Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ

2 Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ

3 Ο ρόλος της κυτταρικής μεμβράνης

4

5 Φαινόμενα μεταφοράς

6 Διάχυση

7 Φαινόμενα μικρο-διαπερατότητας της κυτταρικής μεμβράνης

8 Ασύμμετρη κατανομή ιόντων

9 Ενεργός μεταφορά

10 Ενεργός μεταφορά

11 + Αντλία Na + / K

12 Κεντρικό Νευρικό Σύστημα: Το πιό πολύπλοκο γνωστό Σύστημα! [Ο ανθρώπινος εγκεφαλικός φλοιός έχει 10 Χ 10 9 νευρώνες και 60 Χ συνδέσεις] Το Ν.Σ. βρίσκεται στην κορυφή της ιεραρχίας των Συστημάτων του οργανισμού. Ρόλος του Ν.Σ.: >Έλεγχος & Ρύθμιση του Εσωτερικού Περιβάλλοντος >Έλεγχος & Ρύθμιση των Σχέσεων του οργανισμού με το Εξωτερικό Περιβάλλον {Ομοιόσταση} > Πρόσληψη & Διαχείρηση Πληροφορίας Προγραμματισμός & Συντονισμός Συμπεριφοράς

13 Βασικές Αρχές Οργάνωσης Ø Το Ν.Σ. έχει Ιεραρχική Πολυεπίπεδη Οργάνωση Μερικά από τα κύρια Επίπεδα Οργάνωσης: Συστήματα Συμπεριφοράς Δίκτυα μεταξύ Περιοχών Τοπικά Δίκτυα Νευρώνες Δενδριτικοί Κλάδοι Μικροκυκλώματα Συνάψεις Μόρια & ιόντα

14

15 Ø Η ιεραρχική οργάνωση σε επίπεδα πραγματοποιείται με την ύπαρξη αντίστοιχων Λειτουργικών Μονάδων, που καθορίζονται ως Δομικές Οντότητες. Ø Το δομικό υπόβαθρο αυτών των λειτουργικών μονάδων συνίσταται σε συγκεκριμένο τύπο Νευρωνικού Κυκλώματος (συστήματος συνδέσεων). Ø Το Ν.Σ. δομείται σε επικαλυπτόμενα σύνολα και ιεραρχίες τέτοιων μονάδων με αυξανόμενο βαθμό έκτασης και πολυπλοκότητας. Ø Η Συμπεριφορά αναδύεται από την συντονισμένη δράση της ιεραρχίας των λειτουργικών μονάδων. Ø Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του νευρικού κυκλώματος, αυτό είναι σχεδιασμένο να εκτελεί ειδικές φυσικές συμπεριφορές.

16 Ø Η Ανεξάρτητη Δομική Μονάδα/Οντότητα του Ν.Σ. είναι ο Νευρώνας (το νευρικό κύτταρο)

17 Γενικά, ο νευρώνας έχει διάκριτα δομικά χαρακτηριστικά που αντιστοιχούν σε λειτουργικά χαρακτηριστικά τύπου «Είσοδος / Έξοδος»: Δενδρίτες Περιοχή Εισόδου πληροφορίας Σώμα Περιοχή Ολοκλήρωσης Εισόδων & Μετατροπής/Κωδικοποίησης πληροφορίας (ΑTD conversion) Άξονας Περιοχή Εξόδου πληροφορίας

18

19 ? Επιπλέον: ο νευρώνας, έχοντας διαφορετικούς συνδιασμούς δομικών στοιχείων & φυσιολογικών ιδιοτήτων καθώς επίσης κατανομή των διεγερτικών του ιδιοτήτων σε πολλά σημεία για την τοπική ολοκλήρωση της πληροφορίας, παρουσιάζει πολλαπλά σημεία με χαρακτηριστικά μονάδας «εισόδου / εξόδου». Ø Η επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων πραγματοποιείται μέσω περιοχών χημικής επικοινωνίας που καλούνται Συνάψεις. Μέσω των συνάψεων ένας νευρώνας δέχεται είσοδο (πληροφορία) από εκατοντάδες ή χιλιάδες άλλους νευρώνες & μέσω άλλων συνάψεων στέλνει έξοδο σε εκατοντάδες άλλους νευρώνες. Ø Η χημική σύναψη μπορεί να θεωρηθεί σαν ημι-ανεξάρτητη μονάδα εισόδου / εξόδου.

