Vzrušivá buňka je schopna generovat vzruch, akční potenciál (AP), vést ho dál a předat ho na specializovaném místě, na synapsi, další buňce.

Tkáň lze definovat např. jako soubor buněk stejného embryonálního původu a víceméně jednotné morfologie a funkce.

Jaké je tedy specifikum musí taková buňka mít, aby se o ní dalo říci, že je vzrušivá?

Co je to akční potenciál?

Akční potenciál je aktivní odpověď buňky (tzv. odpověď všechno nebo nic), depolarizační vlna, která se šíří membránou vzrušivé buňky bez úbytku (tzv. bez dekrementu).

GAP JUNCTION – elektrická synapse

6 konexinů (26-50 kDa) spojených v 1 konexon

otevřená/zavřená konformace kontrolována koncentrací intracelulárního Ca2+, hodnotou pH nebo hladinou cAMP

evolučně starší typ synapse, (teoreticky) obousměrná komunikace mezi buňkami, a to elektrická i metabolická (v hematoencefalické bariéře se mohou účastnit transportu látek krev-neuron), rychlé a synchronizované spojení buněk

ve vyvíjejícím se nervovém systému hojné, po zprovoznění chemických synapsí jejich počet klesá (barvení neurobiotinem nebo lucifer. žlutí)

v CNS savců propojují glie (astrocyty, oligodendroglie) a neurony, v sítnici mohou propojova tyčinky a čípky, čípky navzájem, horizontální buňky navzájem

s mutacemi konexinových genů se pojí poruchy excitability CNS, dále např. některé typy hluchoty, šedého zákalu nebo choroby CMT (Charcot-Marie-Tooth typu 2)

Elektrické synapseElektrické synapse

Konexinové spoje obecně mohou vést proud oběma směry.

Pokud použijeme skleněné mikroelektrody naplněné

koncentrovaným roztokem KCl (a spojíme je se zdrojem pulsu,

zesilovačem a dalším vybavením), můžeme jednu elektrodu použít jako stimulační a druhou jako registrační.

Jednou mikroelektrodou pak můžeme aplikovat puls o určité amplitudě do jedné buňky a následně měřit druhou mikroelektrodou jeho amplitudu v druhé buňce, spojené s tou první konexiny.

Když mikroelektrody prohodíme, zjistíme, že proud opravdu teče oběma směry.

Evolučně je výhodnější koncept přenosu CHEMICKÉHO

chemická synapse umožňuje směrovat tok informace (nevzniká chaos)

presynaptický element chemické synapse je menší než postsynaptický: inofrmace se rozšíří na mnoho dalších postsynaptických elementů x presynaptický element elektrické synapse je velký a vodivě spojený s více elementy postsynaptickými, jejichž počet je kvůli úspoře prostoru redukován

prostorové hledisko: celé řady vstupů se integrují na těle jediné buňky (stupňovaná odpověď na tzv. vstupní membráně)

chemické synapse snadno modulovatelné (ovlivňování vstupů chemickými faktory); farmaka cíleně zasahují synapse určitého typu, tj. přenot určité informace

VS.

Vlastnost Elektrická synapse Chemická synapse

Vzdálenost mezi pre-a postsynaptickou

membránou3,5 nm 30-50 nm

Kontinuita mezi pre-a postsynaptickou

membránouAno Ne

Ultrastrukturní komponenty

Konexiny/konexony

Presynaptické aktivní zóny a váčky s

NT/postsynaptické receptory

Co přenáší informaci Toky iontů Neurotransmitery

Synaptické zpoždění (v podstatě) žádné Signifikantní: nejméně 0,3 ms, obvykle 1-5 ms

Směr přenosu informace (teoreticky) obousměrný Jednosměrný

Velikost pre/postsynaptického

elementuPre > Post Post > Pre

Vnitřek buňky je sice elektricky neutrální – stejný počet kladných i záporných

nábojů,ALE VZHEDEM K VNĚJŠKU JE elektricky

záporný.

Podstata biopotenciálů

Nerovnoměrná distribuce iontů na membráně je udržována zejména

AKTIVNÍM TRANSPORTEM Na+ z buňky

SOUČASNÝM TRANSPORTEM K+ DOVNITŘ BUŇKY (uvnitř buňky je draslíku asi 20-70x více než extracelulárně

Na této polaritě se podílí hlavně záporně nabité molekuly, které nemohou volně procházet membránou a jsou drženy uvnitř buňky (ATP,CP, isothionát, záporně nabité zbytky postranních aminokyselin proteinů aj.).

