I PRO K+

PROGRAM NEUROVĚDY A MOL. DRÁŽDIVOST 07
8. 40- 9.25 Teorie vzniku membránového potenciálu a
Na-K-pumpy
- F.Vyskočil
9. 30-10.15 Napěťově závislé iontové kanály
- J. Krůšek
Přestávka
10. 30 – 11.25 Iontové kanály aktivované
neuropřenašeči – L. Vyklický ml.
11. 30 -12. 15 Iontové kanály aktivované sensorickými
podněty – V. Vlachová
PODSTATA BIOPOTENCIÁLŮ
Několik axiomů o klidovém a akčním potenciálu,
vnitřek buňky minus, vnějšek plus.
Hlavní kationty uvnitř K+, vně Na+.
V klidu je membrána propustná pro draslík, je otevřeno mnoho draslíkových
kanálů různého typu, především . Při akčním potenciálu se otevírají dosud
zavřené sodíkové kanály, sodík vstupuje dovnitř buňky, což buňce nesvědčí.
+
-
Vnitřek je sice elektricky neutrální
– stejný počet
kladných i záporných nábojů, ALE
VZHEDEM K VNĚJŠKU JE
elektricky záporný.
Na této polaritě se podílejí hlavně
záporně nabité molekuly,
které nemohou volně procházet membránou
a jsou drženy uvnitř buňky
(ATP,CP, isothionát,
záporně nabité zbytky postranních
aminokyselin proteinů aj.).
Na+
Cl-
A
K+
ROZDĚLENÍ iontů uvnitř a vně:
• JAK SE UDRŽUJE?
• K ČEMU SLOUŽÍ?
[Ca2+] ~ 10-7 M
-
+
Nejprve popišme MODELOVOU situaci, kdy je
jen pro K+ .
membrána propustná
Protože je nitrobuněčná koncentrace K+ vysoká (100 - 150
mM, zde 120 mM) oproti 2,5 mM vně, mají K+ ionty tendenci k difúznímu
pohybu do místa své nízké koncentrace, tj. ven z buňky.
Jakmile se kladné K+ ionty počnou pohybovat draslíkovými kanály ven,
vzniká rozdíl nábojů mezi oběma stranami membrány, neboť
komplementární A- nemohou provázet z buňky unikající K+. Vnitřek buňky
začíná být tedy záporný vzhledem k vnějšku. Tento vznikající potenciálový
rozdíl začne brzdit pohyb K+ iontů ven na základě Coulombova zákona o
přitažlivosti záporně nabitých částic či polí, až se K+ přesun zastaví. Dochází
k dynamickému rovnovážnému stavu, elektrochemické rovnováze
pro draslík, kdy je vyrovnána difúzní síla ženoucí K+ z buňky po
koncentračním spádu opačnou silou, rozdílem potenciálů, bránícím tomuto
pohybu.
Oddělení nábojů na membráně znamená, že na vnitřní
straně je přebytek záporných nábojů a na straně vnější
je přebytek kladných nábojů.
Zdá se, že je tím porušen výše uvedený princip
elektrické neutrality, a je to pravda.
Kvantitativně však způsobuje oddělení nábojů
tak nepatrné změny v koncentraci aniontů a
kationtů, že je ani nelze změřit.
Např. modelová buňka nechť má poloměr 25 μm. Pak při
koncentraci 120 mM obsahuje uvnitř 4×1012 kationtů a
stejné množství aniontů.
Při MP = -85 mV lze vypočítat, že na vnitřní straně je
přebytek asi 4×107 negativních nábojů, což je jedna
stotisícina jejich celkového počtu. Neboli na každých 100
000 kationtů připadá uvnitř buňky 100 001 aniontů, což je
rozdíl skutečně zanedbatelný.
Na rozhraní ( membráně) probíhá tento nepatrný přesun
elektricky nabitých chemických částic - iontů .
Na membráně se ustavuje dynamický elektrochemický
potenciál Δμi, jehož velikost je určena dvěma členy. První,
logaritmický člen, je odvozen z difusní (osmotické) práce,
druhý představuje práci elektrickou, přesun určitého
množství nábojů z jednoho do druhého roztoku.
[xi]II
~
Δμi = RT ln
+ nFΔψ
[xi]I
[xi] je koncentrace (obecného) iontu xi v roztocích I a II, F je
Faradayova konstanta (náboj jednoho molu elektronů, asi
96 000 coulombů/mol), a n (nebo někdy z) je valence iontu
(např. n=+1 pro K+ a –1 pro Cl-).
ΔΨ je rozdíl elektrických potenciálů ve voltech, což
nás bude zajímat jako MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL.
Nernstova rovnice
Jak bude popsán rovnovážný stav, za kterého je ustaven
~ rovno
klidový membránový potenciál? Za rovnováhy je Δμ
i
nule (k žádné změně nedochází). Pak převedením členu
elektrické práce nalevo a zpět napravo nF (do jmenovatele)
získáme Nernstovu rovnici:
0=
[xi]II
Δμi = RT ln
+ nFΔψ
[xi]I
~
RT
[xi]II
Δψi =
ln
nF
[xi]I
(9)
Za prostředí I a II můžeme dát o (vně, outside the cell) a
i (inside the cell).
ΔΨ je tedy potenciál(ový rozdíl) mezi vnitřkem a
vnějškem buňky,za stavu, kdy přes membránu neteče
žádný difusní proud. Říká se mu též ROVNOVÁŽNÝ
POTENCIÁL (s patřičným indexem pro ten který iont:
K+ ionty ⇒ EK).
[K+]out
ln
EK =
+]
[K
in
nF
RT
EK =
RT
nF
ln
[K+]out
[K+]in
Byl-li by v buňce jen K+ , je EK roven Klidovému Membránovému
Potenciálu (KMP, nebo Vm). Jakou by měl tento KMP hodnotu?
Pro zjednodušení řekněme, že uvnitř je [K+]i = 100 mM a venku [K+]o
= 10 mM. R = univerzální plynová konstanta
(8,314 J.mol-1. K1), F= Faradayova konstanta (náboj jednoho
molu elektronů , asi 96 500 coulombů),
T = teplota v kelvinech,
z = valence iontu, o nějž jde, s patřičným znaménkem
(pro K+ = +1).
Výraz RT má rozměr voltů a při tzv. pokojové teplotě 20 oC (293 K)
zF
se rovná 25 mV. Převedením logaritmu na dekadický (×2,3) nabývá
rovnice formu
K + ]o
Vm = (58 mV) log [K+]i = (58 mV)(log 10 – log 100)
Vm
= 58 (-1)= -58 mV
Pro savce a jejich fyziologickou teplotu 37 oC je EK při
poměru koncentrací vně :uvnitř buňky draslíku 1 : 10 vyšší
⇒ ne -58 mV, ale -61 mV.
V našem modelu je poměr koncentrací draselných
Iontů uvnitř a vně svalového vlákna 1 : 56, což vede
k hodnotě 58 log (1/56) ≈- 100 mV.
E
Rovnovážný potenciál nějakého iontu lze také jinak
charakterizovat jako potenciál, při němž neteče
pasivně iontovými kanály žádný elektrický,
zde tedy i difusní proud - ani z buňky, ani do buňky.
Někdy se také označuje jako
potenciál reversní (Vr),
protože na jeho úrovni se mění směr toku proudu přes
membránu;
v případě draslíku teče K+ proud ven při kladnějších hodnotách
KMP než je EK a dovnitř, jestliže buňku uměle „hyperpolarizujeme“
na zápornější potenciál než je Vr, tekou ionty draslíku naopak do
buňky.
Pro každý elektrogenní ion lze
teoreticky
vypočítat jeho
rovnovážný potenciál, nutný
pro
kompensaci
koncen
tračního rozdílu, za situace,
kdyby byla membrána pro
tento ion propustná ideálně
(t.j. pohyblivost iontu by byla
stejná jako ve vodě) a
propustnost pro ostatní ionty
by byla nulová.
