Potencjał spoczynkowy i czynnościowy

Transkrypt

1 Potencjał spoczynkowy i czynnościowy Marcin Koculak Biologiczne mechanizmy zachowania

2 Powtórka budowy komórki 2

3 Istota prądu 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. 3

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 4

5 Potencjał błonowy 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

6 Polaryzacja błony Polaryzacja błony wnętrze 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

7 Stan spoczynkowy neuronu Polaryzacja błony: w cytoplazmie występują ujemnie naładowane aniony białkowe; nierównomierne rozmieszczenie jonów nieorganicznych między cytoplazmą a toczeniem komórki - Na +, K +, Cl -, Ca 2+ 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

8 Gradienty Gradient stężeń Gradient elektryczny Przed osiągnięciem równowagi Po osiągnięciu równowagi Przed osiągnięciem równowagi Po osiągnięciu równowagi 8

9 Bilans jonów w neuronie Stężenie [mm] Jony Wewnątrz Na zewnątrz Neurony ośmiornicy Potas (K + ) Sód (Na + ) Neuron ssaka Potas (K + ) Sód (Na + ) Chlor (Cl - ) Wapń (Ca 2+ ) 0,

10 Potencjał spoczynkowy 10

11 Pompa sodowo(na + ) - potasowa(k + ) Płyn zewnątrzkomórkowy Pompy sodowo-potasowe Wnętrze komórki Błona komórkowa neuronu 11

12 Mechanizmy regulacji potencjału Pompa sodowo(na + ) - potasowa(k + ) Selektywna przepuszczalność błony komórkowej Zapobiega wpływaniu do wnętrza komórkowego wypompowanych jonów Na + i pozwala na częściowe wypływanie z wnętrza komórkowego wcześniej wpompowanych jonów K + Różnice aktywności poszczególnych kanałów jonowych: H 2 O, CO 2, O 2 i mocznik stale otwarte Pompa ta jest skuteczna tylko ze względu na selektywną przepuszczalność błony K + przymknięte Na + zamknięte 12

13 Celowość potencjału spoczynkowego Powstanie potencjału spoczynkowego jest spowodowane przede wszystkim tendencją K + do przepływania zgodnie z gradientem stężeń tych jonów z wnętrza na zewnątrz błony komórkowej. Powoduje to pozostanie niewielkiego nadmiaru ładunku ujemnych po wewnętrznej stronie błony. Inne jony (np. sodu) jedynie w niewielkim stopniu wpływają na wartości potencjału spoczynkowego. 13

14 Depolaryzacja błony 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) 14

15 Bodźce podprogowe 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. 15

16 Potencjał czynnościowy (iglicowy) 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. 16

17 Potencjał czynnościowy Wszystko albo nic": Wszystkie potencjały czynnościowe, w danej komórce mają tą samą wielkość. Do zapoczątkowania potencjału czynnościowego niezbędny jest bodziec o intensywności wystarczającej do zdepolaryzowania neuronu 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. 17

18 Propagacja potencjału czynnościowego 18

19 Kanały sodowe napięciowozależne Kanał zamknięty Depolaryzacja Kanał otwarty Przepływ jonów Hiperpolaryzacja Depolaryzacja błony zmienia konformację białka Przepuszczalność kanałów Na + zależy od różnicy potencjałów po obu stronach błony 19

20 Kanały potasowe W odpowiedzi na depolaryzację, następuje aktywacja potasowa, czyli otwarcie kanałów dla odkomórkowego prądu 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

21 Refrakcja względna i bezwzględna Refrakcja bezwzględna komórka nie jest w stanie odpowiedzieć na żaden bodziec (nie można wygenerować potencjału czynnościowego) (Kanały Na + ) Refrakcja względna potrzeba silniejszego bodźca aby wywołać ponowny potencjał czynnościowy) 21

22 Refrakcja względna i bezwzględna Refrakcja bezwzględna Refrakcja względna Potencjał błonowy (mv) Potencjał czynnościowy Przepuszczalność jonów Na + Przepuszczalność jonów K + Relatywna przepuszczalność błony (wielokrotność przenikalności Na + przy potencjale spoczynkowym) Czas (milisekundy) 22

23 Potencjał czynnościowy 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

24 Budowa neuronu akson Dendryty Jądro Wzgórek aksonalny Osłona mielinowa Przewężenie Ranviera Zakończenia presynaptyczne Ciało Kolce dendrytyczne Włókno mięśniowe 24

25 Szybkość przenoszenia informacji 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

26 Propagacja potencjału w aksonie (bez mieliny) Kanały Na + lokalnie otwarte generowanie potencjału czynnościowego Stymulacja Na + Lokalny przepływ prądu Kanał Na + Kanał K + Akson Na + Na + K + Lokalna depolaryzacja powoduje otwarcie sąsiednich kanałów Na +, co generuje potencjał czynnościowy Na + K + Na + K + Na + Nieaktywne kanały Na +, kanały K + otwarte. Repolaryzacja, refrakcja K + Propagacja potencjału czynnościowego wzdłuż aksonu Na + K + Na + K + Na + 26

27 Propagacja potencjału w aksonie (z mieliną) 27

28 Klasyfikacja włókien aksonalnych 28

29 Podsumowanie 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 29

30 Koniec Dzięki za uwagę 30