Ηλεκτροφυσιολογία της Κυτταρικής Μεμβράνης

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ - ΠΑΝ/ΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Ι Ηλεκτροφυσιολογία της Κυτταρικής Μεμβράνης Κων/νος Παπαθεοδωρόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής * Εργαστήριο Φυσιολογίας 2017

2 Βοηθήματα: Αρχές Φυσιολογίας: Berne & Levy: Στοιχεία από Κεφ. 1 & 2. Κεφ. 5. Ιατρική Φυσιολογία, Borοn & Boulpaep: Τόμος Ι, Κεφ. 6 & 7 [Και στοιχεία από Κεφ. 3, 4, 10].

3 Φυσιολογία: Πως λειτουργεί το κύτταρο και πως οργανώνονται οι λειτουργίες του οργανισμού στο επίπεδο των ιστών και των οργάνων. Η κατανόηση των θεμάτων Φυσιολογίας είναι πολύ σημαντική και απαιτητική εργασία γιατί πάνω στην γνώση των φυσιολογικών μηχανισμών βασίζεται η κατανόηση της λειτουργίας του οργανισμού και η κατανόηση του τρόπου που η φυσιολογική λειτουργία μετατρέπεται σε παθολογική.

4 Γιατί είναι σημαντική η μελέτη της ηλεκτροφυσιολογίας της μεμβράνης? Η ηλεκτρική συμπεριφορά της μεμβράνης αποτελεί τη βάση της λειτουργίας των κυττάρων στο νευρικό & μυϊκό σύστημα. Η ηλεκτρική δραστηριότητα της μεμβράνης των νευρικών κυττάρων αποτελεί τη βάση της δημιουργίας και μετάδοσης σήματος κατά μήκος καθ ενός νευρικού κυττάρου. Τα νευρωνικά σήματα συνίστανται σε μεταβολές της ηλεκτρικής κατάστασης της μεμβράνης. Τα ηλεκτρικά αυτά νευρωνικά σήματα αποτελούν βασικά στάδια στην επικοινωνία εντός του Νευρικού Συστήματος. Η επικοινωνία στο Νευρικό Σύστημα περιλαμβάνει α) την δημιουργία και διάδοση των ηλεκτρικών σημάτων πάνω σε καθ ένα νευρικό κύτταρο, και β) την χημική επικοινωνία μεταξύ των νευρικών κυττάρων (Συναπτική Διαβίβαση-β έτος). Η δημιουργία ηλεκτρικών σημάτων στην μεμβράνη των μυϊκών κυττάρων αποτελεί την εναρκτήρια βάση της λειτουργίας του μυϊκού κυττάρου: Σύσπαση.

5 Το νευρικό κύτταρο συνιστά τη δομική και λειτουργική μονάδα του Νευρικού Συστήματος

6 Ανατομο-λειτουργικά χαρακτηριστικά του νευρικού κυττάρου (νευρώνα) Δενδρίτες Είσοδος πληροφορίας από άλλους νευρώνες Σώμα Συνδιασμός/Ολοκλήρωση πληροφορίας Νευράξονας Αποστολή συμπερασματικής πληροφορίας σε απόσταση.. Απολήξεις Μεταβίβαση πληροφορίας σε άλλους νευρώνες

7 Η διαχείριση της πληροφορίας από έναν νευρώνα και η επικοινωνία της πληροφορίας μεταξύ νευρώνων πραγματοποιείται με ηλεκτρική και χημική συμπεριφορά αντίστοιχα. Ηλεκτρική δραστηριότητα: Πάνω στο νευρικό κύτταρο Χημική επικοινωνία: Μεταξύ κυττάρων

8 Ηλεκτρική Δραστηριότητα Μεμβράνης Η ηλεκτρική δραστηριότητα της μεμβράνης των νευρικών κυττάρων αποτελεί τη βάση της δημιουργίας και μετάδοσης ενός σήματος κατά μήκος καθ ενός νευρικού κυττάρου. Τα νευρωνικά σήματα συνίστανται σε μεταβολές της ηλεκτρικής κατάστασης της μεμβράνης. Η βασική ηλεκτρική κατάσταση της μεμβράνης συνίστανται στην ύπαρξη ενός φυσικού ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης. Η μόνιμη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης καλείται μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας Πόλωση της μεμβράνης. Οι παροδικές μεταβολές του ηλεκτρικού μεμβρανικού δυναμικού συνιστούν τα ηλεκτρικά σήματα στο νευρικό (και μυϊκό) σύστημα. Στην μεμβράνη των νευρικών κυττάρων δημιουργούνται δύο ειδών ηλεκτρικά σήματα μέσω των οποίων υφίσταται επικοινωνία κατά μήκος του νευρικού κυττάρου. Τα δύο αυτά είδη ηλεκτρικών σημάτων πάνω στην μεμβράνη του νευρικού κυττάρου είναι τα τοπικά δυναμικά και τα δυναμικά ενεργείας.

