Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 1 EXCITABILNÍ MEMBRÁNA. ELEKTRICKÝ PŘENOS INFORMACE. Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 2 ligand hydrofilní glykokalyx iont hydrofobní I – integrální bílkovina R – receptor E – enzym K – kanál P – pumpa (ATP-áza) Membránové molekuly Proteiny PLAZMATICKÁ MEMBRÁNA membr21 Nexus (gap junction) Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 3 Na-K-pumpa SODÍKO-DRASLÍKOVÝ VÝMĚNÍK rest2_ KLIDOVÝ MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL Je výsledkem: ürozdílné propustnosti buněčné membrány pro ionty sodíku (Na +) a draslíku (K+) üpřítomnosti sodíko-draslíkové pumpy v buněčných membránách, která toto nerovnoměrného rozložení iontů intracelulární a extracelulární tekutiny podporuje ü Fenomény uplatňující se při klidovém membránovém potenciálu üMalá propustnost (permeabilita) membrány pro Na+ üVysoká permeabilita membrány pro K+ üPrimárně aktivní transport: Na+ ven z buňky a K+ do buňky (dáno přítomností Na+-K+ ATPázy, v poměru: 3 Na + ven / 2 K + dovnitř ) üUvnitř buňky zůstávají anionty bílkovin a fosfátů •(díky tomu měříme elektrické napětí mezi vnějškem a vnitřkem buňky) uzavíráme, že : Buněčná membrána je v klidu POLARIZOVÁNA Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 7 3 2 ATP áza Na+ K+ 150mM 155mM + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Na+ K+ Koncentrační spád Elektrický spád Nernstova rovnice: Ex = R . T (Cxout) F (Cxin) ln ENa = +40 mV EK = -90 mV ECl = -70 mV ECa = +60 mV Ix = gx . (E - Ex) I – proud, E – napětí, g – specifická napěťově a časově závislá vodivost KLIDOVÉ MEMBRÁNOVÉ NAPĚTÍ Er = -85 mV Rovnovážný potenciál •Pro jednotlivé ionty jsme schopni vypočítat tzv. ROVNOVÁŽNÝ potenciál podle NERNSTOVY ROVNICE • •V této souvislosti se nejvíce mluví o draslíku, protože jeho rovnovážný potenciál se nejvíce blíží hodnotě klidového membránového potenciálu • (Ek = -88 mV) •Ek – rovnovážný potenciál draslíku znamená, že síla pohánějící difuzi K+ ven (chemický gradient) je právě tak velká jako síla potenciálu působícího v opačném směru (elektrický gradient) •pro sodík: ENa= + 40mV • Fyziologický význam klidového membránového napětí •Buňky jej užívají k regulaci svých fyziologických funkcí k nimž patří: üpropustnost membrán svalových a nervových buněk pro ionty üintracelulární uvolňování vápníku pro svalovou kontrakci üuvolňování nervových přenašečů v nervovém systému Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 10 AKČNÍ NAPĚTÍ Koncentrační spád Elektrický spád + + + + + + - - - - - - - - - + + + + - - - - - - - - + + + + + + + - - - - - Na+ gNa K+ (E-EK) Depolarizace Transpolarizace Repolarizace (Hyperpolarizace) Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 11 Figure1 1 SIGMA RBI, www.sigma-aldrich.com Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 12 50mV -100 -50 0 prahové napětí klidové napětí transpolarizace depolarizace repolarizace influx sodíku eflux draslíku AKČNÍ NAPĚTÍ hyperpolarizace •Jednotka vzruchové aktivity •Reakce „Vše nebo nic“ •Šíření bez dekrementu („domino efekt“) •Refrakterita Lokální proud + - depol. pol. Šíření s dekrementem Adobe Systems Klidové napětí: •na membráně buňky za klidových podmínek •uvnitř buňky je záporný náboj, na povrchu buňky je kladný náboj 0 1 2 0 + - +20 až 30 mV 0 mV -55 mV práh -90 až -70 mV klidový potenciál akční potenciál klidový potenciál překmit do kladného napětí čas (ms) •buňka je nepropustná pro Na+ • •uvnitř buňky je větší koncentrace K+, • mimo buňku je větší koncentrace Na+ • •koncentrace K+ uvnitř je menší než koncentrace