Základy excitability NS

1. Základy excitability NS

2. Klidový membránový potenciál • Přítomen u všech buněk • Změny elektrického potenciálu podstatou přenosu a zpracování informací neuronů • Nerovnoměrné rozložení iontů na membráně • Semipermeabilita membrány • Pohyb iontů přes membránu ovlivňován • Pasivně • Koncentračním gradientem • Elektrickým gradientem • Aktivně • Elektrogenní Na+ /K + pumpou

3. Rovnovážné potenciály • Potenciální rozdíl, který brání difuzi iontů podél koncentračního gradientu • Kalkulace podle • Nernstovy rovnice • E= RT (iont) ECT ln FZ (iont) ICT

4. Konstanty Nernstovy rovnice • R – universální plynová konstanta (8,31 joulů/mol/oK • T – teplota ve oK (273 + oC) • F – Farradayova konstanta (náboj/mol: 96,500 coulombů/mol) • Z – valence iontu • ICT – intracelulárně • ECT - extracelulárně

6. Výpočet klidových membránových potenciálů • EK+ • ENA+ • ECl- • ECa++ Ln . 2,3 = log10

7. Výpočet membránového potenciálu • Neuronální membrána je různě propustná pro různé ionty • Tyto ionty přispívají ke vzniku klidového membránového potenciálu podle svých propustností • Goldmanova rovnice

8. RT Em ln = F PNa PK : : PCl = 1 : 0,04 : 0,45 Goldmanova rovnice PK(K+)o + PNa (Na+)o + PCl(Cl)o PK(K+)i + PNa (Na+)i + PCl(Cl)i P – propustnost, permeabilita, dána vlastnostmi iontových kanálů

9. Snímací elektroda v ICT Snímací elektroda Membrána Axon První intracelulární měření – obří axon sepie - 0,5 mm Experimentální verifikace

10. Snímací el. Průnik membránou Intracelulární snímání skleněnou elektrodou

11. Nervový vzruch • Podmíněn přítomností napěťově řízených iontových kanálů pro Na • ms depolarizace membránového poteniálu s následnou repolarizací - odpověď vše nebo nic • Depolarizace nesena Na, repolarizace K

12. Depolarizace Hrot AP Repolarizace Napětí (mV) Afterpotential Čas (msec)

13. A C Práh Práh Stimulus B Práh Stimulus Stimulus

14. +5 mV -70 mV 0 mV -60 mV -60 mV

15. Napěťový zámek Průtok iontů přes membránu Referenční elektroda Snímací elektroda Iontový proud Elektroda regulující napětí Axon Napěťový zámek

16. Akční potenciál - spike 0 2 4

17. Zámková elektroda Terčíkový zámek Měření proudu Skleněná mikroelektroda Referenční elektroda ICT Iontový kanál

18. Terčíkový zámek • Umožňuje studovat vlastnosti jednotlivých iontových kanálů • Iontové kanály se zavírají a otevírají rychle a v různý čas • Otevírání a zavírání kanálů je řízeno pohybem jednoho transmembránového segmentu (S4) v závislosti na změnách membránového potenciálu

19. stimulus Souhrnný potenciál Změny proudu během otevření kanálu Terčíkový zámek Tok proudu Na kanály po depolarizaci

20. Podjednotka S4 doména Centrální pór Klidová membrána Depolarizovaná membrána Registrace napětí Na kanálm

21. Registrace napětí napěťově řízenými Na kanály • Na kanál má dvě brány, které spolu interagují • Aktivační a inaktivační • Na kanál – 4 podjednotky s centrálně umístěnou S4 jednotkou v centru každé podjednotky • při depolarizaci membrány se S4 jednotky vysunou a otevřou pór (aktivace) • inaktivace nastupuje po krátké době aktivace a uzavírá kanál • aminokyselinová smyčka, která překáží v dutině kanálu • v klidu je • inaktivační brána otevřená • pór je uzavřen

