Adobe Systems Lékařská fakulta Masarykovy univerzity v Brně, Biofyzikální ústav 1 Přednášky z lékařské biofyziky Biologické membrány a bioelektrické jevy Autor: Germis – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=28127022 Bioelektrické jevy Elektrické signály hrají klíčovou roli při řízení všech životně důležitých orgánů. Zabezpečují rychlý přenos informací v organismu. Šíří se vlákny buněk nervového systému i svalovými buňkami, kde spouštějí řetězec dějů, vedoucí k jejich kontrakci. Jsou zahrnuty v základních mechanizmech funkce smyslových a jiných orgánů. Vznikají na buněčné úrovni v membránových systémech, jejich šíření je doprovázeno vznikem elektromagnetického pole v okolním prostředí. Registrace elektrických nebo magnetických signálů na povrchu těla je podstatou významných klinických diagnostických metod. Biologická membrána Předpoklad k pochopení vzniku klidového i činnostního napětí je znalost struktury a vlastností biologické membrány. Jejím základem je elektricky nevodivá tenká dvojvrstva (6-8 nm) molekul fosfolipidů. Do této membrány jsou zabudovány makromolekuly bílkovin, které plní různé funkce. Z hlediska elektrických jevů jsou zcela podstatné dva druhy bílkovinných struktur, které dle jejich funkce budeme označovat jako kanály a přenašeče. V obou případech jde o transportní mechanizmy, umožňující přenos iontů přes nevodivou fosfolipidovou membránu. Tvoří rozhraní mezi buňkami i uvnitř buněk. Udržuje stálé chemické složení uvnitř ohraničených prostorů, a to selektivními transportními mechanismy. Je prostředím pro rychlou biochemickou transformaci pomocí enzymových systémů. Specifická struktura a selektivní iontová propustnost je základem bioelektrických jevů Struktura membrány obr-4copy Adobe Systems Dráždivost •Specifická vlastnost všech živých systémů reagovat určitým způsobem na nějaký podnět. •Důležitá podmínka adaptace živého organizmu na prostředí. •Zvláště významná je tato vlastnost u smyslových buněk a u tzv. vzrušivých tkání (nervové a svalové). •Každý typ vzrušivé tkáně reaguje nejsnáze na určitý energetický impuls (adekvátní podnět). Jiným energetickým impulsem lze sice také vyvolat podráždění, ale při mnohem vyšší energii (neadekvátní podnět). Distribuce iontů v extracelulárním a intracelulárním prostředí svalové buňky Hlavní transportní mechanismy trochu podrobněji. SR – sarkoplasmické retikulum Přenašečové systémy V membránách buněk bylo odhaleno více přenašečových systémů. Jeden z nich, označovaný jako sodíková -draslíková pumpa (Na/K pumpa nebo Na+-K+-ATP-áza) má však pro vytvoření podmínek vzniku membránového napětí zcela základní význam. Vytěsňuje Na-ionty z buňky výměnou za K-ionty a tím zajišťuje, že koncentrace obou zúčastněných iontů v intracelulárním a extracelulárním prostředí (budeme je značit [Na+], [K+] a odlišíme je indexy i, e) jsou rozdílné, přičemž platí: Funkce Na/K pumpy vyžaduje stálý přísun energie, kterou molekulám přenašeče poskytují v intracelulárním prostředí přítomné molekuly adenosintrifosfátu (ATP). Princip sodíkové-draslíkové pumpy Na vnější straně membrány dojde k uvolnění sodných iontů a ke konformační změně přenašečové molekuly, na niž se naváží draselné ionty, které jsou přeneseny dovnitř buňky.. Kanály Jsou to bílkovinné molekuly, avšak na rozdíl od přenašečů, které mají pevná vazebná místa pro přenášené ionty, vytvářejí v membráně póry prostupné pro vodu. Otevírání a uzavírání těchto kanálů (tzv. vrátkování - gating) se může dít několika mechanismy. Vedle změn elektrického pole je vrátkování některých kanálů ovládáno jinými podněty (chemickou vazbou látek, mechanickým napětím aj.). •Průchod iontů celým kanálem nelze považovat za volnou difuzi. Většina kanálů je totiž charakterizována větší či menší selektivitou v propustnosti iontů. •V tomto smyslu hovoříme o sodíkových, draslíkových, vápníkových nebo chloridových kanálech. •Transport iontů kanály nevyžaduje dodání