Na+ vně ® záporný náboj uvnitř buňky akční potenciál Klidové napětí a akční potenciál Adobe Systems Akční potenciál (AP) •Pokud je překročena prahová hodnota napětí (-55 mV), vzniká na membráně akční potenciál • •Fáze depolarizace •otevírají se kanály pro Na+ •Na+ vstupuje do buňky •Zákon vše nebo nic – nepřekročí-li se práh, žádný AP, překročí-li se práh – vzniká AP 0 1 2 0 + - +20 až 30 mV 0 mV -55 mV práh -90 až -70 mV klidový potenciál akční potenciál klidový potenciál překmit do kladného napětí čas (ms) •Fáze repolarizace •kanály pro Na+ jsou znovu zavřeny (velmi rychle se inaktivují) •K+ vystupuje z buňky • •Na+ je pumpován ven, K+ je pumpován dovnitř • •Napětí se dostává zpět ke klidovým hodnotám Klidové napětí a akční potenciál AKČNÍ POTENCIÁL (AP) •Podrážděním vzrušivých buněk (svalových nebo nervových) se klidové membránové napětí může změnit v AKČNÍ napětí •AP vzniká podle zákona: „vše nebo nic“ • - k jeho vzniku je potřeba dostatečně silného podnětu (tzv. nadprahový podnět) • - jeho další šíření probíhá bez ztráty jeho velikosti • Fyziologický význam akčního potenciálu •změnou klidového membránového potenciálu v akční potenciál se: ükódují a přenášejí informace v živých systémech (nervová soustava) üspouští se svalová kontrakce (svalstvo) Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 17 typy svalů S. Silbernagl, A. Despopoulos: Atlas fyziologie člověka G:\Svaly, kosti\Obr22_Typy svalové tkáně.bmp mso682B5 msoD5741 msoC1219 msoC5065 myozinová molekula myozinová hlavice sarkomera sarkomera linie Z pruh H pruh A pruh I proužek A 1,6 μm proužek I proužek H mso90BB msoAC9F1 msoE982F mso1CABD msoA051B spojení aktin-myozin klouzavý pohyb odpojení hlavic narovnání hlavic Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 21 Vztah excitace – kontrakce u kosterního svalu Excitace ̶Akční potenciál (AP) se šíří axonem z alfa-motoneuronu k nervo-svalové ploténce. ̶Na membráně axonálního zakončení se z vezikul exocytózou uvolní acetylcholin do synaptické štěrbiny. ̶Acetylcholin se naváže na N-cholinergní receptory v postsynaptické (sarkoplazmatické) membráně. ̶Cholinergní receptory jsou spojené s Na+ kanálem, který se při navázání acetylcholinu otevírá. ̶Dochází ke vtoku Na+ do sarkoplazmy a k lokální depolarizaci sarkoplazmatické membrány → vzniká ploténkový potenciál. ̶Pokud nedojde k překročení prahové hodnoty depolarizace pro vznik AP na membráně svalového vlákna, ploténkový potenciál zanikne. ̶Sumací více příchozích AP z motoneuronu dojde k sumaci dílčích ploténkových potenciálů, je překročen práh pro AP a otevírají se napěťově vrátkované kanály pro Na+. ̶Vzniká AP, který se šíří po svalovém vláknu. AP sarkoplazmatické retikulum sarkolema sarkoplazma Ca2+ sarkoplazmatické retikulum DHPR RYR1 T-tubulus Adobe Systems Vztah excitace – kontrakce u kosterního svalu Kontrakce ̶Akční potenciál (AP) se šíří po svalovém vláknu a dostává se do transverzálního tubulu (T-tubulus) ̶V sarkolemě v T-tubulu jsou dihydropyridinové receptory (DHPR), které změní svou konformaci ̶Interakcí DHPR s ryanodinovými receptory (RYR1) na membráně sarkoplazmatického retikula dochází k otevření vápníkových kanálů ̶Vstup Ca2+ do sarkoplazmy ̶Navázání Ca2+ na troponin C - na aktinu se odkryjí vazebná místa pro hlavice myozinu ̶Navázání myozinových hlavic na vazebná místa na aktinu (aktin má k myozinu velkou afinitu), ohyb myozinového krčku za spotřeby ATP a posun myozinového vlákna po aktinu ̶Pro uvolnění myozinové hlavice od aktinu je třeba ATP ̶Dokud je přítomen Ca2+ a ATP v cytoplazmě, cyklus posunu myozinových vláken po