9 Ανατομο-λειτουργικά χαρακτηριστικά του νευρικού κυττάρου (νευρώνα) Δενδρίτες Τοπικό Δυναμικό Είσοδος πληροφορίας από άλλους νευρώνες Σώμα Συνδιασμός/Ολοκλήρωση πληροφορίας Νευράξονας Δυναμικό Ενεργείας Αποστολή συμπερασματικής πληροφορίας σε απόσταση.. Απολήξεις Χημική Διαβίβαση Τοπικό Δυναμικό στον επόμενο νευρώνα Μεταβίβαση πληροφορίας σε άλλους νευρώνες

10 Κύριοι Στόχοι 1. Κατανόηση των βασικών εννοιών της ηλεκτρικής συμπεριφοράς της κυτταρικής μεμβράνης: Ιοντικοί δίαυλοι, Μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας, δυναμικό ισορροπίας ιόντος, ηλεκτροχημική ισορροπία, ηλεκτρεγερτική δύναμη, εκπόλωση-υπερπόλωση, τοπικά δυναμικά, δυναμικό ενεργείας, ουδός ή κατώφλιο, περίοδος ανερεθιστότητας. 2. Σχέσεις μεταξύ των ανωτέρω φαινομένων ή εννοιών. 3. Mηχανισμοί που υπόκεινται των φαινομένων του μεμβρανικού δυναμικού, του δυναμικού ισορροπίας, των τοπικών δυναμικών και του δυναμικού ενεργείας. 4. Λειτουργικός ρόλος των μεμβρανικών δυναμικών. Η γνώση αυτών που αναφέρονται στους κύριους στόχους αποτελούν τη βάση για την κατανόηση της φυσιολογικής και παθολογικής συμπεριφοράς του νευρικού & μυϊκού κυττάρου.

11 Σε όλα τα κύτταρα του οργανισμού υπάρχει ένας διαχωρισμός φορτίου μεταξύ των δύο πλευρών της πλασματικής μεμβράνης.

12 Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας Σε όλα τα κύτταρα του οργανισμού υπάρχει ένας διαχωρισμός φορτίου μεταξύ των δύο πλευρών της πλασματικής μεμβράνης: ηλεκτρική πόλωση μεμβράνης. Η ηλεκτρική πόλωση της μεμβράνης αποτελεί την φυσιολογική βάση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των νευρικών & μυϊκών κυττάρων.

13 Μέτρηση του Μεμβρανικού Δυναμικού Ηρεμίας

14 Το μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας βασίζεται σε δύο χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν όλα τα ζωντανά κύτταρα: α) Μία φυσική συγκέντρωση μορίων εντός του κυττάρου, πολλά από τα οποία είναι πολωμένα και συνίστανται σε μεγάλα πρωτεϊνικά αρνητικώς φορτισμένα μόρια, και σε ιόντα τα οποία είναι φορτισμένα. β) Η κυτταρική μεμβράνη παρουσιάζει διαπερατότητα.

15 Διάχυση ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ Μικρά υδρόφοβα Μεγάλα πολικά (μικρά οργανικά) Μικρά πολικά μη φορτισμένα Φορτισμένα (ανόργανα ιόντα) (ανεξαρτήτως μεγέθους..)

16 ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Διευκολυνόμενη Διάχυση Ανόργανα Ιόντα Μικρά οργανικά Πόροι & Δίαυλοι Μεταφορείς

17 ΠΑΘΗΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ (ΚΛΙΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ - ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΚΛΙΣΗ) Παθητική Διάχυση Διευκολυνόμενη Διάχυση Μικρά υδρόφοβα (O 2, CO 2, Ν 2, Μικρά πολικά μη φορτισμένα (H 2 O, γλυκερόλη, αιθανόλη) βενζόλιο) Μη ελεγχόμενοι (Πόροι) Παθητική: Δίαυλοι Ανόργανα Ιόντα (μέγεθος, ηλεκτρικό φορτίο) Ελεγχόμενοι Παθητική: Μεταφορείς Μικρά Οργανικά Ανόργανα Ιόντα Συναπτικοί Υποδοχείς Χημειο-ελεγχόμενοι Τασεο-ελεγχόμενοι Μεταβοτροπικοί Ιονοτροπικοί

18 Πρωτεϊνικοί Μεμβρανικοί Δίαυλοι

19 Μετακίνηση ιόντων δια μέσου της μεμβράνης συνιστά ηλεκτρικό ρεύμα! Η ηλεκτρική συμπεριφορά των μεμβρανών βασίζεται στα ανόργανα ιόντα Γιατί τα ιόντα? 1. Υπάρχουν σε αφθονία 2. Είναι μικρά και εύχρηστα 3. Είναι και φορτισμένα!

20 Διαπερατότητα Ιοντικών Διαύλων Οι ιοντικοί δίαυλοι επιτρέπουν την Ταχύτατη Παθητική Διάχυση των Ιόντων. Η διάχυση δια μέσου των ιοντικών πόρων είναι > 10 6 ιόντα / sec, 1000 φορές πιό ταχεία από την μεταφορά μέσω πρωτεϊνών-μεταφορέων. Η ροή ιόντων δια μέσου ενός διαύλου εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις του ιόντος εκατέρωθεν της μεμβράνης.

21 Διαπερατότητα Ιοντικών Διαύλων Ένας ιοντικός δίαυλος είναι διαπερατός σε ορισμένη κατηγορία ιόντων (κατιόντων-ανιόντων) ή και σε συγκεκριμένο είδος ιόντος (π.χ. Κάλιο, Νάτριο, Χλώριο). Η Επιλεκτικότητα αυτή οφείλεται στην ύπαρξη ηθμού στον δίαυλο και τον σχετικό βαθμό και ένταση της ενυδάτωσης των αγωμένων ιόντων.

