BIOFYZIKA AKČNÉHO POTENCIÁLU A SYNAPSA

Ivan Poliaček

Dráždivé tkanivá – nervové tkanivo, svalové tkanivoNeurón - základná stavebná a funkčná jednotka nervového

tkaniva (mozog, miecha, nervy, senzorické bunky)- 4 – 130 μm (soma – proteosyntéza, dendrity – vstup signálu, axón – výstup signálu)

soma

dendrity

jadro

axónové zakončenie

myelínová pošvaaxónový hrbolčekiniciálny segment

Ranvierove zárezy

Schwannova bunka

Šírenie sa neurónového podráždenia (vzruchu) z dendritov na axón

dendrity

soma

axón s axónovými kolaterálami

Bunková membrána - pripomenutie

• dvojvrstva fosfolipidov + cholesterol + proteíny

• Oddeľuje bunku od okolia + regulácia priepustnosti + “komunikácia” (receptory a vzrušivosť)

INTRA- A EXTRA-CELULÁRNE

KONCENTRÁCIE IÓNOV

ión vnútri vonku (napr. plazma)

Na+ 12 mM 145 mMK+ 140 mM 4 mMCl- 4 mM 115 mMHCO3

- 12 mM 30 mM

proteín - 140 mM 10 mM

bunková membrána

extracelulárne intracelulárnevnútro neurónu

vnútro neurónu

Neurónové snímanieMikroelektróda

Patch elektróda

Sklenená, alebo kovová

mikroelektróda

Zosilňovač

Zosilňovač

Zosilňovač

Membránový potenciál /

prúd

Potenciál

Iónový tok

Depolarizácia – zníženie hodnoty membránového potenciálu (napr. z -70 mV na -60 mV alebo viac)

Hyperpolarizácia – zvýšenie hodnoty membránového potenciálu – MP (napr. z -70 mV na -80 mV alebo viac)

Eflux K+ (cez K kanály), alebo influx Cl– (cez Cl kanály)

Kľudový membránový potenciál (MP) – polarizácia bunkovej membrány – vnútro bunky je NEGATÍVNE NABITÉ (pre neurón obvykle okolo 70 mV)

AKČNÝ POTENCIÁL

Akčný potenciál – AP (nervový impulz) vzniká na vzrušivých tkanivách (najmä neurónové vlákno a svalová bunka), keď lokálny potenciál dosiahne prahovú hodnotu – „firing level“Odpoveď je : VŠETKO alebo NIČ (kompletný akčný potenciál

alebo nijaký akčný potenciál)

stimulácia

stúpaniedepolarizácia

klesanierepolarizácia

hyperpolarizácia

MP

prah

čas (ms)

Prah a stúpanie – Na kanály sú otvorené

vrchol – Na+ permeabilita je maximálna, Na kanály sa zatvárajú – transpolarizácia – až do +30 mV

klesanie - Na kanály sú inaktivované, vysoký potenciál otvára napätím-riadené K kanály – pokles k úrovni kľudového potenciálu

a dokonca ho „prestrelí“ - (post-)hyperpolarizácia

MP

prah

čas (ms)

Iónová permeab.

čas (ms)

Len malé množstvo iónov sa podieľa na vzniku 1 akčného potenciálu vzhľadom na veľkosť bunky (axónu).

Podiel membránovej priepustnosti pre ióny - perm K+ : perm Na+ : perm Cl- počas stúpajúcej fázy akčného potenciálu = 1 : 20 : 0.45v kľude (kľudový membránový potenciál) = 1 : 0.04 : 0.45

Napätím riadený (voltage-gated) kanál

uzavretý otvorený

Bakteriálny „voltage-gated“ draslíkový kanál

Extracelulárne snímanie respiračného neurónu

exp

insp

tlak v dýchacích

cestách

EMG bránice

exspiračný neurón

salva výbojov exspiračného neurónu

tvar výkyvov extracelulárne

zaznamenaného výboja (spike)

schematický akčný potenciál

skutočný akčný potenciál

čas (ms)

čas (ms)

MP

MP

prah

prah

vrchol

stúpanie

klesanie

„prestrelenie“

„podstrelenie“stimulus

kľudový potenciál

„podstrelenie“

kľudový potenciál

stúpanieklesanie

• Každý akčný potenciál (spike) je nasledovaný refraktérnou periódou.

