Biológia | Felsőoktatás » dr. Czirják Gábor - Biológiai jelátvitel, Ioncsatornák és membránpotenciál

Biológiai jelátvitel: Ioncsatornák és membránpotenciál www.elettansotehu dr. Czirják Gábor czirjak@puskin.sotehu 2006 Membránpotenciál - bevezetés Általában a sejtek belső tere negatívabb az extracelluláris térnél nyugalmi körülmények között. V Extracelluláris + (0 mV) Intracelluláris (≈ -70 mV) Membránpotenciál - jelentőség A membránpotenciál alapvető a sejtek működésében, mert pl.: 1. Transzportfolyamatokhoz biztosít hajtóerőt (pl. töltéssel rendelkező molekulák – passzív, semleges molekulák – másodlagosan aktív tr.) 2. Gyors jeltovábbításra alkalmas ( pl. extracelluláris ingerre ⇒ membránpotenciálváltozás ⇒ a sejtfelszín más területein membránpotenciál érzékeny folyamatok beindítása) Potenciálkülönbség elektrolitokban – néhány elvi lehetőség 1. Diffúziós potenciál Eltérő ionmobilitású anion és kation esetén. (pl. egy csepp sósav diffúziója) V Cl- + H+ 2.

Membránpotenciál Előfeltétel: egyenlőtlen ionmegoszlás és szelektív permeabilitás Szemipermeábilis A. Egyensúlyi potenciál membrán (átmegy: K+, nem: Cl-, H2O) V -60 mV Cl- K+ Cl- K+ Cl- K+ + 100 mM KCl 10 mM KCl 1. K+ áramlás a koncentrációkülönbség miatt 2. A kialakuló feszültség leállítja a további áramlást (egyensúly) Az egyensúlyi potenciál jellemzői - Néhány ezer ion egyenlőtlen megoszlása elég a potenciálkülönbség kialakításához, az ionkoncentrációk változása elhanyagolható. - Az egyensúlyi potenciál tartósan (elvileg végtelen ideig) fennállhat. Ilyenkor a koncentrációkülönbség miatt az egyik irányba ugyanannyi ion mozog, mint a potenciálkülönbség miatt a másikba. - Minél nagyobb a membránon átjutó ion két oldalon található koncentrációinak hányadosa, annál nagyobb a potenciálkülönbség. Az egyensúlyi potenciál kiszámítása - Nernst egyenlet: cBELSŐ E= ln c KÜLSŐ zF - RT E :

membránpotenciál (volt) R: általános gázállandó (≈ 8.31 J/mol/K) T: abszolút hőmérséklet (K) z : töltésszám (K+-ra: pl. +1) F : Faraday-állandó (≈ 96500 C/mol) - Gyakorlatban jól használható formája: cBELSŐ - 60 mV E= log10 cKÜLSŐ z Az egyes ionok egyensúlyi potenciálja fiziológiás ionmegoszlások esetén 140 mM - 60 mV EK= log10 4 mM +1 ≈ - 90 mV 15 mM - 60 mV ENa= log10 ≈ + 60 mV 140 mM +1 4 mM - 60 mV ECl= log10 ≈ - 80 mV 103 mM -1 10-7 M - 60 mV log10 ECa= 10-3 M +2 ≈ + 120 mV 2. Membránpotenciál B. Donnan-potenciál - Ionokra átjárható, fehérjére nem permeábilis membrán esetén jön létre (pl. érfal) - A negatív töltésekkel rendelkező fehérjék oldalán nagyobb kationkoncentráció és a kis molekulájú, permeabilis anion alacsonyabb koncentrációja alakul ki az ellenkező oldalhoz képest, egyensúlyi állapot formájában. Néhány mV potenciálkülönbség jön létre. (A fehérjék oldala a negatívabb.) - A

sejt membránpotenciálja döntően NEM a Donnan-potenciálon alapul. 2. Membránpotenciál C. Pumpapotenciál - A nátrium pumpa (Na+/K+-ATPáz) elektrogén. (3 Na+ ki, 2 K+ be) - A Na+-pumpa folyamatos működése ezért kicsit negatívabbá teszi a sejt belsejét. Ez közvetlenül csak kb. 5-10 mV-tal járul hozzá a membránpotenciálhoz - A Na+-pumpa azonban az egyenlőtlen EC és IC Na+ és K+ koncentrációkat biztosítja, és így közvetve a membránpotenciál fenntartásához szükséges. A pumpapotenciál kísérletes kimutatása Em (mV) 0 ouabain -70 Pumpapotenciál t A sejt membránpotenciálja – rávezető gondolatkísérlet I. “IC” V PK>>PNa=0 -60 mV PCl=0 Cl- K+ Cl- K+ Cl- K+ “EC” K+ egyensúlyi Em = ? potenciál !! + 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl Em = -60 mV IK=INa=0 A sejt membránpotenciálja – rávezető gondolatkísérlet II. “IC” V PNa>>PK=0 +60 mV PCl=0 “EC” Na+ Cl+ Na+ ClNa+ Cl10

mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl Na+ E egyensúlyi m = ? potenciál !! Em = + 60 mV IK=INa=0 A sejt membránpotenciálja – rávezető gondolatkísérlet III. “IC” V PNa=PK>0 0 mV PCl=0 “EC” Na+ K+ 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl IK = -INa>0 Em = ? Em = 0 mV Koncentrációkiegyenlítődés A III. gondolatkísérlet ‘tanulságai’ 1. A kifelé áramló pozitív töltések áramát tekintjük pozitívnak hagyomány szerint. (A példában IK>0) 2. Stabil membránpotenciál esetén a membránon átfolyó összes áram összege nulla. (A példában IK+INa=0) (Egyébként valamelyik oldalon töltésfelhalmozódás lenne, és Em változna) 3. Ha membrán többféle ionra is permeábilis, akkor hosszú idő után a koncentrációk kiegyenlítődhetnek. (A példában mindkét oldalon [Na+] = [K+] = 55 mM értéken). In vivo ezt a Na+-pumpa akadályozza meg. A sejt membránpotenciálja – rávezető gondolatkísérlet IV. PK

>>PNa>0 V “IC” “EC” + Na+ K+ 10 mM NaCl 100 mM NaCl 100 mM KCl 10 mM KCl PCl=0 IK hol = -INa >0 az van Em EKE<K,E0, << Na0 mE értékekhez Koncentrációképest? kiegyenlítődés A IV. gondolatkísérlet ‘tanulságai’ Egy ‘átlagos’ nyugvó sejtben: - kifelé K+ áramot befolyásolja: ↑ nagy koncentrációkülönbség ↑ nagy K+ permeabilitás ↓ negatív membránpotenciál - befelé Na+ áramot befolyásolja: ↑ nagy koncentrációkülönbség ↓ kis Na+ permeabilitás ↑ negatív membránpotenciál Így a két áram egyenlő ⇒ stabil nyugalmi Em A membránpotenciál kiszámítása • Em: EK és ENa között van. Hogy hol, az a PK és PNa arányától függ. • PNa<PK (nyugalmi) esetben: EK<Em<<ENa • PNa>PK esetben: EK<<Em<ENa gNa gK • Képlettel: Em= EK+ ENa+ gteljes gteljes (ahol g=1/R: vezetőképesség (Siemens)) • Em kiszámítható (Goldman-Hodgkin-Katz, GHK) Em= - RT zF ln

PK[K+]IC+PNa[Na+]IC+PCl[Cl-]EC PK[K+]EC+PNa[Na+]EC+PCl[Cl-]IC Mitől és milyen irányban változhat a membránpotenciál? Em↑ : depolarizáció “pozitívabbá válik” Em↓ : hiperpolarizáció “negatívabbá válik” 1. Ionkoncentráció változás (in vivo nem jellemző) pl. [K+]EC↑ ⇒ IK↓ ⇒ depol. [Na+]IC ↑ ⇒ INa↓ ⇒ hiperpol. 2. Permeabilitás változás (in vivo a szab fő útja) pl. PK↑ ⇒ IK↑ ⇒ hiperpol. PNa↑ ⇒ INa↑ ⇒ depol. Mi biztosítja a sejtmembrán szelektív permeabilitását? Ioncsatornák • Transzmembrán fehérjék, melyek hidrofil pórust képeznek ionok számára • Egy ion transzportja során nincs konformációváltozás, csak nyitás ↔ zárásnál • Igen magas katalitikus szám (106-108 ion/sec) • Erősen szelektívek lehetnek (1 hiba/103-104 ion) • Nyitás ↔ zárás szabályozott lehet: - ligandfüggő - háttér (csurgó, leak) - feszültségfüggő - mechanoszenzitív Vezetett ion szerinti