22 Διαπερατότητα Ιοντικών Διαύλων Πρωτεϊνικοί Μεμβρανικοί Δίαυλοι Η ροή ιόντων δια μέσου ενός διαύλου εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις του ιόντος εκατέρωθεν της μεμβράνης. Ένας ιοντικός δίαυλος είναι διαπερατός σε ορισμένη κατηγορία ιόντων (κατιόντων-ανιόντων) ή και σε συγκεκριμένο είδος ιόντος (π.χ. Κάλιο, Νάτριο, Χλώριο). Παρουσιάζει δηλ. επιλεκτικότητα.

23 Επιλεκτικότητα Δίαυλος Νατρίου Na Α ο Το Κ + είναι μεγαλύτερο από το Na + Ο δίαυλος του Κ + είναι μικρότερος από αυτόν του Νa +... Το (ενυδατωμένο) Κ + δεν περνά από τον δίαυλο Νa + λόγω μεγέθους (φυσικής διάστασης). Το ενυδατωμένο Νa + δεν περνά Δίαυλος Καλίου Κ+ ο 1.33 Α από τον δίαυλο Κ + λόγω ηλεκτροστατικών δυνάμεων.

24 Θέματα προς εξέταση Πως δημιουργείται και από τι εξαρτάται η διαμεμβρανική διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού? Πως μπορεί να μεταβληθεί κατά την λειτουργία του κυττάρου? Ποιά είναι η λειτουργία των μεταβολών του μεμβρανικού ηλεκτρικού δυναμικού? Πως επηρεάζεται η ηλεκτρική δραστηριότητα από φυσιολογικούς/παθολογικούς παράγοντες? Γιατί χρησιμοποιείται ο ηλεκτρισμός από τα κύτταρα?

25 Δημιουργία Μεμβρανικού Δυναμικού Κυττάρων Κ + Κ + Cl Κ? + Μεμβράνη διαπερατή μόνον στο Κ +

26 Η κλίση συγκέντρωσης ως πηγή ανάπτυξης δια-μεμβρανικού ηλεκτρικού δυναμικού Μεμβράνη διαπερατή μόνον για Κ+ Όχι καθαρή ροή Κ + Καθαρή ροή Κ + από 1 > 2 Ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού

27 Η κλίση συγκέντρωσης ως πηγή ανάπτυξης δια-μεμβρανικού ηλεκτρικού δυναμικού Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Κυτταρική μεμβράνη: συνεχής διαπερατότητα για Κ+ Καθαρή ροή Κ+ από 1 2 Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος: Δυναμικό στο οποίο η κίνηση του ιόντος λόγω χημικών δυνάμεων εξισορροπείται από την κίνηση του ιόντος λόγω ηλεκτρικών δυνάμεων.

28 Δυνάμεις που επενεργούν σε ένα ιόν και καθορίζουν την κίνησή του Ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού (Όχι καθαρή ροή Κ + ) Όχι καθαρή ροή Κ + Καθαρή ροή Κ + από 2 > 1 Οι δυνάμεις που καθορίζουν την κίνηση ενός ιόντος δια μέσου της μεμβράνης συνίστανται στην κλίση συγκέντρωσης του ιόντος (διαφορά χημικού δυναμικού) & στην διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού, δηλ. στην ηλεκτροχημική διαφορά δυναμικού

29 Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος 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 Ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού. Κ + σε ισορροπία (μέσω των αντίστοιχων διαύλων). 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. 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 Στο δυναμικό ισορροπίας υφίσταται Ηλεκτροχημική Ισορροπία για το ιόν.

30 Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος Το δυναμικό ισορροπίας ιόντος νοείται σε συνθήκες σταθερές στον χρόνο Το δυναμικό ισορροπίας είναι μια ποσότητα που εξαρτάται μόνον από την κλίση συγκέντρωσης του ιόντος! Το δυναμικό ισορροπίας είναι ανεξάρτητο από το μεμβρανικό δυναμικό! Το Δυναμικό Ισορροπίας ενός Ιόντος: - Εξαρτάται από την χημική κλίση και το σθένος του ιόντος. - Είναι ανεξάρτητο από τη διαφορά δυναμικού εκατέρωθεν της μεμβράνης. Σημασία του δυναμικού ισορροπίας ιόντος: Για δεδομένη κλίση συγκέντρωσης, η κίνηση ενός ιόντος θα μεταβάλλει το μεμβρανικό δυναμικό τείνοντας προς το δυναμικό ισορροπίας του

31 Παράγοντες Επηρεασμού του Δυναμικού Ισορροπίας Ιόντος 1. Αναλογία Συγκεντρώσεων του Ιόντος 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

32 Δημιουργία Μεμβρανικού Δυναμικού Donnan, 1924: Εάν ένα μεγάλο μη διαπερατό οργανικό ιόν (Α - ) προστεθεί στη μία πλευρά μιας μεμβράνης, η οποία διαχωρίζει δύο διαμερίσματα που περιέχουν ένα διάλυμα διαπερατών ιόντων, τα διαπερατά ιόντα θα κατανεμηθούν άνισα στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Έτσι διαμορφώνεται η λεγόμενη Ισορροπία κατά Donnan, με ηλεκτρική ουδετερότητα σε κάθε πλευρά η οποία εκφράζεται με την σχέση: [Κ + ] έξω [Α - ] μέσα = [Κ + ] μέσα [Α - ] έξω = [Κ + ] έξω [Cl - ] μέσα [Κ + ] μέσα [Cl - ] έξω