20 Συνάψεις

21

22 Ø Ο νευρώνας είναι η ανεξάρτητη δομική μονάδα, αλλά... Ø Επειδή ο νευρώνας είναι πολύ πολύπλοκος και περιέχει πολλές συνάψεις, και κάθε σύναψη μοιάζει μάλλον με ένα είδος μοναδιαίας λογικής πύλης (logic gate ~ transistor) οι συνάψεις πιθανότατα αποτελούν τις θεμελιώδεις μονάδες λειτουργικής οργάνωσης του Ν.Σ. Δηλαδή συνιστούν τις στοιχειώδεις Υπολογιστικές Μονάδες. [John von Neuman, 1957: The Brain as a Computer]

23 Είδη Σημάτων Επικοινωνίας Εντός του Ν.Σ. Ηλεκτρικά Χημικά Δυναμικά Ενέργειας Συναπτικά Δυναμικά Μεμβρανικό Δυναμικό Νευροδιαβιβαστές Νευροτροποποιητές

24 Ερώτημα: Ποιά είναι τα κυτταρικά υποστρώματα των νευρωνικών σημάτων Ή αλλιώς: Ποιά είναι τα κυτταρικά στοιχεία και χαρακτηριστικά στα οποία οφείλεται η δημιουργία και η πορεία των σημάτων στο χώρο και χρόνο.

25 Μεμβρανικό Δυναμικό Καλείται η Διαφορά Δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης

26 Δημιουργία Μεμβρανικού Δυναμικού Ø Διαλύματα Ανόργανων Ιόντων Διαχωρίζονται απο Ημιδιαπερατή Μεμβράνη Ø Διάχυση πραγματοποιείται Εκατέρωθεν της Μεμβράνης Ø Εάν μεγάλα, μη διαπερατά, Οργανικά Ιόντα βρίσκονται στη μία πλευρά της μεμβράνης, τα ανόργανα ιόντα κατανέμονται Άνισα μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης [Ισορροπία κατά Donnan, 1924]

27 Δημιουργία Μεμβρανικού Δυναμικού 1. Ίδιας συγκέντρωσης διαλύµατα KCl διαχωρίζοται από µία µεµβράνη µε µικρή αλλά σηµαντική διαπερατότητα και για τα δύο ιόντα ] Χηµική και ηλεκτρική ισορροπία στα δύο µέρη. 2. Μη διαπερατό οργανικό ανιόν τοποθετείται στην µία πλευρά, µαζί µε Κ+ για ηλεκτρική ουδετερότητα ] σχηµατισµός κλίσης συγκέντρωσης για το Κ+ ] διάχυση Κ+ πρός τα έξω, µαζί µε Cl- που ακολουθεί για ηλεκτρική ουδετερότητα [] ισορροπία Donnan] ] Οσµωτική διαφορά 3. Προσθήκη NaCl έξω για διαµόρφωση οσµωτικής ισορροπίας.

28 Παράγοντες Δημιουργίας Μεμβρανικού Δυναμικού 1. Κατανομή των διάφορων ιόντων Χημική Κλίση Ηλεκτρική Κλίση Ηλεκτροχημική κλίση Μεμβρανική Αντλία Ιόντων 2. Σχετική Διαπερατότητα (Αγωγιμότητα) της Μεμβράνης για Κάθε Ιόν

29 Ø Η κυτταρική μεμβράνη έχει ιοντικούς διαύλους (δίοδοι ιόντων) Ø Οι δίαυλοι (κανάλια) είναι είτε συνεχώς ανοικτοί είτε η κατάστασή τους είναι ελεγχόμενη.

30 Παράδειγµα: Κ + Χημική Κλίση Ιόντος & Επίτευξη Ηλεκτροχημικής Ισορροπίας

31

32 Ø Πειραματική διαπίστωση της επίδρασης της κλίσης συγκέντρωσης του Κ + επί του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης.

33 Ο γιγαντιαίος άξονας του καλαμαριού discovered by John Z. Young at University College, London

34 Η ηλεκτροχημική κλίση και η σχετική διαπερατότητα της μεμβράνης για ένα ιόν αποτελούν πληροφοριακά υποστρώματα.

