Biofyzika bunky transportn membrnov mechanizmy kudov membrnov potenil

Biofyzika bunky, transportné membránové mechanizmy, kľudový membránový poteniál akčný potenciál, synapsa svalová kontrakcia Michal Šimera

BUNKA Základná stavebná a funkčná jednotka živého organizmu Ø má rôzny tvar a veľkosť Ø 5 -120 μm (ženské vajíčko až 1 mm) Ø rôzne zloženie a štruktúra, ale 3 základne časti: CYTOPLAZMA, ORGANELY, MEMBRÁNA Ø delenie, podráždenie, interakcie s okolitým prostredím. . .

Cytoplazma Ø Je elastická, viskózna, (bezfarebná), slabo kyslá (p. H=6, 8) tekutina Ø tvorí základné prostredie chemizmu bunky Obsahuje zhruba 75 - 80 % vody ďalej sú tu uložené rôzne zásobné a anorganické látky, aminokyseliny, enzýmy a. i. Prebiehajú to mnohé dôležité procesy ako napr. štiepenie niektorých sacharidov.

Organely

Bunková membrána Ø vymedzuje bunku – oddeľuje a chráni Ø fosfolipidová dvojvrstva s bielkovinami a cholesterolom Ø zabezpečuje a umožňuje regulovať vstup a výstup látok – polopriespustná Ø umožňuje komunikáciu buniek – receptory a dráždenie

Membrána

Polopriepustnosť (Semipermeabilita) Ø samovoľný prechod (prestup) látok Ø difúziou (koeficient závisí od permeability) – prechádzajú ľahko: voda, malé ióny ako K+, Cl v tukoch rozpustné látky – prechádzajú ťažko : Na+, . . . Ø neprechádzajú vôbec: veľké nabité (ióny) a polárne molekuly napr. proteíny

Transportné mechanizmy Ø paracelulárne – pomedzi bunky - štrbinové spojenie medzi bunkami (gap junction) Ø exocytóza a endocytóza Proteínový kanál spája dve susedné bunky

Ø transcelulárne (cez bunkovúmembránu) pasívne alebo aktívne: Pasívne transportné mechanizmy: (bez energie) Ø difúzia Ø uľahčená (facilitovaná) difúzia Ø difúzia cez kanály Ø Osmóza Difúzia je samovoľný pohyb molekúl po koncentračnom gradiente

Fickov zákon Rýchlosť difúzie je priamo úmerná rozdielu koncentrácií (koncentračný gradient dc) medzi dvoma bodmi, priamo úmerná ploche, na ktorej difúzia prebieha a nepriamo úmerná vzdialenosti (dx) medzi dvoma bodmi v priestore. vd dc dx S D - rýchlosť difúzie - koncentračný gradient - vzdialenosť - veľkosť plochy - difúzny koeficient (teplota, pohyblivosť, veľkosť molekúl, interakcie. . . )

DIFÚZIA cez membránu

Uľahčená (facilitovaná) difúzia Ø ióny, glukóza, aminokyseliny Ø selektívny, pasívny transport prenášačom v membráne Ø interakcia molekuly a prenášača Ø závislosť od koncentračného gradientu aj od počtu prenášačov Ø môže byť facilitovaná aktívne

Difúzia cez kanály Ø transport látok cez transmembránové proteíny Ø je to selektívny transport Ø možná regulácia – gating (konformačná zmena) – Voltage (zmena polarity membrány) – Ligand (otvorenie kanála „kľúčom“) Ø pre K+, Na+, Ca 2+

Membrána selektivita: veľkosť, tvar alebo náboj Selektívne priepustné proteínové kanály

Osmóza prechod rozpúšťadla (voda) cez semipermeabilnú membránu proti koncentračnúmu gradientu rozpustenej (a nedifúzibilnej) látky Menšia koncentrácia cukru (viac vody) Vyššia koncentrácia cukru (menej vody) Molekuly cukru Polopriepustná membrána Pohyb molekúl vody