33 Δημιουργία Μεμβρανικού Δυναμικού Κυττάρων Ενδοκυττάριο περιβάλλον Εξωκυττάριο περιβάλλον Κ + Na + οργανικά Cl - Ανιόντα - Cl - Cl - Na + Κ + Ανιόντα -

34 Εξωκυττάριες & Ενδοκυττάριες συγκεντρώσεις ιόντων Συγκέντρωση (mm) Ιόν Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Άξονας καλαμαριού Κάλιο (K + ) Νάτριο (Na + ) Χλώριο (Cl - ) Ασβέστιο (Ca 2+ ) Νευρώνας θηλαστικού Κάλιο (K + ) Νάτριο (Na + ) Χλώριο (Cl - ) Ασβέστιο (Ca 2+ )

35 Μεμβρανικό Δυναμικό Το Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας θα πρέπει να επηρεάζεται από τα δυναμικά ισορροπίας των ιόντων σε συνδυασμό με τη σχετική διαπερατότητα / αγωγιμότητα της μεμβράνης για κάθε ιόν. Εάν στην κατάσταση ηρεμίας η μεμβρανική διαπερατότητα είναι πολύ μεγαλύτερη για το Κ+, το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης θα επηρεάζεται κυρίως από το δυναμικό ισορροπίας του Κ +. Σε κατάσταση ηρεμίας, η κυτταρική μεμβράνη έχει πολύ μεγαλύτερη διαπερατότητα για τα ιόντα Κ + από ότι για τα άλλα πιό πολυπληθή ιόντα (Na +, Cl -, Ca 2+ ). Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη συνεχώς ανοικτών διαύλων (πόρων) Κ +. Αφού [Κ + ]μέσα >> [Κ + ]έξω το Κ + θα κινηθεί από μέσα προς τα έξω προκειμένου να φθάσει στο δυναμικό ισορροπίας του.

36 Υπολογισμός Μεμβρανικού Δυναμικού Ηρεμίας 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 Το Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας καθορίζεται από την σχετική διαπερατότητα της μεμβράνης στα ιόντα K +, Na + και Cl - Η διαπερατότητα για κάθε ιόν σε συνθήκες ηρεμίας καθορίζεται από τον αριθμό των συνεχώς ανοικτών διαύλων του (πόρων).

37 Το Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας καθορίζεται από τις συγκεντρώσεις και την σχετική διαπερατότητα της μεμβράνης στα ιόντα K +, Na + και Cl - Το δυναμικό ηρεμίας αναμένεται να έχει μιά τιμή που να προκύπτει ως συνιστώσα των δυναμικών ισορροπίας των διαφορετικών ιόντων στα οποία η μεμβράνη είναι διαπερατή. Σε κατάσταση ηρεμίας η διαπερατότητα της μεμβράνης στα ιόντα K+, Na+ και Cl- είναι: 1.0 / 0.04 / 0.45 Αυτό διαπιστώθηκε από τους Hodgkin & Katz (1949) μέσω παρατήρησης της επίδρασης των αλλαγών των εξωκυττάριων συγκεντρώσεων των ιόντων στο μεμβρανικό δυναμικό. Έτσι, αφού σε κατάσταση ηρεμίας: PK >> PNa, PCl η εξίσωση Goldman ανάγεται στην εξίσωση Nernst για το Κ+. Το ΜΔΗ συνεπώς καθορίζεται κυρίως από την κίνηση των ιόντων (ρεύμα) Κ+, που οφείλεται σε συνεχώς ανοικτούς διαύλους Κ+.

38 Παρότι σε κατάσταση ηρεμίας η διαπερατότητα της μεμβράνης είναι πολύ μεγαλύτερη για το Κ + απ ότι για το Na + και το Cl -, το δυναμικό ηρεμίας δεν συμπίπτει με το δυναμικό ισορροπίας του Κ γιατι σε κατάσταση ηρεμίας υφίσταται επίσης μία μικρή αγωγιμότητα για το Νa + και το Cl -

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

40 Δυναμικά Ισορροπίας Ιόντων 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 Ενδοκυττάρια E Cl = 2.3 RT/zF log10 [Cl - ]έξω / [Cl - ]μέσα = -76 mv Εξωκυττάρια

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 Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Τα ιόντα τείνουν να κινηθούν πρός το δυναμικό ισορροπίας τους!

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 Τα ιόντα τείνουν να κινηθούν πρός το δυναμικό ισορροπίας τους! Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του δυναμικού ισορροπίας από το ΜΔΗ, τόσο πιό έντονη είναι η (ηλεκτρεγερτική) δύναμη κίνησης. Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Οι δυνάμεις κίνησης είναι διαφορετικές για κάθε ιόν.

43 Ηλεκτρεγερτική Δύναμη Ιόντος Οι κλίσεις συγκέντρωσης των ιόντων σε συνδιασμό με τα δυναμικό ισορροπίας αποτελούν ένα είδος μπαταρίας, ή συσσωρευτή του οποίου το δυναμικό προκαλεί ιοντικό ρεύμα κάθε φορά που υφίσταται αγωγιμότητα, δηλ. διαπερατότητα. Η δύναμη που επενεργεί στο ιόν και το κινεί: ηλεκτρεγερτική δύναμη, η οποία είναι ανάλογη της διαφοράς μεταξύ του δυναμικού ισορροπίας του ιόντος και του μεμβρανικού δυναμικού

44 Τα ιόντα που διαρρέουν μέσω των διαύλων αντικαθίστανται από ιόντα που μεταφέρονται μέσω πρωτεϊνών-μεταφορέων (αντλιών). Η αντλίες ιόντων διατηρούν τις κλίσεις συγκέντρωσης των ιόντων και έτσι συμβάλλουν στην διατήρηση του μεμβρανικού δυναμικού ηρεμίας.