35 Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος Ø Για ένα δεδομένο ιόν, με διαφορετικές συγκεντρώσεις στις δύο πλευρές της μεμβράνης, δηλ. με κλίση συγκέντρωσης, υφίσταται μία θερμοδυναμική δύναμη, η οποία ωθεί το ιόν να κινηθεί προς την περιοχή της μικρότερης συγκέντρωσης (μέσω των αντίστοιχων διαύλων). Ø Από την κίνηση αυτή θα προκύψει όμως και μιά ανακατανομή των φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης και συνεπώς θα αναπτυχθεί μία ηλεκτρική δύναμη η οποία έλκει το ιόν προς την προτέρα κατάσταση. Ø Υπάρχει ένα Ηλεκτρικό (μεμβρανικό) Δυναμικό στο οποίο η θερμοδυναμική ώθηση εξισορροπείται από την ηλεκτρική έλξη με συνέπεια η κίνηση του ιόντος να είναι ίδια και προς τις δύο κατευθύνσεις της μεμβράνης? Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος Ø Στο δυναμικό ισορροπίας υφίσταται Ηλεκτροχημική Ισορροπία για το ιόν.

36

37 Παράγοντες Επηρεασμού του Δυναμικού Ισορροπίας Ιόντος 1. Συγκεντρώσεις των Ιόντων 2. Θερμοκρασία 3. Σθένος του Ιόντος 4. Απαιτούμενο Έργο για Διαχωρισμό δεδομένου ποσού Φορτίου Δυναμικό Ισορροπίας: Έργο για αντιστάθμιση θερμοδυναμικών δυνάμεων = Έργο για αντιστάθμιση ηλεκτρικών δυνάμεων Wc = RT ln [ιόν] έξω / [ιόν] µέσα = W E = F E R: σταθερά αερίων, Joules/Kelvin x mole T Kelvin : T celcius F: σταθερά Faraday, Coulombs/mole W E = Wc ] E ιόντος = RT/zF ln [ιόν] έξω / [ιόν] µέσα (Nernst, 1888) E ιόντος = 2.3 RT/zF log 10 [ιόν] έξω / [ιόν] µέσα

38

39 E Na = 2.3 RT/zF log10 [Νa + ]έξω / [Νa + ]µέσα = 56 mv E K = 2.3 RT/zF log10 [K + ]έξω / [K + ]µέσα = -102 mv E Cl = 2.3 RT/zF log10 [Cl - ]έξω / [Cl - ]µέσα = -76 mv

40 Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας Ø Καλείται η Διαφορά Δυναμικού που υφίσταται μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης σε σταθερές συνθήκες. Εξίσωση Goldman Hodgin Katz: Vm = 2.3 RT/F log 10 P K [K + ] out + P Na [Na + ] out + P Cl [Cl - ] in P K [K + ] in + P Na [Na + ] in + P Cl [Cl - ] out Ø Το Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας καθορίζεται από την σχετική Διαπερατότητα της μεμβράνης στα ιόντα K +, Na + και Cl - : 1.0 / 0.04 / 0.45 Ø Το ΜΔΗ συνεπώς καθορίζεται κυρίως από την κίνηση των ιόντων (ρεύμα) Κ +, που οφείλεται σε συνεχώς ανοικτούς διαύλους Κ +.

41 Δυναμικό Ηρεμίας? Σε κατάσταση ηρεμίας (ΜΔΗ), τα Νa + τείνουν να εισέλθουν στο κύτταρο τα Κ + τείνουν να εξέλθουν από το κύτταρο τα Cl - τείνουν να εισέλθουν στο κύτταρο Ø Τα ιόντα τείνουν να κινηθούν πρός το δυναμικό ισορροπίας τους! Ø Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του δυναμικού ισορροπίας από το ΜΔΗ, τόσο πιό έντονη είναι η (ηλεκτρεγερτική) δύναμη κίνησης. Ø Οι δυνάμεις κίνησης είναι διαφορετικές για κάθε ιόν.