Klidový membránový potenciál (KMP) vzniká zejména díky

Nerovnoměrné distribuci iontů na membráně

Selektivní propustnosti membrány pro daný kationt

EK+ =

[K+]out

[K+]in

RT

nFln

je tedy potenciál(ový rozdíl) mezi vnitřkem a vnějškem buňky, za stavu, kdy přes membránu neteče žádný difusní proud. Říká se mu též ROVNOVÁŽNÝ POTENCIÁL, Nernstovský rovnovážný potenciál (s patřičným indexem pro ten který iont: K+ ionty EEKK++).

i = RT ln + nF

[xi]II

[xi]I

~

[xi] je koncentrace (obecného) iontu xi v roztocích I a II, F je Faradayova konstanta (náboj jednoho molu elektronů , asi 96 000 coulombů/mol), a n (nebo někdy z) je valence iontu (např. n=+1 pro K+ a –1 pro Cl-).

Na rozhraní se ustaví elektrochemický potenciál i, jehož velikost je určena dvěma členy. První, logaritmický člen, je odvozen z difusní (osmotické) práce, druhý představuje práci elektrickou, přesun určitého množství nábojů z jednoho do druhého roztoku.

~

MP má každá živá buňka, i když různě vysoký. Zdravé svalové vlákno kosterní svaloviny má typický klidový MP okolo –70 mV, ale jsou buňky s KMP daleko nižším - třeba buňky střevního epitelu mají KMP i okolo –15 mV. Každá živá buňka si udržuje nějaký MP, tedy nerovnoměrnou distribuci iontů vně a uvnitř. To není snadné, ionty musí být různě přečerpávány (některé do buňky, jiné ven), což je energeticky ohromně náročné a nevýhodné. Svalové vlákno může za určitých podmínek až polovinu vyrobeného ATP spotřebovat na činnost transportních pump, zejména Na+/K+ ATPasy – jiným slovy na udržení svého MP v nějakých rozumných mezích. To je hodně drahý špás, když si uvědomíte, jak důležitá molekula ATP je.

Naměřili bystě membránový potenciál (MP) u každé živé buňky, nebo jen na membráně buněk vzrušivých?

Proč se tedy živá buňka tolik namáhá, aby si udržela nějaký MP?

Pamatujte si tedy klíčový poznatek: jakýkoliv gradient oddaluje živý systém od stavu termodynamické rovnováhy a nese s sebou určitý energetický a informační

obsah.

Pamatujte si, že s nerovnoměrnou distribucí jakýchkoliv látek, ať už nenabitých nebo iontů, je vždycky spojen určitý gradient: látek (koncentrační), náboje apod. Velmi hrubě řečeno, každý gradient je spojen s určitým obsahem energie, s nějakou energetickou informací, každý gradient vzdaluje živý systém od stavu termodynamické rovnováhy. Termodynamická rovnováha je stav neslučitelný se životem, a proto se jí buňka brání. Energii „uloženou“ v nějakém gradientu může pak buňka využívat různě – na transport látek, na syntézu apod.

ENa+ =

[Na+]out

[Na+]in

RT

nFln

1

y = ln x

y = (k) ln x

Rovnovážný potenciál Enějakého iontu lze také jinak charakterizovat jako potenciál, při němž neteče pasivně iontovými kanály žádný elektrický, zde tedy i difusní proud - ani z buňky, ani do buňky. Někdy se také označuje jako potenciál reversní (Vr), protože na jeho úrovni se mění směr toku proudu přes membránu; v případě draslíku teče K+ proud ven při kladnějších hodnotách KMP než je EK a dovnitř, jestliže buňku uměle „hyperpolarizujeme“ na zápornější potenciál než je V r, tekou ionty draslíku naopak do buňky.