45 Η Διαφορά Δυναμικού, υφίσταται ΜΟΝΟΝ μεταξύ των δύο πλευρών της λιπιδικής διπλοστιβάδας και δεν αφορά περίσσεια θετικών/αρνητικών φορτίων μεταξύ εξωκυττάριου και ενδοκυττάριου χώρου, οι οποίοι ουσιαστικά είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι. Δηλαδή, στην δημιουργία του μεμβρανικού δυναμικού συμμετέχει ένα μικρό μόνον μέρος των ιόντων που βρίσκονται στον εξωκυττάριο και ενδοκυττάριο χώρο. Σε σταθερές συνθήκες, υπάρχει ηλεκτρική ουδετερότητα, οσμωτική ισορροπία αλλά δεν υπάρχει χημική ισορροπία. Η χημική κλίση αποτελεί πηγή δημιουργίας ηλεκτρικής κλίσης. Τα ηλεκτρικά σήματα στο ΝΣ ουσιαστικά συνίστανται σε παροδικές μεταβολές του μεμβρανικού δυναμικού που οφείλονται σε ρεύμα (ροή ιόντων) μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης.

46 Διαπερατότητα Μεμβράνης Κλίση Συγκέντρωσης Ιόντων Αντλία ιόντων Ιοντικό Ρεύμα Τάση Ιόντων προς Ισορροπία (Δυναμικό Ισορροπίας) Μεταβολή (Ηλεκτρικών) Δυνάμεων που εξασκούνται στα Ιόντα Μεταβολή Μεμβρανικού (Ηλεκτρικού) Δυναμικού

47 Ιδιότητες: 1. Διαπερατότητα Ιοντικοί Δίαυλοι 2. Επιλεκτικότητα 3. Έλεγχος Κατηγορίες Διαύλων: Α. Συνεχώς Ανοικτοί Β. Ελεγχόμενοι 1. Δυναμικό της Μεμβράνης Τασεοελεγχόμενοι 2. Νευροδιαβιβαστές, Νευροτροποποιητές Χημειοελεγχόμενοι 3. Μηχανικό Ερέθισμα (Πίεση Διάταση, σε αισθητικούς υποδοχείς)

48 Η διαχείριση της πληροφορίας από έναν νευρώνα και η επικοινωνία της πληροφορίας μεταξύ νευρώνων πραγματοποιείται με ηλεκτρική και χημική συμπεριφορά αντίστοιχα. Ηλεκτρική δραστηριότητα Χημική επικοινωνία

49 Ηλεκτρικές Συνάψεις μέσω Χασματοσυνδέσεων Στις ηλεκτρικές συνάψεις το ηλεκτρικό ρεύμα περνά παθητικά από το ένα κύτταρο στο άλλο. Οι ηλεκτρικές συνάψεις μπορούν να συγχρονίσουν την δραστηριότητα ενός μεγάλου πληθυσμού κυττάρων - Συγχρονισμένη ηλεκτρική δραστηριότητα νευρώνων εγκεφαλικού στελέχους για την αναπνοή - Συγχρονισμένη ηλεκτρική δραστηριότητα νευρώνων υποθαλάμου για έκκριση ορμονών - Συγχρονισμός δραστηριότητας ορισμένων τύπων νευρικών & γλοιακών κυττάρων του εγκεφάλου - Αγωγή ηλεκτρικής δραστηριότητας στην καρδιά

50 Ενεργοποίηση Χημειο-ελεγχόμενων & Τασεο-ελεγχόμενων Ιοντικών Διαύλων Χημειο-ελεγχόμενοι δίαυλοι συνιστούν ιονοφόρους υποδοχέων νευροδιαβιβαστών, και ενεργοποιούνται με την δέσμευση του νευροδιαβιβαστή. Οι Τασεο-ελεγχόμενοι δίαυλοι ενεργοποιούνται με την αλλαγή του μεμβρανικού δυναμικού. Χημειο-ελεγχόμενοι Τασεο-ελεγχόμενοι

51 Μεταβολές του μεμβρανικού δυναμικού: Τοπικά Δυναμικά & Δυναμικό Ενεργείας Το δυναμικό της μεμβράνης μεταβάλλεται όποτε υφίσταται ιοντικό ρεύμα δια μέσου της μεμβράνης, δηλ. όποτε ανοίξουν (ή κλείσουν) ιοντικοί δίαυλοι. Ενεργοποίηση χημειο- ή μηχανο-ελεγχόμενων διαύλων δημιουργεί τοπικά δυναμικά στις συνάψεις και δυναμικά υποδοχέα στα υποδεκτικά αισθητικά κύτταρα. Ενεργοποίηση τασεο-ελεγχόμενων διαύλων μεταβάλλει το μεμβρ. δυναμικό σε άλλα σημεία του κυττάρου, και είναι ευθύνεται για τη δημιουργία του Δυναμικού Ενεργείας (διέγερση).