aktinových pokračuje ̶Kontrakce je ukončena, pokud klesne koncentrace Ca2+ v cytoplazmě (Ca2+ je přečerpán z cytoplazmy Ca-ATPázou do sarkoplazmatického retikula) ̶ ̶ ̶ Rigor mortis (posmrtná ztuhlost) – kvůli nedostatku ATP nedochází k odčerpání vápníku z cytoplazmy pomocí Ca–ATPázy ® vznik pevné vazby aktinu a myozinu (ATP je potřeba také pro vyvázání hlavice myozinu z aktinu) AP sarkoplazmatické retikulum sarkolema sarkoplazma Ca2+ sarkoplazmatické retikulum DHPR RYR1 T-tubulus Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 23 Adobe Systems Kosterní, srdeční a hladký sval – časové zarovnání AP a kontrakce Příčně pruhovaný srdeční sval Příčně pruhovaný kosterní sval Hladký sval Akční potenciál (AP): cca 250 ms Kontrakce svalu: cca 250 ms Elektromechanická latence (EML): do 10 ms 0 200 100 300 400 Čas od počátku AP (ms) AP: 5 ms EML: do 10 ms Trvání kontrakce: průměrně cca 20 ms (8 - 100 ms dle typu vláken) AP (hrotový potenciál): cca 50 ms Kolísavý klidový membránový potenciál, při překročení depolarizačního prahu vzniká hrotový potenciál neboli „spike“. Je více typů AP u hladkého svalu. Dlouhá refrakterní doba Délka AP a kontrakce závisí na srdeční frekvenci Délka elektromechanické latence a délka kontrakce závisí na typu kosterního svalu (typ S nebo F) EML: cca 200 ms Vrchol kontrakce cca 500 ms od AP Trvání kontrakce cca 1000 ms Adobe Systems Neuron jako excitabilní buňka Neuron Adobe Systems Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) AP se šíří axonem směrem od těla neuronu Akční potenciál (AP) vzniká v iniciálním segmentu axonu Pokud iniciální depolarizace nepřekročí prahovou hodnotu napětí, AP nevzniká Pokud iniciální depolarizace překročí prahovou hodnotu napětí, AP vzniká a šíří se dál axonem Adobe Systems depolarizovaná membrána polarizovaná membrána polarizovaná membrána membrána v relativní refrakterní fázi Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) - detail Akční potenciál (AP) šířící se axonem repolarizace Vznik lokálních proudů - kladné náboje na povrchu membrány před a za AP se přesouvají do oblasti negativity vytvořené AP a naopak, na vnitřní straně se kladné náboje přesouvají z oblasti AP do sousedních oblastí s negativním potenciálem. Místní proudy způsobují elektrofonickou depolarizaci Sousedních oblastí, při které se mění permeabilita membrány – pokud dojde k nadprahové změně- vznikne propagující se AP, který se šíří jen dopředu, protože oblast membrány, kde se právě nacházel, je v refrakterním stavu. membrána v relativní refrakterní fázi Adobe Systems Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) - detail Adobe Systems Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) - detail Adobe Systems Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) - detail Adobe Systems Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) - detail Adobe Systems AP se šíří bez dekrementu (bez úbytku), tzn. AP je stále stejně velký Protože je AP stále stejně velký, přenášená informace se kóduje do frekvence AP Šíření akčního potenciálu (nemyelinizované vlákno) - detail Adobe Systems Klidové napětí Šíření akčního potenciálu (myelinizované vlákno) - detail Adobe Systems Vznik AP v iniciálním segmentu axonu Šíření akčního potenciálu (myelinizované vlákno) - detail Adobe Systems AP přeskočí myelinovou pochvu k Ranvierově zářezu Šíření akčního potenciálu (myelinizované vlákno) - detail Adobe Systems …a k dalšímu Ranvierově zářezu… Šíření akčního potenciálu (myelinizované vlákno) - detail Adobe Systems …a k dalšímu Ranvierově zářezu… Šíření akčního potenciálu (myelinizované