Řada buněk, např. svalových, má dobře propustné kanály i
pro druhý hlavní elektrogenní ion, chloridový- Cl- . Ten
prochází naproti tomu z extracelulárního prostoru do buňky,
ale protože je nabit opačně, přispívá k téže standardní
polarizaci membrány, kdy je minus uvnitř.
Také pro chloridové anionty je možno napsat Nernstovu rovnici:
ECl =
RT
F
ln
[Cl]in
[Cl]out
a protože valence chloridových aniontů je záporné číslo (z = -1),
ECl = -58 log [Cl-]o/[C-]i neboli díky pravidlům logaritmování ECl = +58 log
[Cl-]i/[Cl-]o.
Při srovnatelně stejně vysokých propustnostech klidové
membrány pro Cl- a K+ platí v ekvilibriu rovnost příspěvku obou iontů:
RT
F
ln
[K+]out
=
[K+]in
-
RT
F
ln
[Cl-]out
[Cl-]in
Tato rovnice vyjadřuje rozdíl (membránových) potenciálů obou iontů, který je důsledkem
vzniku elektrické dvojvrstvy na rozhraní obou roztoků s rozdílnými koncentracemi iontů.
Z této rovnice vyplývá základní podmínka membránové rovnováhy:
po zjednodušení dostáváme vztah známý jako Donnanova rovnováha
[K+]o × [Cl-]o = [K+]i × [Cl-]i
Konečné koncentrační složení na
obou stranách membrány je je
řízeno, doladěno Donannovou
rovnováhou.
Membránový potenciál (mV)
ODCHYLKA OD TEORIE – NEDOKONALÁ SPECIFICKÁ SELEKTIVITA MEMBRÁNY
Membránový potenciál versus koncentrace
extracelulárního draslíku
(osa x - semilogaritmická škála).
Přímka má směrnici - sklon 58 mV na každou
10násobnou změnu extracelulární draslíku, podle
Nernstovy rovnice (obr.a). Protože je ale
propustná v klidu i pro Na+
(sice 50x méně než pro K+, leč
přece), experimentální body se odchylují,
membrána
především v nízkých koncentracích K+ (obr. b).
Memránový
potenciál
podle
Goldmanovy
rovnice
Naměřené
hodnoty
Naměřené
hodnoty
Nernstovský
potenciál pro
K+
0,5 – 140 mM K+out
140 mM K+ vně
⇒ úplná
depolarizace,
membránový
potenciál = 0 mV
Účast jednotlivých iontů na výsledném klidovém
membránovém potenciálu (Em) je dána nejen poměrem
koncentrací, ale poměrem jejich propustností, což vyjadřuje
komplexní GOLDMAN-HODGKIN-KATZOVA ROVNICE, v
níž jsou zavzaty poměrné propustnosti P jednotlivých iontů,
vztažené k PK = 1:
Em =
nebo též
RT
PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i
ln
nF
PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o
PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i
Em = 58 log
PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o
Např. pro obří vlákna sépie jsou propustnosti pro Na+
(PNa=PNa/PK), K+ (PK=PK/PK) a Cl- (PCl=PCl/PK) následující:
PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,5
Je zřejmé, že klidová propustnost pro Na+ je zpravidla 25×
(1:0,04) až 100× (1:0,01) nižší než pro K+ (jen nepatrný
počet Na+ kanálů se v klidu náhodně otevírá). Pro Cl- je
propustnost membrány obřího vlákna sépie asi poloviční.
POČÍTÁME AKČNÍ POTENCIÁL – VTOK SODÍKU
ENa = 58 mV . log
[Na +]o
[Na+]i
= 58 mV . (log 120 – log 10) =
Akční potenciál je
dán HLAVNĚ
ENa
membránový potenciál
= 58 (2,08 - 1)= 58 (1,08) = + 63 mV
přestřelení
Prahová depolarizace
lokální
odpověď
Klidový potenciál
(KMP)
je dán EK,ECl….
proud
KMP
(nad)prahový
puls
následná
hyperpolarizace
JAK SE KONCENTRAČNÍ
ROZDÍL UDRŽUJE?
• AKTIVNÍM TRANSPORTEM Na+ z buňky
(intracelulární
koncentrace
sodných
kationtů je asi 10 mM/l)
• SOUČASNÝM
TRANSPORTEM
K+
DOVNITŘ BUŇKY (uvnitř buňky je
draslíku asi 20-70x více než extracelulárně
~ 140 mM/l)
V padesátých letech byl demonstrován transportní
mechanismus, který tuto funkční „únavu“ odstraňuje a
především prof. Skou (Nobelova cena 1997) vytvořil
koncepci sodné pumpy, tj. systému schopného přenášet
současně Na+ a K+ přes buněčnou membránu za využití
energie intracelulárního ATP.
Jens Christ. Skou (*
1918)
John E. Walker (* 1941)
Paul D. Boyer (* 1918)
transportní
FoF1
typy
ATPáz jsou OLIGOMYCINCITLIVÉ (Fo..) čti Markoš
Akumulátory života, Vesmír č. 1. 1998
John E. Walker (* 1941)
Paul D. Boyer (* 1918)
AKTIVNÍ TRANSPORT - především sodnodraselná pumpa-Na+-K+ATPáza
Na+-K+
ATPáza
(sodnodraselná
pumpa)
přispívá
ke
klidovému
rozložení K+ a Na+ iontů po obou
stranách membrány.
Již na počátku tohoto století bylo
ukázáno, že srdeční a svalové buňky,
na nichž vznikají akční potenciály v
důsledku přesunu sodíku a draslíku,
ztrácejí
postupně
část
svého
intracelulárního draslíku a
ten je
nahrazen sodíkem.
Historie zkoumání Na+/K+-ATPázy
1957- Skou J.C. (The influence of some cations on
an adenosinetriphosphatase from peripheral
nerves, Biochim.Biophys.Acta 23: 394-401)
izoloval z krabích nervů ATPázu, která
„zdá se, splňuje několik podmínek,
které musí mít enzym, jenž jak se
předpokládá, exportuje sodík z
nervu.“
1960 - Skou J.C. (Biochim.Biophys.Acta 42: 6-23)
ATPáza potřebuje jako kofaktor Mg2+ a je
inhibována ouabainem, enzym je fosforylován.
1962 - Skou J.C. (Biochim.Biophys.Acta 58: 314-25)
Podobná Na+/K+-ATPáza se nachází i v mozku
a ledvinách savců.
Jens Christian Skou
Nobelova cena 1997
Transportuje Na+ mimo buňku a K+ do buňky.
Energetická spotřeba vysoká, až 1/3
energie buňky. Tento „dobíječ buněčného
akumulátoru“ je membránový protein s
ATPázovou aktivitou, má
tři podjednotky, větší α (100 kD) a
menší β (reguluje zabudování do mbr,38
kD).γ-regulační. Vyskytuje se ve formě
heterotetradimeru (2 α a 2β podjednotky)
1 molekula ATP hydrolyzována na 1
molekulu ADP + Pi.
INSIDE
Struktura P-ATPáz
ALBERS-POSTOVO SCHÉMA
Úloha lipidů – supervyčistěný enzym nehydrolysuje ATP,
potřebuje lipidový anulus.
Použitá energie umožňuje transport 3 Na+ iontů ven a
současně 2 K+ iontů dovnitř buňky. Má tedy
elektrogenní efekt (činí klidový KMP asi o 10 mV
negativnějším). Přesouvá poměrně pomalu 150-600
iontů Na+ a trochu méně K+ iontů (o kolik?) a za
sekundu přes μm2 membrány
Sodium-loaded muscle fibre(O K+ 2h)
Membrane potential (mV)
100
80
5mM K+
60 x x x x x
x
x
x
40
x x
x
x
x
x
x
o-control
20
x-ouabain
0
0
2
After Vyskocil et al. 1989
4
6
Time (min)
8
10
.
Z vnější strany je inhibovatelná ouabainem (gamma strofantidinem) a
dalšími srdečními glykosidy (digitoxin z náprstníku). O vnitřní vazebné
místo pro molekulu ATP kompetuje 5-vazný vanad (ve formě
vadaničnanu).
digitoxin
Na+-K+ ATPáza je životně důležitý enzym: při
nedostatku kyslíku v tkáních ⇒ mizivá produkce
ATP ⇒ anoxická depolarizace ⇒ klinická smrt
(naše).