52 Τοπικά συναπτικά δυναμικά Χημειοελεγχόμενοι δίαυλοι Ανάλογα με το είδος ιοντικού ρεύματος δια μέσου των χημειοελεγχόμενων διαύλων, τα τοπικά δυναμικά είναι: Εκπολωτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό Υπερπολωτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό Διεγερτικά & Ανασταλτικά.

53 Δυναμικό Ενέργειας Σε ορισμένα σημεία του νευρώνα, όπως ο άξονας, ορισμένη εκπόλωση της μεμβράνης προκαλεί μιά σειρά γεγονότων που συνίστανται σε απότομη, έντονη και παροδική αλλαγή του ίδιου μεμβρανικού δυναμικού: το φαινόμενο καλείται «Δυναμικό Ενέργειας» (ΔΕ). 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. Τα ιόντα που συμμετέχουν στο ΔΕ είναι Νa + και K + Και οι δίαυλοι είναι διαπερατοί μόνον στο Νa + ή στο K +

54 Δυναμικό Ενέργειας Η μεμβράνη των νευρικών και μυϊκών κυττάρων είναι διεγέρσιμη Διεγερσιμότητα: η ιδιότητα παραγωγής Δυναμικών Ενεργείας Δυναμικά Ενεργείας Τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι Τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι mv 2 ms

55 ΔΕ σε Νευρικά Κύτταρα Στο νευρικό κύτταρο τα ΔΕ δημιουργούνται στην περιοχή του εκφυτικού κώνου από την δράση μιάς εκπόλωσης (τοπικό δυναμικό) στην συναπτική περιοχή Διεγερτικές (εκπολωτικές) συνάψεις Εκφυτικός κώνος

56 Το Δυναμικό Ενεργείας άγεται (αναδημιουργείται) στον νευράξονα του νευρικού κυττάρου 2 μm

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

58 Οι πρώτες καταγραφές του Δυναμικού Ενεργείας John Z. Young Keneth Cole & Howard Curtis, 1938 Alan Hodgkin & Hugh Huxley, 1939 Nobel: 1963

59 1902 Overton Εξάρτηση ΔΕ από Na Cole & Curtis Αλλαγή αγωγιμότητας κατά το ΔΕ 1939 Hodgkin & Huxley Αντιστροφή ΜΔ κατά το ΔΕ 1945 Hodgkin Ιοντική θεωρία 1949 Hodgkin & Katz Υπόθεση αλλαγής αγωγιμότητας Νa Cole Ανάπτυξη της τεχνικής «καθήλωση τάσης» 1952 Hodgkin & Huxley Περιγραφή ρευμάτων Na + - Κ +

60 Ένα ΔΕ αρχίζει πάντοτε με μιά εκπόλωση και είναι φαινόμενο όλον ή ουδέν : Εκπόλωση

61 Καταστάσεις Ιοντικών Διαύλων Οι ελεγχόμενοι δίαυλοι έχουν «πύλες» που επιτρέπουν το άνοιγμα και το κλείσιμο των πόρων του διαύλου.

62 Τασεοελεγχόμενοι Δίαυλοι Μη Ενεργοποιημένος Ενεργοποιημένος ΑπΕνεργοποιημένος Μη ΑπΕνεργοποιημένος

63 Η δημιουργία του ΔΕ βασίζεται στις ιδιότητες των τασεοελεγχόμενων διαύλων Na + Ενεργητικές Ιδιότητες του διαύλου Νa +

64 Δυναμικό Ενέργειας Το ΔΕ δημιουργείται από την αλληλεπίδραση μεταξύ ιοντικών ρευμάτων Νατρίου & Καλίου και του μεμβρανικού δυναμικού Χρονο- & Τασεο- εξάρτηση των Αγωγιμοτήτων Ρευμάτων Na + & K +

65 Φαρμακολογικός διαχωρισμός των ρευμάτων Na+ και K+

66 Χρονο- & Τασεο- εξάρτηση των Αγωγιμοτήτων Ρευμάτων Na+ & K+

67 Δυναμικό Ενέργειας Το ΔΕ δημιουργείται από την αλληλεπίδραση μεταξύ ιοντικών ρευμάτων Νατρίου & Καλίου και του μεμβρανικού δυναμικού Χρονο- & Τασεο- εξάρτηση των Αγωγιμοτήτων Ρευμάτων Na + & K +

68

69 Οι φάσεις του ΔΕ Οι δίαυλοι Νa+ κλείνουν. Οι δίαυλοι Κ+ ανοίγουν: Κ+ ρέει στο κύτταρο Περισσότεροι δίαυλοι Νa+ ανοίγουν: Νa+ ρέει στο κύτταρο Τασεοελεγχόμε νοι δίαυλοι Νa+ ανοίγουν Υπερπόλωση της μεμβράνης Η αντλία Na+/K+ ενεργή κατά την περίοδο ανερεθιστότητας < Ουδός Δυναμικό ηρεμίας Δυναμικό ενεργείας Δυναμικό ηρεμίας

70 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 ένας μηχανισμός θετικής ανάδρασης.

71 Σαν αποτέλεσμα της θετικής ανάδρασης ο ρυθμός της αντίδρασης εξελίσσεται εκθετικά: είναι μία έκρηξη!

