Download - Potencjał czynnościowy

Transcript
Page 1: Potencjał czynnościowy

Eksperymenty do wykonania

1. Experiments -> Basic -> Resting potentialUruchomic model dla domyslnych parametrow.Zbadac wartosc potencjalu spoczynkowego, dla pna_leak = 0 i pk_leak = 0.

2. Experiments -> Basic -> Resting potentialZbadac wplyw stężen jonow w przestrzeni wewnatrz i zewnątrzkomorkowej na wartosc potencjalu spoczynkowego.

Np. co sie dzieje, gdy [K]in = [K]out = 135 mM (0.001 mol/litr) ?

Potencjal spoczynkowy wynosi – 65 mV. Co sie stanie, gdy odwrocimy koncentracje względem błony?

3. Experiments -> Basic -> Membrane propertiesUruchomic model dla domyslnych parametrow.Co sie dzieje, gdy podwoimy wartosc pk_leak i pna_leak? Potencjal wzrosnie, czy zmaleje?

V = IR= I/g g – przewodnictwo, R – opór (input resistance) 4. Experiments -> Basic -> Membrane propertiesUruchomic model dla I = 2nA.

Page 2: Potencjał czynnościowy

Potencjał czynnościowy

Kalmar Atlantycki Loligo pealei

Potencjał czynnościowy polega na krótkotrwałej depolaryzacji błony komórkowej. Wczesne doświadczenia (K.C. Cole i H. J. Curtis, 1939) pokazały, że błona komórkowa staje się spolaryzowana dodatnio (ok. +50 mV) podczas maksimum potencjału czynnościowego. Gdyby powodował go jedynie chwilowy wzrost przepuszczalności dla wszystkich jonów, błona osiągnęła by 0 mV, lecz nie więcej. Obiektem do badań potencjału czynnościowego był akson Kalmara Atlantyckiego.

Page 3: Potencjał czynnościowy

Potencjał czynnościowy – impuls sodowy

Zależność potencjału czynnościowego od stężenia sodu. A i B: Maksimum potencjału czynnościowego maleje wraz maleniem stężenia Na w płynie zewnątrzkomórkowym. Silna zależność wartości maksimum od stężenia Na wskazuje na duża przepuszczalność błony dla tych jonów w trakcie impulsu.

Alan Hodgkin i Bernard Katz odkryli, że amplituda potencjału czynnościowego zależy od koncentracji Na na zewnątrz komórki. Postawili hipotezę, że chwilowa zmiana przepuszczalności i wpływ jonów Na do wnętrza komórki powoduje potencjał czynnościowy. Potwierdzeniem tej hipotezy była obserwacja, że maksimum potencjału czynnościowego wynosi +55mV, co jest bliskie wartości potencjału równowagi dla sodu. Ich eksperymenty wskazały również, że zanik potencjału czynnościowego może być związany ze wzrostem przepuszczalności dla jonów K i ich wypływem z komórki.

Page 4: Potencjał czynnościowy

Eksperyment HH

A. Elektroda mierzaca potencjal wewnatrzkomorkowy w aksonie (średnica 500 um). Obraz z przodu i z boku jest możliwy dzieki systemowi luster.

B. Pierwszy wewnątrzkomorkowy zapis potencjalu czynnosciowego. Sinusoida o czestosci 500 Hz była uzywana jako znacznik czasu.

Hodgkin AL & Huxley AF (1939). Action potentials recorded from inside a nerve fibre. Nature 144, 710–711.

Page 5: Potencjał czynnościowy

wzrost gNa

Potencjał czynnościowy – wszystko albo nic

depolaryza-cja błony

napływ Na+

‘Wybuchowa’ natura impulsu jest związana z kanałami sodowymi o przepuszczalności zależnej od napięcia i sprzężeniem zwrotnym dodatnim z depolaryzacją błony. Repolaryzacja jest związana z otwarciem kanałów potasowych i wypływem potasu z komórki.

Page 6: Potencjał czynnościowy

Voltage clamp

Technika voltage clamp była opracowana przez Kenneth’a Cole’a w 1949 r. Alan Hodgkin i Andrew Huxley wykorzystał ją w serii eksperymentów (1952) nad mechanizmem generacji potencjału czynnościowego. Voltage clamp pozwala mierzyć wpływ zmian potencjału błonowego na przewodnictwa jonowe.

