Potencjał spoczynkowy i czynnościowyMarcin Koculak

Biologiczne mechanizmy zachowania

©https://backyardbrains.com/

Powtórka budowy komórki

2

3

Prąd jest uporządkowanym ruchem cząstek posiadających niezerowy ładunek elektryczny.

Ciała stałe – elektrony

Ciecze, gazy – jony

Anion – jon ujemny

Kation – jon dodatni

Napięcie to względna miara, informująca o różnicy potencjałów pomiędzy dwoma punktami.

Istota prądu

4

A – synapsa elektryczna

1 – kierunek przepływu impulsu

2 – wymiana jonów pomiędzy komórkami

B – synapsa chemiczna

1 – kierunek przepływu impulsu

2 - pęcherzyki z neurotransmiterem

3 – wyrzut neurotransmitera

4 – aktywacja receptorów

Potencjałem błonowym nazywamy różnicę potencjałów pomiędzy wnętrzem komórki i jej otoczeniem.

Przyjmujemy, że potencjał po zewnętrznej stronie błony wynosi zero (obowiązująca konwencja).

Napięcie pomiędzy obu stronami błony jest po prostu potencjałem wnętrza komórki mierzonym względem jej otoczenia.

5

Potencjał błonowy

Polaryzacja błonywnętrze komórki zawiera więcej jonów ujemnych względem jej otoczenia (różnica ładunku elektrycznego).

Potencjał spoczynkowy:§ Neuron: od -60 do -70mV

§ Kom. mięśnia poprzecznego: -95mV

§ Kom. mięśnia gładkiego: -60mV

§ Fotoreceptor: -40mV

6

Polaryzacja błony

Polaryzacja błony:

w cytoplazmie występują ujemnie naładowane aniony białkowe; nierównomierne rozmieszczenie jonów nieorganicznych między cytoplazmą a toczeniem komórki - Na+, K+, Cl-, Ca2+

Gradient elektryczny:

różnica ładunku elektrycznego pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórki

Gradient stężeń:

różnica w rozmieszczeniu jonów pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórki

Pompa sodowo-potasowa:

mechaniczne regulowanie ilości jonów Na+ oraz K+

7

Stan spoczynkowy neuronu

8

Gradient stężeń Gradient elektryczny

Przed osiągnięciem równowagi

Po osiągnięciu równowagi

Przed osiągnięciem równowagi

Po osiągnięciu równowagi

Gradienty

Stężenie [mM]

Jony Wewnątrz Na zewnątrz

Neurony ośmiornicy

Potas (K+) 400 20

Sód (Na+) 50 440

Neuron ssaka

Potas (K+) 140 5

Sód (Na+) 5-15 145

Chlor (Cl-) 4-30 110

Wapń (Ca2+) 0,0001 1-2

9

Bilans jonów w neuronie

10

Potencjał spoczynkowy

11

Pompy sodowo-potasowe

Płyn zewnątrzkomórkowy

Wnętrzekomórki

Błona komórkowaneuronu

Pompa sodowo(Na+) - potasowa(K+)

Pompa sodowo(Na+) - potasowa(K+)

Zapobiega wpływaniu do wnętrza komórkowego wypompowanych jonów

Na+ i pozwala na częściowe wypływanie z wnętrza komórkowego wcześniej

wpompowanych jonów K+

Pompa ta jest skuteczna tylkoze względu na selektywną

przepuszczalność błony

Selektywna przepuszczalność błony komórkowej

Różnice aktywności poszczególnych kanałów jonowych:

§ H2O, CO2, O2 i mocznik – stale otwarte

§ K+ – przymknięte

§ Na+ – zamknięte

12

Mechanizmy regulacji potencjału

Powstanie potencjału spoczynkowego jest spowodowane przede wszystkim tendencją K+ do przepływania zgodnie z gradientem stężeń tych jonów z wnętrza na zewnątrz błony komórkowej.

13

Powoduje to pozostanie niewielkiegonadmiaru ładunku ujemnych po wewnętrznej stronie błony.

Inne jony (np. sodu) jedynie w niewielkim stopniu wpływają na wartości potencjału spoczynkowego.

Celowość potencjału spoczynkowego

14

Zmniejszenie ujemnego potencjału elektrycznego

błony komórkowej spowodowane napływem

przez kanały jonowe w błonie komórkowej jonów Na+ do cytoplazmy komórki

(potencjał zmienia się średnio od

−70 mV do +10 mV)

Depolaryzacja błony

15

W przypadku gdy na błonę komórkową działa seria bodźców podprogowych jeden po drugim, każdy z nich podnosi potencjał błonowy, aż kolejny staje się bodźcem progowym, zjawisko to nazywamy sumowaniem w czasie.

W przypadku gdy na błonę komórkową działa jednocześnie duża liczba bodźców podprogowych zjawisko to nazywamy sumowaniem w przestrzeni.

Bodźce „podprogowe”

16

Jest przejściową zmianą potencjału błonowego komórki, związaną z przekazywaniem informacji.