VYSKOČIL, KŘÍŽ, BUREŠ, Brain Research, 1971
ION-SENSITIVNÍ
IONTOMĚNIČ“CORNING“
FLUKA
Čím je dále významná Na+/K+-ATPáza ?
¾ první izolovaná ATPáza P-typu
¾ nepřímá regulace objemu buňky,
cytoplasmického pH, koncentrace Ca2+ a
glukózy
¾ její inhibice či dysfunkce je příčinou celé řady
onemocnění (hypertenze, infarkt myokardu,
šedý zákal, diabetes, hypokalemie, astma, …)
¾ je zodpovědná za spotřebu 20% - 70%
energie v metabolismu buňky
na povrchu buňky se nachází 800 000 – 30
000 000 pump
Steroidní glykosidy (kardioglykosidy, účinné na myokard). Při předávkování
může dojít k zástavě srdce. Rozdělují se na kardenolidy a bufandienolidy.
K nejdůležitějším kardenolidům patří glykosidy náprstníkové a strophantové.
K náprstníkovým patří digitoxin, digoxin nebo acetyldigitoxin. Jsou obsaženy
v listech náprstníku červeného Digitalis purpurea a nejčastěji se získávají
z náprstníku vlnatého Digitalis lanata.
Strofantové glykosidy se získávají ze semen
jihoamerického krutikvětu cenného Strophanthus
gratus. Nejcennější experimentálně je
ouabain
(γ - strofantidin).
V koncentrované formě slouží (sloužily)
srdeční
glykosidy
jihoamerickým
domorodcům jako šípové jedy, podobně
jako tubokurare. Adenotoxin z hlaváčku
jarního, konvalotoxin konvalinky vonné a
oleandrozit oleandru obecného. Činnost
pumpy inhibují také
některá antibiotika, např. oligomycin,
Náprstník velkokvětý
podobně jako transportní FoF1 typ ATPáz .(Digitalis grandiflora MILL.)
Hlaváček jarní
(Adonis vernalis L.)
Použití kardioglykosidů v srdeční farmakologii = částečná blokáda (20-30%)
Na+-K+ ATPázy. To vede jednak k slabé depolarizaci (snižuje se elektrogenní
příspěvek pumpy k klidovému membránovému potenciálu) a spontánnímu
vtoku sodíku. Protože v membráně kardiocytů je spřažený symport Na+ a
Ca2+ iontů, tekou dovnitř i Ca2+, což potencuje plató
fázi srdečního akčního potenciálu a v konečném
efektu zvyšuje sílu stahu kardiocytu při pracovním
cyklu.
síla stahu
plató
akčního
potenciálu
VZNIK KLIDOVÉHO MEMBRÁNOVÉHO POTENCIÁLU
2 HLAVNÍ PŘÍČINY:
ROZDĚLENÍ iontů uvnitř a vně:
K ČEMU SLOUŽÍ?
KE VZNIKU
KLIDOVÉHO
MEMBRÁNOVÉHO
POTENCIÁLU
K+
Iont je po vstupu
do póru kanálu
dehydratován.
Hydratační obal
iontu závisí na jeho
poloměru. Sodík má
menší poloměr než
draslík, ale
hydratační obal větší
– molekuly vody jsou
k němu přitahovány
větší silou.
Na+
Iontový filtr
-aminokyseliny +,-.
Vrátkaotevření natočením
Během minulých let byla objevena nová superrodina draslíkových kanálů (2P-K kanály),
které mají
• dva póry, což je (s výjimkou akvaporinů pro vodu) naprostá rarita. Tento typ se připojil
jako třetí ke dvěma již dobře charakterizovaným skupinám draslíkových kanálů a to ke
kanálům řízených napětím (Kv) a dovnitř usměrňujícím draslíkovým kanálům (inward
rectifiers - KIR).
Nová, třetí rodina kanálů pro draslík, je charakterizována tím, že každý kanál má dvě
podjednotky (je tedy dimerem), na rozdíl od ostatních skupin, kde je membránový pór tvořen
čtyřmi nezávisle geneticky produkovanými jednotkami (tetramery). Pro strukturální labužníky
dodejme, že každá podjednotka tohoto dvoupórového draslíkového kanálu má čtyři „stehy“,
jimiž prošívá buněčnou membránu (transmembránové domény) oproti šesti, které jsou
předpokládány u Kv, nebo dvou u KIR kanálů.
• Jaké jsou základní funkční charakteristiky těchto kanálů, z nichž každý
vypadá trochu jako lovecký dalekohled? Na rozdíl od jiných draslíkových
propustí jsou tyto kanály zřejmě otevřeny při všech úrovních
membránového potenciálu a vykazují tedy velmi malý stupeň usměrnění
elektrického proudu. Jiné draslíkové usměrňující kanály (KIR) propouštějí
proud lépe jedním směrem (např. při depolarizaci membrány) než směrem
druhým (při hyperpolarizaci) a chovají se tak podobně jako analogické
elektronické komponenty (transistory). Dalším důležitým diagnostickým
znakem proudů tekoucích 2P-K kanály je to, že úspěšně odolávají
klasickým inhibičním látkám, které blokují jiné draslíkové kanály, jako je
apamin (z jedu včely), tetraetylamonium aj.
Podobné jsou i chloridové kanály. Každá podjednotka má 18 helikálních průniků
membránou (zde nevidno), které vyvářejí pór. Póry mohou být uzavřeny společně
operujícími vrátky (gates).
PŘEHLED KANÁLŮ
1) iontové kanály stále otevřené- 2P-K draslíkové-mají překvapivě ne 4, ale 2
funkční podjednotky, jako „dalekohled“. Spolu s podobnými Cl- kanály jsou základní
pro klidový membránový potenciál (viz Nernstovu rovnici a G-H-K
rovnici)
2) řízené napětím – Na+,Ca2+, K+, Cl-, H+ - mají napěťový sensor a otevírají se
(někdy ale i zavírají, jako např. K+ kanály v dendritech neuronů) depolarizací,
podrážděním.Některé ještě potřebují intracel.Ca při depolarizaci:Ca-dependentní Kkanál. Ca-kanály v srdci se naopak ZAVÍRAJÍ, když vzroste intracel.Ca při stahu
3) řízené chemicky – komplex receptor-kanál; mají vazebné místo pro ligand,
většinou pro neuropřenašeče: KDYŽ JDE O KANÁL PRO IONTY, ŘÍKÁ SE JIM RECEPTORY
IONOTROPNÍ, JE-LI TO RECEPTOR G-PROTEINOVÝ, MAJÍ ZAŘAZENÍ JAKO RECEPTORY
METABOTROPNÍ. MŮŽE SE JEDNAT O TENTÝŽ LIGAND (ACH- NIKOTINOVÝ A MUSKARINOVÝ receptor).
a) Aktivační neuropřenašeče - ligandem je ACh, glutamát či serotonin (jediný
ionotropní typ serotoninového reeptoru je 5HT3, ostatní serotoninové receotory jsou
metabotropní), tekou jimi Na+ a K+, někdy i Ca2+, jako u NMDA receptorů pro glutamát
a některých AChR v mozku.VÝSLEDEK JEJICH OTEVŘENÍ ⇒ DEPOLARIZACE, PODRÁŽDĚNÍ
b) Inhibiční neuropřenašeče– ligandem je GABA, glycin (tekou Cl- nebo K+)
VÝSLEDEK JEJICH
PODRÁŽDĚNÍ
OTEVŘENÍ
⇒
HYPERPOLARIZACE
NEBO
STABILIZACE
MP.-INHIBICE
c) kanály řízené změnou pH, třebas vaniloidní kanály u bolesti aj.
4) řízené mechanicky (kanály vláskových buněk v uchu) nebo jinou energií
(tepelnou, světelným zářením aj.)