72 Το ΔΕ οφείλεται σε μη γραμμικούς βρόγχους Θετικής Ανάδρασης (Na + ) & Αρνητικής Ανάδρασης (K+)

73 I Na = I K I Na >> I K I K > I Na I K = I Na I Na = I K I K = I Na I K = I Na I Na > I K Στην κορυφή του ΔΕ, οι διαπερατότητες στα ιόντα K +, Na + και Cl - είναι: 1.0 / 20 / 0.45 Συνεπώς η τιμή του μεμβρανικού δυναμικού σύμφωνα με την εξίσωση Goldman προσεγγίζει την τιμή της εξίσωσης Nernst για το Na + E Na = 2.3 RT/zF log10 [Νa + ]έξω / [Νa + ]μέσα = + 56 mv

74 ) ( ) ( K m K K K m K K E V I g V V g I ) ( ) ( Na m Na Na Na m Na Na E V I g V V g I

75 Περίοδος Απόλυτης & Σχετικής Ανερεθιστότητας (μη-διεγερσιμότητας)

76 Περίοδος Απόλυτης Ανερεθιστότητας : Η χρονική περίοδος από την δημιουργία ενός ΔΕ κατά την οποία είναι αδύνατη η δημιουργία ενός δεύτερου ΔΕ όσο ισχυρός και εάν είναι ο (β ) ερεθισμός Η περίοδος απόλυτης ανερεθιστότητας οφείλεται στην απενεργοποίηση των τασεοελεγχόμενων διαύλων Na + Η περίοδος απόλυτης ανερεθιστότητας αποκλείει άθροιση μεταξύ διαδοχικών ΔΕ Περίοδος Σχετικής Ανερεθιστότητας: Η χρονική περίοδος που ακολουθεί την δημιουργία ενός ΔΕ κατά την οποία μπορεί να δημιουργηθεί ένα δεύτερο ΔΕ αλλά μόνον με ερεθισμό μεγαλύτερης ισχύος. Η περίοδος σχετικής ανερεθιστότητας οφείλεται στο ρεύμα Κ + που υπερπολώνει την μεμβράνη πέρα από το μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας.. Η περίοδος σχετικής ανερεθιστότητας καθορίζει την συχνότητα πυροδότησης

77 Οι λειτουργικές ιδιότητες των διαύλων Na + & K + καθορίζουν τις περιόδους ανερεθιστότητας Περίοδος Απόλυτης Ανερεθιστότητας Περίοδος Σχετικής Ανερεθιστότητας

78 Ρόλος του Δυναμικού Ενεργείας Μετάδοση του ΔΕ κατά μήκος του νευράξονα και πρόκληση απελευθέρωσης νευροδιαβιβαστή Στους νευρώνες τα ΔΕ δημιουργούνται την αρχή του νευράξονα, τον εκφυτικό κώνο, Το ΔΕ δημιουργείται στον εκφυτικό κώνο...και πρέπει να μεταδοθούν σε απόσταση από το σημείο γένεσης.. Το ΔΕ άγεται κατά μήκος του νευράξονα Στην απόληξη το ΔΕ προκαλεί την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή...και καταλήγει στην αξονική απόληξη όπου προκαλεί την απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή.

79 Δομο-Λειτουργική διαφοροποίηση του Νευρώνα Δενδρίτες Περιοχή Εισόδου πληροφορίας δημιουργία συναπτικών δυναμικών Σώμα Περιοχή Ολοκλήρωσης Εισόδων & Μετατροπής / Κωδικοποίησης της πληροφορίας υπό μορφή δυναμικών ενεργείας Άξονας Περιοχή Εξόδου πληροφορίας Συναπτική Διαβίβαση

80 Δυναμικά Ενεργείας σε Μυϊκά Κύτταρα ΔΕ δημιουργούνται σε νευρικά και μυϊκά κύτταρα Η λειτουργία του νευρικού κυττάρου συνίσταται στην λήψη, συνδιασμό και μετάδοση της πληροφορίας Η λειτουργία του μυϊκού κυττάρου συνίσταται στην σύσπασή του και την ανάπτυξη μηχανικής δύναμης Τα τρία είδη μ.κ. διαφέρουν σε αρκετά σημεία, από τον μηχανισμό πρόκλησης ηλεκτρικής δραστηριότητας και ΔΕ (όποτε αυτά δημιουργούνται) μέχρι τα χαρακτηριστικά της σύσπασης: ρυθμός, διάρκεια, δύναμη και ταχύτητα ανάπτυξης της σύσπασης.

81 ΔΕ σε Σκελετικά Μυϊκά Κύτταρα..και σε ορισμένα μυϊκά κύτταρα το ΔΕ προκαλείται από ένα εκπολωτικό τοπικό δυναμικό Τοπικό δυναμικό σε σκελετικό μυϊκό κύτταρο

82 ΔΕ σε Νευρικά & Μυϊκά Κύτταρα ΔΕ δημιουργούνται σε νευρικά και μυϊκά κύτταρα Η λειτουργία του νευρικού κυττάρου συνίσταται στην λήψη, συνδιασμό και μετάδοση της πληροφορίας Η λειτουργία του μυϊκού κυττάρου συνίσταται στην σύσπασή του και την ανάπτυξη μηχανικής δύναμης Καρδιακά μυϊκά κύτταρα Νευράξονας καλαμαριού Μυϊκό κυττ. Σκελετικού μυός

83 Ένα ΔΕ αρχίζει πάντοτε με μιά εκπόλωση: 1. Φυσιολογικά: εκπολωτικό τοπικό δυναμικό 2. Πειραματικά: έκχυση εκπολωτικού ρεύματος