Bodźcem do powstania potencjału czynnościowego jest zmiana potencjału elektrycznego w środowisku zewnętrznym komórki.

Wędrujący potencjał czynnościowy nazywany jest impulsem nerwowym.

Potencjał czynnościowy (iglicowy)

17

„Wszystko albo nic":

Wszystkie potencjały czynnościowe, w danej komórce

mają tą samą wielkość. Do zapoczątkowania potencjału czynnościowego niezbędny jest bodziec

o intensywności wystarczającej do zdepolaryzowanianeuronu powyżej określonej wartości progowej.

Silniejsza stymulacja neuronów (bodźcami

ponadprogowymi) nie prowadzi do wytwarzania silniejszych potencjałów. Może natomiast prowadzić

do zwiększenia częstotliwości wytwarzania potencjałów przez neuron.

Wszystkie potencjały czynnościowe

w danej komórce osiągają tę samą amplitudę.

Potencjał czynnościowy

18

Propagacja potencjału czynnościowego

19

Depolaryzacja błony zmienia konformację

białka

Depolaryzacja

Hiperpolaryzacja

Kanał zamknięty Kanał otwarty

Przepływjonów

Przepuszczalność kanałów Na+ zależy od różnicy potencjałów po obu stronach błony

Kanały sodowe napięciowozależne

W odpowiedzi na depolaryzację, następuje aktywacja potasowa,

czyli otwarcie kanałów dla odkomórkowegoprądu kationów potasowych.

Powoduje to zmianę potencjału wnętrza

komórki z powrotem na ujemny, czyli repolaryzację.

Ostatecznie, potencjał błonowy osiąga wartość spoczynkową, gdy:

1. kanały K+ przechodzą w stan zamknięty (lub dezaktywują się w sposób zależny od czasu)

2. aktywuje się pompa sodowo-potasowa (wymaga to czasu)

20

Kanały potasowe

21

Refrakcja bezwzględnakomórka nie jest w stanie odpowiedzieć na żaden bodziec (nie można wygenerować potencjału czynnościowego) (Kanały Na+)

Refrakcja względnapotrzeba silniejszego bodźca aby wywołać ponowny potencjał czynnościowy)

Refrakcja względna i bezwzględna

22

Refrakcjabezwzględna

Refrakcjawzględna

Potencjał czynnościowy

Przepuszczalność jonów Na+

Pot

encj

ał bło

now

y (m

V)

Czas (milisekundy)

Rel

atyw

na p

rzep

uszc

zaln

ość

bło

ny

(wie

lokr

otność

prz

enik

alnośc

i N

a+

przy

pot

encj

ale

spoc

zynk

owym

)

Przepuszczalność jonów K+

Refrakcja względna i bezwzględna

Podlega zasadzie „wszystko albo nic”

Ograniczony jest refrakcją względną i bezwzględną(wynikających z aktywności, odpowiednio, kanałów potasowych i sodowych)

Charakterystyka potencjału czynnościowego zależy od:

§ stymulacji otrzymywanej przez neuron(silniejsza stymulacja nie generuje silniejszego potencjału, jednak jej ilość

moduluje pobudliwość neuronu oraz częstość potencjałów)

§ budowy aksonu i stopnia jego zmielinizowania

23

Potencjał czynnościowy

24

Jądro

Ciało

Zakończeniapresynaptyczne

Włóknomięśniowe

Przewężenie Ranviera

Osłonamielinowa

Wzgórekaksonalny

Kolce dendrytyczne

Dendryty

Budowa neuronu – akson

ZALEŻY OD:

• Grubości włókna nerwowego im większa średnica, tym mniejszy opór przewodzenia.

• Obecności osłonki mielinowej we włóknach osłonkowych występuje przewodzenie skokowe, natomiast we włóknach bez osłonki zachodzi przewodzenie przez ciągłość.

• Ilości synaps występujących w drodze nerwowej.

25

Szybkość przenoszenia informacji

26

Kanały Na+ lokalnie otwarte –generowanie potencjału

czynnościowego

Lokalny przepływ prąduStymulacja

Propagacja potencjału czynnościowego wzdłuż aksonu

Nieaktywne kanały Na+, kanały K+

otwarte. Repolaryzacja, refrakcja

Lokalna depolaryzacja powoduje otwarcie sąsiednich kanałów Na+, co generuje potencjał

czynnościowy

Kanał Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

Kanał K+

Akson

Propagacja potencjału w aksonie (bez mieliny)

27

Propagacja potencjału w aksonie (z mieliną)

28

Klasyfikacja włókien aksonalnych

29

Do zapamiętania:

§ potencjał spoczynkowy i czynnościowy

§ Gradient stężeń i elektryczny

§ Polaryzacja błony, depolaryzacja, repolaryzacja oraz hiperpolaryzacja

§ Refrakcja względna i bezwzględna

§ Włókna aksonalne:zmielinizowane oraz niezmielinizowane

Podsumowanie

Koniec

30

Dzięki za uwagę