5) řízené G-proteiny
IONTOVÉ KANÁLY
RECEPTOR
lze obecně rozdělit do pěti skupin:
DVA MODELY OTEVÍRÁNÍ POMOCÍ SENSORU-“VÝVRTKA“ A „PÁDLO“
DEPOL
DEPOL
Kluzně šroubový model, vysvětlující úlohu segmentu S4 napěťových kanálů při jejich
otevření. Segment je znázorněn jako transmembránová α-šroubovice s řadou pozitivních
nábojů, tvořených opakujícími se zbytky zásadité (kladné) aminokyseliny argininu
(každá třetí v pořadí), což je typické pro všechny Na+, Ca2+ a K+ kanály. Při depolarizaci
(DEPOL) se uvolní síla membránového elektrického pole, která stabilizovala šroubovici v
poloze nalevo. Šroubovice se vysune ven jako uvolněná pružina přibližně o 0,5 nm,
přičemž se otočí o 60 o tak, že se kladné náboje posunou vzhledem k sousedním
záporným nábojům o 1 místo ven z buňky. Dojde tím jednak k poklesu kladného náboje
uvnitř (in-SLABOUNKÝ PROUD LZE MĚŘIT-tzv.VRÁTKOVÝ PROUD) a hlavně se
allostericky (na dálku) kanál-vystýlající průniky narovnají a zatočí tak, že se kanál otevře a
příslušné kladné či záporné zbytky ve stěnách lákají ionty tlačící se u ústí kanálu k
hopsavému průniku. K otevření kanálu je zapotřebí aktivace všech čtyř oblastí S4 v
čtyřnásobné podjednotce Na+ či Ca2+ (nebo spojených podjednotkách - K+ kanálu), které
tvoří pór.
RECENTNÍ MODEL-PÁDLOVÁNÍ V OLEJI
MacKinnon et al, Nature, Dec.06, krystalografie K-kanálu-plus argininy na kraji
kanálu, v kontaktu s minus fosfáry fosfolipidů.
Při změně napětí při el. stimulu „pádlo“ přeskočí do druhé vrstvy bilayeru a
to otevře kanál
Jde-li o stále otevřené K či Cl kanály, k přeskoku asi nedojde
MEMBRÁNOVÁ ASYMETRIE
PC, SM
OBJEMNĚJŠÍ,
STÁČENÍ
PE, IP
Např.
jeden TLAK,
typ ATP/dependentního,
dovnitř usměrňujícího KLATERÁLNÍ
POVRCHOVÝ NÁBOJ, USPOŘÁDÁNÍ
(ORDER PARAMETER) ROTAČNĚ-RELAXAČNÍ ČAS, TEPLOTA,
kanálu
KATP má zvýšenou dobu otevření a sníženou inhibici ATP
CHOLESTEROL).Poměrně obtížně lipidy přeskakují (flip-flop) mezi vrstvami-enzym
flipáza.
vMembránová
přítomnosti
fosfoinositoll 4, 5-bisfosfátu (IP2) a fosfatidylinosition
asymetrie je jak příčná, tak podélná. Příčná asymetrie- vnitřní list obsahuje
4často
monofosfátu
(IP), který
je regulován
složitým
setem
fosfatidylethanolamin
a inositolové
lipidy. Vnější
list je bohatý
na fosfolipáz,
fosfatidylcholin a
sfingomyelinfosfatáz
je celkověaméně
elektronegativní
list vnitřní
a to
zřejmě přispívá několika
fosfolipid
kináz,
které jsounež
zase
samy
regulovány
milivolty k přirozené příčné polaritě, kdy je vnitřek záporný. Příčná asymetrie také podporu
signálními
kaskádmi, jako jsou G-proteiny spojené s receptory aj.
tvarování a stáčení membrány, protože fosfolipiy vnějšího listu mají objemnější hydrofilní
skupiny. Platí to i při spontánní tvorbě liposomů ze směsi fosfolipidů. Tako asymetrie také
ovlivňuje některé vlastnosti kanálů.
Hodně vody prochází
transcelulárně.
Kanálotvorná
rodina
proteinů
akvaporinů, především v erytrocytech,
epiteliálních
buňkách,
sekrečních
buňkách produkujících sliny a slzy.
Akvaporiny jsou tetramery, každá
podjednotka má 6 transmembránových
průniků a 263 aminokyselin. Voda
neprochází pórem mezi podjednotkami,
ale skrz (něm. durch) každou zvlášť.
Permeabilita akvaporinů je velmi
vysoká, asi 3 miliardy molekul vody/sec.
Tvorba a membránové zabudování
porinů z váčků do PM je indukováno
ADH (arginin-vasopresinem z
neurohypofýzy).
Trojrozměrné schéma
tetrameru porinu.
Upraveno podle
Alberts, 1994.
G+H+K
PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i
Em= 58 log P [Na+] + P [K+] + P [Cl-]
Na
i
K
i
Cl
o
PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,5
AŽ z této komplexní rovnice pro membránový potenciál vyplývají dva základní
principy el. změn na membráně, navozených drážděním axonu (svalu) nebo
chemickým přenosem na synapsi.
1.PROPUSTNOSTI PRO VŠECHNY IONTY SE MOHOU PŘI FYZIOLOGICKÉ
ČINNOSTI MĚNIT a TÍM I „VÁHA“ PŘÍSLUŠNÉHO TRANSMEMBRÁNOVÉHO
ROZDÍLU KONCENTRACÍ tohoto iontu. DOKONCE I PRO K+ se může zvýšit P
otevřením více K-kanálů,jako je tomu při druhé fázi akč. potenciálu, což vede k
HYPERPOLARIZACI (positivnímu následnému potenciálu při refrakterní fázi),
PROTOŽE EK (ROVNOVÁŽNÝ POTENCIÁL PRO K+) JE VÍCE NEGATIVNĚJŠÍ
2.
(cca -105 mV u žáby), než vlastní Em (JEN -90 mV).
2. V pokusu s intracelulárními elektrodami, ale i působením elektrogenních pump či
přenašečů můžeme vnutit buňce jiný membr. potenciál, silně depolarizovat či
hyperpolarizovat. Pak směr toku nějakého iontu (dovnitř či ven) a tedy i
elektrického potenciálu z této nové hladiny bude záležet na tom, je-li jeho Erovnovážný
„nad“ nebo „pod“ tímto potenciálem. Rovná-li se Er=Em, neteče proud žádný (bod
zvratu synaptických potenciálů, kdy se mohou z excitačních změnit na inhibiční)
KABELOVÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH VODIČŮ - nervových a
svalových vláken
podmořský kabel – komunikační kabel pokládaný pod hladinu moře s vnitřním vodičem
z měděné trubky s polyetylenovou izolací a s vnějším vodičem z mědi nebo hliníku, s
odpovídající izolací. Ve vnitřním vodiči je až 5000 sdělovacích vedení, která mají po
každých 5 km umístěn zesilovač. Evropa s Amerikou byla trvale spojena 1866.
Thomson sir William, lord Kelvin (1824-1907). Zrcátkový galvanometr. Takový borec a k
stáru zblbl: „Létací stroje těžší než vzduch nemohou existovat,“ prohlásil
s přesvědčením v roce 1895.
Podmořské kabely, špatná
zkreslení
a
vymizení
zbohatnul.
isolace,
signálů,
Stejné zkreslení a pokles amplitudy
elektrických signálů ve vodičích v
našem těle.
1. ISOLACE
–
membrána:
má
elektrickou kapacitu a zkresluje
elektrické impulsy
2. Nedokonalou isolací uniká část
proudu mimo kabel
3. V cestě proudu stojí vnitřní odpor
(uvnitř) buňky
Vodiči jsou v našem případě intracelulární a extracelulární tekutina
a dielektrikem (isolační vrstvou) je cca 7 nm tenká buněčná
membrána, v „elektrických“ termínech kondensátor s určitou
kapacitou s paralelně zapojeným odporem
S určitou rychlostí, jejímž vyjádřením je tzv.
časová konstanta τ,
se při aplikaci pravoúhlého pulsu tento kondensátor v určitém
místě nabíjí.