42 ? Η κίνηση των ιόντων διά μέσου της μεμβράνης προκαλεί εκπόλωση ή υπερπόλωση? Εκπόλωση: Μείωση του θετικού φορτίου έξω / Αύξηση του θετικού φορτίου μέσα? Είσοδος θετικών φορτίων προκαλεί εκπόλωση? Έξοδος θετικών φορτίων ή είσοδος αρνητικών φορτίων προκαλεί υπερπόλωση

43 ? Η κυτταρική μεμβράνη των νευρώνων έχει Παθητικές & Ενεργητικές Ιδιότητες Παθητικές Ιδιότητες: τα χαρακτηριστικά που δέν αλλάζουν κατά την ροή της πληροφορίας 1. Συνεχώς Ανοικτοί Δίαυλοι (παθητικοί) ] Αγωγιμότητα (σταθερή) 2. Ηλεκτροχημική κλίση ] Ηλεκτρεγερτική δύναμη 3. Μεμβρανική Διπλοστιβάδα ] Χωρητικότητα

44 ? Η νευρωνική κυτταρική μεμβράνη έχει ιδιότητες ηλεκτρικής Αντίστασης και Πυκνωτή.

45 ? Οι ιοντικοί δίαυλοι λειτουργούν ως αγωγοί ή αντιστάτες στην ροή του ηλεκτρικού ρεύματος του μεταφερόμενου από τα ιόντα γ : ηλεκτρική αγωγιµότητα R : ηλεκτρική αντίσταση u Το ρεύµα που διατρέχει ένα δίαυλο είναι: I = V / R I = V Í γ

46 ? α) Οι κλίσεις συγκεντρώσης ιόντων λειτουργούν ως μπαταρίες. β) Οι παθητικοί, συνεχώς ανοικτοί δίαυλοι δρούν ως αγωγοί σταθερής αντίστασης. (Οι ελεγχόμενοι δίαυλοι δρούν ως αγωγοί μεταβλητής αντίστασης). Παθητικοί δίαυλοι

47 ? Η λιπιδική διπλοστιβάδα µε τη διαχωρισµένη συσσώρευση των φορτίων στις δύο πλευρές προσδίδει την ιδιότητα της Χωρητικότητας στην µεµβράνη, η οποία λειτουργεί ως πυκνωτής

48

49 Ø Μια Διαταραχή του Μεμβρανικού Δυναμικού Εξαπλώνεται Παθητικά? Μειώνεται καθώς εξαπλώνεται κατά μήκος της μεμβράνης

50

51 Ρόλος της μεμβρανικής & εσωτερικής Αντίστασης στην Χωρική Σταθερά

52 Ρόλος της Διαμέτρου στην Χωρική Σταθερά

53 Ø Οι μη παθητικοί δίαυλοι ελέγχονται: είτε από το μεμβρανικό δυναμικό? Τασεοελεγχόμενοι είτε από χημικούς μηνυματοδότες? Χημειοελεγχόμενοι.

54 Δυναμικό Ηρεμίας Σε κατάσταση ηρεμίας (ΜΔΗ), τα Νa + τείνουν να εισέλθουν στο κύτταρο τα Κ + τείνουν να εξέλθουν από το κύτταρο τα Cl - τείνουν να εισέλθουν στο κύτταρο Ø Τα ιόντα τείνουν να κινηθούν πρός το δυναμικό ισορροπίας τους! Ø Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του δυναμικού ισορροπίας από το ΜΔΗ, τόσο πιό έντονη είναι η (ηλεκτρεγερτική) δύναμη κίνησης. Ø Οι δυνάμεις κίνησης είναι διαφορετικές για κάθε ιόν.

55 ? Η κίνηση των ιόντων διά μέσου της μεμβράνης προκαλεί εκπόλωση ή υπερπόλωση? Εκπόλωση: Μείωση του θετικού φορτίου έξω / Αύξηση του θετικού φορτίου μέσα? Είσοδος θετικών φορτίων προκαλεί εκπόλωση? Έξοδος θετικών φορτίων ή είσοδος αρνητικών φορτίων προκαλεί υπερπόλωση

