Transcript Slayt 1 - Cumhuriyet University

AKSİYON POTANSİYEL
Dr. Ayşe DEMİRKAZIK
20.07.2015
1
Organizmada iyonların dağılımı
Hücre dışı ortam Na+ ve Cl- iyonlarından
Hücre içi ortam K+ iyonlarından zengindir
Ayrıca hücre içinde asla hücreyi terk
edemeyen negatif yüklü protein anyonlar vardır
Normal hücre zarı K+’a Na+’ a 100 kat daha
geçirgendir
20.07.2015
2
Nernst (denge) potansiyeli
İyonların konsantrasyon gradyanlarını
elektriksel olarak ifade eder
Difüzyon potansiyeli ile konsantrasyon
farkının ilişkisine dayanır
Membranın iki tarafındaki potansiyel farkı,
bir iyonun membrandan bir yönde net
difüzyonunu önleyecek düzeyde ise, bu
potansiyele o iyon için Nernst potansiyeli
denir
20.07.2015
3
Na+, K+ ve Cl- için Nernst
Hücre içi –90mV
olmak üzere sadece
sodyumun net
difüzyonunun
durması için içerideki
potansiyelin +61.5mV
olması gerekir
Yani membranla en
büyük problemi
sodyum
yaşamaktadır
20.07.2015
4
Temel
potansiyel
mantığı
20.07.2015
K ve Cl’un Nernst denge
potansiyelleri istirahat
potansiyeline çok yakındır
Bu nedenle membranı
rahatlıkla geçebilirler
5
Denge potansiyelleri
İyon
Hücre
içi
kons(mmol/lt)
Hücre
dışı
kons(mmol/lt)
Denge
potansiyeli
Na+
15
150
+61.5
K+
150
5.5
-94
Cl-
9.0
125
-70
Memeli spinal motor nöronuna ait değerler
20.07.2015
6
Membran potansiyelinin sınırı
Membrandan uzak
yerlerde yükler
tamamen birbirine
eşittir
Elektriksel
potansiyel farkı
tamamen
membranın iki
tarafında ortaya
çıkar
20.07.2015
7
Membran potansiyelinin
oluşması için;
Membranın iki
tarafında farklı
konsantrasyonlarda
iyonların bulunması
Membranın iyonlara
seçici geçirgenlik
göstermesi
(K/Na=100)
Her bir iyonun
elektriksel yükünün
çeşidi
20.07.2015
8
Gibbs-Donnan Dengesi
Membranın bir
tarafında
membrandan
geçemeyen
iyon bulunduğu
zaman,
geçebilen
iyonların
dağılımını
etkiler
20.07.2015
9
Na-K
pompası
Hücrelerde
devamlı bir Na-K
sızması söz
konusudur.
Bu devam ederse
hücre şişer ve
ölür.
Pompa enerji
harcayarak 3Na2K prensibi ile
çalışır.
20.07.2015
10
Membran dinlenim potansiyeli
İyonların farklı
dağılımı
Membranın seçici
geçirgenliği
Donnan dengesi
Na-K pompasının
özelliği sayesinde bir
dengeye ulaşır
20.07.2015
11
sonuç;
Membrandan uzak bölgelerde tamamen bir
iyonik denge mevcuttur
Membranın her iki tarafında
konsantrasyonları farklı iyonlar vardır
Membran seçici geçirgendir ve
geçirgenlikleri farklıdır
Bazı hücre içi anyonlar membranı
geçemezler
Na-K pompası diye bir şey vardır
20.07.2015
12
Aksiyon potansiyeli
Laboratuar ortamında
elektriksel olan uyarı
Organizmada;
– Elektriksel,
– Hormonal,
– Mekanik ve
– Kimyasal
uyaranlarla olur
20.07.2015
13
Neurons (Nerve Cells)
20.07.2015
14
Figure 11.4b
İstirahat halinin bozulması
İç kısım dışa göre daha
negatif (-70/-90mV)
Yeterli büyüklükte
uyaran
Kritik değere kadar
depolarizasyon
Aksiyon potansiyeli
20.07.2015
15
20.07.2015
16
Membran ve Sodyum
Yeterli büyüklükte
uyaran
Membranın Na
iyonlarına karşı
geçirgenliğinde
voltaja bağlı artış
(aktivasyon)
Voltaja bağlı
inaktivasyon
20.07.2015
17
Eşik değer yoksa AP de yok
hep ya da hiç
Hücre membranını
eşik değere kadar
depolarize edemeyen
uyaranlar AP
oluşturamaz
Eşik ya da eşik üstü
uyaranlar da daima
aynı genlik ve şekle
sahip AP oluşturur
20.07.2015
18
Aslında ne oldu?
