (lokálnych
odpovedí) musí
dosiahnuť prahovú
hodnotu depolarizácie
na axónovom
hrbolčeku = iniciálnom
segmente = spúšťacej
zóne.
excitačné
presynaptické vstupy
postsynaptická bunka
axónový hrbolček
iniciačný segment
inhibičný
presynaptický vstup
akčný potenciál vznikne v spúšťacej zóne = iniciálnom segmente
ak tam depolarizácia dosiahne prahovú hodnotu
dendrity
soma
axón s axónovými
kolaterálami
dendrit
axón
smer toku informácie
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
Oddych 3
Doporučujem hľadať v GOOGLE
summation of postsynaptic potentials at the axon hillock
Animation 5.2 - Summation of Postsynaptic Potentials
a pozrieť si
http://sites.sinauer.com/neuroscience5e/animations05.02.html
Návrhy čo je dôležité a ako si to zapamätať by sme ocenili, či nie?
MP
stúpanie
depolarizácia
AKČNÝ POTENCIÁL
klesanie
repolarizácia
prah
stimulácia
čas (ms)
hyperpolarizácia
Akčný potenciál – AP (nervový impulz) vzniká na vzrušivých
tkanivách - nervové vlákno a svalová bunka, keď lokálny
potenciál dosiahne prahovú hodnotu – „firing level“
Odpoveď je : VŠETKO alebo NIČ (kompletný akčný potenciál
alebo nijaký akčný potenciál)
- Lokálna (postuná)
depolarizácia na prah –
spúšťacia úroveň Na kanály sa otvoria
(napätím riadené)
- Na+ influx (vtok) rýchla depolarizácia
- HROT (SPIKE)
- až transpolarizácia –
pozitívny náboj na vnútornej
strane membrány na
krátky moment (a
záporný vonku) Na kanály sa zatvoria
(napätím riadené) a
K kanály sa otvoria (napätím
riadené) –
Na+ influx STOP + K+ efflux
(výtok) - rýchla repolarizácia
500 krát Na permeabilita
V kľude permeability pre K+ : Na+ : Cl100 : 4 : 45
Pri AP depolarizácii
100 : 2000 : 45
Prahová
hodnota
Kľudová
hodnota
Čas (ms)
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
1 akčný potenciál vyžaduje
vysoké, ale limitované
množstvo iónov - uvažujúc
celú bunku tá je schopná
produkovať mnoho
akčných potenciálov
Čo udržuje normálnu
distribúciu iónov?
• Po každom hrote nasleduje refraktérna perióda.
• absolútna refraktérna perióda – je nemožné vyvolať ďalší
akčný potenciál – počas hrotu a bezprostredne po ňom
(Na kanály sú otvorené alebo po tom inaktivované)
• relatívna refraktérna perióda – silnejší než obvykle stimul
je potrebný na vyvolanie akčného potenciálu
(hyperpolarizýcia; časť Na kanálov sa už „zotavila“)
(-)
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
exp
tlak v
dýchacích
cestách
Oddych 4
insp
EMG bránice
exspiračný
neurón
salva výbojov exspiračného neurónu
tvar výkyvov
extracelulárne
zaznamenaného
výboja (spike)
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
- bez poklesu (energia na akčný potenciál je dodaná bunkou)
- vlna (miesto) elektrickej negativity na povrchu bunky
(elektrickej pozitivity na vnútornej strane membrány) spôsobená
otvorením a uzavretím napätím riadených iónových kanálov
čas (ms)
čas (ms)
uzavretý kanál
otvorený kanál
inaktivovaný kanál
Saltatórne
vedenie
Ranvierov
zárez
Myelínová pošva
Ranvierov
zárez
z jedného
Ranvierovho
Zárezu na ďalší
Axón
Plazmatická
membrána
ortodrómne
vedenie
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.
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
S radosťou si vypočujem vaše dotazy a komentáre.
Prosím, pomôžte mi zlepšiť prednášku
(a prednášajúceho)
Ďakujem za pozornosť.