Voltage clamp działa na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Potencjał błonowy jest mierzony przez wzmacniacz (membrane potential amplifier) podłączony do elektrody zewnątrz i wewnątrzkomórkowej. Jest on przekazywany do wzmacniacza (feedback amplifier). Drugie wejście do wzmacniacza stanowi potencjał z generatora ustalany przez eksperymentatora (command potential). Wzmacniacz oblicza różnicę napięć i przekazuje sygnał na elektrodę biegnącą wewnątrz komórki. Prąd potrzebny do utrzymania napięcia na zadanym poziomie jest miarą prądu błonowego płynącego przez kanały jonowe.

Page 7: Potencjał czynnościowy

Eksperyment voltage clamp - wyniki

Mała depolaryzacja wywołuje prąd kondensatora Ic = C dV/dt oraz leak Il.

Większa depolaryzacja wywołuje większy prąd kondensatora Ic oraz Il oraz dodatkowo prąd dokomórkowy, a następnie odkomórkowy.

Depolaryzacja w obecności tetrodoxyny (TTX) blokującej kanały Na+, a następnie w obecności tetraethyloammonium (TEA) blokującej kanał K+, pozwala zobaczyć ‘czysty’ prąd IK i INa, po odjęciu Ic oraz Il.

Page 8: Potencjał czynnościowy

Eksperyment voltage clamp - wyniki

Prawo Ohma

Znając IK, INa, EK, ENa, oraz V można obliczyć gK i gNa. IK, INa można otrzymać z pomiarów voltage clamp, EK, ENa- stałe, V – ustala eksperymentator.

Page 9: Potencjał czynnościowy

Okładka programu wręczenia Nagrody Nobla w 1963 r.

Page 10: Potencjał czynnościowy

Pomiary voltage clamp dla różnych wartości V pozwoliły HH postawić hipotezę, że kanał Na posiada bramkę aktywacyjną i bramkę inaktywacyjną. Obie muszą być otwarte by kanał mógł przewodzić jony. Bramka aktywacyjna jest zamknięta gdy błona znajduje się poniżej potencjału spoczynkowego i otwiera się szybko przy depolaryzacji. Bramka inaktywacyjna jest otwarta przy potencjale spoczynkowym i wolno zamyka się w wyniku depolaryzacji. Kanał K posiada tylko bramkę aktywacyjną otwierającą się wolno w wyniku depolaryzacji.

HH model - bramki

Zachowanie pojedynczych kanałów może być rejestrowane za pomocą patch clamp. W zapisach widać szybkie otwieranie i zamykanie pojedynczych kanałów. Ich suma daje gładki przebieg wartości prądu

Page 11: Potencjał czynnościowy

Terminologia:

Włączenie prądu: aktywacja, wyłączenie prądu: dezaktywacja: oba procesy związane z otwarciem/zamknięciem bramki aktywacyjnej.

Gdy prąd się włącza, a następnie wyłącza pomimo stałego poziomu błony, oznacza to, że posiada on bramkę inaktywacją.

Procesy związane z zamknięciem/otwarciem bramki inaktywacyjnej to inaktywacja prądu/deinaktywacja prądu.

HH model - bramki

Page 12: Potencjał czynnościowy

1 - y y

OtwartyZamknięty

y - prawdopodobieństwo, że bramka jest w stanie otwartym, 1-y – że w stanie zamkniętym, , – stałe szybkości.

Zakładamy kinetykę reakcji pierwszego rzędu:

yydt

dy )1(

W stanie ustalonym:

yydt

dy )1(0

Stąd:

y

Podstawiając do równania:

))((

)()()()1(

yy

yyyyydt

dy

Model bramki (gate model – Hodgkin i Huxley (1952))

Page 13: Potencjał czynnościowy

Model bramki (gate model – Hodgkin i Huxley (1952))

Całkując dostajemy:

stan ustalony

stała czasowa

Zależność stałych czasowych i prawdopodobieństwa w stanie ustalonym od napięcia dla kanałów napięciowozależnych aktywowanych depolaryzacja (lub inaktywowanych hiperpolaryzacją).