84 Καρδιακά Μυϊκά Κύτταρα Η δραστηριότητα των καρδιακών μυϊκών κυττάρων πρέπει να είναι ρυθμική Μεγάλοι πληθυσμοί κυττάρων πρέπει να συσπώνται συντονισμένα-συγχρονισμένα Η δραστηριότητα πρέπει να ρυθμίζεται: προσαρμογή στις τρέχουσες συνθήκες του οργανισμού Η ηλεκτρική δραστηριότητα στα καρδιακά κύτταρα αρχίζει αυτόματα-αυθόρμητα σε μιά ομάδα τροποποιημένων κυττάρων που συνιστούν τον βηματοδότη και βρίσκεται σε μία συγκεκριμένη περιοχή Βηματοδότης: κύτταρο ή ομάδα κυττάρων που χωρίς εξωτερική επίδραση αλλά μέσω ενδογενών ηλεκτρικών ιδιοτήτων δημιουργούν αυθόρμητα ρυθμική, συνεχή δραστηριότητα, και έτσι συγχρονίζουν την δραστηριότητα πολύ μεγαλύτερου πληθυσμού κυττάρων: βηματοδότης. Η αυθόρμητη ρυθμική δραστηριότητα βασίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ μεμβρανικών ιοντικών ρευμάτων. Στην καρδιά ο κύριος βηματοδότης είναι ο Φλεβόκομβος

85 Δυναμικό Ενέργειας σε Καρδιακά Μυϊκά Κύτταρα

86 ΔΕ σε Καρδιακά Μυϊκά Κύτταρα Η ρυθμική δημιουργία ΔΕ στο καρδιακό κυττ. βασίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ 4 ιοντικών ρευμάτων που οφείλονται στην δραστηριότητα διαύλων Na +, K + & Ca 2+ I K-to I Na, I Ca I Ca I K Na+ I K I Na, I Ca I K I f, I K, I Ca I f, I K, I Ca 100ms 100ms Το ΔΕ στην καρδιά είναι παρατεταμένο: ms. Το ΔΕ μπορεί να διαθοθεί σε όλη την καρδιά σε 220 ms.

87 Συχνότητα και Περίοδος Ανερεθιστότητας στα Καρδιακά Κύτταρα ΑΑΠ

88 Δράση mach στην ηλεκτρική δραστηριότητα του καρδιακού βηματοδότη I f I K I f, I Ca Ach Καρδιακής συχνότητας I K Ach Ταχύτητα αγωγής I Ca

89 Νευρομυϊκή Διαβίβαση στον Καρδιακό Μυ Αντίθετες δράσεις NE & Ach στην ηλεκτρική δραστηριότητα του καρδιακού βηματοδότη Μάρτυρας ΝΕ Ach

90 Λείο Μυϊκό Κύτταρο Σπλαγχνικός Ίριδα Ακτινωτό σώμα Ανορθωτήρες τριχών Αγγεία Νεύρωση: Κιρσοειδής σχηματισμός

91 Ηλεκτροφυσιολογία Λείου Μυϊκού Κυττάρου Η ηλεκτρική δραστηριότητα στο Λείο μ.κ. συνίσταται σε ποικιλία μεταβολών του Vm που επιδρούν επί της σύσπασης του μυός: έναρξη / ρύθμιση. Δυναμικά Βραδέων Κυμάτων Πρόκληση μεταβολών: Χυμικοί παράγοντες Μηχανικά ερεθίσματα. Βηματοδοτικά Δυναμικά ΔΕ

92 Βραδέα κύματα ΔΕ Λείου μ.κ. Δυναμικά Βραδέων Κυμάτων Βηματοδοτική δραστηριότητα

93 Δυναμικά Ενεργείας Λείου Μυϊκού Κυττάρου I K, I Κ(Ca) I Ca I Ca I K, I Κ(Ca)

94 Μηχανισμός Βηματοδοτικής δραστηριότητας σε Λεία μυϊκά κύτταρα

95 Σύγκριση ΔΕ σε Νευρικά & Μυϊκά Κύτταρα Καρδιακά μ.κ. Νευράξονας καλαμαριού Μυϊκό κ. Σκελετικού μυ Λεία μ.κ.

96 Σημεία Σύνοψης 10. Δυναμικού Ενεργείας: Ορισμός Ιοντικός Μηχανισμός Έννοια ουδού & «όλου ή μηδέν» 1. Ρόλος της ηλεκτρικής δραστηριότητας Μεταβολές του μεμβρανικού δυναμικού 2. Ρόλος ιόντων & ιοντικών διαύλων Κλίση συγκέντρωσης ιόντος 3. Δυναμικό ισορροπίας ιόντος Ηλεκτροχημική ισορροπία 4. Διαπερατότητα της μεμβράνης 5. Παράγοντες καθορισμού του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης 6. Δυναμικά ισορροπίας Na +, K +, Cl -, Ca Δυνάμεις κίνησης ιόντων Ηλεκτρεγερτική δύναμη 8. Διαφοροποίηση χημειοελεγχόμενων τασεοελεγχόμενων ιοντικών διαύλων 9. Διαφοροποίηση Τοπικών (συναπτικών) Δυναμικών Δυναμικών Ενεργείας 11. Περίοδοι Ανερεθιστότητας 12. Διαφορές ΔΕ μεταξύ νευρικού διαφορετικών τύπων μυϊκού κυττάρου