5. Klidový potenciál

1. 5. Klidový potenciál

2. A. Membranový transport z hlediska fyzikálního - + ++ + ++ - - ++ + + ++ - + ++ ++ - - + Pomocí transportních proteinů Prostřednictvím mem- bránových váčků 1. 2. 3. Přímo přes membránu Glukóza Nukleotidy neurotronsmitery Mastné kyseliny Ionty Aminokyseliny glycerol LDL,HDL viry kyslík voda proteiny ethanol CO2 KANÁL usnadněná difůze PŘENAŠEČ přenašečový transport difůze / osmóza Fagocytóza Endo-/Exocytóza http://www.blackwellpublishing.com/matthews/neurotrans.html

3. B. Membránový transport na základě energetických požadavků ATP T voda P Pasivní transport 1. ATP 2. Aktivní transport Osmóza Prostá difůze Usnadněná difůze kanály přenašeče přenašeče

4. KANÁLY Prostá difůze ATP ATP T T Usnadněná difůze ATP Aktivní transport • Spojujípřímovnější a vnitřní prostředí buňky • Tvoří vodou vyplněný pór • Transportujímalé molekuly, především iotyavodu • Transport probíhávelmi rychle • Nikdypřímo nespojují vnější prostředí s vnitřním přenašeče • Vyskytují se vedvou konformacích – jsou otevřeny buď ven z buňky nebo dovnitř buňky • Transportují větší molekuly [glukóza, nukleotidy] • Transportje pomalejší ale vysoce selektivní

5. KANÁLY Prostá difůze ATP T Membrána Intracelulární prostor Vrátka otevřena Vrátka uzavřena Otevřené kanály Umožňují volný pohyb iontů oběma směry. Nazývají sepóry. Otevřené kanály pro transport vody se nazývají akvaporiny. Vrátkové kanály Součástí kanálu jsoutzv. vrátka – speciální proteinová oblast, která uzavírá vstup do kanálu. Otvírání vrátek je vyvoláno specifickými podněty a tím je regulován pohyb částic kanálem.

6. VRÁTKOVÉ KANÁLY - regulace Prostá difůze ATP T + + + + + + - - - - - - Změna polarity membrány ligand teplota tlak mediátor Otvírání vrátek je regulováno následujícími mechanismy: Elektrickým signálem Vazbou chemického mediátoru (Intracelulárně nebo extracelulárně) Fyzikálními vlivy [teplota, tlak] A. Elektricky regulován B. Chemickyregulován C. Mechanickyregulován

7. IONTOVÉ KANÁLY - regulace Prostá difůze ATP T Funkce iontových kanálů: • transportují výhradně anorganické ionty, především Na+, K+, Cl-a Ca2+ • na zlomky sekund se otvírají a umožní tak transport iontů, pro které je jinak membrána nepropustná Bacteriální K+ kanál Tvoří selektivní filtr, který kontroluje, jaké ionty mohou přes kanál projít a které ne. Typické vlastnosti iontových kanálů: • Iontově specifické: • Kanálem mohou být transportovány pouze ionty, pro které je daný kanál specifický. • Selektivita závisí na průměru, tvaru a typu aminokyselin ve vnitřní části kanálu • Vrátkové: • Iontové kanály se otvírají pouze na krátkou dobu, většinu času jsou uzavřeny

8. Elektricky regulované KANÁLY a jejich role při vzniku NERVOVÉHO SIGNÁLU

9. Na+ Na+ - - - - Iontové KANÁLY Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ TRANSPORTNÍ MEMBRÁNOVÉ PROTEINY Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ + + + + + + Jsou zodpovědné za vznik elektrického impulzu (AP – akční potenciál) + + + + ... a tím šíření nervového vzruchu...