Page 14: Potencjał czynnościowy

KKKK gngtVYtVg 4),(),(

NaNaNaNa ghmgtVYtVg 3),(),(

HH zauważyli, że gK i gNa nie są funkcjami exp(-t/) lecz raczej potęgami funkcji eksponencjalnych. Zaproponowali:

Korzystając z modelu bramki:

nnn

nn

nnn nnn

dt

dn

1 , ,)1(

mmm

mm

mmm mmm

dt

dm

1 , ,)1(

hhh

hh

hhh hhh

dt

dh

1 , ,)1(

HH model

Wzrost i spadek przewodnictwa K+

Page 15: Potencjał czynnościowy

Z przebiegów gK i gNa HH wyznaczyli: ,, , , , hmnhmn HH model

Przewodnictwo potasuPrzewodnictwo sodu

Punkt doświadczalny

Krzywa teoretyczna

Dopasowana krzywa: Dopasowana krzywa:

Page 16: Potencjał czynnościowy

HH model

Z funkcji ,, , , , hmnhmn można wyznaczyć ,, ,, , hhmmnn

Page 17: Potencjał czynnościowy

Następnie, do ,, ,, , hhmmnn

HH model

dopasowali funkcje:

Stałe szybkości wzrostu i opadania przewodnictwa K+

Stałe szybkości aktywacji przewodnictwa Na+

Stałe szybkości inaktywacji przewodnictwa Na+

Page 18: Potencjał czynnościowy

Ostatecznie, model Hodgkina i Huxleya można zapisac:

HH model

HH rozwiazali numerycznie swoje równania na mechanicznym kalkulatorze i otrzymali bardzo dobrą zgodność z doświadczeniem

model

eksperyment

A. Obliczony (góra) i rzeczywisty (dół) potencjał czynnościowy w aksonie kalmara. B. Kalkulator mechaniczny (Brunsviga Maschinenwerke, Grimme, Natalis & Co) w laboratorium Alana Hodgkina w

Cambridge.

Page 19: Potencjał czynnościowy

Generacja potencjału czynnościowego - podsumowanie

Page 20: Potencjał czynnościowy

-100 -80 -60 -40 -200

0.2

0.4

0.6

0.8

1activation gate

mV-100 -80 -60 -40 -20

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1inactivation gate

mV

-100 -80 -60 -40 -200

5

10

15tau activation

mV

ms

-100 -80 -60 -40 -200

100

200

300

tau recovery and inactivation

mV

ms

Charakterystyka typowego kanału

Page 21: Potencjał czynnościowy

Eksperymenty do wykonania

5. Experiments -> Basic -> Impulse generationZbadac wplyw stężen jonow w przestrzeni zewnątrzkomorkowej na generacje potencjalu czynnosciowego (Na, K, Cl, Mg, Ca).Ktore jony maja decydujacy wplyw?

Obnizyc poziom [Na]out i skompensowac to za pomoca Base current.Jaki wplyw ma [Na]out na potencjal spoczynkowy i na potencjał czynnosciowy?

Obnizyc poziom [K]out i skompensowac to za pomoca Base current.Jaki wplyw ma [K]out na potencjal spoczynkowy i na potencjał czynnosciowy? Porównac hyperpolaryzacje po potencjale czynnosciowym dla warunkow normalnych i niskiego [K]out.

6. (Eksperyment ‘Pasta do zębów ’) Przywrócić poziom [K]out i obnizyc poziom [K]in (0.1 mM). Skompensowac zmiane potencjalu spoczynkowego za pomoca ujemnego base current (-3nA). Pobudzic komorke. Co sie dzieje?

Page 22: Potencjał czynnościowy

Eksperymenty do wykonania

7. Experiments -> Currents -> Fast Na, K -> voltage clampAnaliza voltage clamp pradow Na i K

Zadac krok napiecia 0 – 10 sek: -65 mV, 10 – 20 sek: 0 mV.Narysowac prad calkowity, prad INa oraz IK (za pomoca Plot what ->soma -> INa, IK).

8. Analiza voltage clamp prądów Na i K: obejrzec osobno prądy INa, IK poprzez wyrownanie stężeń, po obu stronach błony lub poprzez ustalenie przewodnictw na 0.

Page 23: Potencjał czynnościowy

Eksperymenty do wykonania

9. Zbadac zaleznosc prądów INa i IK od napięcia w eksperymencie voltage clamp. Otrzymac nastepujacy rysunek:

Page 24: Potencjał czynnościowy

Eksperymenty do wykonania

10. Experiments -> Currents -> Fast Na, K -> amplitude and time courseAnaliza voltage clamp pradow Na i K. Obejrzec i zrozumiec przebieg zmiennych m, h, n oraz prądów INa i IK.