felosztás kationcsatornák Szelektív (Na+, K+, Ca2+, H+) anioncsatornák (Cl-, HCO3-) nem specifikus csak egyértékű (monovalens) ionokat ereszt át (Na+ és K+) kétértékű (bivalens) ionokat is átereszt (Na+, K+ és Ca2+) A szelektivitási filter szerkezete (a VGYG motívum) A szelektivitási filter szerkezete (karbonil oxigének) A szelektivitási filter szerkezete (a K+ szelektivitás mechanizmusa) K+ Na+ Kapuzás a szelektivitási filterben Kapuzás a “belső szájadékban” Inaktiváció “tömeszeléses” mechanizmussal A sejt ionáramainak mérése: patch clamp Sejtre tapasztott (cell-attached) felállás Feszültség clamp mért csatornák Mekkora áramot kell átfolyatnom, hogy Em az általam megkívánt érték legyen? Pipetta széle és a membrán között NAGY (GΩ) ellenállású kapcsolat (seal). A sejt ionáramainak mérése: patch clamp Teljes sejt (whole cell) felállás Feszültség clamp mért csatornák A

sejt ionáramainak mérése: patch clamp Kivágott folt (excised patch) felállás Feszültség clamp mért csatorna/csatornák (Akár egy csatorna árama is mérhető, az áram pA (10-12 A) nagyságrendű.) Nyitott Zárt Az ioncsatornák működése: makroszkópos áram (sok ugyanolyan csatorna együttes árama) K+ szelektív pórus (PK konstans, nem függvénye Em-nek), szimmetrikus oldatok Feszültség-áram összefüggés C1 < C2 I C2 C1 Em (mV) Pl.: mindkét oldalon 4 mM [K+] mindkét oldalon 140 mM [K+] K+ szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok I C2 EK C1 Em (mV) Pl.: belül C2=140, kívül C1=4 mM [K+] IK=0, ha Em=EK A háttér K+ csatorna működése hasonló a K+ szelektív póruséhoz. • Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja. • Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját. • Gátolja a depolarizációt. Repolarizál (repolarizáció = a depolarizált membrán nyugalmi Em-hez való visszatérése) Feszültségfüggő

(ff.) K+ csatorna nyitási valószínűség I leak (csurgó) K+ áram (EK fölött IK>0) EK Em (mV) I ff. csatorna K+ árama (EK és küszöb között IK=0) EK küszöb ≈ -30 mV Em (mV) Ff. K+ csatorna • Ált. nem befolyásolja a nyugalmi Em-t • Nem gátolja a kezdeti depolarizációt. • Repolarizál. (Em>küszöb esetén) • Késői (tetraetil-ammónium (TEA)-érzékeny) és gyors típusai vannak (Ff. a 4 transzmembrán régió poz. aminosavai miatt) Befelé rektifikáló K+ csatorna “átjárhatóság” (tömeszelés belülről: Mg2+, spermin) I leak (csurgó) K+ áram EK Em (mV) EK I (nagyítva!) Em bef. rekt csatorna K+ árama (mV) (EK felett: IK>0 csak egy szűk tartományban) Befelé rektifikáló K+ csatorna • Em-t negatív (EK-hoz közeli) értéken stabilizálja. • Biztosíthatja a sejtmembrán nagy nyugalmi PK-ját. • Csak a depolarizáció kezdetét gátolja, nem repolarizál. • (A csatorna a nevét a nagyobb és ezért

jobban mérhető befelé áramról kapta, azonban ez in vivo jellemzően nem jön létre (mivel Em>EK ).) Speciálisan szabályozott K+ csatornák • Ca2+-aktivált K+ csatorna : citoplazma [Ca2+]↑ hatására aktiválódik • ATP-szenzitív K+ csatorna : olyan bef. rekt csatorna, ami [ATP]/[ADP]↓ hatására aktiválódik (pl. O2 hiány ⇒ [ATP]↓ ⇒ hiperpol ⇒ sejt aktivitása↓) • G-fehérje által aktivált K+ csatorna: olyan bef. rekt. csatorna, ami Gi fehérje βγ-alegység kötés hatására aktiválódik (pl. szív szinuszcsomó) Na+ szelektív pórus, aszimmetrikus oldatok I C2 C1 Em (mV) ENa Pl.: belül C1=15, kívül C2=140 mM [Na+] INa=0, ha Em=ENa Feszültségfüggő Na+-csatorna nyitási valószínűség I Em (mV) leak (csurgó) Na+ áram ENa I küszöb ≈ -60 mV Em (mV) ENa ff. csatorna Na+ árama Ff. Na+ csatorna • Az idegvezetés, az idegsejt és a hcsk. izom akciós potenciáljának főszereplője • Aktivációjához kezdeti

