ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Μεμβρανική Βιοφυσική Το δυναμικό ενέργειας Διδάσκων: Λεκ. Χαράλαμπος Λαμπρακάκης 1
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Το Δυναμικό Ενέργειας Η περιγραφή, μελέτη και μοντελοποίηση του απο τους Hodgkin και Huxley
Χαρακτηριστικά του δυναμικού ενέργειας o Όλα ή τίποτα ουδός. o Σταθερό εύρος. Δυναμικό ενέργειας Κλιμακωτά δυναμικά o Αναστροφή πόλωσης της μεμβράνης (το εσωτερικό γίνεται θετικότερο του εξωτερικού). o επαναπόλωση και υπερπόλωση μετά την εκπόλωση. o Περίοδος ανερεθιστότητας (όριο στη συχνότητα).
Το δυναμικό ενέργειας έχει σταθερό εύρος Στο κλιμακωτό δυναμικό το εύρος του αποτελεί πληροφορία π.χ. σε ένα αισθητήριο κύτταρο: μεγαλύτερο ερέθισμα ΰ μεγαλύρεο εύρος δυναμικού. Εφόσον το δυναμικό ενέργειας έχει σταθερό εύρος πως κωδικοποιείται η πληροφορία; Αριθμός των δυναμικών ενέργειας Η συχνότητα των δυναμικών ενέργειας. Για τη κωδικωποίηση σημαντικά είναι το εύρος και η διάρκεια του κλιμακωτού δυναμικού.
Ιστορικό Βιοηλεκτρισμός Luigi Galvani (1737-1798): Ηλεκτρική εκφόρτηση στο μύ, στο ισχιακό νεύρο ή στον νωτιαίουμυελό προκαλέσε σύσπαση του μύ. Ηλεκτρισμός στη μετάδωση σήματος στο σώμα.
Ιστορικό Επόλωση κυττάρων δυναμικό ενέργειας 1930 Δεν γνωρίζαμε για μεμβρανικές πρωτεΐνες ή διαύλου ιόντων. Δεν γνωρίζαμε για μετακινήσεις ιόντων δια μέσου της μεμβράνης. Το δυναμικό ενέργειας πιστευόταν οτι παράγετε με/απο την κατάρρευση της μεμβράνης. 1939 οι Cole και Cur s δείχνουν αλλαγές στη διαπερατότητα (αγωγιμότητα) του άξονα κατά το δυναμικο ενέργειας. 1952 Οι Hodgkin και Huxley δείχνουν την ιοντική φύση του δυναμικού ενέργειας.
Το μοντέλο δυναμικού ενέργειας των Hodgkin και Huxley
Ο γιγαντιαίος άξονας του καλαμαριού Loligo vulgaris απομονωμένος
Μεταβολές στην αγωγιμότητα της μεμβράνης Αύξηση της αγωγιμότητας στα ιόντα. Ιστορική καταγραφή (Cole and Cur s, 1938) Αργοπορία της αγωγιμότητας κατα την έναρξη σε σχέση με το δυναμικό της μεμβράνης (λόγω ηλεκτροτονικής εκπόλωσης της μεμβράνης). Θετική και μετά την υπερπόλωση του δυναμικού της μεμβράνης.
Το εξωκυττάριο νάτριο είναι απαραίτητο για το δυναμικό ενέργειας Hodgkin and Katz (1949) Το ύψος του δυναμικού επηρεάζεται απο την συγκέντρωση [Na + ]o. Η αυξητική φάση επηρεάζεται απο τη συγκέντρωση [Na + ]o.
Το εξωκυττάριο Κ + επηρεάζει το δυναμικό ενέργειας Hodgkin and Katz (1949) Αλλαγή στην εξωκυττάρια συγκέντρωση Κ + : μεταβολή στο δυναμικό ηρεμίας μεγαλύτερο εύρος δυναμικού ενέργειας με λιγότερο Κ + (καμπύλη Α) μεταβολή στο μέγεθος της υπερπόλωση.
Τεχνική καθήλωσης της τάσης Marmot (1949), Cole (1949), Hodgkin, Huxley and Katz(1949) Μέτρηση μεμβρανικού ρεύματος
Τεχνική καθήλωσης της τάσης Marmot (1949), Cole (1949), Hodgkin, Huxley and Katz(1949)
Τα ρεύματα της μεμβράνης του άξονα Εκπόλωση της μεμβράνης και καθήλωση της σε δίαφορα δυναμικά προκαλεί την ροή μιας σειράς μεμβρανικών ρευμάτων.
