BIOFYZIKA AKNHO POTENCILU A SYNAPSA Ivan Poliaek Drdiv

BIOFYZIKA AKČNÉHO POTENCIÁLU A SYNAPSA Ivan Poliaček

Dráždivé tkanivá - neurón (nervové tkanivo) - svalové vlíkna (svalové tkanivo) Neurón - základná stavebná a funkčná jednotka nervového tkaniva (mozog, miecha, nervy, senzorické bunky) - 4 – 130 μm dendrity axónové zakončenie soma jadro Ranvierove zárezy Schwannova axónový hrbolček bunka iniciálny segment myelínová pošva

Šírenie sa neurónového podráždenia (vzruchu) z dendritov na axón dendrity soma axón s axónovými kolaterálami

Membránový potenciál, depolarizácia, hyperpolarizácia membrány

Bunková membrána - pripomenutie • dvojvrstva fosfolipidov + cholesterol + proteíny

INTRA- A EXTRA-CELULÁRNE KONCENTRÁCIE IÓNOV intracelulárne vnútro neurónu extracelulárne ión vnútri vonku Na+ K+ Cl. HCO 3 proteín Ca++ 12 m. M 145 m. M 140 m. M 4 m. M 115 m. M 12 m. M 30 m. M 140 m. M 10 m. M 0, 0001 m. M 2 m. M (napr. plazma)

Membránový potenciál – Goldmanova rovnica Veľkosť je daná koncentráciami a permeabilitami membrány pre ióny draslíka, chlóru a sodíka P K+ , P Na+ , P Cl- - permeability pre K+, Na+, Cl[K+], [Na+], [Cl-] - koncentrácie 100 : 45 Kľudový membránový potenciál neurónu - cca -70 m. V Čo udržuje tieto koncentrácie nerovnaké? Je vnútro bunky nabité negatívne? Ako sa môže membránový potenciál zmeniť? Čo spôsobí zmeny permeability membrányy? Ako zmeny K+, Na+, Cl- permeabilít zmenia membránový potenciál? Ako sa nazýva stav nižšieho MP – viac polarizovaná membrána bunky? Ako sa nazýva stav vyššieho MP – menej polarizovaná membrána bunky?

Depolarizácia – nižšia polarizácia = nižšia veľkosť membránového potenciílu (napr. z -70 m. V na -60 m. V či viac) Hyperpolarizácia – - väčšia polarizácia = väčšia veľkosť membránového potenciálu (napr. z -70 m. V na -80 m. V) Postupná (lokálnal) odpoveď = postupná depolarizácia alebo hyperpolarizácia : - elektricky - chemicky - generátorový potenciál (senzory) - synapticky EPSP (depolarizácia) IPSP (hyperpolarizácia)

Oddych 1 Mikroelektróda Zosilňovač Membránový potenciál / prúd Patch elektróda Zosilňovač Iónový tok Sklenená, alebo kovová mikroelektróda Zosilňovač Potenciál Neurónové snímanie

SYNAPSA Signál z neurónu na neurón, sval, alebo žľazu • Elektrická synapsa – spojenie typu „gap junction“ elektrický signál (obojsmerne) • Chemická synapsa – chemický prenos (jednosmerný) z presynaptickej na postsynaptickú bunku ľudský mozog - 1 mm 3 mozgovej kôry - okolo miliardy synáps

Axo-dendritické synaptické zakončenia Synapsy: - axo-dendritické - axo-somatické - axo-axonálne

Presynaptická membrána Vezikuly Synaptická štrbina Neurotransmitter Postsynaptická membrána

Vezikuly Neurotransmiter Napätím riadené Ca kanály Postsynaptický neurón Axónové zakončenie Neurotransmiter „re-uptake“ pumpovanie Receptor pre neurotransmiter Synaptická štrbina Dendrit

Synaptický prenos Akčný potenciál prijde axónom na zakončenie na pre-synaptickú membránu 1. depolarizácia otvorí napätím riadené Ca kanály - Ca++ difunduje do neurónu 2. Ca++ intracelulárne - vezikuly ku membráne (kontraktilné proteíny stenín a neurín) - exocytóza – uvolnenie neurotransmitera (mediátora) do synaptickej štrbiny

Synaptický prenos 3. difúzia molekúl mediátora cez synaptickú štrbinu (30 -50 nm) 4. molekuly mediátora aktivujú receptory na subsynaptickej časti postsynaptickej membrány IONOTROPICKÉ receptory – ligandom riadené kanály vytvárajúce EPSP alebo IPSP na post-synaptickej bunke METABOTROPICKÉ receptory – mediátor na extracelulárnej doméne aktivuje intracelulárny Gproteín, čo vedie k intracelulárnej signalizácii (expresia génov, chemické reakcie, otvorenie / uzavretie kanálov – zmeny permeability membrány)

