Ugrás a tartalomhoz

Emberi életfolyamatok idegi szabályozása – a neurontól a viselkedésig. Interdiszciplináris tananyag az idegrendszer felépítése, működése és klinikuma témáiban orvostanhallgatók, egészség- és élettudományi képzésben résztvevők számára Magyarországon

Ábrahám Hajnalka, Ács Péter;, Albu Mónika, Bajnóczky István, Balás István, Benkő András, Birkás Béla, Bors László, Botz Bálint, Csathó Árpád, Cséplő Péter, Csernus Valér, Dorn Krisztina, Ezer Erzsébet, Farkas József, Fekete Sándor, Feldmann Ádám, Füzesi Zsuzsanna, Gaszner Balázs, Gyimesi Csilla, Hartung István, Hegedűs Gábor, Helyes Zsuzsanna, Herold Róbert, Hortobágyi Tibor, Horváth Judit, Horváth Zsolt, Hudák István, Illés Enikő, Jandó Gábor, Jegesy Andrea, Kállai János, Karádi Kázmér, Kerekes Zsuzsanna, Koller Ákos, Komoly Sámuel, Kovács Bernadett, Kovács Norbert, Kozma Zsolt, Kövér Ferenc, Kricskovics Antal, Lenzsér Gábor, Lucza Tivadar, Mezősi Emese, Mike Andrea, Montskó Péter, Nagy Alexandra, Nagy Ferenc, Pál Endre, Péley Iván, Pethő Gábor, Pethőné Lubics Andrea, Pfund Zoltán, Pintér Erika, Porpáczy Zoltán, Pozsgai Gábor, Reglődi Dóra, Rékási Zoltán, Schwarcz Attila, Sebők Ágnes, Simon Gábor, Simon Mária, Sipos Katalin, Szapáry László, Szekeres Júlia, Szolcsányi Tibor, Tamás Andrea, Tényi Tamás, Tiringer István, Tóth Márton, Tóth Péter, Trauninger Anita, Vámos Zoltán, Varga József, Vörös Viktor (2016)

Pécsi Tudományegyetem; Dialóg Campus Kiadó-Nordex Kft

1.d. Az akciós potenciál kialakulása és terjedése (molekuláris mechanizmus, élettan). – Jandó Gábor [Szakmai lektor: Sáry Gyula]

1.d. Az akciós potenciál kialakulása és terjedése (molekuláris mechanizmus, élettan). – Jandó Gábor [Szakmai lektor: Sáry Gyula]

1. Ioncsatornák

A neurofiziológia általánosan elfogadott tézise, hogy az idegrendszer működési egysége a neuron. Minden neuron különálló, sejtmembránnal körülhatárolt élő sejt, vagyis egymástól tökéletesen különálló egység. (ld. neuron doktrína, Cajal, 1906) Az idegsejtek jelentős morfológiai variabilitást mutatnak attól függően, hogy az idegrendszer mely területén találhatók, és mi a feladatuk.

1.29. ábra - 1. ábra: Négykomponensű neuron modell

1. ábra: Négykomponensű neuron modell

A szerteágazó morfológiai tulajdonságok ellenére funkcionális szempontból a neuronok szerveződése azonos, és általában négy fő működési egységre bontható: 1. a dendritek és a sejttest, a bemeneti régió, ahova a más idegsejtekből származó idegi impulzusok beérkeznek, 2. az axon iniciális szegmentum, más néven trigger zóna, ahol idegi aktiváció során először keletkezik akciós potenciál, 3. az axon, ami egy vezető egység, és lényegében a sejt hengeres protoplazma nyúlványa, melyek az idegi impulzusok távolabbi régiókba történő gyors, hatékony, vezetésére specializálódott, 4. szinaptikus terminál, kimeneti régió, mely az idegi impulzusok más neuron, izom, mirigy vagy ér felé történő továbbítását végzi.