Proto se napěťová forma pulsu mění z pravoúhlé na postupně
rostoucí po zapnutí pulsu a klesající po jeho vypnutí.Toto nabíjení
buněčného kondensátoru určuje, jak rychle se např. při
depolarizaci dosáhne prahu pro akční potenciál. Časová konstanta
také τ zkresluje (zpomaluje a zmenšuje) velmi rychlé pulsy, jakými
jsou akční a často i synaptické potenciály. Proto je τ dobré znát pro
konkrétní studovaný neuron či jinou dráždivou buňku.
Toť první parametr pasivních vlastností biologických vodičů.
Časová konstanta τ
exponenciálního nabíjení daného
vodiče:
τ=R.C
R=vstupní odpor, C=kapacita
Je to doba, za kterou po
aplikaci pravoúhlého proudu
přes
membránu
dosáhne
napětí
velikosti
(1-1/e)
výsledného
potenciálového
pulsu, prakticky asi 63%. Při
vypnutí
platí
totéž,
V
(napětí) klesá exponenciálně se
stejnou rychlostí a tedy i se
stejnou časovou konstantou.
Proud
Kabelové vlastnosti neuronu: délková nebo také
prostorová konstanta λ
Vnější roztok
Vzdálenost od elektrody (mm)
Axoplasma
λ
0.37
Vzdálenost
• prostorová konstanta λ je vzdálenost od místa
aplikace proudu, kde poklesne napěťová
elektrotonická odpověď na 1/e, tj. na 0,37 –tinu
odpovědi v místě aplikace (Vo). TOTO je ŠÍŘENÍ S
DEKREMENTEM-úbytkem záleží na 3 parametrech:
• odporu vnějšího roztoku ro,
• odporu membrány rm a
• odporu uvnitř axonu či svalového vlákna ri.
Platí, že λ bude delší, když bude menší únik
proudu přes membránu ven, t.j. čím větší bude rm
(ať už zmenšením plochy membrány, nebo vyšším
specif. odporem-méně kanálů) a čím menší odpor
proudu bude klást vnitřek axonu ri a okolí ro.
• λ2 = rm/ro+ri, ro zanedbáváme (= 0), takže
λ2 = rm/ri, (λ= √rm/ri, )
Z potřeby co nejvyšší hodnoty
délkové konstanty λ vyplývají
DVĚ STRATEGIE pasivního
šíření impulsu podél axonu:
1. snížení vnitř. odporu ri
zvýšením průměru vlákna
(ri=Ri/π průměr2). Viz obří vlákno
sépie, λ až 13 mm!!! ⇒ tj. pokles
amplitudy na třetinu až ve
vzdálenosti 13 mm od místa jeho
vzniku
2. nebo zvýšením
membránového odporu rm
– např. myelinem jako
mnohem lepším isolantem.
V internodální oblasti jsou jen
nečetné draslíkové kanály, v
Ranvierových zářezech
pochopitelně převládají kanály
pro sodné ionty.
λ2
rm
=
ri
Obří vlákno lze vymačkat válečkem, naplnit libovolným roztokem
a studovat akční potenciály, membránové proudy aj.
Izolovaný obří axon
sépie s podélně
(osově, axiálně)
zavedenou elektrodou.
Převzato z Hogdkina a
Keynese, 1969.
Vytlačování axoplasmy z obřího axonu.
Axon je nakanylován a
proplachován roztokem. Po vytlačení axoplasmy může být axon naplněn
roztokem o definovaném složení a požit k experimentům.
Podle Bakera,
pryží pokrytý
kotouček
vytlačovaná
axoplasma
Hogdkina a
Shawa, 1962.
pryžová
podložka
S jistým zjednodušením lze říci, že nervový systém je schopen pouze
dvou typů elektrických signálů:
• LOKÁLNÍ POTENCIÁLY NEBO PROUDY,
které mohou být gradované, stupňované, ale šířící se s úbytkem. Fyziologicky
k nim patří generátorové nebo receptorové potenciály na sensorických
zakončeních. Těmi reagují příslušná zakončení na sílu podnětu a všechny
možné druhy energie (mechanická při ohnutí lokte či vlásků v Cortiho orgánu
nebo energie tepelná se mění na elektrickou, kterou kabely uvnitř nás mohou
přenášet).
Na synapsích je lokálním potenciálem či proudem (post)synaptický potenciál
(proud), stupňovaný podle počtu vyloučených kvant neuropřenašečů. Je
inhibiční (hyperpolarizuje po dobu několika ms postsynaptickou
membránu hlavně otevíráním Cl- kanálů) nebo excitační (depolarizuje
membránu otevíráním Na+ kanálů, nebo společných Na+/K+ kanálů).
• AKČNÍ POTENCIÁLY (impulsy, vzruchy) - aktivně se udržující
otevíráním napěťově ovládaných Na+ kanálů (u nižších živočichů a v
dendritech c.n.s. často i Ca2+ kanálů).
NERVOSVALOVÁ PLOTÉNKA, PŘÍKLAD SYNAPTICKÉ TRANSFORMACE A.P. NA
„CHEMICKÝ“ SIGNÁL A ZPĚT NA A.P.
NAPRAHOVÝ PLOTÉNKOVÝ POTENCIÁL PŘI OTEVŘENÍ NIKOT. Ach RECEPTORŮ
VEDE KE SVALOVÉMU AKČ.POT.
mV
30
AP
0
EPP
-40
-70
AKČNÍ POTENCIÁL, intracelulárně snímaný skleněnou el-dou
membránový potenciál
PODSTATA: 1) Otevření Na+
kanálů, pří depolarizaci na
prahovou hodnotu (elektricky,
chemicky, mechanicky). Pna
převýší ostatní, Na+ teče dovnitř,
Em na pár ms určen ENa (plus
uvnitř-přestřelení)
2) Následné zvýšení PK (další K+
kanály se pod vlivem
depolarizace otevřou a přetrvají
po uzavření Na+ kanálů→vzniká
následnáhyperpolarizace→násl.p
otenciál→ nedráždivá refrakterní
doba
ENa
přestřele
ní
práh
lokální
odpověď
KM
P
Ek
proud
Akční potenciál (AP, vzruch,
impuls) je velký, krátký a
neměnný signál ("vše nebo nic"),
který se šíří podél nervu a
dlouhých svalových vláken bez
snížení amplitudy.
následná
hyperpolarizac
(nad)prahový
e
puls
K+
(A)
Vně buňky
membrána
ENa+= +66 mV
uvnitř buňky
absolutní
Membránový potenciál
relativní
draslíkový
kanál
sodíkový
K+ kanál
refrakterní fáze
přestřelení
0
Jednotlivé fáze AP
práh
Δ 15 mV
klidový MP = - 70 mV
následná
hyperpolarizace
EK+= -90 mV
1-2 ms
Schéma registračního
okruhu. Na
osciloskopu rostoucí
napětí na svislých
destičkách pohybuje
paprskem elektronů
zleva doprava.
Signál se zesílí a
přivádí na
horizontální destičky
a ty vychylují. paprsek
nahoru a dolů.
Paprsek nemá
žádnou
setrvačnost a
věrně zobrazuje
pikosekundové děje.
Novější setupy
používají pouze
počítače.
FLUIDITA MEMBRÁNY
Fluidita neboli tekutost membrány je vágní pojem. Přesnější je její
charakterizace alespoň dvěma biofyzikálními parametry - stupněm
uspořádanosti (order parametr) a rotačně-relaxačním časem nějaké
fluorescenční sondy, snadnost jejíhož pohybu v membráně se měří
spektrofluorimetricky.
Je jasné, že se bílkoviny v membráně mohou pohybovat: v její rovině
pomocí difuse [mikrometry (μm) za minutu; rhodopsin ve membránách
vnějších segmentů tyčinek difunduje rychlostí asi 0,1 μm2/s, jiné proteiny
až o tři rády pomaleji], rotují kolem některé ze svých os (milisekundy),
rázně mění koformaci (na dobu řádově v ms, příkladem je otevření
iontových kanálů), části polypetidových molekul (segmenty) v membráně
se „chvějí“ v řádu ns až ps (nano- až pikosekund).