Sumár: - akčný potenciál - napätím riadené Ca kanýly - Ca++ influx - exocytóza vezikúl - uvolnenie neurotransmitera (mediátora) - jeho difúzia cez štrbinu - interakcia s receptormi (napr. ligandom riadenými kanálmi) Ako sa to zastaví? eliminácia neurotransmittera - reabsorbcia do presynaptickej bunky (spáť do vezikúl) - metabolickí deštrukcia - oddifundovanie preč

Neurotransmittery chemicky : aminokyseliny (glutamát, GABA, aspartát, glycín), peptidy (vazopresín, somatostatín, neurotenzín, . . . ), monoamíny (noradrenalín, serotonín, acetylcholín, . . . ) Excitačné : - acetylcholín (nervosvalová platnička) - glutamát Inhibičné : - GABA - glycín (spinálne reflexy) excitácia – inhibícia najmä určená receptorom V mozgu sú hlavné: glutamát a GABA

Oddych 2 Komentáre a dotazy sú vítané. Prečo sa chemická synapsa nazýva chemická? Krorý ión iniciuje synaptický prenos? Kde je uložený neuromediátor? Kam je uvolnený? Kde neurotransmiter účinkuje? Čo je hlavný rozdiel medzi metabotropickými receptormi a ligandom riadenými kanálmi? Rozdiel medzi ligandom a napätím riadenými kanálmi? Kde fungujú ligandom a kde napätím riadené kanály pri synaptickom prenose?

Sumácia postsynaptických potenviálov (stimulácia niekoľkých synáps s ligandom riadenými iónovými kanálmi)

MP (m. V) EPSP – excitačný post-synaptický potenciál depolarizuje IPSP – inhibičný post-synaptický potenciál hyperpolarizuje prah = spúšťacia úroveň akčného potenciálu = firing level EPSP IPSP čas sumácia EPSP + IPSP 10 ms Väčší PSP ? viac neurotransmitera (a viac receptorov), ak je membrána už čiastočne depolarizovaná, ako dlho je mediátor dostupný pre receptory (musí byť odstraňovaný rýchlo zo štrbiny alebo inaktivovaný) Ďalej od synapsy (od subsynaptickej membrány) napr. v axónovom hrbolčeku – menší efekt PSP – je POSTUPNOU (STUPŃOVITOU) a LOKÁLNOU elektrickou odpoveďou, ktorá sa šíri s ÚTLMOM

SUMÁCIA PSP-ov 1 EPSP - výnimočne dosahuje prah, ale pri časovej sumácii 2 EPSP additívny efekt viacerých synaptických potenciálov na neuróne ak : - je krátky časový úsek medzi stimulmi - časová sumácia - stimuli na niekoľkých synapsách neurónu - priestorová sumácia

SUMÁCIA PSP-ov 1 EPSP - výnimočne dosahuje prah, ale priestorová sumácia 2 EPSP additívny efekt viacerých synaptických potenciálov na neuróne ak : - je krátky časový úsek medzi stimulmi - časová sumácia - stimuli na niekoľkých synapsách neurónu - priestorová sumácia

Synaptická integrácia - kombinovanie excitačných a inhibičných signálov na neuróne. Aby vznikol akčný potenciál = AKTIVÁCIA sumácia PSP (lokálnych odpovedí) musí dosiahnuť prahovú hodnotu depolarizácie na axónovom hrbolčeku = iniciálnom segmente = spúšťacej zóne. excitačné presynaptické vstupy postsynaptická bunka axónový hrbolček iniciačný segment inhibičný presynaptický vstup

akčný potenciál vznikne v spúšťacej zóne = iniciálnom segmente ak tam depolarizácia dosiahne prahovú hodnotu dendrity soma axón s axónovými kolaterálami dendrit axón smer toku informácie

Divergencia axón jedného pre-synaptického neurónu sa vetví na niekoľko post-synaptických neurónov Konvergencia axóny niekoľkých pre-synaptických neurónov smerujú na jeden post-synaptický neurón

Oddych 3 Doporučujem hľadať v GOOGLE summation of postsynaptic potentials at the axon hillock Animation 5. 2 - Summation of Postsynaptic Potentials a pozrieť si http: //sites. sinauer. com/neuroscience 5 e/animations 05. 02. html Návrhy čo je dôležité a ako si to zapamätať by sme ocenili, či nie?