İstirahat halinde membran temel olarak K
iyonlarına karşı yüksek geçirgenlik gösterir
– Bu nedenle istirahat potansiyeli K denge
potansiyeline yakındır
Eşik değere kadar depolarize edildiğinde;
– Na’a karşı olan membran geçirgenliğinde
milisaniyelerle sınırlı bir artış ortaya çıkar
Membran Na’un denge potansiyeline doğru
çekilir yani membran pozitif değerlere doğru
hızla depolarize olur
20.07.2015
19
Geriye dönüş- Repolarizasyon
Depolarizasyon ile
denge durumundan
uzaklaşan K,
membranı tekrar kendi
dinlenim potansiyeline
doğru taşımak için;
– Hücre dışına akar
20.07.2015
Bu sayede membran
tekrar K membranı
karakterini kazanır
20
AP dönemleri
Dinlenim (istirahat)
dönemi
Depolarizasyon
dönemi
Repolarizasyon
dönemi
Hiperpolarizasyon
dönemi
20.07.2015
21
Hodgkin çemberi
+ feed back bir olaydır
Eşik değere ulaştıktan
sonra hızla içeri giren Na,
voltajı daha da yukarılara
çeker
Voltaj yükseldikçe daha
fazla Na içeri akar, daha
fazla Na’un içeri akması
voltajı daha da yukarılara
taşır
20.07.2015
22
Hodgkin çemberi
20.07.2015
23
Kanalların zamanlamaları
20.07.2015
24
Herkese lazım kanallar
Na-K sızma
kanalları
Voltaj kapılı Na
kanalları
Voltaj kapılı K
kanalları
Voltaj kapılı Ca-Na
kanalları
20.07.2015
25
Aksiyon potansiyeline katkılar
Pek çok hücre Na-K
pompasına benzer bir
Na-Ca pompasına
sahiptir.
Pompa, kalsiyumu
hücre içinden dışına
ve/veya endoplazmik
retikuluma pompalar.
20.07.2015
Bu pompa sayesinde
hücre içi ile dışı arasında
dışarda fazla olmak üzere
10 000 katlık bir gradiyent
yaratılır.
Bu sayede hücre içi
kalsiyumu 10-7 molarda
tutulurken, hücre dışında
10-3 molarda tutulur.
26
Bir gariplik var!!!
Membran
potansiyeli istirahat
durumuna geri
döndüğünde her
şey normal değildir.
Na-K iyonlarının
yerleri terstir.
YAŞASIN
POMPA!!!
20.07.2015
27
Yeniden uyarılma-Reeksitasyon
Mutlak refrakter periyod
– Voltaj kapılı Na
kanallarının yapısı ile
ilgili bir durumdur
– AP’den sonra yeniden
açılabilmeleri için
mutlaka başlangıç
konumlarına dönmeleri
gerekir
Relatif refrakter periyod
20.07.2015
– Eşik üstü uyaranlarla AP
meydana gelebilir
28
Saniyenin dilimlerinde...
Çok kısa süre içinde,
Çok hızlı bir şekilde,
– İletişim kurmanın,
– bilgi alma,
– yorumlama ve
– gerekli cevapların
iletmesinin en iyi
yolu...
20.07.2015
Aksiyon potansiyeli
İyi fikir!!!