(CH=CH)3
difenylhexatrien – zanořuje se
do membrány a jeho rotace a
relaxace po vybuzení udává
uspořádanost
(membrane
order) a další parametry fluidity
Prof. Agre - Nobelova cena 2003 za akvaporiny.
Objeveny náhodou u erytrocytů.
Neznámá bílkovina byla klonována na nezralých žabích
vajíčkách (oocyty) žáby drápatky (rod Xenopus). Vajíčka
praskala v hypotonickém roztoku (voda tekla akvaporiny
dovnitř, ředila hypertonické prostředí s velkým obsahem solí a
oocyty bobtnaly).
injikovaná
mRNA
akvaporinů
exprimované voda
akvaporiny
KŘACH
Akvaporin 1 je také kanál pro CO2. Když jsou geneticky přinuceny oocyty produkovat
akvaporin 1, kyselost po přidání CO2 uvnitř oocytů vzrostla. Akvaporin 1 se tedy ukázal
být propustný nejenom pro vodu, ale i pro CO2! To ve svém důsledku sice vedlo nakonec
k prasknutí a zničení vaječných buněk během pokusu v „sodovce“, ale současně to
demonstrovalo, jak fyziologicky důležité tyto kanály mohou být. Proniká CO2 do oocytů
jako uhličitanový anion, nebo jde o samostatnou cestu pro tu část CO2, která je pouze
rozpuštěna? A tady pomohla fyziologům molekulární genetika. Umožnila doktoru
Cooperovi a jeho spolupracovníkům pozměnit aminokyselinové složení akvaporinu 1 tak,
aby byla odstraněna buď propustnost pro vodu nebo oxid uhličitý. Jedna z tzv. bodových
mutací v primárním řetězci akvaporinové bílkoviny, konkrétně záměna 189té
serin učinila tento kanál nepropustným pro vodu.
aminokyseliny cysteinu za
Překvapivě byl ale stále schopný propouštět plyn - oxid uhličitý.
TRANSPORT LÁTEK PŘES MEMBRÁNU
Někdy se velikost transportu přes membránu reguluje syntézou a
zvýšením počtu transportních bílkovin. Na modelové rostlině huseníčku
obecném (Arabidopsis thaliana) bylo nalezeno asi 35 typů akvaporinů.
Otevírají např. průduchy, díky jim rostlina ve vodě nevadne, semena
příliš nevysychají atd.
V ledvinách akvaporiny AQP1 a AQP2 jsou těmi otvůrky ve filtračním
systému ledvin, kterými se vrací po očištění do těla denně až 200 litrů
vody, resorbované z tzv. primární moči. Tuhle vodu moc potřebujeme
pro život na suchu. V další části nefronu se moč zahušťuje a počet
akvaporinů nutných pro správnou hustotu moči řídí antidiuretický
hormon arginin-vasopresin.
Patologické snížení kanálků - akvaporinů při nedostatku tohoto hormonu
z podvěsku mozkového (hypofýzy) se projeví jako těžká nefrogenní
žíznivka, diabetes insipidus. Snižuje se vstřebávání vody, odchází litry
moči a žízniví pacienti jsou dosud odsouzeni k celoživotní náhradní
hormonální léčbě. Proto je žádoucí například v budoucnu nahradit
chybějící akavaporiny jinými typy na hormonech nezávislými, které
budou pracovat. Ještě nevíme jakými, ale výzkum pokračuje.
Mimochodem, akvaporiny blokují rtuťnaté ionty a proto dbejme
opatrnosti s rozlitou rtutí z teploměru apod.
TRANSPORT LÁTEK PŘES MEMBRÁNU
1. DIFÚZE PROSTÁ Látky rozpustné v tucích (lipofilní,hydrofobní) pronikají volně lipidovou
dvouvrstvou bez transportních makromolekul – jak látky exogenní (léky), tak i látky
endogenní (lipofilní hormony steroidy). Dále se tvrdí, že prostou difúzí pronikají membránou
některé malé neutrální molekuly O2, CO2, někdy H2O, i když v poslední době byly popsány
specifické proteinové kanálky pro plyny (CO2 ) a samozřejmě pro vodu - akvaporiny. Též
procházejí radikály typu oxidu dusnatého (NO), hrajícího významnou roli při relaxaci cév, při
imunitních reakcích a v mozku jako retrográdní neuromodulátor a parakrinní plynný
„hormon“.
Prostup iontovými kanály: ionty a voda prostupují přes membránu bílkovinnými kanálky,
otevíranými napětím, chemickým ligandem (extracelulárním nebo intracelulárním) nebo
fyzikálními vlivy (fotony, změnou teploty, mechanicky aj.).
1. USNADNĚNÁ DIFUSE, carrier-mediated
2. PRIMÁRNÍ TRANSPORT - Na+/K+-ATPáza, protonová pumpa, Ca2+ pumpa
3. SPŘAŽENÝ TRANSPORT Je sám o sobě pasivní, ale je spřažen s jiným energii
spotřebovávajícím systémem. Týmž směrem je označován jako symport, opačným směrem
jako antiport SYMPORT Na+ , GLUKOSY A AMINOKYSELIN
•
•
•
•
Symport. Ca2+ a Na+ v srdci – vztah k Na+/K+ pumpě –ouabain.
Transportní protein přenáší molekulu cukru do buňky. Energii poskytuje koncentrační a
potenciálový gradient sodíku, . S jedním Na+ jde jedna molekula glukózy, v poměru 1:1.
Známe pět různých symportních mechanismů pro jednotlivé aminokyseliny, z nichž některé
jsou závislé a jiné nezávislé na gradientu Na+.
Antiport. Příkladem je Ca2+ a Na+ antiport (1:3). Energie pro přenos jednoho Ca2+ ven je
dodána transportem tří Na+ dovnitř. Energii dodává na jiném místě membrány vznikající
koncentrační a elektrický gradient Na+.
TRANSPORT LÁTEK PŘES MEMBRÁNU
ENDOCYTÓZA A EXOCYTÓZA. Řada látek nemůže pronikat ani lipidovou
dvouvrstvou, ani s pomocí transportními proteiny (proteiny, cholesterol a
neuropřenašeče). Prostupují uzavřeny do transportních vezikulů
(měchýřků, váčků).
EXOCYTÓZA. Transportní vezikuly přicházejí do kontaktu s plasmatickou
povrchovou membránou - vzájemně splynou lipidové složky obou
membrán,"otevře" se měchýřek do extracelulárního prostoru a vyteče obsah,
např. hormon nebo neuropřenašeč (acetylcholin, glutamát, GABA aj.)
ENDOCYTÓZA. Při obráceném procesu - endocytóze, se plazmatická
membrána vchlipuje do buňky a vtahuje extracelulární tekutinu a některé
makromolekuly. Vchlipování se účastní pomocná, chaperonová molekula
klatrinu, která pokrývá svými trojcípými molekulami vchlipovaný měchýřek a
provází ho dále. Není-li klatrin, účastní se v některých membránových
doménách (kaveolách) vchlipování membrány protein kaveolin.
Exocytóza a endocytóza potvrzují, že membrána je dynamická organela,
jsou známé i její „vlnité“ pohyby a samozřejmě i stupeň její tekutosti, fluidity.
To může být snad zajímavé teoreticky, ale pro nás jako běžné
konsumenty kyslíku a producenty oxidu uhličitého to není důležité.
Omyl. Naše červené krvinky, které přenášejí jednak kyslík ke
tkáním a opačným směrem vynášejí oxid uhličitý do plic, se na to
dívají evidentně jinak. U nich je možné zcela inhibovat uhličitanové
transportéry (účastnící se tzv. Hamburgerova přesunu chloridů, kdy
se přemísťují HCO3- do červených krvinek a Cl- z krvinek do krevní
plasmy, aby se zachoval konstantní počet aniontů v erytrocytu)
pomocí derivátu stilbenu, označovaného jako DIDS. Ukázalo se,
že přidání tohoto inhibitoru až o 90% snižuje průchodnost
membrány červených krvinek pro HCO3- a tím nepřímo pro oxid
uhličitý. Zasažen byl zřejmě opět kanál pro vodu, akvaporin AQP
1. Zdá se tedy, že značná část oxidu uhličitého prochází
membránou našich červených krvinek právě tímto kanálem.