4

155

zlomek menší než 1 EK+ leží v záporných hodnotách

145

12

zlomek větší než 1 ENa+ leží v kladných hodnotách

EK+ -90 mV

ENa+ +66 mV

Enějakého iontu

EK+= -90 mV

ENa+= +66 mV

klidovýMP = - 70 mV

Na+

K+

0

Mem

brá

no

vý p

ote

nci

ál

Relativní propustnosti pro K+ (PK=PK/PK), Na+ (PNa=PNa/PK) a Cl-

(PCl=PCl/PK) jsou následující:

PK : PNa : PCl = 1 : 0,01-0,05 : 0,5

Klidová propustnost pro Na+ je zpravidla 20 (1:0,05) až 100 (1:0,01) nižší než pro K+ (jen nepatrný počet Na+ kanálů se v klidu náhodně otevírá). Pro Cl- je propustnost této modelové membrány asi poloviční.

Propustnost membrány pro ionty

Např. pro obří vlákna sépie jsou propustnosti pro Na+

(PNa=PNa/PK), K+ (PK=PK/PK) a Cl- (PCl=PCl/PK) následující:

PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,5

Je zřejmé, že klidová propustnosti se pro různé (vzrušivé)é tkáně a tytéž ionty nepatrně liší, nicméně tento specifický poměr jednotlivých propustností je pro nastavení hodnoty MP nezbytný.

Účast jednotlivých iontů na výsledném klidovém membránovém potenciálu (Em) je dána nejen  poměrem koncentrací, ale poměrem jejich propustností, což vyjadřuje komplexní GOLDMAN-HODGKIN-KATZOVA ROVNICE, v níž jsou zavzaty  poměrné propustnosti P jednotlivých iontů, vztažené k PK = 1:

Em =

PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i

PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o

RT

nFln

Em =

PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i

PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o

58 lognebo též

Akční potenciál (AP, vzruch, impuls) je velký, krátký a

neměnný signál ("vše nebo nic"), který se šíří podél nervu a

dlouhých svalových vláken bez snížení amplitudy.

PODSTATA:

1) otevření Na+ kanálů, pří depolarizaci na prahovou hodnotu

(elektricky, chemicky, mechanicky). PNa převýší ostatní,

Na+ teče dovnitř, Em na pár ms určen ENa+ (plus uvnitř-přestřelení)

2) Následné zvýšení PK : další K+ kanály se pod vlivem depolarizace otevřou a přetrvají po uzavření Na+

kanálů→ vzniká následná hyperpolarizace.

AKČNÍ POTENCIÁL, intracelulárně snímaný skleněnou elektrodou AKČNÍ POTENCIÁL, intracelulárně snímaný skleněnou elektrodou

přestřelení

následná hyperpolarizace

lokální odpověď

(nad)prahový puls

KMP

me

mb

rán

ov

ý p

ote

nc

iál

pro

ud

práh

ENa

Ek

Akční potenciál vzniká postupným otevřením nejprve Na+ (někdy Ca2+) a pak K+ iontových kanálů, jestliže je klidový membránový potenciál náhle snížen zhruba po 15 mV (řekněme z -70 mV na -55 mV) na tzv. hodnotu prahové depolarizace.

Při této prahové depolarizaci se otevírají napěťově citlivé Na+ kanály. Sodík vtéká po koncentračním spádu do buňky a snižuje negativní náboj vnitřku. Na vrcholu vlny se polarita uvnitř buňky otáčí na +20 či +30 mV (hodnota se blíží rovnovážnému potenciálu ENa = +50 mV). Tomuto obrácení polarity se také říká přestřelení - overshoot.

Akční potenciál zdravého vlákna kosterní svaloviny a vlákna nervového je krátkodobý (1-3 ms) a regenerativní- depolarizace otevírá další Na+ kanály v sousední oblasti, čímž se vlna šíří.

mS

/cm

2

mem

brá

no

vý p

ote

nci

ál

(mV

)

ENa

EK

 

následná hyperpolarizace

přestřelení

práh

Jednotlivé fáze APJednotlivé fáze AP

ENa+= +66 mV

EK+= -90 mV

klidový MP = - 70 mV

0

Mem

brá

no

vý p

ote

nci

ál

15 mV

absolutní

relativnírefrakterní fáze

1-2 ms

b) opožděným otevřením napětím řízených K+ kanálů, které mají tendenci membránu repolarizovat.