29
Operation of a Gated Channel
20.07.2015
Figure 11.6a
30
Operation of a Voltage-Gated Channel
20.07.2015
31
Gated Channels
When gated channels are open:
– Ions move quickly across the membrane
– Movement is along their electrochemical
gradients
– An electrical current is created
– Voltage changes across the membrane
20.07.2015
32
Electrochemical Gradient
Ions flow along their chemical gradient
when they move from an area of high
concentration to an area of low
concentration
Ions flow along their electrical gradient
when they move toward an area of
opposite charge
Electrochemical gradient – the electrical
and chemical gradients taken together
20.07.2015
33
Resting Membrane Potential
(Vr)
The potential difference (–70 mV) across
the membrane of a resting neuron
It is generated by different concentrations
of Na+, K+, Cl, and protein anions (A)
Ionic differences are the consequence of:
– Differential permeability of the neurilemma to
Na+ and K+
– Operation of the sodium-potassium pump
20.07.2015
34
Resting Membrane Potential
(Vr)
20.07.2015
Figure 11.8
35
Membrane Potentials: Signals
Used to integrate, send, and receive
information
Membrane potential changes are
produced by:
– Changes in membrane permeability to ions
– Alterations of ion concentrations across the
membrane
Types of signals – graded potentials and
action potentials
20.07.2015
36
Changes in Membrane Potential
Changes are caused by three events
– Depolarization – the inside of the membrane
becomes less negative
– Repolarization – the membrane returns to its
resting membrane potential
– Hyperpolarization – the inside of the
membrane becomes more negative than the
resting potential
20.07.2015
37
Changes in Membrane Potential
20.07.2015
Figure 11.9
38
Graded Potentials
Short-lived, local changes in membrane
potential
Decrease in intensity with distance
Their magnitude varies directly with the
strength of the stimulus
Sufficiently strong graded potentials can
initiate action potentials
20.07.2015
39
Graded Potentials
20.07.2015
Figure 11.10
40
20.07.2015
41
Graded Potentials
Voltage changes in graded potentials are
decremental
Current is quickly dissipated due to the
leaky plasma membrane
Can only travel over short distances
20.07.2015
42
Conduction of Action Potentials
20.07.2015
43
Figure 8-14a: Conduction of action potentials
Conduction of Action Potentials
20.07.2015
44
Figure 8-14b: Conduction of action potentials
Conduction of Action Potentials
20.07.2015
45
Figure 8-14c: Conduction of action potentials
Speed of Conduction
Larger diameter faster conduction
Myelinated axon faster conduction
– Salutatory conduction
– Disease damage to myelin
Chemicals that block channels
Alteration of ECF ion concentrations
20.07.2015
46
Speed of Conduction
20.07.2015
47
Figure 8-16b: Axon diameter and speed of conduction
Speed of Conduction
20.07.2015
48
Figure 8-17: Saltatory conduction
Graded Potentials
20.07.2015
Figure 11.11
49
Action Potentials (APs)
A brief reversal of membrane potential with
a total amplitude of 100 mV
Action potentials are only generated by
muscle cells and neurons
They do not decrease in strength over
distance
They are the principal means of neural
communication
An action potential in the axon of a neuron
is a nerve impulse
20.07.2015
50
Action Potential: Resting State
Na+ and K+ channels are closed
Leakage accounts for small movements of
Na+ and K+
Each Na+ channel has two voltageregulated gates
– Activation gates –
closed in the resting
state
– Inactivation gates –
open in the resting
state
20.07.2015
51
Figure 11.12.1
Action Potential: Depolarization Phase
Na+ permeability increases; membrane
potential reverses
Na+ gates are opened; K+ gates are closed
Threshold – a critical level of depolarization
(-55 to -50 mV)
At threshold,
depolarization
becomes
self-generating
20.07.2015
52
Action Potential: Repolarization
Phase
Sodium inactivation gates close
Membrane permeability to Na+ declines to resting levels
As sodium gates close, voltage-sensitive K+ gates open
K+ exits the cell and
internal negativity
of the resting neuron
is restored
20.07.2015
53
Action Potential: Hyperpolarization
Potassium gates remain open, causing an
excessive efflux of K+