10. Rozložení elektrických nábojů uvnitř a vně buňky K-3 + + + + + + + + - - + + + - - + + - + + - - + - + + + - + - + + - + + - + + - - - - + - + - + + + - + + + + - + + - - - - + - + - - + + + + + - + - - + + - + + + + - + - - - - + + - + - - + + - - + + + + + + + - + + - + - Ve skutečnosti existuje pouze malý přebytek kladného nebo záporného náboje v blízkosti plasmatické membrány (toto rozložení je zdrojem důležitých elektrických efektů = membránový potenciál)

11. ionty na membráně K-4 + + + - + - - + - + - - + + - + - - + + - - + - - + - - + - + - - - + + + + Pokud nemají buňku roztrhat elektrické síly, musí být kladné náboje v buňce vyváženy téměř stejným množstvím záporných nábojů ( totéž platí i o okolní kapalině) Vnitřní prostor buňky Vnější prostor buňky + - - + - - + - + + - + - + - + + - + - + - - + - - + - + + Náboje odpovědné za membránový potenciál ale…

12. K-5 + + + + - - - - + + + + - - - - + + + - - - + - Distribuce iontů na membráně - + Elektricky neutrální vnitřní prostor buňky Elektricky neutrální okolí buňky - + - + - + • ale ve skutečnosti je uvnitř buňky náboj mírně negativní, což způsobuje efekt přitahování kladných a záporných nábojů k membráně a vzniku elektrického potenciálu • pro zjednodušení mluvíme o elektricky neutrálním vnitřku a okolí buňky kationty vně buňky a anionty uvnitř buňky jsou vzájemně přitahovány, ale jsou oděleny membránou + - + - + - + - - +

13. K-6 Význam membrány při tvorbě membránového potenciálu Buněčná membrána plní funkci přehradní hráze: Membrána odolává elektrochemickým silám, které navzájem ionty přitahují Ionty- podobně jako voda za přehradní hrází -mají potenciální energii. Separací a nabitých částic je na membráně vytvořen elektrický potenciál + - Elektrický potenciál ne membráně = membránový potenciál

14. Membránový potenciál K-7 • obecný termín, obecná vlastnost všech živých buněk • je základem všech elektrických aktivit v buňkách • buňka si udržuje různou koncentraci kationtů a aniontů mezi intra- a extracelulárním prostředím → tím vzniká na jejich membráně potenciálový rozdíl = napětí • u většiny membrán existuje mezi jejich povrchy napětí – rozdíl v elektrických potenciálech na každé straně membrány → tento potenciál působí na každou molekulu, která nese elektrický náboj

15. K-8 + - Membránový potenciál Vyjadřuje rozdíl mezi: nábojem vně buňky nábojem uvnitř buňky • je dán nerovnoměrnou distribucí elektrického náboje na obou stranách plasmatické membrány a mění se při průtoku iontů otevřenými kanály. • Membránový potenciál… • je vyjádřen rozdílem napětí (volty, milivolty) vně a uvnitř membrány • uvádí se v záporných hodnotách vzhledem k zápornému náboji uvnitř buňky. • pohybuje se v rozpětí -20mV až -200 mV, v závislosti na organismu a typu buňky.

16. K-9 Klidový potenciál Membránový potenciál vzrušivé buňky v klidovém stavu se označuje jako klidový potenciál. Buňka v klidovém stavu  transport iontů přes membránu je v rovnováze klidový membránový potenciál. např. u nepodrážděných svalových a nervových buněk Klidový membránový potenciál mají všechny buňky – je přítomen na všech buněčných membránách, ale pouze na vzrušivých membránách (neurony…) může docházet k jeho změnám a výkyvům. U neuronů je jeho hodnota obvykle okolo – 70 mV.

17. K-10 Na+ Na+ K+ K+ Cl- Cl- P- Ionty • nejhojnější ionty v okolí buněk Na+,K+, Ca2+, Cl-, H+… • jejich pohyb přes buněčné membrány je základem mnoha buněčných dějů • pohyb těchto iontů hraje zásadní význam při práci nervových buněk relativní koncentrace iontů v buňce a okolí P- = vázané anionty (proteiny), které nemohou projít přes membránu koncentrace iontů