• Refraktérne periódy sú spôsobené zmenami v stave (priepustnosti) iónových kanálov.

• Absolútna refraktérna perióda (fáza) – vtedy je nemožné vyvolať ďalší akčný potenciál (Na kanály

sú "inaktivované" na konci a okamžite po vrchole spike - nedajú sa otvoriť bez ohľadu na úroveň membránového potenciálu.

• Relatívna refraktérnaperióda (fáza)

- silnejší než obvyklestimul je potrebnýna vznik akčnéhopotenciálu

MP Absol. refraktérna fáza Relat. refraktérna fáza

Akčný potenciá

Na kanály inaktivované

Na kanály uzavreté reaktivácia

EXCITABILITA

excitabilita vysoká

excitabilita nulová

čas (ms)

Na a K kanály

(-)

Iónovápriepustnosť

Kanályuzavreté – (-)otvorené – (+)

Na (+)

Na (-) a K (+) (-) a Na kanály reaktivácia (-)

Na kanály uzavreté

aktivovateľné

Schémy Na voltage- gated kanála a K

voltage-gated kanála, ktoré sa podieľajú na

vzniku akčného potenciálu

uzavretý, schopný sa otvoriť

otvorený, aktivovaný

uzavretý, neschopný sa otvoriť - inaktivovaný

uzavretý otvorený

Na kanál

K kanál

Šírenie sa akčného potenciálu

Lokálne prúdy sa šíria

(elektrotonická vodivosť) –

depolarizácia susednýchčastí membrány (vznikne tam tiež akčný potenciál (spike) ak lokálna zmena MP dosiahne prah).

Analógia horúca tyč

horúce chladné

Smer toku prúdu Smer toku prúdu

Miesto pôvodnej zmeny potenciálu

Straty tepla

Straty tepla

Straty náboja Straty náboja

- Trvanie približne a menej než 1 ms- Bez poklesu (energia na akčný potenciál je dodaná bunkou)- Vlna (miesto) elektrickej negativity na povrchu bunky (elektrickej pozitivity na vnútornej strane membrány)- Otvorenie a uzavretie sa napätím riadených iónových kanálov

Šírenie sa akčného potenciálu

Smer šírenia

refraktérnosť

čas (ms)

uzavretý kanál

otvorený kanál

inaktivovaný kanál

čas (ms)

Saltatórne vedeniez jedného Ranvierovho zárezu na ďalší

ortodrómnevedenie

antidrómnevedenie

Ranvierovzárez

Ranvierovzárez

Ranvierovzárez

Schwannova bunkaMyelínová pošva

Myelínová pošva

Axón

Plazmatická membrána

Elektrická stimulácia nervového vlákna

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.

anóda - vyššia polarizácia membrány- nižšia excitabilita

katóda – depolarizácia membrány- vyššia excitabilita

(trvanie elektrického pulzu [ms])

(intenzita prúdu [mA])

reobáza

2x reobáza

chronaxia

SYNAPSASignál z neurónu na neurón, sval, alebo žľazu

• Elektrická synapsa – spojenietypu „gap junction“elektrický signál(obojsmerne)

• Chemická synapsa – chemický prenos (jednosmerný)z presynaptickej na postsynaptickú bunku (je štrukturálne aj funkčne asymetrická)

ľudský mozog - 1014 až 5 x 1014 (100-500 biliónov) synáps (1 mm3 mozgovej kôry - okolo miliardy synáps)

Axo-dendritické synaptické zakončenia

– chemické synapsy

Axónové zakončenie

Sekrečné granule

Synaptická štrbina

Vezikuly s mediátorom

ReceptoryDendrit

Vezikuly

Neurotransmiter

Axónové zakončenie

Synaptická štrbina

Dendrit

Receptor pre neurotransmiter

Neurotransmiter„re-uptake“ pumpovanie

Napätím riadené Ca kanály

Synaptický prenos• Akčný potenciál depolarizuje pre-synaptickú membránu

synaptického zakončenia – Ca2+ influx cez napätím riadené („voltage gated“) Ca kanály