energie. Elektrické a chemické vrátkování kanály2 Složitější představa o vrátkování kanálu za účasti receptorové a efektorové bílkoviny. Public Domain, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=25141203 Klidový membránový potenciál Adobe Systems membrána nitrobuněčný prostor mimobuněčnýprostor Klidové membránové napětí (1) membránové napětí je potenciálový rozdíl mezi mikroelektrodou zavedenou do buňky (negativní potenciál) a povrchovou elektrodou mimo buňku (nulový potenciál) Používají se nepolarizovatelné elektrody membrána mimobuněčný prostor Adobe Systems Klidové membránové napětí (2) je převážně způsobeno nerovnoměrným rozložením iontů na vnitřní a vnější straně membrány Jeho hodnoty závisí na: •typu buňky •druhu živočicha, z něhož buňka pochází •u identických buněk – na skladbě a koncentraci iontových složek roztoků obklopujících buňky Hodnota klidového membránového napětí při normálním iontové skladbě IC a EC tekutiny je od -100 mV do -50 mV tloušťka membrány ~ 10 nm intenzita elektrického pole v membráně pak činí řádově ~ 107 V/m intenzita elektrického pole na povrchu Země ~ 102 V/m Difuze a permeabilita Membrány tvoří bariéru pro difuzi, protože propouští jen malé nenabité částice. Ostatní molekuly procházejí pomocí kanálů nebo přenašečů. Molekuly plynů a kapalin jsou v neustálem pohybu a mají tendenci se pohybovat (difundovat) z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací Permeabilita (P) je vlastně mírou difuze přes membránu Adobe Systems Modely klidového membránového potenciálu (1):elektrodifuzní: - popisují procesy fenomenologicky na základě termodynamiky - spojují vznik napětí s difuzí iontů přes membránu: Nernstův a Gibbs-Donnanův model, model transportu iontů (2): fyzikální na bázi chování pevných látek nebo tekutých krystalů: - popisují pohyb iontů přes membránu a jeho blokování - uvažují charakteristické vlastnosti strukturních prvků membrány (lipidy, proteiny) (3): na bázi ekvivalentních elektrických obvodů: - popisují chování buněk v klidu a při jejich excitaci - využívají elektrické vlastnosti buněk v souladu s elektrodifuzními a pevnolátkovými modely Adobe Systems Define footer – presentation title / department 16 116 Difuzní napětí (2) [2] 0.1 mol NaCl [1] 0.1 mol KCl Difuzní napětí v živých systémech - roztoky oddělené membránou selektivně propustnou pro K+ V takovém systému nastává rovnováha, když tam není žádný výsledný tok jednotlivých iontů 116 Þ difuze K+ po jeho koncentračním spádu, dokud nevznikne stejně velký, avšak opačně orientovaný elektrický gradient Þ vznikne rovnovážné napětí, je-li výsledný difuzní tok nulový Adobe Systems Jednoduchý případ membránové rovnováhy (1) Týž elektrolyt na obou stranách membrány, ale v různých koncentracích (cI > cII), membrána je permeabilní jen pro kationty. Výsledek: elektrická dvojvrstva vytvoří se na membráně vrstva 1: anionty zastaveny na straně I vrstva 2: kationty přitahovány k aniontům (II) koncentrační gradientc elektrický gradient nadbytek pozitivního náboje nadbytek negativního náboje Adobe Systems Jednoduchý případ membránové rovnováhy (2) Koncentrační rozdíl ”pohání” kationty, elektrické pole dvojvrstvy je “tlačí zpět”. Malá separace náboje produkuje relativně velký potenciálový rozdíl, U: (Nernstova rovnice) nadbytek pozitivního náboje nadbytek negativního náboje elektrický gradient koncentrační gradient jI jII Adobe Systems membrána Elektrolyt I anionty R- Anionty cAII Kationty cKI Elektrolyt II Kationty cKII Anionty cAI Gibbs-Donnanova rovnováha (1) Stejný elektrolyt na obou stranách, různé koncentrace (cI > cII), membrána permeabilní pro malé jednomocné ionty K+ a A-, nepermeabilní pro R- difuzibilní ionty: K+, A- volně difundují nedifuzibilní ionty: R- přítomnost R-: nevznikne rovnoměrné rozdělení K+ i A- Þ speciální případ rovnováhy - Donnanova rovnováha Adobe Systems membrána Elektrolyt I anionty R- Anionty cAII Kationty