Αντικατάσταση του εξωκυττάριου νατρίου με χολίνη Εξαφανίζει το ρεύμα εισροής και δεν επηρεάζει το ρεύμα εκροής Αρα, το ρεύμα εισροής φέρεται απο ιόντα Na +.
Το ρεύμα εκροής φέρεται απο ιόντα Κ + Απώλεια ρευμάτων καλίου με τετρααιθυλαμώνιο.
Το ρεύμα της μεμβράνης του άξονα είναι σύνθετο Το μεμβρανικό ρεύμα του άξονα που προκαλείται απο εκπόλωση στα 0 mv μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη: σε ρεύμα εισροής και ρεύμα εκροής.
Δύο είναι κυρίως τα ρεύματα της μεμβράνης I Na και I K Οι Hodgkin και Huxley δέν γώριζαν για διαύλους ιόντων και υπέθεσαν «σωματίδια» τα οποία επιτρέπουν ή όχι τη ροή των ιόντων.
Τα ρευματα αυτά (άρα και οι αγωγιμότητες) δεν είναι σταθερά αλλα μεταβάλλονται με το χρόνο t 4 t 3 t 3 t 4 t 5 t 1 t 2 t 1 t 2
Tα ρεύματα αυτά (άρα και οι αγωγιμότητες) δεν είναι σταθερά αλλά μεταβάλλονται με το δυναμικό V 1 = -45 mv V 2 = -15 mv V 3 = +15 mv V 4 = +60 mv
Μέτρηση αγωγιμότητας για κάθε ρεύμα, κάθε τιμή του δυναμικού της μεμβράνης και σε διαφορετικούς χρόνους
Οι Hodgkin και Huxley δέν γώριζαν για διαύλους ιόντων υπέθεσαν οτι υπάρχουν «σωματίδια» στη μεμβράνη τα οποία επιτρέπουν ή δεν ειτρέπουν τη ροή των ιόντων (ανάλογα με το δυναμικό και το χρόνο).
Τα σωματίδια n καθορίζουν τη ροή των ιόντων καλίου n (V,t) Το n εξαρτάται απο το δυναμικό και το χρόνο βρήκαν εμπειρικά οτι υπάρχουν 4 σωματίδια n που επηρεάζουν την αγωγιμότητα. Το n προσδίδει την πιθανότητα να επιτραπεί η ροή των ιόντων. Η αγωγιμότητα της μεμβράνης για το κάλιο σχετίζεται με το n και τη μέγιστη αγωγιμότητα g K (V,t) = n 4 g Kmax.
Τα σωματίδια m και h καθορίζουν τη ροή των ιόντων νατρίου m =ενεργοποίηση. h = απενεργοποίηση. παρατήρησαν οτι η αγωγιμότητα των ιόντων νατρίου οταν φτάσει στη μεγιστη τιμή μειώνεται παρόλο που το δυναμικό δεν έχει αλλάξει. Αυτό ονμάστικε απενεργοποίηση. Υπολόγισαν 3 σωματίδια για την ενεργοποίση (m) και 1 για την απενεργοποίηση (n), Τα οποία προσδιορίζουν την πιθανότητα ροή των ιόντων. Η αγωγιμότητα της μεμβράνης στο νάτριο g Na (V,t) = m 3 h g Namax.
Οι εξισώσει του μαθηματικού μοντέλου των Hodgkin και Huxley που περιγράφουν τα ρεύματα της μεμβράνης κατα τη διάρκεια του δυναμικού ενέργειας
Σύγκριση μεταξύ καταγραφών απο τον άξονα και της προσομοίωσης με το μαθηματικό μοντέλο
Άσκηση 4 Προσομοίωση του δυναμικού ενέργειας χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Hodgkin και Huxley.
Άσκηση 5 Προσομοίωση της αγωγής του δυναμικού ενέργειας σε ασθένειες απομυελίνωσης.
Τέλος Ενότητας 31
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 32
Σημειώματα 33
Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ. http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1290. 34
Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Λεκ. Χαράλαμπος Λαμπρακάκης. «Μεμβρανική Βιοφυσική. Το δυναμικό ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1290. 35
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση Όχι Παράγωγα Έργα, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1] https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 36