depolarizációra van szükség (a nyugalmi Em és a küszöb között). Ezt in vivo más csatornának kell létrehoznia. • Aktivációja további depolarizációt okoz, ami öngerjesztő folyamatot tesz lehetővé. • Tetrodotoxin (TTX)-érzékeny. Lidocain és származékai gátolják. A Ff. Na+ csatorna inaktiválódik A csatornának 3 funkcionális állapota van: Zárt Depolarizáció Inaktív (nem vezet) Nyitott Az inaktiváció kísérletes kimutatása (makroszkópos áram) zárt nyitott inaktív Em INa Idő (ms) A megnyílás és az inaktiváció is statisztikus jelenség az elemi áram szintjén Em elemi áramok több mérés során egy csatornán összegzett áram Idő (ms) Ff. Ca2+ csatornák (VDCC: voltage-dependent calcium channel) • A sejtmembrán nyugalmi PCa igen alacsony, a ff. Ca2+ csatornák nem aktívak • Depolarizációra aktiválódnak (PCa ↑) és Ca2+influxot (beáramlás az EC térből) okoznak. • A Ca2+-influx depolarizál.

• A Ca2+-influx megnöveli a citoplazma [Ca2+]-t. (Itt az ionáram számottevő konc. változást okozhat, mivel a kiindulási konc. nagyon alacsony ≈10-7 M = 100 nM) A ff. Ca2+ csatornák típusai 1. Alacsony (≈-50-60 mV) küszöbű: T-áram tiny: kis vezetőképességű transient: átmeneti (gyors inaktiváció) 2. Magas (≈-20-30 mV) küszöbű: L-áram long lasting: hosszan tartó (lassú inakt.) gátlószer: dihidropiridin (DHP, pl. nifedipin) (altípusai: C (cardiac, szív) – PKA aktivál S (skeletal muscle, hcsk. izom, nem vezet, “DHP receptor”) D (neuroendokrin)) 3. N (neuron), P (Purkinje): ezeket Gi βγ gátolja A nem specifikus kationcsatorna nyílás depolarizál A nem sp. kationcsatornák: • áteresztenek Na+-t, K+-t (+ esetleg Ca2+-t) • mégis elsősorban Na+ (+ esetleg Ca2+) áramlik be rajtuk in vivo. K+ sokkal kevésbé ki, mivel K+-ra kisebb a hajtóerő: Em-EK ≈ +20 mV Em-ENa ≈ -130 mV Em-ECa ≈ -190 mV Cl- csatornák • A

legtöbb sejtben Em ≈ ECl, vagyis nincs hajtóerő. A csatorna nyílás nem okoz lényeges ionáramot. • Egyes (pl. hám-, simaizom-, idegsejtekben) ettől eltérés lehet (szekréció/reszorpció, gátló neurotranszmitterek). • Szabályozásra pl.: - Ligandfüggő (pl. GABAA- és Glicin-receptor) - Ca2+-aktivált - cAMP-aktivált (pl. CFTR) - mechanoszenzitív Elektrotónusos potenciál • Lehet: - katelektrotónus: mérsékelt depol. (ingerlékeny sejtben ha eléri a sejtre jellemző ff. Na+ vagy Ca2+ csatorna küszöbét, akkor akciós potenciálba megy át) - anelektrotónus: (mérsékelt) hyperpol. • Oka: ionáram: - in vivo: (ált. nem ff) ioncsatorna aktiváció - kísérletesen: áram elektródon keresztül • Jellemzői: - lokális, nem tovaterjedő, nem öngerjesztő - térben és időben lecseng (λ: térkonstans, τ: időkonst.) Elektrotónusos potenciál Példák: - receptorpotenciál (generátorpotenciál) - excitatoros posztszinaptikus potenciál