Aktívne transportné mechanizmy Ø prenos molekúl a iónov cez membránu proti koncentračnému (elektrickému a chemickému) gradientu Ø primárne (hydrolýza ATP) spotreba energie (ATP-ázy) – pumpy - Na+-K+-ATP-áza (Ca 2+-ATP-áza) Ø Sekundárne (kotransporty) - symport - antiport

Na+-K+-ATP-áza = = sodíko-draslíková pumpa Ø udržuje MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL čiže kľudovú elektrickú polarizáciu buniek Ø najviac v nervových a svalových bunkách (vzrušivé tklanivá) + Ø 3 Na+ z neurónu a 2 K+ do neurónu živá bunka - negatívny el. náboj vnútri bunky oproti vonkajšku -

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

Kľudový membránový potenciál Ø vnútro bunky (intracelulárny priestor) je nabité ZÁPORNE voči vonkajšku bunky (extracelulárny priestor) Ø pre neurón obvykle okolo - 70 m. V - sodíko-draslíková pumpa – elektrický potenciál „drží“ K+ dnu – chemický potenciál (koncentrácia) K+ „ženie“ von Ø semipermeabilita membrány: (výrazne nerovnaká priepustnosť pre rôzne ióny) – K+ : Cl- : Na+ = 100 : 45 : 4

Nernstova rovnica Ø Veľkosť pokojového membránového potenciálu pre K+ cca – 90 m. V EK - rovnovážny potenciál K+ R – univerzálna plynová konštanta ( 8 314, 4 m. V. C. mol-1. K-1) T – absolútna teplota F – Faradayova konštanta (9, 64846. 104 C. mol-1)

Goldmanova rovnica Ø hodnota pokojového membránového potenciálu na základe koncentrácií a priepustností pre ióny draslíka, sodíka a chloridy P K+ , P Na+ , P Cl- - koeficienty permeability pre K+, Na+, Cl[K+], [Na+], [Cl-] - koncentrácie

Neurón hlavná funkčná jednotka nervových tkanív (veľkosť od 4 – 130 micrometrov) (mozok, miecha, nervy) axónové zakončenie dendrit soma jadro iniciálny segment axónu Ranvierov zárez myelínový obal Schwannova bunka

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

RIZÁCIA DEPOLA A ÁCI RIZ OLA REP Membránový potenciál (m. V) AKČNÝ POTENCIÁL PRAH HYPERPOLARIZÁCIA čas (ms) Akčný potenciál – AP (nervový impulz) vzniká na vzrušivých tkanivách (neurónové vlákno a svalová bunka), keď lokálny potenciál dosiahne prahovú hodnotu Odpoveď je : VŠETKO alebo NIČ (kompletný akčný potenciál alebo žiadny akčný potenciál)

Depolarizácia – zníženie hodnoty membránového potenciálu (napr. z -70 m. V na -55 m. V) Otvorenie napäťovo závislých Na+ proteínových kanálov = vtok Na+ do bunky (vnútro viac +) Repolarizácia – klesanie, Na+ sú zatvorené K+ kanály sú otvorené a K+ uniká von z buky (vnútro sa stáva viac -) Hyperpolarizácia – zvýšenie hodnoty membránového potenciálu – MP (napr. z -70 m. V na -80 m. V alebo viac) Eflux K+ (cez K kanály), alebo influx Cl– (cez Cl kanály)

Na+ kanály zavreté K+ kanály otvorené Repolarizácia Depolarizácia sodíko-draslíková pumpa je aktívna prah podnet kľudový potenciál Hyperpolarizácia

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. 45 v kľude (kľudový membránový potenciál) = 1 : 0. 04 : 0. 45

Napätím riadený (voltage-gated) kanál

Ligand-gated iónový kanál

uzavretý otvorený Bakteriálny „voltage-gated“ draslíkový kanál

Ø Každý akčný potenciál je nasledovaný refraktérnou periódou. Ø 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 refraktérna perióda (fáza) ďalší akčný potenciál vyvolá IBA silnejší stimul ako obvykle

Relatívna refraktérna fáza Membránový potenciál (m. V) Absolútna refraktérna fáza čas (ms)