22. Refrakterní perioda • Období, kdy nelze vyvolat AP • Absolutní – během repolarizace membrány • Relativní – během přestřelení – stimulus musí být silnější, práh dráždivosti je vyšší • Období, kdy je aktivována inaktivační brána a S4 domény vysunuty • Po odeznění depolarizace dochází ke konformačním změnám, které • Otevírají inaktivační bránu a • Zasouvají S4 domény

23. Vliv refrakterní periody na intenzitu stimulu Práh dráždivosti Intenzita stimulu potřebná k vyvolání AP

24. K kanály • Napěťově řízené • Odlišné vlastnosti • Jednu bránu • Otevírá se při depolarizaci a uzavírá se při repolarizaci • Pomalu se otvírají, ale dlouho otevřené • Pomalu se inaktivují

25. Rozmanitost iontových kanálů • Liší se • Fyziologicky (kinetika otvírání a zavírání) • Strukturálně • Na napěťově řízené kanály relativně velmi podobné • K napěťově řízené kanály extrémní variabilita • Typy kanálů podmiňují mnoho neuronálních vlastností • Práh dráždivosti • Refrakterní perioda • Pacemakerová aktivita

26. Typy K kanálů K kanály KA kanály KCa kanály KIr kanály KM kanály KS kanály KAch kanály

27. Šíření akčního potenciálu Vedení nervového vzruchu nemyelinizované vlákno Depolarizace se šíří podél vlákna I směrem, odkud AP přišel Na kanály jsou tu inaktivované a Proto se AP zpět nešíří Rychlost vedení je závislá na velikosti vlákna – větší vlákna mají nižší odpor

28. Efekt myelinizace • Myelin ovlivňuje rychlost vedení • snižuje kapacitu membrány = schopnost uchovávat elektrický náboj • kapacita snižuje napětí, které se může šířit a depolarizovat sousední úseky membrány • Nižší kapacita – vyšší rychlost vedení • Saltatorní vedení AP • depolarizace se šíří ve skocích mezi Ranwierovými zářezy • vysoká hustota napěťově řízených Na kanálů • absence jiných kanálů

29. Myelin Axon Ranwierův zářez Tok proudu na myelinizovaném axonu během AP

30. Energetické nároky na vedení nervového vzruchu • Vedení AP není přímo závislé na energii • Využívá se energie membránového potenciálu • Energie je potřebná pro jeho udržování

31. Synaptický přenos

32. Proces přenosu informace z jednoho neuronu na druhý • Elektricky • přímý přenos polarizace na postsynaptický neuron, rychlé, bez mediátoru, nepotřebuje receptory • Chemicky • Klasický synaptický přenos • mediován ionotropními receptory, 0,5-1,0 ms synaptické zdržení • Excitační – depolarizace postsynaptického neuronu • Inhibiční – hyporpolarizace postsynaptického neuronu • Nuromodulační • mediován metabotropními receptory, mění odpověď postsynaptického neuronu k jiným signálům

33. SEM axonů se synapsemi na postsynaptickém neuronu

34. Elektrický synaptický přenos • Umožňuje přímý tok proudu (iontů) z jednoho neuronu na druhý • Vyžaduje přítomnost nízkoodporových iontových kanálů (gap junctions) mezi presynaptickým a postsynaptickým neuronem • Nejrychlejší přenos informace – nejrychlejší odpověď postsynaptického neuronu • Umožňuje synchronní odpověď více postsynaptických neuronů

35. A Iontový proud B Iontový proud

36. EM elektrické synapse Podélný řez Příčný řez

37. Chemický přenos • Zahrnuje uvolnění mediátoru presynaptickým neuronem, difusi synaptickou štěrbinou a působení na postsynaptický neuron • Pomalejší, ale umožňuje modifikaci či modulaci odpovědi • Odpověd postsynaptického neuronu na přenašeč závisí na povaze a vlastnostech receptorových proteinů • Variabilita receptorů umožňuje variabilitu odpovědi • Odpověď receptorů může být modulována v závislosti na zkušenosti