1.6. táblázat - 1. táblázat: A modell neuron négy komponense. A táblázat összefoglalja azokat a neuronális komponenseket anatómiai struktúrákat, jelátviteli formákat, főbb csatornatípusokat, melyek egy átlagos neuronban megtalálhatók

komponensbemenetintegratív régióvezető régiókimenet
anatómiai struktúrákdendrit, szóma, dendrit tüskékaxon hillock, trigger zóna vagy axon iniciális szegmentummyelinizált vagy nem myelinizált axon, Ranvier csomószinaptikus terminál, szekretoros régió
jelátvitel, potenciálformákposztszinaptikus potenciálok (PSP), inhibitoros PSP (IPSP) -hyperpolarizáció, excitátoros PSP (EPSP) - depolarizációakciós potenciál (AP)Ranvier csomó: AP internodális myelinizált rész: elektrotónusos potenciál (EP)preszinaptikus depolarizáció és neurotranszmitter felszabadulás
főbb ion csatornákdirekt, indirekt ligand-függőfeszültségfüggő Na+, K+ vagy Ca2+feszültségfüggő Na+, K+feszültségfüggő Ca2+


Az idegrendszerben a neuronok intenzíven kommunikálnak egymással szinapszisok ezrein keresztül, és ennek következtében egymás funkcionális állapotát folyamatosan módosítják. A neuronok közötti kommunikáció jelátvitellel történik, ahol a jel lehet elektromos vagy kémiai természetű. A kémiai jelátvivő molekulákat neurotranszmitternek nevezzük, míg az elektromos jelek általában az akciós potenciál vagy akut lokális membránpotenciál változások (elektrotónusos, szinaptikus, véglemez ill. receptor potenciál).

Az elektromos és kémiai jelátviteli módok váltják és vezérlik egymást oly módon, hogy kémiai transzmisszió zajlik a sejtek között (kivéve az elektromos szinapszisokat, ahol a gap junctionok vezetik az elektromos áramot), de elektromos jelátvitel történik a neuronon belül. A kémiai jelek elektromos jeleket generálnak a bemeneti régióban (általában a dendriteken) és viszont, az elektromos jelek kémiai jelátvitelt triggerelnek a neuron terminális, vagy kimeneti régiójában. Az idegsejtek jelentősen különböznek egyéb szomatikus sejtektől abban a tekintetben, hogy membránpotenciáljukat képesek a másodper tört része alatt megváltoztatni. Ezért is hívjuk az ideg és izomszöveteket ingerlékeny szöveteknek. A membránpotenciál változása, amelyet depolarizációnak, hyperpolarizációnak ill. akciós potenciálnak hívunk, képes gyorsan tovaterjedni a sejtmembrán mentén. Az ingerlékeny szövetek által keltett elektromos jelek elektródák segítségével összegyűjthetők, regisztrálhatók, ill. külső áramforrásból származó elektromos árammal, ingerelhetők, gátolhatók vagy a belső állapotuk megváltoztatható.

Mivel az idegi jelátvitel egyik kardinális formája a membránpotenciál változásokon alapul, először is a sejten belüli elektromosság eredetét és kialakulását kell megértenünk. A következőkben tehát az elektromos jelenségek szempontjából kulcsfontosságú szubcelluláris organellumok, az ioncsatornákkal és az ionpumpákkal foglalkozunk, melyek szerves működési egységei a membránnak és a membránpotenciál kialakulását, módosítását irányító nélkülözhetetlen elemek.

1.30. ábra - 2. ábra: Elektromos kapacitás és a biológiai membrán. Balra: Szigetelővel elválasztott vezető felületek kondenzátort alkotnak. Jobbra: Az ionok a plazmamembrán két oldalán elkülönülnek egymástól. A biológiai membrán egy elektromos szigetelő, amely a két oldalán lévő vezető ionokkal együtt kondenzátort alkot, így töltéseket képes tárolni

2. ábra: Elektromos kapacitás és a biológiai membrán. Balra: Szigetelővel elválasztott vezető felületek kondenzátort alkotnak. Jobbra: Az ionok a plazmamembrán két oldalán elkülönülnek egymástól. A biológiai membrán egy elektromos szigetelő, amely a két oldalán lévő vezető ionokkal együtt kondenzátort alkot, így töltéseket képes tárolni