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

Šírenie sa akčného potenciálu Smer šírenia Refraktérna fáza Ø Trvanie približne a menej než 1 ms Ø Bez poklesu (energia na akčný potenciál je dodaná bunkou) Ø Vlna (miesto) elektrickej negativity na povrchu bunky (elektrickej pozitivity na vnútornej strane membrány) Ø Otvorenie a uzavretie sa napätím riadených iónových kanálov

uzavretý kanál otvorený kanál neaktívny kanál

Saltatórne vedenie Ø v myelinizovaných nervových vláknach je myelynová pochva prerušovaná Ranvierovými zárezmi a na úsekoch medzi nimi pôsobí ako izolačná vrstva. AP „preskakuje“ z jedného zárezu do druhého. Tým sa zvyšuje rýchlosť vedenia vzruchu (z 1 m/s v nemyelinizovaných neurónoch na 100 m/s v myelinizovaných neurónoch) Schwannova bunka Miesto depolarizácie (Ranvierov zárez) Telo bunky Myelínový obal Axón antidrómne vedenie ortodrómne vedenie

Axo-dendritické synaptické zakončenia – chemické synapsy

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

axón zakončenie synapsa

SUMÁCIA postsynaptických potenciálov 1 EPSP časová sumácia 3 EPSP Efekt viacerých ako jedného synaptického potenciálu na neuróne je kumulatívny ak: - je čas medzi stimulmi krátky – časová sumácia - stimuly prídu na blízke miesta na neuróne - priestorová sumácia

Priestorová sumácia PSP Synaptická 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. excitačné presynaptické vstupy postsynaptická bunka axónový hrbolček iniciačný segment inhibičný presynaptický vstup

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)

TYPY SVALU Ø Kostrový sval - priečne pruhované svalové tkanivo pod kontrolou somatického nervového systému (voluntárna kontrola) Ø Srdcový sval - špeciálne priečne pruhované svalové tkanivo pracujúce automaticky a s moduláciou autonómnym nervovým systémom Ø Hladký sval - tkanivo bez priečneho pruhovania stimulované autonómnym nervovým systémom, hormonálne, alebo jednoducho natiahnutím

Štruktúra kostrového svalu Šľacha Fascia Kosť Sval Epimysium Perimysium Svalový snopec Endomysium Axón motorického neurónu Svalové vlákna Sarkoléma Myofibrily Krvná cieva Filamenty Jadro Sarkoplazmatické retikulum

Mikroštruktúra svalu Svalové vlákno – špecializovaná bunka Sarkoléma – membrána svalovej bunky (kostrového, srdcového a hladkého svalu) vedie signál skutočná membrána (plazmatická membrána) + vonkajší obal (tenká vrstva polysacharidov s kolagénovými vláknami), ktorý prechádza do vlákien šľachy Myofibril Sarkoméra Sarkoplazmatické retikulum s T- tubulárnym systémom – vnútorný vodivý systém Sarkoplazma - cytoplazma s organelami Sarkoméra – štrukturálna jednotka myofibrily (zapojené do série) Myofibrily – paralelne usporiadané svalové vlákienka: Aktín (tenký filament) Troponín Tropomyozín Myozín (hrubší filament

Rekruitment (nábor) motorických jednotiek Zvyšujúca sa centrálna (motoneurónová) aktivita – postupná aktivácia motorických jednotiek s vyšším prahom. miecha Motorická jednotka 1 - nízkoprahová (aktivuje sa skôr) Motorická jednotka 2 Motorická jednotka 3 - vysokoprahová (aktivuje sa neskôr)

Nervovosvalová platnička Ø je spojenie nervového a svalového vlákna. Umožňuje nervovej sústave priame riadenie kostrového svalstva a teda pohybov organizmu. Akčný potenciál na presynaptickej membráne(1) aktivuje napätím riadené Ca 2+ kanály čo spôsobí vtok Ca 2+ do bunky – tieto ióny aktivujú vezikuly neurotransmiterom acetylcholín (ACh) (3), ktorý vezikuly výlúčia do synaptickej štrbiny, Ach následne naviazaním na nikotínové receptory (4) riadiace kanály pre Na+ na povrchu sarkolémy (2) spúšťa depolarizáciu a akčný potenciál. .