38. 1 Syntéza mediátoru 2 Skladování 3 Uvolňování 5 Inaktivace 4 Postsynaptické působení 5 fází chemického synaptického přenosu

39. Ligand sensitive receptors • Odpověď postsynaptického neuronu je zahájena navázáním mediátoru (ligandu) na receptory • závisí na typu aktivovaných iontových kanálů • tj. na typu iontů, které aktivovanými kanály protékají • nezávisí na typu mediátoru • Některé mediátory excitační i inhibiční • Hustota ligand sensitivních kanálů je vysoká na postsynaptické membráně

40. nAch receptor • Nejprobádanější ligand sensitivní receptor • nervosvalové spojení, periferní NS obratlovců, • CNS obratlovců i bezobratlých • nAch receptor je kanálem • 5 podjednotek: 2 alfa, 1 beta, gama, delta • Váže 2 Ach (alfa a beta, alfa a gama) • Zvýšení propustnosti pro Na a K a trochu Ca • Desensitizace - pomalá strukturální změna receptoru – snížení citlivosti na ligand • Recovery vyžaduje periodu bez přítomnosti ligandu

41. Vazebná místa receptoru A 8 nm B 6 nm 14 nm Membrána 4 nm Nikotinový acetylcholinový receptor

42. Excitační synaptický přenos • Depolarizace postsynaptického neuronu – excitační postsynaptický potenciál, EPSP (nervosvalové spojení = ploténkový potenciál, EPP) • Reversal potential = membránový potenciál, kdy je EPSP (příp. i IPSP) roven nule • Potenciál, kdy jsou v rovnováze síly působící na pohyb iontů přes iontové kanály a těmi neprotéká žádný proud • Používán k analýze iontového základu EPSP

43. 62 31 16 Reversal potenciál Membránový potenciál (mV) -4 -10 -18 -22

44. EPSP Obratlovčí neuron, AP potlačeny TTX Membránový potenciál (mV) K+ 0 10 20 Time (msec) Na+ Náboj

45. Vznik AP na postsynaptickém neuronu • Excitační synapse obvykle na dendritech - nemají napěťově řízené Na+kanály – EPSP nemůže vyvolat AP • EPSP se šíří elektrotonicky (s úbytkem) podél těla neuronu • AP vzniká v tzv. iniciační zóně, úpatí axonu, je-li depolarizace dostatečně veliká.

46. Excitační synapse Axonový hrbolek Axon Iniciační zóna Tělo neuronu Šíření depolarizace

47. Inhibiční synaptický přenos • Hyperpolarizace postsynaptického neuronu – IPSP - snižuje pravděpodobnost vzniku AP • Výtok K+ nebo vtok Cl-podle typu aktivovaných kanálů - přechodné zvýšení záporného náboje v buňce • V některých případech může být IPSP depolarizační, ale přesto brání vzniku AP

48. IPSP Membránový potenciál (mV) Čas (msec) Náboj Náboj

49. Inhibiční neuron Excitační neuron Axonový hrbolek Axon Iniciační zóna Tělo neuronu Pohyb kladných iontů Pohyb záporných iontů

50. Presynaptická inhibice • Postsynaptická inhibice - snižuje schopnost neuronu odpovídat na všechny podněty • Presynaptická inhibice = selektivní snížení citlivosti k určitého podnětu • Snižuje množství uvolňovaného mediátoru • snížení citlivosti napěťově řízených Ca++ kanálů k depolarizaci • Zvýšení vodivosti presynaptické membrány k Cl- iontům – snížení velikosti AP a tím snížení množství uvolňovaného mediátoru • Pre i post-synaptická inhibice mohou být mediovány stejným mediátorem - GABA • Vlastnosti iontových kanálů jsou však rozdílné