MP stúpanie depolarizácia AKČNÝ POTENCIÁL klesanie repolarizácia prah stimulácia čas (ms) hyperpolarizácia Akčný potenciál – AP (nervový impulz) vzniká na vzrušivých tkanivách - nervové vlákno a svalová bunka, keď lokálny potenciál dosiahne prahovú hodnotu – „firing level“ Odpoveď je : VŠETKO alebo NIČ (kompletný akčný potenciál alebo nijaký akčný potenciál)

- Lokálna (postuná) depolarizácia na prah – spúšťacia úroveň Na kanály sa otvoria (napätím riadené) - Na+ influx (vtok) rýchla depolarizácia - HROT (SPIKE) - až transpolarizácia – pozitívny náboj na vnútornej strane membrány na krátky moment (a záporný vonku) Na kanály sa zatvoria (napätím riadené) a K kanály sa otvoria (napätím riadené) – Na+ influx STOP + K+ efflux (výtok) - rýchla repolarizácia 500 krát Na permeabilita V kľude permeability pre K+ : Na+ : Cl 100 : 45 Pri AP depolarizácii 100 : 2000 : 45 Prahová hodnota Kľudová hodnota Čas (ms)

MP Prah a stúpanie – Na kanály sú otvorené vrchol – Na+ permeabilita je maximálna, Na kanály sa zatvárajú – transpolarizácia – až do +30 m. V prah čas (ms) Iónová permeab. čas (ms) klesanie - Na kanály sú inaktivované, vysoký potenciál otvára napätím-riadené K kanály – pokles k úrovni kľudového potenciálu a dokonca ho „prestrelí“ (post-)hyperpolarizácia

1 akčný potenciál vyžaduje vysoké, ale limitované množstvo iónov - uvažujúc celú bunku tá je schopná produkovať mnoho akčných potenciálov Čo udržuje normálnu distribúciu iónov? • Po každom hrote nasleduje refraktérna perióda. • absolútna refraktérna perióda – je nemožné vyvolať ďalší akčný potenciál – počas hrotu a bezprostredne po ňom (Na kanály sú otvorené alebo po tom inaktivované) • relatívna refraktérna perióda – silnejší než obvykle stimul je potrebný na vyvolanie akčného potenciálu (hyperpolarizýcia; časť Na kanálov sa už „zotavila“)

Na a K kanály MP (-) Na (+) Na (-) a K (+) (-) a Na kanály reaktivácia (-) Kanály uzavreté – (-) otvorené – (+) Absol. refraktérna fáza Relat. refraktérna fáza Akčný potenciá Iónová priepustnosť Na kanály inaktivované EXCITABILITA excitabilita nulová čas (ms) Na kanály uzavreté reaktivácia Na kanály uzavreté aktivovateľné excitabilita vysoká

tlak v dýchacích cestách exp Oddych 4 insp EMG bránice exspiračný neurón salva výbojov exspiračného neurónu tvar výkyvov extracelulárne zaznamenaného výboja (spike)

Šírenie sa akčného potenciálu Lokálne prúdy sa šíria (elektrotonická vodivosť) – depolarizácia susedných častí membrány (vznikne tam tiež akčný potenciál (spike) ak lokálna zmena MP dosiahne prah). Miesto pôvodnej zmeny potenciálu Straty náboja Smer toku prúdu Straty tepla Analógia horúca tyč chladné horúce Straty tepla

Šírenie sa akčného potenciálu Smer šírenia refraktérnosť - bez poklesu (energia na akčný potenciál je dodaná bunkou) - vlna (miesto) elektrickej negativity na povrchu bunky (elektrickej pozitivity na vnútornej strane membrány) spôsobená otvorením a uzavretím napätím riadených iónových kanálov

čas (ms)

čas (ms) uzavretý kanál otvorený kanál inaktivovaný kanál

Saltatórne vedenie Ranvierov zárez Myelínová pošva Ranvierov zárez z jedného Ranvierovho Zárezu na ďalší Axón Plazmatická membrána ortodrómne vedenie Schwannova bunka Myelínová pošva Ranvierov zárez antidrómne vedenie

intenzita prúdu [m. A] Elektrická stimulácia nervového vlákna anóda - vyššia polarizácia membrány - nižšia excitabilita katóda – depolarizácia membrány - vyššia excitabilita 2 x reobáza chronaxia trvanie elektrického pulzu [ms] 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 2 x reobázy, ktorý je potrebný na stimuláciu neurónu (svalového vlákna) – AP.

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

S radosťou si vypočujem vaše dotazy a komentáre. Prosím, pomôžte mi zlepšiť prednášku (a prednášajúceho) Ďakujem za pozornosť.