vlákno) - detail Adobe Systems …a k dalšímu Ranvierovu zářezu… Saltatorní vedení AP – rychlejší (nemyelizovaná vlákna vedou AP pomaleji) Šíření akčního potenciálu (myelinizované vlákno) - detail Adobe Systems Místní odpověď membránového napětí •Evolučně starší typ odpovědi buněčné membrány na podnět (vyskytuje se v nervové soustavě nižších živočichů), nicméně i u člověka máme tento typ odpovědi •Základní vlastnosti: velikost odpovědi závisí na intenzitě podnětu odpověď se šíří s úbytkem (dekrementem) nemá refrakterní fázi (dá se sčítat=sumovat) Např.: najdeme u smyslových (receptorových buněk) – „receptorový potenciál“, jako postsynaptický potenciál (excitační – inhibiční), jako ploténkový potenciál u nervosvalového spojení Definujte zápatí – název prezentace nebo pracoviště 40 Adobe Systems synapse na axonu Synaptické zakončení neuronu je i na svalech (neuromotorická ploténka), nebo na žlázách Synaptická zakončení synapse na iniciálním segmentu axonu synapse na synapsi axosomatická synapse axodendritická synapse Neurotransmitery navázané na určité typy receptorů postsynaptické membrány způsobí k otevření iontových kanálů a přesun iontů z/do buňky ®změna potenciálů na postsynaptické membráně ® vzniká postsynaptický potenciál Receptor s navázaným neurotransmiterem Iontový kanál Postsynaptický potenciál •je slabý (mnohokrát slabší než AP) •šíří se od synapse s dekrementem (úbytkem) – zmenšuje se, když se vzdaluje od synapse (postupně zaniká) Postsynaptická membrána Jeden typ neurotransmiteru se váže na jeden typ receptoru a otvírá jeden typ iontových kanálů Iont Postsynaptický potenciál (PSP) AP Postsynaptický potenciál vyvolávající depolarizaci buňky (ale mnohem slabší než je AP) Vstup kationtů do buňky (např. Ca2+ nebo Na+) Na+ Na+ Receptor s navázaným neurotransmiterem Iontový kanál Postsynaptická membrána čas (ms) napětí (mV) -90 0 2 4 6 -70 Jeden typ neurotransmiteru se váže na jeden typ receptoru a otvírá jeden typ iontových kanálů Např. acetylcholin navázaný na nikotinový receptor způsobí otevření kanálu pro Na+ a vstup Na+ do buňky Excitační postsynaptický potenciál (EPSP) Postsynaptický potenciál vyvolávající hyperpolarizaci buňky Vstup aniontů do buňky (např. Cl-) nebo výstup kationtů z buňky (K+) Cl- Cl- Receptor s navázaným neurotransmiterem Iontový kanál Postsynaptická membrána čas (ms) napětí (mV) -90 0 2 4 6 -85 Jeden typ neurotransmiteru se váže na jeden typ receptoru a otvírá jeden typ iontových kanálů Např. GABA navázaná na GABAA způsobí otevření kanálu pro Cl- a vstup Cl- do buňky Inhibiční postsynaptický potenciál (IPSP) Šíření excitačního postsynaptického potenciálu Postsynaptický potenciál •je slabý (mnohokrát slabší než AP) •šíří se od synapse s dekrementem (úbytkem) – zmenšuje se, když se vzdaluje od synapse (postupně zaniká) dendrit Tělo neuronu EPSP šířící se po dendritu axon akční potenciál Excitační synapse Postsynaptický potenciál •je slabý •šíří se od synapse s dekrementem (úbytkem) – zmenšuje se, když se vzdaluje od synapse (postupně zaniká) dendrit Tělo neuronu IPSP šířící se po dendritu axon akční potenciál Inhibiční synapse Šíření inhibičního postsynaptického potenciálu Sčítání postsynaptických potenciálů Na těle neuronu můžou být zároveň excitační i inhibiční synapse EPSP a IPSP se sčítají – souhrnné PSP •Převaha IPSP – hyperpolarizace membrány •Převaha EPSP – depolarizace membrány dendrit Tělo neuronu axon akční potenciál excitační synapse EPSP axon inhibiční synapse akční potenciál čas (ms) napětí (mV) -90 0 2 4 6 -70 IPSP EPSP IPSP EPSP a IPSP, které vznikly na dendritu ve stejný