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 = -70mV) •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 •K+ vystupuje z buňky •Na+ je pumpován ven •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 Marie Nováková, Fyziologický ústav LF MU 26 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 27 •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 28 •AKČNÍ NAPĚTÍ PŘEDSTAVUJE JEDNOTKU INFORMACE •KÓDOVÁNÍ INFORMACÍ JE V TOMTO SYSTÉMU ZAJIŠTĚNO ZMĚNOU FREKVENCE AKČNÍCH NAPĚTÍ Příklad: Nervo-svalová ploténka kosterního svalu mitochondrie postsynaptické invaginace N – cholinergní receptory sarkolema myelinová pochva membrána Schwanovy buňky sarkoplazma axon a-motoneuronu synapse synaptické vezikuly s acetylcholinem svalové vlákno Acetylcholin je deaktivován acetylcholinesterázou a štěpen na acetyl a cholin