• Ca2+ aktivuje proteíny (stenín a neurín) naviazané na vezikuly (s neurotransmiterom - každý vezikul obsahuje tisíce molekúl) – vezikuly sa posunú a splynú s membránou – otvoria sa a uvoľnia neurotransmiter do synaptickej štrbiny – exocytóza (forma aktívneho transportu)

• Molekuly neurotransmitera difundujú cez synaptickú štrbinu (30-50nm medzi pre- and post-synaptickou membránou)a naviažu sa na receptory subsynaptickej membrány (časť post-synaptickej membrány pod zakončením) a spustia odpoveď (buď cez G-proteíny naviazané na enzým alebo cez molekulou riadené - „ligand-gated“ iónové kanály)

axón

zakončenie

synapsa

Typy neurotransmiterov

Aminokyseliny : glutamát, GABA, aspartát, glycín, ...Peptidy : vazopresín, somatostatín, neurotenzín, ...Monoamíny : noradrenalín, dopamín, serotonín

a acetylcholín Najdôležitejšie v mozgu : glutamát a GABA

Typ odpovede je podmienený najmä RECEPTOROM (nie len neurotransmiterom).

Excitačné - acetylcholín - ACh (nervo-svalová platnička - napr. vôľový pohyb)

- glutamát

Inhibičné - GABA- glycín (spinálne reflexy)

neuropeptidy

neurotransmitery

molekulová hmotnosť

Ionotropické receptory (molekulou riadené – „ligand gated“ iónové kanály)

– zmeny permeability napr. eflux K+ a/alebo influx Ca2+ a Na+ cez subsynaptickú membránu postsynaptickej bunky - rýchly synaptický prenos (synaptické zdržanie cca 1-5 ms)

Metabotropické receptory (receptory naviazanéna G-proteíny) - extracelulárna doména sa viažes neurotransmiterom, intracelulárna doménas G-proteínom – 2. posol (intracelulárna signalizácia)– aktivovaný G-proteín (uvoľnený z receptora interaguje s inými proteínmi napr. s iónovými kanálmi - ich otvorenie či uzavretie) - pomalá synaptická odpoveď: ms - min

ELIMINÁCIA NEUROTRANSMITERAmolekula sa uvoľní z receptora vďaka tepelnému pohybu

- reabsorbcia do vezikúl presynaptickej bunky- metabolická eliminácia- difúzia mimo synaptickej štrbiny

EPSP – excitačný post-synaptický potenciáldepolarizuje

IPSP – inhibičný post-synaptický potenciálhyperpolarizuje

Veľkosť PSP závisí od:• množstva neurotransmitera (a počtu receptorov)• membránového potenciálu postsynaptickej bunky (treba menej

neurotransmitera, ak už čiastočná depolarizácia)• ako dlho je neurotransmiter prítomný v synaptickej štrbine

(rýchle odstránenie či inaktivácia umožní ďalší synaptický prenos)

prah = spúšťacia úroveň akčného potenciálu = firing level

MP(mV)

čas10 ms

EPSPIPSP

sumácia EPSP + IPSP

SUMÁCIA PSP1 EPSP časová

sumácia 3 EPSP

Efekt viacerých než jednéhosynaptického potenciáluna neuróne je kumulatívny ak :- je čas medzi stimulmi krátky – časová sumácia- stimuly prídu na blízke miesta na neuróne - priestorová sumácia

Priestorová sumácia PSPSynaptická integrácia

- kombinovanie excitačných a inhibičných signálov na susediacich oblastiach membrány neurónu. Aby vznikol akčný potenciál, sumácia excitačných a inhibičných postsynaptických potenciálov (lokálnych odpovedí) musí dosiahnuť prahovú hodnotu.

postsynaptická bunka

excitačné presynaptické vstupy

inhibičný presynaptický vstup

axónový hrbolčekiniciačný segment

Divergenciaaxón jedného pre-synaptického neurónu sa vetví na niekoľkopost-synaptických neurónov

Konvergenciaaxóny niekoľkých pre-synaptických

neurónov smerujú na jedenpost-synaptický neurón

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