cKI Elektrolyt II Kationty cKII Anionty cAI Gibbs-Donnanova rovnováha (2) Rovnovážné koncentrace: Donnanův poměr: Adobe Systems membrána Elektrolyt I anionty R- Anionty cAII Kationty cKI Elektrolyt II Kationty cKII Anionty cAI Gibbs-Donnanova rovnováha (3) - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + Donnanův poměr: Adobe Systems buněčná membrána intra extra fosfátové anionty proteinové anionty Na+ Cl- K+ K+ Cl- Donnanův model v živé buňce (1) difuzibilní: K+, Cl- nedifuzibilní: Na+, anionty též bílkoviny a nukleové kyseliny Koncentrace: [K+] in > [K+] ex [Cl-] in < [Cl-] ex Adobe Systems intra extra fosfátové anionty proteinové anionty Na+ Cl- K+ K+ Cl- Donnanův poměr: Donnanovo napětí: - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + Donnanův model v živé buňce (2) Adobe Systems Donnanovo napětí (klidové napětí) [mV]: Objekt: Výpočet: Měření: K+: Cl-: axon sépie - 91 - 103 - 62 sval žáby - 56 - 59 - 92 sval potkana - 95 - 86 - 92 Donnanův model v živé buňce (3) Donnanův model se liší od reality: •buňka a okolní prostředí se považují za termodynamicky uzavřené systémy •Nedifuzibilní ionty se považují za úplně nedifuzibilní, membrána není překážkou pro difuzibilní ionty •zanedbává se vliv iontových pump z hlediska koncentrace iontů •interakce mezi membránou a ionty se nebere do úvahy • Adobe Systems Model transportu iontů (1) Předpokládáme: •konstantní koncentrační rozdíl mezi vnější a vnitřní stranou membrány Þ konstantní transport přes membránu •migrace iontů přes membránu Þ elektrická dvojvrstva na obou stranách membrány •všechny druhy iontů na obou stranách membrány se berou v úvahu současně •různá nenulová permeabilita pro různé ionty • Elektrodifuzní model s menším počtem zjednodušení. Adobe Systems Model transportu iontů (2) Goldman - Hodgkin – Katzova rovnice P - permeabilita Adobe Systems Model transportu iontů (3) Tzv. obří axon sépie (t = 25°C): pK : pNa : pCl = 1 : 0,04 : 0,45 Výpočet: U = - 61 mV Měření: U = - 62 mV Sval žáby (t = 25°C): pK : pNa : pCl = 1 : 0,01 : 2 Výpočet: U = - 90 mV Měření: U = - 92 mV Činnostní (akční) potenciál Činnostní (akční) potenciál (1) Pojmem činnostní potenciál označujeme rychlou změnu klidového membránového napětí vzniklou po nadprahovém podnětu, šířící se do okolních okrsků membrány Tato napěťová změna je spojena s prudkou změnou propustnosti kanálů pro sodné a draselné ionty v nervových a svalových buňkách Činnostní potenciál může být vyvolán elektrickými, chemickými nebo i mechanickými podněty, vedoucími k místnímu snížení klidového membránového napětí Činnostní (akční) potenciál (2) (na nervovém vlákně – axonu) cytosol E – zde napětí, potenciál g = elektrická vodivost, rozlišujeme vodivost pro jednotlivé ionty (ms) Mechanismus spuštění činnostního potenciálu u neuronů a příčně pruhovaných svalů t Um rovnovážný potenciál Na+ , UNa prahový potenciál, Upr rovnovážní potenciál K+, UK klidový membránový potenciál, Umr = rovnovážný potenciál Cl- 0 t AP fáze depolarizace kladná zpětná vazba: gNa Þ depol Þ gNa fáze repolarizace: inaktivace gNa a aktivace gK fáze hyperpolarizace (deaktivace gK, aktivace gCl ) podprahový podnět nadprahový podnět AP Absolutní refrakterní fáze Relativní refrakterní fáze Klidový potenciál Klidový potenciál Refrakterní fáze čas [ms] Refrakterní fáze Refrakterní = obecně odolný, vzdorující 1111 Oblast AP Směr postupu AP Vedení vzruchu je jednosměrné, protože opačná strana membrány se nachází v refrakterní fázi, respektive je hyperpolarizovaná. Prohlédněte si animaci na prvním snímku – jistě poznáte, co není v pořádku! Vedení vzruchu po membráně Činnostní potenciál Změny v rozložení iontů, k nimž dochází v důsledku činnostního potenciálu, jsou vyrovnávány činností iontových pump (aktivním transportem) Činnostní potenciál patří k jevům označovaným jako „vše nebo nic“. Takový jev má vždy stejnou velikost. Zvyšování intenzity nadprahového podnětu se proto projeví nikoliv zvýšením amplitudy činnostního potenciálu nýbrž zvýšením jeho frekvence. 