(EPSP) - inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP) Elektrotónusos potenciál: térbeli lecsengés I EC IC Em (mV) -65 -70 λ: ∆Em 1/e részére csökken Elektrotónusos potenciál: tér- és időbeli lecsengés Em V V τ : ∆Em 1/e részére csökken Em I 0 EC IC idő (ms) EPSP ++ IPSP ++ - - - hiperpol. depol. Na+ Cl- Pl. AMPA Glu receptor nikotinos ACh receptor Pl. GABAA receptor Gly receptor Na+ hajtóerő befelé Cl- hajtóerő befelé (Na+-K+-ATPáz biztosítja) (aktív Cl- eltávolítás) IPSP (nincs Cl- hajtóerő) ++ Nincs Cl- áram, Cl- Em nem változik - -+ Cl- ++ Na+ Em↑↑↑ (EPSP) ++ Na+ Em↑, gyengíti az EPSP-t Cl- csatorna nyílás következményei 1. van befelé Cl- hajtóerő ⇒ Em ↓ (IPSP) 2. nincs Cl- hajtóerő ⇒ ∆Em=0, de EPSP ekkor is gátolt (3. kifelé Cl- hajtóerő ⇒ Em↑) Akciós potenciál (AP) • A sejtre jellemző mintázatú, a sejt (közel) teljes felszínén tovaterjedő

feszültségváltozás. • Leegyszerűsítve: ideg- és hcsk. izomsejten: a ff. Na+ csatornák aktivációjának hulláma • Kiváltásához elektrotónusos depol. szükséges a ff. csatorna küszöbéig depol. Akciós potenciál (AP) késve ff. Na+ csat nyílik ff. Na+ csat inaktiválódik Ionkoncentrációk folyamatos helyreállítása: Na+/K+-ATPáz késői K+ csat. nyílik repol. Na+ csat. ff. újra nyitható sokat késve utóhiperpol. késői K+ csat. záródik utóhiperpol. megszűnik Akciós potenciál (AP) Em (mV) +20 -70 0 5 idő (ms) Vezetőképességek az AP során Em Tintahal (Loligo pealei) AP: tintahal óriás axon Tengervíz (100% [Na+]EC) 50% [Na+]EC 33% [Na+]EC Tintahal óriás axon áramai Áram Em 56 mV depolarizáció Késői “kifelé” áram Korai “befelé” áram Tintahal óriás axon: Na+-mentesítés Tengervíz (460 mM NaCl) Áram 1 0 befelé áram -1 Áram 1 0 -1 Na+-mentes nincs befelé áram

TTX és TEA hatása az axon áramaira Áram Kontroll Az ingerlékenység változásai az AP során csúcspotenciál (tüske (spike)) Em utódepolarizáció ingerlékenység utóhiperpolarizáció elektrotónusos depolarizáció kezdeti fokozott ingerlékenység szupernormális periódus refrakter periódus idő szubnormális periódus Az akciós potenciál vezetése (csupasz idegrost) +20 mV 0 mV Ff. Na+ csat + ++ + + ++ -60 mV -80 mV Vékony rost -60 mV + ++ Vastag rost + -60 mV ++ Vékony rost -60 mV +++ +++ Vastag rost -60 mV +++ +++ Az akciós potenciál vezetése (myelinizált idegrost) +20 mV 0 mV Ff. Na+ csat + ++ + + ++ -60 mV -80 mV Az akciós potenciál vezetése (saltatoricus ingerületvezetés max. 100-120 m/s) +20 mV 0 mV -60 mV -80 mV + + + + ++ Az akciós potenciál vezetése 1. Gyors, veszteség-, hiba- és torzításmentes 2. Egyirányú 3. Vastagabb rost gyorsabban vezet 4. Velőhüvelyes rost gyorsabban vezet

(saltatoricus vezetés) Kis eredő PSP Kis AP fr. +20 mV Ff. K+ csat 0 mV -60 mV -80 mV Nagyobb eredő PSP Nagy AP fr. +20 mV 0 mV -60 mV -80 mV EPSP Elektrotónusos – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) 160 msec Injektált áram (pA) -50 -60 20 mV Elektrotónusos – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) 160 msec Injektált áram (pA) -80 -150 20 mV Elektrotónusos – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) 160 msec Injektált áram (pA) -300 -500 20 mV Elektrotónusos – akciós potenciál összefüggés (Purkinje neuron sejttest) 160 msec Injektált áram (pA) -700 20 mV Az extracellulárisan elvezetett AP: bifázisos V + + + - - - + - + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - AXON U 0 idő Az extracellulárisan elvezetett AP: bifázisos V + + + - - - + + + + - - - - + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - AXON U 0 idő Az

extracellulárisan elvezetett AP: bifázisos V + + + - - - + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - AXON U 0 idő Az extracellulárisan elvezetett AP: bifázisos V + + + - - - + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + - - - AXON U 0 idő Az extracellulárisan elvezetett AP: bifázisos V + + + - - - + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - AXON U 0 idő