BIOFYZIKA AKCN

1
BIOFYZIKA AKCNÉHO POTENCIÁLU A SYNAPSA

• Ivan Poliacek

2
Dráždivé tkanivá nervové tkanivo, svalové
tkanivoNeurón - základná stavebná a funkcná
jednotka nervového tkaniva (mozog, miecha,
nervy, senzorické bunky) - 4 130 µm (soma
proteosyntéza, dendrity vstup signálu, axón
výstup signálu)
dendrity
axónové zakoncenie
Ranvierove zárezy
soma
Schwannova bunka
axónový hrbolcek iniciálny segment
myelínová pošva
jadro
3
Šírenie sa neurónového podráždenia (vzruchu) z
dendritov na axón
dendrity
soma
axón s axónovými kolaterálami
4
Bunková membrána - pripomenutie

• dvojvrstva fosfolipidov cholesterol proteíny
• Oddeluje bunku od okolia regulácia
  priepustnosti komunikácia (receptory a
  vzrušivost)

5
INTRA- A EXTRA-CELULÁRNE KONCENTRÁCIE IÓNOV
bunková membrána
extracelulárne
intracelulárne
vnútro neurónu

• ión vnútri vonku
• (napr. plazma)
• Na 12 mM 145 mM
• K 140 mM 4 mM
• Cl- 4 mM 115 mM
• HCO3 - 12 mM 30 mM
• proteín - 140 mM 10 mM

vnútro neurónu
6
Neurónové snímanie
Mikroelektróda
Zosilnovac
Membránový potenciál / prúd
Zosilnovac
Patch elektróda
Iónový tok
Sklenená, alebo kovová mikroelektróda
Zosilnovac
Potenciál
7
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)
Kludový membránový potenciál (MP) polarizácia
bunkovej membrány vnútro bunky je NEGATÍVNE
NABITÉ (pre neurón obvykle okolo 70 mV)
8
AKCNÝ POTENCIÁL
stúpanie depolarizácia
MP
klesanie repolarizácia
prah
cas (ms)
stimulácia
hyperpolarizácia
Akcný potenciál AP (nervový impulz) vzniká na
vzrušivých tkanivách (najmä neurónové vlákno a
svalová bunka), ked lokálny potenciál dosiahne
prahovú hodnotu firing level Odpoved je
VŠETKO alebo NIC (kompletný akcný potenciál alebo
nijaký akcný potenciál)
9
Prah a stúpanie Na kanály sú otvorené
MP
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 kludového potenciálu
prah
a dokonca ho prestrelí - (post-)hyperpolarizáci
a
cas (ms)
Iónová permeab.
cas (ms)
10
Len malé množstvo iónov sa podiela na vzniku 1
akcného potenciálu vzhladom na velkost bunky
(axónu). Podiel membránovej priepustnosti pre
ióny - perm K perm Na perm Cl- pocas
stúpajúcej fázy akcného potenciálu 1 20
0.45 v klude (kludový membránový potenciál) 1
0.04 0.45
11
Napätím riadený (voltage-gated) kanál
12
uzavretý otvorený
Bakteriálny voltage-gated draslíkový kanál
13
Extracelulárne snímanie respiracného neurónu
exp insp
tlak v dýchacích cestách
EMG bránice
exspiracný neurón
14
salva výbojov exspiracného neurónu
vrchol
MP
prestrelenie
stúpanie
klesanie
prah
kludový potenciál
podstrelenie
stimulus
cas (ms)
schematický akcný potenciál
tvar výkyvov extracelulárne zaznamenaného výboja
(spike)
stúpanie
MP
klesanie
skutocný akcný potenciál
prah
podstrelenie
kludový potenciál
cas (ms)
15

• Každý akcný potenciál (spike) je nasledovaný
  refraktérnou periódou.
• Refraktérne periódy sú spôsobené zmenami v stave
  (priepustnosti) iónových kanálov.
• Absolútna refraktérna perióda (fáza) vtedy je
  nemožné vyvolat další akcný potenciál (Na kanály
• sú "inaktivované" na konci a okamžite po
  vrchole spike - nedajú sa otvorit bez ohladu na
  úroven membránového potenciálu.
• Relatívna refraktérna
• perióda (fáza)
• - silnejší než obvykle
• stimul je potrebný
• na vznik akcného
• potenciálu

16
(-)
Kanály uzavreté (-) otvorené ()
Na ()
Na (-) a K ()
(-) a Na kanály reaktivácia
(-)
Na a K kanály
MP
Absol. refraktérna fáza
Relat. refraktérna fáza
Akcný potenciá
Iónová priepustnost
Na kanály uzavreté aktivovatelné
Na kanály inaktivované
Na kanály uzavreté reaktivácia
excitabilita vysoká
EXCITABILITA
excitabilita nulová
cas (ms)
17
Schémy Na voltage- gated kanála a Kvoltage-gated
kanála, ktoré sa podielajú na vzniku akcného
potenciálu
Na kanál
uzavretý, schopný sa otvorit
otvorený, aktivovaný
uzavretý, neschopný sa otvorit - inaktivovaný
K kanál
uzavretý
otvorený
18
Šírenie sa akcného potenciálu
Miesto pôvodnej zmeny potenciálu
Straty náboja
Straty náboja
Lokálne prúdy sa šíria (elektrotonická vodivost)
depolarizácia susedných castí membrány
(vznikne tam tiež akcný potenciál (spike) ak
lokálna zmena MP dosiahne prah).
Smer toku prúdu
Smer toku prúdu
Straty tepla
Analógia horúca tyc
horúce
chladné
Straty tepla
19
Šírenie sa akcného potenciálu
Smer šírenia
refraktérnost
- Trvanie približne a menej než 1 ms - Bez
poklesu (energia na akcný 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
20
(No Transcript)
21
cas (ms)
22
cas (ms)
uzavretý kanál
otvorený kanál
inaktivovaný kanál
23
Saltatórne vedenie
Ranvierov zárez
Ranvierov zárez
Myelínová pošva Axón Plazmatická membrána
ortodrómnevedenie
Schwannova bunka Myelínová pošva
z jedného Ranvierovho zárezu na další
Ranvierov zárez
antidrómnevedenie
24
Elektrická stimulácia nervového vlákna
(intenzita prúdu mA)
anóda - vyššia polarizácia membrány - nižšia
excitabilita katóda depolarizácia membrány -
vyššia excitabilita
2x reobáza
reobáza
chronaxia
(trvanie elektrického pulzu ms)
Reobáza - najnižšia amplitúda elektrického prúdu
nekonecného trvania (v praxi niekolko 100 ms),
ktorá vyvolá akcný potenciál (kontrakciu svalu).
Chronaxia najkratší cas pôsobenia elektrického
prúdu s intenzitou 2x reobázy, ktorý je potrebný
na stimuláciu neurónu (svalového vlákna) AP.
25
SYNAPSA

