Akcny Potencial Synapsa
-
Upload
maria-krcmarikova -
Category
Documents
-
view
126 -
download
1
Transcript of Akcny Potencial Synapsa
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