Minden élő sejtet egy kb. 5 nm vastag sejtmembrán vesz körül, mely elválasztja a sejt belsejét a külső környezettől (1.4.2. ábra). A sejtmembrán legfőbb alkotóeleme a foszfolipid molekula, mely két pólussal rendelkezik. Az egyik hidrofil (foszfát csoport, vízmolekulákat magához vonzza), míg a másik hidrofób (szénhidrogén lánc, a vízmolekulákat taszítja). Vizes közegben ezek a molekulák két rétegbe rendeződnek oly módon, hogy a hidrofób részek egymás felé fordulnak, és a membrán belső “olajos” részét képezik, míg a hidrofil foszfát csoportok érintkeznek az intracelluláris ill. az extracelluláris térrel. A 1.4.2. ábrán a körök a foszfolipid molekulák hidrofil (lipofób), míg a cikk-cakk vonalak a hidrofób (lipofil) részét reprezentálják. Ezt a kétrétegű elrendeződést lipid kettősrétegnek hívjuk.

A membrán középső részének “olajos” természete miatt a hidrátburokkal rendelkező ionok elkülönülnek a membrán két oldalán, így hatékonyan elválasztva az intra- és extracelluláris teret egymástól. Mivel vizes közegben a szabadon mozgó ionok felelősek az elektromos vezetőképesség kialakulásáért, és a sejtmembrán nem permeábilis ionokra, a membrán elektromos szigetelőként is viselkedik ebben a környezetben. Elektromos szigetelővel elválasztott vezető felületek (pl. fémlemezek levegővel elszigetelve, vagy két oldalán bevont tükör, ahol vékony fémbevonatot választ el üveg, mint szigetelő) pedig kondenzátort alkotnak, amely képes töltéséket tárolni a vezető felületén oly módon, hogy a pozitív töltések felsorakoznak az egyik oldalon, míg a negatív töltések a szigetelő másik oldalán lévő szemközti oldalon (1.4.2. ábra). A kondenzátor kapacitása egyenesen arányos a vezetőfelületek nagyságával, míg fordítottan arányos a szigetelő vastagságával, de szintén függ a szigetelő dielektromos tulajdonságaitól is.

1.31. ábra - 3. ábra: Ioncsatornák és ionpumpák. Ahhoz, hogy ionok juthassanak át a membránon, ioncsatornákra van szükség. A sárga pontok a nátrium, a piros pontok a kálium ionokat reprezentálják

3. ábra: Ioncsatornák és ionpumpák. Ahhoz, hogy ionok juthassanak át a membránon, ioncsatornákra van szükség. A sárga pontok a nátrium, a piros pontok a kálium ionokat reprezentálják

Az ionok membránon keresztül történő vándorlása transzmembrán fehérjéket igényel, melyek lehetnek ionpumpák vagy ioncsatornák (1.4.3. ábra). Az ionpumpák aktív elemek, melyek ATP hydrolízise révén felszabaduló energiát hasznosítva aktív módon pumpálnak ionokat a membránon keresztül. A legáltalánosabb ilyen pumpa a Na/K ATPáz, mely egy ATP felhasználásával 3 Na+ iont pumpál ki a sejtből, miközben 2 K+ iont juttat be a sejtbe, ezzel fenntartva az intracellulárisan magas kálium és alacsony nátrium koncentrációt. Ezzel szemben az ioncsatornák passzív elemek, mert nem igényelnek ATP-t, hanem egy kapumechanizus révén szabályozott módon eresztik át a membránon az ionokat, így szabályozva a membránon tárolt töltésmennyiséget. Számos ioncsatorna létezik, melyek különböznek ionszelektivitás (pl. nátrium, kálium, kálcium), kapumechanizmus (pl. ligandfüggő, feszültségfüggő, mechanikai torzió, ill. mindentől független ún. szivárgási), denzitás és membrán eloszlás tekintetében. Eddig több, mint 300 különböző típusú ioncsatornát azonosítottak, egy átlagos emlős idegsejtben kb. fél tucat különböző csatorna expresszálódik. Az 1.4.1. ábrán néhány csatorna izomorph genetikai változata látható. Ioncsatornák nemcsak a plazma membránjában, hanem egyéb sejtorganellumok membránjában is előfordulnak (pl. endoplazmás retikulum, mitochondrium, sejtmag, Golgi apparátus stb.). Az ioncsatornák olyan fehérjékből állnak, amelyeknek számos alegysége van, téri szerkezetük révén átérik a membránt és pórust formálnak az ionok számára. A pórus, melyet többnyire négy kvadráns vesz körül, elektromosan töltött útvonal az ionok számára. A pórus belseje rendszerint ellentétes töltéssel bélelt, mint amilyen ionra szelektív a csatorna. Például egy kation szelektív csatorna negatív töltésű béléssel rendelkezik.

