BIOFYZIKA A KČNÉHO POTEN CIÁLU A SYNAPS A

1. BIOFYZIKA AKČNÉHO POTENCIÁLU ASYNAPSA Ivan Poliaček

2. Dráždivé tkanivá – nervové tkanivo, svalové tkanivoNeurón- základná stavebná a funkčná jednotka nervového tkaniva (mozog, miecha, nervy, senzorické bunky)- 4 – 130 μm (soma – proteosyntéza, dendrity – vstup signálu, axón – výstup signálu) dendrity axónovézakončenie Ranvierove zárezy soma Schwannovabunka axónový hrbolček iniciálny segment myelínová pošva jadro

3. Šírenie sa neurónového podráždenia (vzruchu)z dendritovna axón dendrity soma axón s axónovými kolaterálami

4. Bunková membrána - pripomenutie dvojvrstvafosfolipidov + cholesterol + proteíny Oddeľuje bunku od okolia + regulácia priepustnosti + “komunikácia” (receptory a vzrušivosť)

5. INTRA- A EXTRA-CELULÁRNE KONCENTRÁCIE IÓNOV iónvnútrivonku (napr. plazma) Na+ 12 mM145 mM K+ 140 mM 4 mM Cl- 4 mM 115 mM HCO3 - 12 mM 30 mM proteín - 140 mM 10 mM bunková membrána extracelulárne intracelulárne vnútro neurónu vnútro neurónu

6. Neurónovésnímanie Mikroelektróda Zosilňovač Membránový potenciál / prúd Zosilňovač Patch elektróda Iónový tok Sklenená, alebo kovová mikroelektróda Zosilňovač Potenciál

7. Depolarizácia – zníženie hodnoty membránového potenciálu (napr. z -70 mV na -60 mV alebo viac)Hyperpolarizácia – zvýšeniehodnoty membránového potenciálu– MP (napr. z -70 mV na -80 mV alebo viac)Eflux K+(cez K kanály), alebo influx Cl–(cez Cl kanály) Kľudový membránový potenciál(MP) – polarizáciabunkovej membrány – vnútro bunky je NEGATÍVNE NABITÉ (pre neurón obvykle okolo 70 mV)

8. AKČNÝ POTENCIÁL stúpanie depolarizácia MP klesanie repolarizácia prah čas (ms) stimulácia hyperpolarizácia Akčnýpotenciál– AP (nervový impulz) vzniká na vzrušivých tkanivách (najmä neurónové vlákno a svalová bunka), keď lokálny potenciál dosiahne prahovú hodnotu – „firing level“ Odpoveď je : VŠETKO alebo NIČ (kompletný akčný potenciál alebo nijaký akčný potenciál)

9. Prah a stúpanie – Na kanály sú otvorené MP vrchol– Na+ permeabilitaje maximálna, Na kanály sa zatvárajú – transpolarizácia – až do +30 mV klesanie - Na kanály sú inaktivované,vysokýpotenciálotvára napätím-riadenéKkanály – pokles k úrovni kľudového potenciálu prah a dokonca ho „prestrelí“ - (post-)hyperpolarizácia čas (ms) Iónová permeab. čas (ms)

10. Len malé množstvo iónovsa podieľa na vzniku 1 akčného potenciálu vzhľadom na veľkosť bunky (axónu). Podiel membránovej priepustnosti pre ióny - perm K+ : perm Na+ : perm Cl- počas stúpajúcej fázy akčného potenciálu = 1 : 20 : 0.45 v kľude (kľudový membránový potenciál) = 1 : 0.04 : 0.45

11. Napätím riadený (voltage-gated) kanál

12. uzavretý otvorený Bakteriálny „voltage-gated“ draslíkový kanál

13. Extracelulárnesnímanie respiračného neurónu exp insp tlak v dýchacích cestách EMG bránice exspiračný neurón

14. salva výbojov exspiračného neurónu vrchol MP „prestrelenie“ stúpanie klesanie prah kľudový potenciál stimulus „podstrelenie“ čas (ms) schematický akčný potenciál tvar výkyvov extracelulárne zaznamenaného výboja (spike) stúpanie MP klesanie skutočný akčný potenciál prah „podstrelenie“ kľudový potenciál čas (ms)

