Akcny Potencial Synapsa

40
BIOFYZIKA AKČNÉHO POTENCIÁLU A SYNAPSA Ivan Poliaček

Transcript of Akcny Potencial Synapsa

Page 1: Akcny Potencial Synapsa

BIOFYZIKA AKČNÉHO POTENCIÁLU A SYNAPSA

Ivan Poliaček

Page 2: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 3: Akcny Potencial Synapsa

Šírenie sa neurónového podráždenia (vzruchu) z dendritov na axón

dendrity

soma

axón s axónovými kolaterálami

Page 4: Akcny Potencial Synapsa

Bunková membrána - pripomenutie

• dvojvrstva fosfolipidov + cholesterol + proteíny

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

Page 5: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 6: Akcny Potencial Synapsa

Neurónové snímanieMikroelektróda

Patch elektróda

Sklenená, alebo kovová

mikroelektróda

Zosilňovač

Zosilňovač

Zosilňovač

Membránový potenciál /

prúd

Potenciál

Iónový tok

Page 7: Akcny Potencial Synapsa

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)

Page 8: Akcny Potencial Synapsa

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)

Page 9: Akcny Potencial Synapsa

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)

Page 10: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 11: Akcny Potencial Synapsa

Napätím riadený (voltage-gated) kanál

Page 12: Akcny Potencial Synapsa

uzavretý otvorený

Bakteriálny „voltage-gated“ draslíkový kanál

Page 13: Akcny Potencial Synapsa

Extracelulárne snímanie respiračného neurónu

exp

insp

tlak v dýchacích

cestách

EMG bránice

exspiračný neurón

Page 14: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 15: Akcny Potencial Synapsa

• 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

Page 16: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 17: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 18: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 19: Akcny Potencial Synapsa

- 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

Page 20: Akcny Potencial Synapsa
Page 21: Akcny Potencial Synapsa

čas (ms)

Page 22: Akcny Potencial Synapsa

uzavretý kanál

otvorený kanál

inaktivovaný kanál

čas (ms)

Page 23: Akcny Potencial Synapsa

Saltatórne vedeniez jedného Ranvierovho zárezu na ďalší

ortodrómnevedenie

antidrómnevedenie

Ranvierovzárez

Ranvierovzárez

Ranvierovzárez

Schwannova bunkaMyelínová pošva

Myelínová pošva

Axón

Plazmatická membrána

Page 24: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 25: Akcny Potencial Synapsa

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)

Page 26: Akcny Potencial Synapsa

Axo-dendritické synaptické zakončenia

– chemické synapsy

Page 27: Akcny Potencial Synapsa

Axónové zakončenie

Sekrečné granule

Synaptická štrbina

Vezikuly s mediátorom

ReceptoryDendrit

Page 28: Akcny Potencial Synapsa

Vezikuly

Neurotransmiter

Axónové zakončenie

Synaptická štrbina

Dendrit

Receptor pre neurotransmiter

Neurotransmiter„re-uptake“ pumpovanie

Napätím riadené Ca kanály

Page 29: Akcny Potencial Synapsa

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)

Page 30: Akcny Potencial Synapsa

axón

zakončenie

synapsa

Page 31: Akcny Potencial Synapsa
Page 32: Akcny Potencial 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)

Page 33: Akcny Potencial Synapsa

neuropeptidy

neurotransmitery

molekulová hmotnosť

Page 34: Akcny Potencial Synapsa

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)

Page 35: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 36: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 37: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 38: Akcny Potencial Synapsa

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

Page 39: Akcny Potencial Synapsa

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

Konvergenciaaxóny niekoľkých pre-synaptických

neurónov smerujú na jedenpost-synaptický neurón

Page 40: Akcny Potencial Synapsa

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