56 Δυναμικό Ενέργειας Ø Σε ορισμένα σημεία του νευρώνα, όπως ο άξονας, ορισμένη εκπόλωση της μεμβράνης προκαλεί μιά σειρά γεγονότων που συνίστανται σε απότομη και πολύ έντονη αλλαγή του ίδιου μεμβρανικού δυναμικού: το φαινόμενο καλείται «Δυναμικό Ενέργειας» (ΔΕ) Ø Το ΔΕ προκαλείται από ιοντικά ρεύματα μέσω τασεοελεγχόμενων διαύλων, οι οποίοι ακολουθούν μία σειρά αλλαγής της ενεργοποίησής τους. Δηλαδή, το ΔΕ προκαλείται από μια σειρά αλλαγών της αγωγιμότητας της μεμβράνης σε ορισμένα ιόντα. Ø Τα ιόντα που συμμετέχουν στο ΔΕ είναι Νa + και K + Ø Και οι δίαυλοι είναι διαπερατοί μόνον στο Νa+ ή στο K+

57

58 Ενεργητικές Ιδιότητες του Διαύλου Νa +

59

60 Το ΔΕ οφείλεται σε μη γραμμικούς κύκλους Θετικής Ανάδρασης (Na + ) & Αρνητικής Ανάδρασης (K+)

61 Το ΔΕ έχει Ουδό & είναι φαινόμενο όλον ή ουδέν Ουδός: Το ποσό της εκπόλωσης Κατά το οποίο το εισερχόμενο ρεύμα Νa υπερβαίνει το παθητικό εξερχόμενο ρεύμα Κ, έτσι ώστε ενεργοποιείται ο μηχανισμός της θετικής ανάδρασης.

62 Διοχεύτευση ποσού ρεύματος που προκαλεί υποκατώφλια αλλαγή του μεμβρ. δυναμικού (εκπόλωση που δεν προκαλεί ΔΕ) η οποία διαδίδεται παθητικά (μειωτικά) κατά μήκος του άξονα.

63 Νευρωνικά Ηλεκτρικά Σήματα Δυναμικά Ενέργειας Συναπτικά Δυναμικά Ατελή Δυναμικά Ενέργειας μέσω ηλεκτρικών συνάψεων Μεμβρανικό Δυναμικό

64 Ø Στις συνάψεις, χημικές ουσίες που απελευθερώνονται από την προσυναπτική απόληξη δεσμεύονται και ενεργοποιούν υποδοχείς/διαύλους στην μετασυναπτική μεμβράνη με αποτέλεσμα την ροή ιόντων δια μέσου της μεμβράνης, δημιουργώντας Συναπτικά Δυναμικά. Τα Συναπτικά Δυναμικά είναι αποτέλεσμα ιοντικών ρευμάτων μέσω χημειοελεγχόμενων διαύλων.

65 Ανάλογα με το ιοντικό ρεύμα που περνά από τους χημειοελεγχόμενους διαύλους, τα συναπτικά δυναμικά είναι: Διεγερτικά & Ανασταλτικά. Διεγερτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό Ανασταλτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό

66 Τα Συναπτικά Δυναμικά: 1. Διαδίδονται κατά μήκος της μεμβράνης Παθητικά? Μειώνονται καθώς μεταδίδονται 2. Αλληλεπιδρούν Μεταξύ τους? Ολοκληρώνονται

67 Συναπτικά Δυναμικά Δυναμικά Ενέργειας

68

69 Η Τριάδα των Νευρωνικών Στοιχείων Ø Το ΝΣ αποτελείται από πολλές τοπικές περιοχές ή κέντρα, καθώς και πολλές συνδέσεις μεταξύ τους. Ø Υπάρχει ένα βασικό γενικό πρότυπο στοιχείων σε κάθε περιοχή, το οποίο συνίσταται από: 1. την είσοδο στην περιοχή (άξονες νευρώνων) 2. τον κύριο νευρώνα που αποτελεί την έξοδο της περιοχής σε άλλες περιοχές (αναμεταδότης-relay, ή νευρώνας προβολής) 3. τους τοπικούς νευρώνες (ενδονευρώνες). Ø Οι διακυμάνσεις των σχέσεων μεταξύ των τριών στοιχείων σε κάθε περιοχή αντανακλούν στις ειδικές λειτουργικές πράξεις της κάθε περιοχής.

70 Κύριος νευρώνας Είσοδος Έξοδος Ενδονευρώνας

71 Συνοψίζοντας

72 Συνοψίζοντας

73

74 Υποδοχείς

75 Ευχαριστώ για την προσοχή σας Θα συνεχίσουμε στο επόμενο μάθημα 75