15. Každý akčný potenciál (spike)je nasledovanýrefraktérnou periódou. • Refraktérne periódysú spôsobenézmenami v stave (priepustnosti)iónových kanálov. • Absolútna refraktérna perióda(fáza) – vtedy je nemožné vyvolať ďalší akčný potenciál (Nakanály sú "inaktivované" na konci a okamžite po vrchole spike - nedajú sa otvoriť bez ohľadu na úroveň membránového potenciálu. • Relatívna refraktérna perióda (fáza) -silnejší než obvykle stimul je potrebný na vznik akčného potenciálu

16. (-) Na (+) Na (-) a K (+) (-) a Na kanály reaktivácia (-) Kanály uzavreté – (-) otvorené – (+) Na a K kanály MP Absol. refraktérna fáza Relat. refraktérna fáza Akčný potenciá Iónová priepustnosť Na kanály uzavreté aktivovateľné Na kanály inaktivované Na kanály uzavreté reaktivácia excitabilita vysoká EXCITABILITA excitabilita nulová čas (ms)

17. Schémy Na voltage- gated kanála a Kvoltage-gated kanála, ktoré sa podieľajú na vzniku akčného potenciálu Na kanál uzavretý, schopný sa otvoriť otvorený, aktivovaný uzavretý, neschopný sa otvoriť - inaktivovaný K kanál uzavretý otvorený

18. Šírenie sa akčného potenciálu Miesto pôvodnej zmeny potenciálu Straty náboja Straty náboja Lokálneprúdysa šíria(elektrotonická vodivosť) –depolarizácia susedných častí membrány (vznikne tam tiež akčný potenciál (spike) ak lokálna zmena MP dosiahne prah). Smer toku prúdu Smer toku prúdu Straty tepla Analógia horúca tyč chladné horúce Straty tepla

19. Šírenie sa akčného potenciálu Smer šírenia refraktérnosť - Trvanie približne a menej než 1 ms - Bez poklesu (energia na akčný potenciál je dodaná bunkou) - Vlna (miesto) elektrickej negativity napovrchu bunky (elektrickejpozitivity navnútornej strane membrány) - Otvorenie a uzavretie sa napätím riadených iónových kanálov

21. čas (ms)

22. čas (ms) uzavretý kanál otvorený kanál inaktivovaný kanál

23. Saltatórnevedenie Ranvierov zárez Ranvierov zárez Myelínová pošva Axón Plazmatická membrána ortodrómnevedenie Schwannova bunka Myelínová pošva z jedného Ranvierovho zárezu na ďalší Ranvierov zárez antidrómnevedenie

24. (intenzitaprúdu [mA]) Elektrická stimulácia nervového vlákna anóda - vyššia polarizácia membrány - nižšia excitabilita katóda– depolarizácia membrány - vyššia excitabilita 2x reobáza reobáza chronaxia (trvanie elektrického pulzu [ms]) Reobáza - najnižšia amplitúdaelektrického prúdu nekonečného trvania (v praxi niekoľko 100 ms), ktorá vyvolá akčný potenciál (kontrakciu svalu). Chronaxia– najkratší čas pôsobenia elektrického prúdu s intenzitou 2x reobázy, ktorý je potrebný na stimuláciu neurónu (svalového vlákna) – AP.

25. SYNAPSA Signál z neurónu na neurón,sval, alebožľazu Elektrická synapsa – spojenie typu „gap junction“ elektrický signál (obojsmerne) Chemická synapsa – chemickýprenos (jednosmerný) z presynaptickejna postsynaptickú bunku (je štrukturálne aj funkčne asymetrická) ľudský mozog - 1014až 5 x 1014 (100-500 biliónov) synáps (1 mm3mozgovej kôry - okolomiliardy synáps)

26. Axo-dendritické synaptickézakončenia – chemické synapsy

27. Axónové zakončenie Sekrečné granule Synaptická štrbina Vezikuly s mediátorom Receptory Dendrit

28. Vezikuly Axónové zakončenie Neurotransmiter Neurotransmiter „re-uptake“ pumpovanie Napätím riadené Ca kanály Receptor pre neurotransmiter Synaptická štrbina Dendrit