18. Nerovnoměrná distribuce iontů na membráně K-11 Na+ Na+ K+ K+ Cl- Cl- P- Hlavním kationtem vně buňky je sodíkový iont Na+. Vysoká koncentrace Na+ vně buňky a K+ uvnitř buňky je v buňce zajišťován tzv. sodno-draselnou pumpou Na/ K pumpa neustále transportuje Na+ ven z buňkya K+ dovnitř buňky. Hlavním kationtem uvnitř buňky je draselný iont K+. Uvnitř buňky je náboj mírně negativní:většina organických molekul [bílkoviny] uvnitř buňky má negativní náboj;ten je vyrovnán sodíkovými kationty K+,hlavním intracelulárním kationtem Vysoká koncentrace Na+ v okolí buňky je vyvažována hlavně extracelulárními ionty Cl-. Vysokou koncentraci K+ uvnitř buňky vyrovnává celá řada záporně nabitých aniontů (Cl-, anorganické ionty → HCO-3, PO3-4, HPO2-4, vázané organické anionty…)

19. K-12 POHYB IONTŮ PŘES MEMBRÁNU + + + + + + • kladně nabité ionty se snaží dostat do záporně nabité buňky a záporně nabité ionty se snaží dostat ven z buňky + + + + + + + + + + + + + +

20. ELEKROCHEMICKÝ POTENCIÁL K-13 Elektrochemický potenciál + = Koncentrační gradient Membránový potenciál Síla, která žene látky (ionty) přes membránu - + - + - + - + Na+→ má strmý elektrochemický potenciál, koncentrační gradient a membr. potenciál se sčítají - působí stejným směrem (Na+ vstupuje do buňky velmi rychle) K+→ elektrochemický potenciál je malý, koncentrační gradient a membr. potenciál působí v opačných směrech (výsledek: malý tok K+ přes membránu)

21. K-14 Transport iontů přes membránu přenašečový protein kanálový protein prochází konformační změnou vytváří hydrofilní pór Sodno/draselná pumpa Iontové kanály Na+ Na+ K+ K+ Na+ Na+ Na+ spotřeba energie K+ bez energie K+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ K+ Na+ K+ K+

22. K-15 TYPY IONTOVÝCH KANÁLŮ reagují na změny membránového potenciálu a umožňují průchod pouze jednomu typu iontu Iontové kanály řízené napětím Chemicky řízené iontové kanály se otevírají nebo zavírají na chemický podnět (např. neurotransmiter uvolňovaný ze synaptického zakončení) V buňkách můžeme nalézt chemicky řízené sodíkové a draslíkové kanály, stejně tak jako napětím řízené sodíkové a draslíkové kanály. Každý typ kanálu hraje nezastupitelnou roli při vytváření a přenosu elektrických signálů – nervového vzruchu.

23. K-16 zaměřené na transport iontů: Na+, K+,Cl-,Ca2+ Iontové kanály Chemicky řízené iontové kanály Na+ K+ struktura K+ kanálu uzavřený kanál otevřený kanál uzavřený kanál inaktivovaný kanál otevřený kanál Kanály jsou iontově selektivní: mohou projít jen ionty vhodné velikosti a náboje. Kanály jsou uzavíratelné: regulují průtok iontů přes membránu. Vybraným iontům je dovoleno rychle difundovat ve směru jejich elektrochemického potenciálu přes membránu. Pasivní transport. Nárazový tok iontů přes membránu představuje impuls elektrického náboje – vzruch.

24. Přenašeči iontů na membráně K-17 + + + K+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ K+ + + + + + + Na+ + + + K+ - - - - - - Na+ - - - - - - Na+ K+ K+ Na+ Na+ K+ K+ Sodno/draselná pumpa Iontové kanály

25. Na/K pumpa čerpá Na+ a K+ ionty proti jejich elektrochemickému gradientu. K-18 K+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ K+ + + + + + + gradient elektrochem. potenciálu K+ gradient elektrochem. potenciálu Na+ - - - - - - Na+ K+ K+ Na+ K+ Na+ K+ K+ K+ Na+ K+ K+ Na+ K+ Na+

26. Na/K pumpa K-19 + + + + + + + + K+ Na+ K+ Na+ Na+ - - - - - - - - ENERGIE K+ K+ K+ K+ Na+ K+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ 1