Plicní kapilára
Cl-
CO2
Tkáňová kapilára
HCO3AQP 1
Cl-
CO2
HCO3AQP 1
Je ale pozoruhodné, že podobné iontové kanály pro plyny byly
nalezeny i v membránách bakterií, které pohlcují vzdušný dusík
v kořenových hlízách luštěnin a dávají ho k dispozici pro další
metabolické využití. Do těchto bakterií se naopak nesmí dostat
vzdušný kyslík. Ten by blokoval enzym nitrogenázu, která je pro
fixaci dusíku nezbytná. Jinými slovy, membrána těchto bakterií
nemůže být volně propustná pro všechny plyny, ba naopak není volně propustná pro žádný plyn! Dusík a amoniak, které
mají být lapeny, zřejmě procházejí přes bakteriální membránu
opět specifickými kanály. Ty mají v tomto případě všechny rysy
jiného „vodného“ kanálu nazývaného nodulin 26.
Takže - minimálně dva z rozhodujících procesů, na nichž závisí
náš život, konkrétně přenos plynů v červených krvinkách a
fixace vzdušného dusíku pro stavbu všeho živého, nejsou jen
jednoduché difúzní procesy. Spíše jde o další z mnoha pečlivě
vyladěných membránových systémů, které rozmetávají mýtus o
samovolném vzniku buněčné membrány kolem koacervátů jako
pouhé jednoduché fyzikálně-chemické fázové bariéry.
Co mají VŠECHNY I.K.SPOLEČNÉHO?
Jsou to integrální membránové proteiny,
mají nálevkové ústí pro „dehydrataci“ iontů.
Selektivitu mezi anionty a kationty určuje
selektivní filtr (aminkys. zbytky čnějící do
póru a nabité plus, minus) a tzv. vrátka vágní pojem, spíše jde o stav natočení a
uspořádání výstelky kanálu, ne jako zavírání
Iontový filtr a vrátka (hradlo)
a otevírání dveří!
RTG snímek
ACh receptor-kanálu
ze strany
Mají 2 hlavní stavy: ZAVŘENÝ A OTEVŘENÝ.
! I V KLIDU SE NÁHODNĚ A SPONTÁNNĚ OTVÍRAJÍ,
PRAVDĚPODOBNOST OTEVŘENÍ SE ZVÝŠÍ
LIGANDEM, ČI ZMĚNOU NAPĚTÍ (PRÁH), TAHEM AJ.
Otevřený stav charakterizuje DOBA OTEVŘENÍ (ms) a
VODIVOST (převrácená hodnota odporu: 1/R, jednotky
1/Ω = siemensy, S, typicky od 1-150 pS).
(j)
ZAVŘENÝ stav = kanálem neteče proud
OTEVŘENÝ. Teče jím proud (tj. tok iontů při
určitém klid. (holding) potenciálu, např.
10 nA. Kanály mají vodivost, např. 20 pS.
Někdy pozorujeme podstavy, neúplná otevření, nebo kratičká zavření - jiskření (j).
Stimulační
elektroda
Záznamová
elektroda
Akční potenciál je zesilovací princip, po svém
vzniku se šíří podél vodiče, který má Na+
Vnější roztok
kanály.
Ty reagují na sousední depolarizaci otevřením,
Na+ teče dovnitř a vlna AP se nezmenšeně šíří.
AP samovolně regeneruje.
Dva depolarizační pulsy aplikované elektrodou I
Záznam z elektrody V1
Práh
NE!!
Přestřelení
Následná hyperpolarizace
Skutečně
se nezmenšuje?
Záznam z elektrody V2
EK
mS/cm2
membránový potenciál (mV)
Akční potenciál vzniká postupným otevřením nejprve Na+ (někdy Ca2+) a
pak K+ iontových kanálů, jestliže je klidový membránový potenciál náhle
snížen zhruba po 15 mV (řekněme z -70 mV na -55 mV) na tzv. hodnotu prahové
depolarizace. ři této prahové depolarizaci se otevírají napěťově citlivé Na+ kanály.
Sodík vtéká po koncentračním spádu do buňky a snižuje negativní náboj vnitřku.
Na vrcholu vlny se polarita uvnitř buňky otáčí na +20 či +30 mV (hodnota
se blíží rovnovážnému potenciálu ENa = +50 mV). Tomuto obrácení polarity se také
ms) a
říká přestřelení - overshoot. Akční potenciál je krátkodobý (1-3
regenerativní- depolarizace otevírá další Na+ kanály v sousední oblasti, čímž se
E
vlna šíří. Na
Akční potenciály zaznamenané z obřího
vlákna sépie ponořeného v mořské vodě
a v roztocích s různou koncentraci Na+.
F.V. na weekendu u Huxleyů 1993
Jak se na to přišlo?
Změnou složení
extracelulárního
roztoku, zde se
ubíral sodík a akční
potenciál se
zmenšoval.
(Nobelova cena
roku 1963 za
rekonstrukci AP ze
změn propustností
pro Na+ a K+.)
Sir Andrew Huxley
v Praze r. 2000
Trvání akčního potenciálu je určeno
a) spontánní inaktivací, tj. uzavřením Na+ kanálů – jejich inaktivací a
b) opožděným otevřením napětím řízených K+ kanálů, které
tendenci membránu repolarizovat.
mají
Po ukončení vlny akčního potenciálu se klidový membránový potenciál
dočasně hyperpolarizuje v důsledku přetrvávající zvýšené propustnosti pro K+
což znamená, že po několik dalších milisekund je toto místo membrány
nedráždivé (refrakterní fáze). Jakmile vznikne akční potenciál - jakožto
vlna opačné polarity, než je v klidu -, vznikají mezi tímto místem a sousedními
úseky membrány lokální proudy.
EN
EK
mS/cm2
membránový
potenciál (mV)
a
K+
Iont je po vstupu
do póru kanálu
dehydratován.
Hydratační obal
iontu závisí na jeho
poloměru. Sodík má
menší poloměr než
draslík, ale
hydratační obal větší
– molekuly vody jsou
k němu přitahovány
větší silou.
Na+
Iontový filtr
-aminokyseliny +,-.
Vrátkaotevření natočením
Tyto lokální
proudy vybíjejí
a depolarizují
sousední úsek,
což opět vede k
otevření Na+
kanálů, vtoku
Na+ a zvratu
polarity tohoto
úseku. Tak se
akční potenciál
šíří podél
vlákna.
Typický akční potenciál lidského kardiocytu s pořadím otevírání a zavírání Na, Ca a K
kanálů:
AP začíná otevřením napěťím řízeným Na-kanálem,ten vyvolá rychlou depolarizaci a
sám se zavře. Při depolarizaci se otvírá napěťím řízený Ca-kanál (stah).Ca ionty
1) aktivují pomalý K-kanál(hyperpolarizace)-návrat ke klid.potenciálu,2)dva Ca++ blokují
Zevnitř Ca kanál a ten se zavře. Dlouhý srdeční AP brání nechtěnému kroužení vzruchu
(reentry)
Ca-dependentn
í
K+
a+
C
2
+
Rychlost vedení akčního
potenciálu se zvýší z 0,5 (u vláken
nemyelinizovaných) až na 100 m/s, buď když má vnitřek axonu větší
průměr a lokální proudy zasahují do větší vzdálenosti (což je případ
"obřích", v průměru milimetrových vláken bezobratlých, např. sépie a
raka), nebo když lokální proudy u myelinizovaných nervových vláken
vybíjejí a depolarizují membránu v sousedním Ranvierově zářezu,
vzdáleném až l mm. Akční potenciál se zde šíří přeskokem, saltatorně.
A
B
Distribuce sodíkových a draslíkových
kanálů
v myelinizovanýxh axonech.