29. Synaptický prenos Akčný potenciál depolarizuje pre-synaptickú membránu synaptického zakončenia – Ca2+ influx cez napätím riadené („voltage gated“) Ca kanály Ca2+aktivuje proteíny (stenín a neurín)naviazané navezikuly(s neurotransmiterom - každý vezikul obsahuje tisíce molekúl) – vezikuly sa posunú a splynú s membránou – otvoria sa a uvoľnia neurotransmiter dosynaptickej štrbiny – exocytóza (forma aktívneho transportu) Molekuly neurotransmitera difundujú cez synaptickúštrbinu(30-50nm medzi pre- and post-synaptickou membránou) a naviažu sa na receptorysubsynaptickej membrány (časť post-synaptickej membrány pod zakončením) a spustia odpoveď(buď cez G-proteínynaviazané na enzým alebo cezmolekulou riadené - „ligand-gated“ iónové kanály)

30. axón zakončenie synapsa

32. Typy neurotransmiterovAminokyseliny : glutamát, GABA, aspartát, glycín, ...Peptidy : vazopresín, somatostatín, neurotenzín, ...Monoamíny : noradrenalín, dopamín, serotonína acetylcholínNajdôležitejšie v mozgu : glutamát a GABA Typ odpovede je podmienený najmä RECEPTOROM (nie len neurotransmiterom).Excitačné-acetylcholín -ACh (nervo-svalová platnička - napr. vôľový pohyb) - glutamátInhibičné - GABA - glycín (spinálne reflexy)

33. molekulová hmotnosť neuropeptidy neurotransmitery

34. Ionotropické receptory (molekulou riadené– „ligand gated“ iónovékanály) –zmeny permeability napr. eflux K+ a/alebo influx Ca2+ a Na+cez subsynaptickú membránu postsynaptickej bunky - rýchly synaptický prenos (synaptické zdržanie cca 1-5 ms)

35. Metabotropické receptory(receptorynaviazané na G-proteíny) - extracelulárna doména sa viaže s neurotransmiterom, intracelulárna doména s G-proteínom – 2. posol (intracelulárna signalizácia) – aktivovaný G-proteín (uvoľnený z receptora interagujes inými proteínmi napr. s iónovýmikanálmi - ich otvorenie či uzavretie)- pomalá synaptická odpoveď: ms - min ELIMINÁCIA NEUROTRANSMITERA molekula sa uvoľní z receptora vďaka tepelnému pohybu - reabsorbcia do vezikúl presynaptickej bunky - metabolická eliminácia - difúzia mimo synaptickej štrbiny

36. MP (mV) EPSP – excitačný post-synaptický potenciál depolarizuje IPSP – inhibičný post-synaptický potenciál hyperpolarizuje prah = spúšťacia úroveň akčného potenciálu = firing level EPSP sumácia EPSP + IPSP IPSP čas 10 ms • Veľkosť PSP závisí od: • množstva neurotransmitera (a počtu receptorov) • membránového potenciálu postsynaptickejbunky (treba menej neurotransmitera, ak užčiastočná depolarizácia) • ako dlho je neurotransmiter prítomnýv synaptickej štrbine • (rýchleodstránenie či inaktivácia umožní ďalší synaptický prenos)

37. SUMÁCIA PSP 1 EPSPčasová sumácia 3 EPSP Efekt viacerých než jedného synaptického potenciálu na neuróneje kumulatívny ak : - je čas medzi stimulmi krátky – časová sumácia - stimuly prídu na blízke miesta na neuróne - priestorová sumácia

38. Priestorová sumácia PSP Synaptickáintegrácia - kombinovanie excitačných a inhibičných signálov nasusediacich oblastiach membrány neurónu. Aby vznikol akčný potenciál, sumácia excitačných a inhibičných postsynaptických potenciálov (lokálnych odpovedí) musí dosiahnuť prahovú hodnotu. excitačné presynaptické vstupy postsynaptická bunka axónový hrbolček iniciačný segment inhibičný presynaptický vstup

39. Konvergencia axóny niekoľkých pre-synaptických neurónov smerujú na jeden post-synaptický neurón Divergencia axón jedného pre-synaptického neurónu sa vetví na niekoľko post-synaptických neurónov

40. Zhrnutie • depolarizácia – hyperpolarizácia • akčný potenciál – tvar, mechanizmus • refraktérne periódy • šírenie sa akčného potenciálu (postupné šírenie sa po nemyelinizovanomvlákne, saltatórnevedenie) • elektrická stimulácia – reobáza, chronaxia • lokálny potenciál • synapsa, neurotransmiter a mechanizmus synaptického prenosu • receptory (ionotropické vs. metabotropické) • EPSP, IPSP, sumácia (časová, priestorová) • konvergencia, divergencia