čas Souhrnný PSP dendrit tělo neuronu axon EPSP šířící se po dendritu příchozí akční potenciál excitační synapse IPSP šířící se po dendritu inhibiční synapse Na těle neuronu můžou být zároveň excitační i inhibiční synapse EPSP a IPSP se sčítají dendrit Tělo neuronu axon akční potenciál Excitační synapse EPSP Excitační synapse akční potenciál čas (ms) napětí (mV) -90 0 2 4 6 -70 EPSP EPSP Dva EPSP, které vznikly na dendritu ve stejný čas Souhrnný PSP Sčítání postsynaptických potenciálů dendrit tělo neuronu příchozí akční potenciály excitační synapse práh -55 zvyšující se souhrnný PSP IPSP akční potenciál čas (ms) napětí (mV) -90 0 2 4 6 -70 inhibiční synapse iniciální segment axonu vzniklý akční potenciál čas (ms) napětí (mV) -90 0 2 4 6 -70 EPSP práh -55 Akční potenciál Prostorová sumace Čím více je na neuronu excitačních synapsí, na které ve stejný čas přišel AP, tím více vzniklo EPSP a tím snadněji je dosaženo prahu pro vznik AP na postsynaptickém neuronu Iniciální segment axonu Přicházející AP Vzniklé AP EPSP Čím vyšší je frekvence AP přicházejících na synapsi, tím větší je souhrnný PSP a tím dříve je dosaženo prahové hodnoty pro vznik AP na postsynaptickém neuronu Časová sumace Postsynaptický neuron Presynaptický neuron čas (s) napětí (mV) -90 -70 Jednotlivé EPSP Jednotlivé EPSP Souhrnný PSP práh Akční potenciál (AP) Přicházející AP Vzniklé AP Přicházející AP – presynaptická membrána neuron7083.jpg •Kódování - intenzita podnětu zaznamenaná receptorem je překódovaná do frekvence AP •Dekódování - na synapsi je frekvence AP převedena do PSP •Rekódování - pokud součet všech PSP překročí práh, vzniká AP Kódování informace Převzato z: Atlas fyziologie člověka, S. Silbernagl délka trvání podnětu intenzita podnětu 2 x reobáze reobáze chronaxie Čím déle trvá podnět, tím menší intenzita podnětu stačí pro vznik AP Čím větší je intenzita podnětu, tím kratší podnět stačí pro vznik AP Reobáze: nejmenší podnět, při kterém ještě dojde ke vzniku AP Chronaxie: délka podnětu, která je nezbytná pro vznik AP, je-li intenzita podnětu o velikosti dvou reobází Podnět a intenzita Podnět (sluchový, zrakový, hmatový,….) je kódován receptorem do frekvence AP Adobe Systems Fyziologie I seminář (VLFY0321s) 55 Synapse ̶Podle lokalizace ̶Axo-dendritická ̶Axo-somatická ̶Axo-axonální ̶Dendro-axonální ̶Dendro-somatická ̶Dendro-dendritická ̶ ̶ ̶Nervosvalová ploténka ̶ ̶Podle struktury ̶Elektrická ̶Chemická ̶ ̶Podle funkce ̶Excitační ̶Inhibiční ̶Modulační ̶ Adobe Systems Fyziologie I seminář (VLFY0321s) 56 ̶Evolučně starší ̶U člověka minoritní ̶Difuzně rozšířena v CNS ̶Gap junctions ̶Může být obousměrná ̶Rychlá https://media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1038%2Fnrn3708/MediaObjects/4 1583_2014_Article_BFnrn3708_Fig1_HTML.jpg Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 57 50mV -100 -50 0 prahové napětí klidové napětí transpolarizace depolarizace repolarizace influx sodíku eflux draslíku AKČNÍ NAPĚTÍ hyperpolarizace •Jednotka vzruchové aktivity •Reakce „Vše nebo nic“ •Šíření bez dekrementu („domino efekt“) •Refrakterita Lokální proud + - depol. pol. Šíření s dekrementem Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 58 •KLIDOVÉ MEMBRÁNOVÉ NAPĚTÍ JE PODMÍNKOU DRÁŽDIVOSTI (EXCITABILITY) •ZÁVISÍ NA VYSOKÉ KLIDOVÉ VODIVOSTI PRO DRASLÍK AKČNÍ NAPĚTÍ JE PROPAGOVANÝ ELEKTRICKÝ SIGNÁL GENEROVANÝ RYCHLÝM PROUDEM SODÍKU DO BUŇKY Adobe Systems Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 59 •AKČNÍ NAPĚTÍ PŘEDSTAVUJE JEDNOTKU INFORMACE •KÓDOVÁNÍ INFORMACÍ JE V TOMTO SYSTÉMU ZAJIŠTĚNO ZMĚNOU FREKVENCE AKČNÍCH NAPĚTÍ