Trvání akčního potenciálu je určeno

Po ukončení vlny akčního potenciálu se klidový membránový potenciál dočasně hyperpolarizuje v důsledku přetrvávající zvýšené propustnosti pro K+, což znamená, že po několik dalších milisekund je toto místo membrány nedráždivé (refrakterní fáze). Jakmile vznikne akční potenciál - jakožto vlna opačné polarity, než je v klidu -, vznikají mezi tímto místem a sousedními úseky membrány lokální proudy.

a) spontánní inaktivací, tj. uzavřením Na+ kanálů – jejich inaktivací a

K+

Na+

sodíkovýkanál

membrána

draslíkovýkanál

vně buňky

uvnitř buňky

(A)

K+

Na+

(C)

Na+

K+

(D)

klidový stav

depolarizace repolarizace

následná hyperpolarizace

Em (mV)

klidový stav

(B)

K+

Na+

Sodíkový a draslíkový

kanál během AP

Aktomyosinový komplex se nejen zasouvá do sebe (kontrahuje), musí také relaxovat, uvolnit vzájemné spojení. Relaxace aktomysionového komplexu trvá několik desítek milisekund. Na jeden akční potenciál odpoví aktomyosinový komplex jen nepatrným zasunutím aktinu a myosinu do sebe. Jde o tzv. svalové trhnutí. Vyvíjí se jen nepatrná síla. Díky tomu, že AP svalového vlákna trvá jen 1-2 ms, mohou se na vlákně uplatnit ještě další AP před tím, že aktomyosinová komplex zrelaxuje Ţ aktin a myosin se zasunou více do sebe, sarkomera se výrazněji zkracuje, vyvíjí se větší síla. Toto je zajištěno právě krátkou dobou AP, jež je podmíněna rychlým zavíráním sodíkových kanálů.

Proč je důležité, aby AP ve vlákně kosterní svaloviny netrval příliš dlouho, aby „včas“ skončil?

Když zvedáte svazek klíčů, musíte vyvinout daleko menší sílu, než když zvedáte pětikilový meloun. Této větší síly můžete dosáhnou zejména dvěma způsoby: zapojením

většího počtu motorických jednotek a větším zkrácením sarkomery.

Sílu, které svalové vlákno vyvíjí při zkracování sarkomery, popisuje Gordonova křivka. S tou se seznámíte na přednášce; obecně, pokud se sarkomera zkracuje, tak se zkracováním do určité délky roste i síla stahu. Děje, které vedou ke zkrácení sarkomery, všichni znáte, takže jen stručně: aktivace nervosvalového spojení (AP) Ţ výlev acetylcholinu Ţ depolarizace membrány svalového vlákna (AP) Ţ AP je zaveden do T-tubulů Ţ ty jsou v kontaktu s cisternami sarkoplasmatického retikula, které také depolarizují Ţ výlev vápníku z cisteren SR Ţ aktivace myosinové ATPasy Ţ zasouvání aktomyosinového komplexu do sebe Ţ kontrakce.

Takovému typu kontrakce, kdy na vzestupnou nebo sestupnou fázi předchozího svalového trhnutí nasedne další AP, mohou se na sebe „naskládat“ a zvyšovat tak celkovou vyvinutou sílu, se říká kontrakce tetanická.

Nesouvisí s poškrábáním se o rezavý hřebík. Tetanickým způsobem se realizuje drtivá většina vašich svalových kontrakcí.

tetanus

součet dvou trhnutí

trhnutí (twitch)

svaloý AP 2 svalové AP

vysokofrekvenční série svalových APs

vy

vin

utá

síl

a

150-200 ms

ENa+, + 66 mV

EK+, -90 mV

0

klidovýMP, - 70 mV

15 mV

1

2

3

1-2 ms

4

Ca2+

Fáze plató srdečního AP je podmíněna otevřením napěťově ovládaných vápníkových kanálů. Vápník teče po svém elektrochemickém gradientu do buňky a

depolarizuje membránu po dobu až 200 ms.

Během fáze plató jsou již uzavřeny sodíkové kanály. Tato fáze skončí uzavřením vápníkových kanálů, které vpouštějí vápník do srdečního svalu. Jak ale kardiomyocyt pozná, že už je ta správná doba na uzavření vápníkových kanálů?

Vápníkové kanály zodpovědné za fázi plató srdeční svaloviny mají na své intracelulární straně dvě vazebná místa pro ionty vápníku. Poté, co jsou obě obsazena (signál: už je v cytoplasmě vápníku dost, uběhla dost dlouhá doba), kanály se autoregulačně uzavírají. Membránový potenciál klesá, otevírají se napěťově ovládané draslíkové kanály a AP končí způsobem, jaký známe ze svaloviny kosterní.

Proč vtéká vápník do buňky?