This efflux causes hyperpolarization of the
membrane (undershoot)
The neuron is
insensitive to
stimulus and
depolarization
during this time
20.07.2015
54
Action Potential:
Role of the Sodium-Potassium Pump
Repolarization
– Restores the resting electrical conditions of
the neuron
– Does not restore the resting ionic conditions
Ionic redistribution back to resting
conditions is restored by the sodiumpotassium pump
20.07.2015
55
Phases of the Action Potential
1 – resting state
2 – depolarization
phase
3 – repolarization
phase
4 – hperpolarization
20.07.2015
56
Propagation of an Action Potential
(Time = 0ms)
Na+ influx causes a patch of the axonal
membrane to depolarize
Positive ions in the axoplasm move toward
the polarized (negative) portion of the
membrane
Sodium gates are shown as closing, open,
or closed
20.07.2015
57
Propagation of an Action Potential (Time = 0ms)
20.07.2015
58
Propagation of an Action Potential
(Time = 1ms)
Ions of the extracellular fluid move toward
the area of greatest negative charge
A current is created that depolarizes the
adjacent membrane in a forward direction
The impulse propagates away from its
point of origin
20.07.2015
59
Propagation of an Action Potential (Time = 1ms)
20.07.2015
60
Propagation of an Action Potential
(Time = 2ms)
The action potential moves away from the
stimulus
Where sodium gates are closing,
potassium gates are open and create a
current flow
20.07.2015
61
Propagation of an Action Potential (Time = 2ms)
20.07.2015
62
Threshold and Action Potentials
Threshold – membrane is depolarized by
15 to 20 mV
Established by the total amount of current
flowing through the membrane
Weak (subthreshold) stimuli are not
relayed into action potentials
Strong (threshold) stimuli are relayed into
action potentials
All-or-none phenomenon – action
potentials either happen completely, or not
at all
20.07.2015
63
Coding for Stimulus Intensity
All action potentials are alike and are
independent of stimulus intensity
Strong stimuli can generate an action
potential more often than weaker stimuli
The CNS determines stimulus intensity by
the frequency of impulse transmission
20.07.2015
64
Coding for Stimulus Intensity
Upward arrows – stimulus applied
Downward arrows – stimulus stopped
20.07.2015
65
Coding for Stimulus Intensity
Length of arrows – strength of stimulus
Action potentials – vertical lines
20.07.2015
66
Absolute Refractory Period
Time from the opening of the Na+
activation gates until the closing of
inactivation gates
The absolute refractory period:
– Prevents the neuron from generating an
action potential
– Ensures that each action potential is separate
– Enforces one-way transmission of nerve
impulses
20.07.2015
67
Absolute Refractory Period
20.07.2015
68
Relative Refractory Period
The interval following the absolute
refractory period when:
– Sodium gates are closed
– Potassium gates are open
– Repolarization is occurring
The threshold level is elevated, allowing
strong stimuli to increase the frequency of
action potential events
20.07.2015
69
Conduction Velocities of Axons
Conduction velocities vary widely among
neurons
Rate of impulse propagation is determined
by:
– Axon diameter – the larger the diameter, the
faster the impulse
– Presence of a myelin sheath – myelination
dramatically increases impulse speed
20.07.2015
70
Saltatory Conduction
Current passes through a myelinated axon
only at the nodes of Ranvier
Voltage-gated Na+ channels are
concentrated at these nodes
Action potentials are triggered only at the
nodes and jump from one node to the next
Much faster than conduction along
unmyelinated axons
20.07.2015
71
Saltatory Conduction
20.07.2015
Figure 11.16
72
Multiple Sclerosis (MS)
An autoimmune disease that mainly
affects young adults
Symptoms include visual disturbances,
weakness, loss of muscular control, and
urinary incontinence
Nerve fibers are severed and myelin
sheaths in the CNS become nonfunctional
scleroses
Shunting and short-circuiting of nerve
impulses occurs
20.07.2015
73
Multiple Sclerosis: Treatment
The advent of disease-modifying drugs
including interferon beta-1a and -1b,
Avonex, Betaseran, and Copazone:
– Hold symptoms at bay
– Reduce complications
– Reduce disability
20.07.2015
74