Sarkoplazmatické retikulum obklopuje myofibrily a obsahuje zásobu Ca 2+ iónov. Priečny T – tubulárny systém je cestou pre akčný potenciál, aby sa tento dostal na sarkoplazmatické retikulum sarkolema myofibrily terminálne cisterny T - tubuly sarkoplazmatické retikulum A-pás I-pás Z línia mitochondria jadro Akčný potenciál na T – tubuloch a sarkoplazmatickom retikule aktivuje napätím riadené Ca kanály na týchto štruktúrach – uvoľnenie (prienik) – vtok Ca 2+ do intracelulárneho priestoru svalového vlákna Ca 2+ – je iniciátor svalovej kontrakcie

relaxovaná maximálna kontrakcia sarkoméry je okolo 30% kontrahovaná

Svalová kontrakcia sa deje interakciou AKTÍN-ových (tenké) a MYOZÍN-ových (hrubé) vlákien. V kľude, tropomyozín prekrýva väzobné miesta aktínu. tenký filament tropomyozín troponín myozín hrubého filamentu

Sval sa kontrahuje, keď sa myozínové hlavy viažu s aktínom (priečne mostíky) a myozínové hlavy sa ohnú, čím potiahnu aktínové filamenty hlbšie medzi myozínové filamenty. cyklus : väzba – ohnutie – uvoľnenie 1 záber – 10 -12 nm

Väzba priečnymi mostíkmi Schéma myozínovej hlavy kuracieho svalu. Pohyb je zrejme v skutočnosti oveľa plynulejší a rozložený aj na aktínovo-myozínové rozhranie. (Rayment et al. Science 261: 50 -58, 1993) Každá myozínová molekula obsahuje 2 peptidy ťažkých reťazcov, ktoré boli enzymaticky zviazané do myozínového ramena a 2 globulárnych hláv či priečnych mostíkov. Ťažký reťazec hlavy má oblasť ramena (modré) obalenú 2 menšími peptidmi. Tieto peptidy predstavujú ľahký reťazec (žlté a červené), ktorý stabilizuje a niekedy sa podieľa na regulácii myozínu.

Na uvoľnenie ohnutých myozínových hláv z väzby k aktínu a na ich vyrovnanie je potrebné ATP. Myozín hydrolyzuje ATP (rozklad na ADP a fosfát), čím získa energiu.

ü Kým je Ca 2+ a ATP prítomné (pri aktíne a myozíne), cyklus : väzba s aktínom, ohnutie, uvoľnenie a vyrovnanie myozínových hláv pokračuje (kontrakcia). ü Ca 2+ je neustále „pumpované“ (Ca pumpou – ATPázou) nazad do sarkoplazmatického retikula (a Ttubulov). ü Ca 2+ koncentrácia sa udržuje vysoká jeho uvoľňovaním zo sarkoplazmatického retikula ďalšími akčnými potenciálmi. ü Bez Ca 2+ sa tropomyozín vráti do tvaru (konformácie), ktorý blokuje väzbové miesta aktínového vlákna – zastavenie kontrakcie. ü Keďže je ATP nevyhnutné na uvoľnenie väzby aktínu a myozínu – bez ATP : RIGOR MORTIS (posmrtná stuhnutosť)

Porovnanie vlastností kostrového, srdcového a hladkého svalu Vlastnosť Kostrový sval Srdcový sval Hladký sval Priečna pruhovanosť? áno nie Relatívna rýchlosť kontrakcie rýchly stredná rýchlosť pomalý Voluntárna kontrola? áno nie Refraktórna perióda membrány krátka dlhá jadier v bunke veľa jedno nervy spontánna, nervovo modulovaná nervy hormóny natiahnutie nie áno kontrola kontrakcie Bunky prepojené interkalárnymi diskami alebo Gap

Šírenie sa elektrickej aktivity (akčného potenciálu) zo sinoatriálneho uzla do tkaniva srdcových predsiení a atrioventrikulárneho uzla a potom do tkaniva srdcových komôr so záznamom príslušného EKG.