1116 Nadprahový podnět Podprahový podnět Práh Práh činnostní potenciál Čas [ms] Čas [ms] Vznik činnostního (akčního) potenciálu Šíření činnostního potenciálu OBR59 Činnostní potenciál se šíří po membráně jako vlna negativity prostřednictvím místních proudů 1115 elektrický proud akční potenciál akční potenciál akční potenciál Ranvierovy zářezy myelinová vrstva nervové vlákno saltatorické – skokem Vedení vzruchu po (myelinizovaném) nervovém vlákně Příklady činnostních potenciálů obr-1 A - nervové vlákno, B - svalová buňka srdeční komory; C - buňka sinoatriálního uzlu; D - buňka hladkého svalu. Synapse Definice synapse Synapse představuje specifické spojení mezi nervovými buňkami navzájem a mezi nervovými a jinými cílovými buňkami (např. svalovými), umožňující přenos činnostních potenciálů. Rozlišujeme: synapse elektrické – těsná spojení dvou buněk pomocí iontových kanálů, umožňující rychlý oboustranný přenos vzruchu synapse chemické - jsou častější, jsou vázány na specifické struktury a zajišťují jednosměrný přenos vzruchu 119 akční potenciál akční potenciál synaptický potenciál směr signálu receptorový potenciál tělo buňky stimul Integrace signálu ve spouštěcí zóně neurotransmiter Integrace signálu ve spouštěcí zóně Vedení vzruchu mezi nervovými buňkami 1117 vezikuly synaptická štěrbina Synaptická štěrbina receptory aktivní enzymy neaktivní enzymy akční potenciály acetylcholín Solid diamond cholínesteráza Ca2+ Ca2+ mitochondrie synaptický uzlík axon dendrit Chemická synapse Mitochondrie Vezikuly Synaptická štěrbina Neuromuscular synapse, the junction between a motor neuron axon and a muscle fiber. Brain Science, Science Art, Behavioral Neuroscience, Science Gallery, Cell Forms, Motor Neuron, Cells And Tissues, Microscopic Images, Electron Microscope Neuromuskulární synapse, převzato z https://www.pinterest.com/pin/394487248587355522/ Chemická synapse záznam z elektronového mikroskopu Synaptické mediátory (neurotransmitery) Mediátorem excitačních synapsí je nejčastěji acetylcholin (v nervosvalových ploténkách a CNS) a kyselina glutamová (v CNS). Obě látky působí jako vrátkovací ligandy především pro sodíkové kanály. Průnik sodných iontů do buňky vyvolá potenciálovou změnu membrány v kladném smyslu – depolarizace membrány (excitační postsynaptický potenciál). Mediátorem inhibičních synapsí v mozku je kyselina gama-aminomáselná (GABA). Působí jako vrátkovací ligand chloridových kanálů. Chloridové ionty vniklé do buňky vyvolají potenciálovou změnu membrány v záporném smyslu, jejímž důsledkem je hyperpolarizace membrány (inhibiční postsynaptický potenciál) EPSP = excitační postsynaptický potenciál Vede k depolarizaci otevřením sodíkových kanálů. IPSP = inhibiční postsynaptický potenciál Vede k hyperpolarizaci otevřením chloridových kanálů. EPSP a IPSP se mohou vzájemně kompenzovat. Excitační a inhibiční postsynaptický potenciál sumace vzruchů Sumace vzruchů Shrnutí Elektrické jevy na biologických membránách mají rozhodující význam pro funkci vzrušivých tkání. Klidový membránový potenciál (fyzikálně správně: membránové napětí) je důsledkem nerovnoměrného rozložení iontů na obou stranách membrány. Toto je udržováno dvěma základními mechanismy: selektivně propustnými kanály a přenašečovými systémy. Oba systémy jsou bílkovinné povahy. Změny membránového napětí po podráždění označujeme jako činnostní (akční) potenciál. Membrána prochází po podráždění dvěma fázemi: depolarizací – spojenou s vtokem sodných iontů do buňky a následnou repolarizací – spojenou s výtokem draselných iontů z buňky. V refrakterní fázi je membrána buď zcela nebo částečně nedráždivá Synapse představuje místo spojení dvou buněk, umožňující přenos činnostního potenciálu. Autoři: Vojtěch Mornstein, Katarína Kozlíková, Ivo Hrazdira, Veronika Ostatná Poslední revize a ozvučení: březen 2021