27. Na/K pumpa K-20 + + + + + + + + K+ Na+ K+ Na+ Na+ - - - - - - - - ENERGIE K+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ K+ Na+ K+ Na+ K+ K+ Na+ Na+ Na+ 2

28. Na/K pumpa K-21 Vazebná místa pro K+ jsou deformována. Tím je zaručeno, že se K+ nebudou přemísťovat - pomocí pumpy- z buňky do okolí. + + + + + + + + Na+ Na+ Na+ - - - - - - - - Navázání Na+ na vazebné místo přenašeče. K+ K+ Na+ Na+ Na+

29. Na/K pumpa K-22 Vazebná místa pro K+. + + + + + + + + Na+ Na+ Na+ - - - - - - - - ENERGIE K+ K+ Na+ Na+ Na+ P Navázání P na pumpu (fosforylace) způsobí změnu konformace a přenos Na+ na druhou stranu membrány. Navázání Na+ aktivovalo ATPázovou činnost přenašeče. Dochází k rozštěpení ATP na ADP a fosforylovou skupinu P, která se váže na samotnou pumpu.

30. Na/K pumpa K-23 + + + + + + + + - - - - - - - - Po uvolnění Na+ se tyto vazebná místa deformují, aby nedošlo ke zpětnému navázání a přenosu Na+ směrem do buňky. K+ Uvolnění Na+ do extracelulárního prostoru. K+ Na+ Na+ Na+ P

31. Na/K pumpa K-24 + + + + + + + + - - - - - - - - Navázání K+ spustí odstranění fosforylové skupiny (defosforylace). Na+ Na+ K+ Navázání K+ na pumpu. Na+ K+ P

32. Na/K pumpa K-25 + + + + + + + + K+ K+ - - - - - - - - Na+ Na+ Konformační změna pumpy, která má za následek přenesení K+ přes membránu. Na+ K+ K+ Defosforylace zapříčiní návrat pumpy do její původní konformace.

33. Na/K pumpa K-26 + + + + + + + + - - - - - - - - Na+ Na+ Na+ K+ K+ Výsledkem defosforylace je návrat pumpy do její původní konformace a uvolnění K+ do vnitřku buňky.

34. K-27 K+ Na/K pumpa K+ Na+ Na+ Na+ je enzymem ATP-ázou  hydrolyzuje ATP→ADP + P ATP ADP+P spřahuje čerpání Na+ z buňky s transportem K+ do buňky zaujímá ústřední místo v energetické bilanci živoč. buňky a spotřebuje až 30% všeho ATP v buňce Na/K se podílí na zamezení vstupu Cl- do buňky tím, že pomáhá udržovat membránový potenciál pokud dojde k zastavení Na/K pumpy, proniknou Na+ a Cl- do buňky a tím poruší osmotickou rovnováhu, to vede k nabobtnání a prasknutí buňky

35. K-28 GLUKOSO-SODNÝ TRANSPORT Transport přes membránu, který využívá toku Na+ dovnitř po elektrochemickém gradientu k pohonu přenosu dalších látek - glukosy do buňky. Na+ Na+ Na+ gradient elektrochem. potenciálu Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ glu Přenos glukosy ze střeva k buňkám bez spotřeby ATP. Na+ glu Na+ Zajišťuje přenos glukosy ze střeva i v případě, že je koncentrace glukosy vyšší v buňce než ve střevě. Přenašeč glukosy je poháněn gradientem Na+. Přenašečový protein je otevřený do extracelulárního prostoru. glu glu glu Na+ a glukosa se na přenašeč váží stejně dobře, ale přenašeč je účinný až po navázání obou látek. Na+ glu glu glu Na+ glu glu glu glu koncentrační spád glukósy glu

36. K-29 Cl- Cl- P- Na+ Na+ K+ K+ Na+ Na+ K+ K+ Shrnutí: pohyby a rozložení iontů v buňce + + + - - - + - + - + + - - + + - - + + - pasivní transport - + + + aktivní transport