• Signál z neurónu na neurón, sval, alebo žlazu
• Elektrická
• synapsa
• spojenie
• typu gap
• junction
• elektrický signál
• (obojsmerne)
• Chemická synapsa chemický prenos (jednosmerný)
• z presynaptickej na postsynaptickú bunku
• (je štrukturálne aj funkcne asymetrická)
• ludský mozog - 1014 až 5 x 1014 (100-500
  biliónov) synáps (1 mm3 mozgovej kôry - okolo
  miliardy synáps)

26
Axo-dendritické synaptické zakoncenia chemické
synapsy
27
Axónové zakoncenie
Sekrecné granule
Synaptická štrbina
Vezikuly s mediátorom
Receptory
Dendrit
28
Vezikuly
Axónové zakoncenie
Neurotransmiter
Neurotransmiter re-uptake pumpovanie
Napätím riadené Ca kanály
Receptor pre neurotransmiter
Synaptická štrbina
Dendrit
29
Synaptický prenos

• Akcný potenciál depolarizuje pre-synaptickú
  membránu
• synaptického zakoncenia 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
  uvolnia 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 (cast post-synaptickej membrány pod
  zakoncením) a spustia odpoved (bud cez G-proteíny
  naviazané na enzým alebo cez molekulou riadené -
  ligand-gated iónové kanály)

30
axón
zakoncenie
synapsa
31
(No Transcript)
32
Typy neurotransmiterovAminokyseliny
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).
Excitacné - acetylcholín - ACh (nervo-svalová
platnicka - napr. vôlový pohyb) -
glutamátInhibicné - GABA - glycín (spinálne
reflexy)
33
molekulová hmotnost
neuropeptidy
neurotransmitery
34

• 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)

35

• Metabotropické receptory (receptory naviazané
• na G-proteíny) - extracelulárna doména sa viaže
• s neurotransmiterom, intracelulárna doména
• s G-proteínom 2. posol (intracelulárna
  signalizácia)
• aktivovaný G-proteín (uvolnený z receptora
  interaguje s inými proteínmi napr. s iónovými
  kanálmi - ich otvorenie ci uzavretie) - pomalá
  synaptická odpoved ms - min

ELIMINÁCIA NEUROTRANSMITERA molekula sa uvolní z
receptora vdaka tepelnému pohybu - reabsorbcia
do vezikúl presynaptickej bunky - metabolická
eliminácia - difúzia mimo synaptickej štrbiny
36
MP (mV)
EPSP excitacný post-synaptický
potenciál depolarizuje IPSP inhibicný
post-synaptický potenciál hyperpolarizuje
prah spúštacia úroven akcného potenciálu
firing level
EPSP
sumácia EPSP IPSP
IPSP
cas
10 ms

• Velkost PSP závisí od
• množstva neurotransmitera (a poctu receptorov)
• membránového potenciálu postsynaptickej bunky
  (treba menej neurotransmitera, ak už ciastocná
  depolarizácia)
• ako dlho je neurotransmiter prítomný v
  synaptickej štrbine
• (rýchle odstránenie ci inaktivácia umožní další
  synaptický prenos)

37
SUMÁCIA PSP

• 1 EPSP casová
• sumácia 3 EPSP

Efekt viacerých než jedného synaptického
potenciálu na neuróne je kumulatívny ak - je
cas medzi stimulmi krátky casová sumácia -
stimuly prídu na blízke miesta na neuróne -
priestorová sumácia
38
Priestorová sumácia PSP
Synaptická integrácia - kombinovanie
excitacných a inhibicných signálov na
susediacich oblastiach membrány neurónu.
Aby vznikol akcný potenciál, sumácia
excitacných a inhibicných postsynaptických
potenciálov (lokálnych odpovedí) musí
dosiahnut prahovú hodnotu.
excitacné presynaptické vstupy
postsynaptická bunka
axónový hrbolcek iniciacný segment
inhibicný presynaptický vstup
39
Konvergencia axóny niekolkých pre-synaptických
neurónov smerujú na jeden post-synaptický neurón
Divergencia axón jedného pre-synaptického neurónu
sa vetví na niekolko post-synaptických neurónov
40
Zhrnutie

• depolarizácia hyperpolarizácia
• akcný potenciál tvar, mechanizmus
• refraktérne periódy
• šírenie sa akcného 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 (casová, priestorová)
• konvergencia, divergencia