(A) Sodíkové
kanály
jsou
natěsnány
v
Ranvierových zářezech (zeleně) a draslíkové
kanály (červeně) jsou roztroušeny v
paranodální oblasti. Všimněte si, jak se axon
v R.z. zužuje.
(B) Změna v distribuci sodíkových kanálů po
demyelinizaci. V myelinizovaném axonu jsou
sodíkové kanály koncentrovány v R.z. (a,
ŠIPKA K PROUŽKU). 14 dní po demyelinizaci
se objevují i mimonodálně v ohraničených
ostrůvcích (b), 21 dní po demyelinizaci počet
těchto ostrůvků stoupá a rozšiřují se podél
axonu.
Autoimunitní (?) demyelizační
onemocnění (roztroušená
mozkomíšní skleróza) myelin se rozpadá.
Rychlosti vedení a typy nervových vláken v savčích nervech
Rychlosti vedení a typy nervových vláken v savčích nervech
Vlákna kategorie A jsou myelinizovaná a dělí se čtyři podskupiny: α, β, γ, a δ.
Vlákna kategorie B jsou myelinizovaná pregangliová vegetativní vlákna.
Vlákna kategorie C jsou nemyelinizovaná buďto postgangliová vlákna
sympatiku (CS), nebo dostředivá vlákna pro bolest (Cd.r., index d.r. značí zadní
kořeny míšní-dorsal roots).
Toto dělení podle Erlangera a Gassera je
obecně
přijímané.
Pro
rozlišení
senzorických nervů se někdy používá
číselné označení podle Lloyda.
Elektroneurogram
Jednotlivé vlny
elektroneurogramu
odpovídají jednotlivým typům
nervových vláken.
Rychlosti vedení a typy nervových vláken v savčích nervech
Vlákna kategorie A jsou myelinizovaná a dělí se čtyři podskupiny: α, β, γ, a δ.
Vlákna kategorie B jsou myelinizovaná pregangliová vegetativní vlákna.
JEDINÁ INERVACE
PULPY-BOLEST
buďto
postgangliová vlákna
Vlákna kategorie C jsou nemyelinizovaná ZUBN
sympatiku (CS), nebo dostředivá vlákna pro bolest (Cd.r., index d.r. značí zadní
kořeny míšní-dorsal roots).
Toto dělení podle Erlangera a Gassera je
obecně
přijímané.
Pro
rozlišení
senzorických nervů se někdy používá
číselné označení podle Lloyda.
Elektroneurogram
Jednotlivé vlny
elektroneurogramu
odpovídají jednotlivým typům
nervových vláken.
Dvě charakteristiky dráždivosti:
reobáze - nejmenší stimulační
napětí při velmi dlouhém pulsu,
chronaxie – doba trvání dráždícího
pulsu, po kterou je intenzita
stimulačního napětí dvojnásobná než
hodnota reobáze
Mechanicky řízené kanály
Schéma funkce mechanicky řízeného kanálu
Po ohnutí stereocilií receptorové buňky vestibulárního
aparátu směrem ke kinocilii se otevírají K+ kanály v
membráně stereocilie.
Kalium vniká do cytoplazmy, což vede ke změně membránového potenciálu receptorové
buňky. Otevření iontového kanálu je podmíněno natažením membrány stereocilie na straně
odvrácené od kinocilie. Mechanické spojení mezi kanálem a membránou je zprostředkováno
„strunou“ (mikrofilamentem), tedy součástí cytoskeletu
Struktrura napětím
řízených iontových kanálů
Sodíkový kanál tvoří 1
proteinová molekula se
čtyřmi (I-IV) doménami
spojenými itracelulárními
smyčkami. Každá doména
je složena ze 6 transmembránových segmentů (S1S6). Vlastní pór kanálu
ohraničují segmenty S5 a
S6.
Kluzně-šroubovicový model
otevření kanálu
Sodíkový kanál
Vápníkový kanál
S4 segment je
„napěťový
sensor“,
reaguje na
změnu napětí
díky kladně
nabitým
argininovým
zbytkům.
Draslíkový kanál
DEPOL
DEPOL
Kluzně šroubový model (NEBO SPÍŠ PLATÍ PÁDLOVÁNÍ V OLEJI?), vysvětlující
úlohu segmentu S4 napěťových kanálů při jejich otevření. Segment je znázorněn jako
transmembránová α-šroubovice s řadou pozitivních nábojů, tvořených opakujícími se
zbytky zásadité (kladné) aminokyseliny argininu (každá třetí v pořadí), což je typické pro
všechny Na+, Ca2+ a K+ kanály. Při depolarizaci (DEPOL) se uvolní síla membránového
elektrického pole, která stabilizovala šroubovici v poloze nalevo. Šroubovice se vysune
ven jako uvolněná pružina přibližně o 0,5 nm, přičemž se otočí o 60 o tak, že se kladné
náboje posunou vzhledem k sousedním záporným nábojům o 1 místo ven z buňky. Dojde
tím jednak k poklesu kladného náboje uvnitř (in-SLABOUNKÝ PROUD LZE MĚŘITtzv.VRÁTKOVÝ PROUD) a hlavně se allostericky (na dálku) kanál-vystýlající průniky
narovnají a zatočí tak, že se kanál otevře a příslušné kladné či záporné zbytky ve stěnách
lákají ionty tlačící se u ústí kanálu k hopsavému průniku. K otevření kanálu je zapotřebí
aktivace všech čtyř oblastí S4 v čtyřnásobné podjednotce Na+ či Ca2+ (nebo spojených
podjednotkách - K+ kanálu), které tvoří pór.
Tetrodotoxin inhibuje
Na kanály
Sodíkový kanál
LIGANDEM ŘÍZENÝ KANÁL
Liposom
z elektr.
orgánu
parejnoka
receptory
Vazebná místa pro ACh (
) jsou na receptoru z boku
Model ligandem řízeného iontového kanálu – acetylcholinový receptor nikotinového
typu (nikotinový typ je i v mozku, řídí vylučování jiných přenašečů a proto při
Alzheimerově demenci, kdy se ničí cholinergní neurony v nc.basalis Meynerti, dojde
k rozpadu osobnosti). K úplnému otevření kanálu dojde až po navázání 2 molekul
ACh na dvě α podjednotky (kvarterní dusíkovou hlavičkou) a na sousední
podjednotku ocáskem (skobička). Proto celková odpověď (O) na cholinergní synapsi
je funkcí koncentrace ACh: O = [ACh]2. Na vazebná místa pro ACh se nezvratně váží
hadí jedy najatoxin (Naja sp.) a bungarotoxin (Bungarus multicinctus).
Tyto jedy se na rozdíl od kurare „nerozdýchají“ .
synaptická
štěrbina
místo z
boku, kde
se váže
ACh
plasmatická
membrána
cytoplasma
Acetylcholinový receptor nikotinového
typu, který je na nervosvalové ploténce a
v
elektrických
orgánech
parejnoka
Torpedo sp. či elektrického úhoře. Má 5
podjednotek, z toho dvě stejné (α, α, β, γ/ε
, δ). V CNS jsou složeny jen ze dvou typů
podjednotek (α a β).
Mimo geny pro svalové podjednotky (označované
někdy jako α1 a β1) je známo nejméně 11 genů pro
nervové podjednotky v mozku, z toho 9 pro α a 3 pro
β. Nejčastější typ, který váže dobře nikotin, je α4β2. V
autonomních gangliích a v srdci je častý typ α3α5β4.
vodní pór
podjednotky (všech 5)
RTG analýza krystalických bílkovin
povrch
postsynaptické
membrány u
parejnoka – husté
nahloučením
receptorů s ústím
kanálků
uprostřed
Velmi dobře propustný pro vápník (víc
než NMDA kanál a 10x víc než pro Na+)
je typ složený jen z 5 stejných
podjednotek - α7. Vápník teče do buňky na rozdíl od NMDA glutamátových
receptorů- i při normálním a případně
hyperpolarizovaném klidovém membr.
potenciálu. Toto je hlavní cesta pro
vstup vápníku do buňky při normálně
polarizovaném neuronu.
Iontové kanály a
membránové transportéry