Egyetlen ioncsatornán csak nagyon kevés ion képes átjutni a membránon. Típustól függően, egyetlen csatorna maximális vezetőképessége kb. 17 pS. Mivel a vezetőképesség az ellenállás reciproka, 25 pS pl. egyenlő 1/25x10^12 Ohm, vagy 40000 MOhm. Az ioncsatornák denzitása a neuron egyes részein más és más. Feszültségfüggő nátrium csatornák nagy sűrűséggel fordulnak elő az axon iniciális szegmentumban (100-200 csatorna /microm^2), myelinhüvely nélküli rostokban (100-150/ microm^2) és a Ranvier csomókban (kb. 2000-12000/ microm^2) de alacsony a denzitásuk máshol, pl. a a dendritekben és a szómában (50-75/ microm^2), axon terminálisokban (25-75/ microm^2) vagy a myelinhüvely alatt (<25/ microm^2). Ezzel szemben ligandfüggő ioncsatornák nagy denzitásban találhatók a posztszinaptikus membránban, különösen az ún. dendritikus tüskék területén, de gyakorlatilag hiányoznak másutt a neuronban (lásd 1.4.1. táblázat és 1.4.1. ábra).

Egy nagy gerincvelői motoneuron nyugalmi membrán vezetőképessége, melynek a teljes felszíne kb. 10000 microm^2, 1 pS lenne, ha kizárólag foszfolipid kettősréteg borítaná. Az ioncsatornák jelenléte következtében a plazmamembrán vezetőképessége kb. 40 nS, ami 40000-szer nagyobb az ioncsatorna-mentes plazmamembránhoz képest.

A csatornák fehérjéit gének kódolják, melyek expresszióját sejszintű mechanizmusok szabályozzák. A csatornafehérjék auto-antigénként is viselkedhetnek. Amennyiben a szervezet saját immunrendszere ily módon támadja meg a csatornafehérjéket és funkcióképtelenné válnak, beszélhetünk ioncsatorna betegségekről (http://neuromuscular.wustl.edu/mother/chan.html), mely számos különféle, gyakran súlyos, de ritka neurológiai kórkép (myasthenia gravis, Lambert-Eaton, myotonia, etc.) patomechanizmusa. Szintén előfordulhat, hogy az ioncsatornák fehérjéit hibás gének kódolják, így veleszületett csatorna anomáliákról beszélhetünk (pl. paramyotonia congenita).

2. Nyugalmi membránpotenciál

Amikor egy ún. féligáteresztő membrán két különböző ionkoncentrációjú teret elválaszt egymástól, elektrokémiai grádiens alakul ki a membránon. Tételezzük fel, hogy a membrán szelektíven csak egy ionra permeábilis (pl. kálium ion). A permeábilis ion a koncentrációgrádiensnek megfelelően diffundálni szeretne a nagyobbtól az alacsonyabb koncentráció irányába. Mivel az anion párja az ionszelektivitás következtében nem mozog együtt a káliummal, a töltések elválnak egymástól és felsorakoznak a membrán két oldalán, hasonlóan a kondenzátorhoz. Egyensúlyi állapotban az elektrosztatikus erő és a diffúziós erő, amely a koncentráció különbségből ered, egyenlő lesz egymással. Az elektrokémiai grádiens nagyságát a Nernst egyenlet írja le pontosan.

ahol Ex a Nernst potenciál nagysága voltban az adott “x” ionra vonatkozóan, R a Regnault f. gázállandó, T az abszolút hőmérséklet Kelvin fokban, z az ion vegyértéke, F a Faraday f. állandó, ln a természetes logaritmus, cce az “x” ion koncentrációja az extracelluláris (referencia) oldalon, cci pedig a koncentráció a másik (intracelluláris) oldalon. Az egyenletből nyilvánvaló, hogy az elektrokémiai grádiens mértéke leginkább a koncentrációk arányától függ, de függ a hőmérséklettől és a vegyértéktől is. Ha a hőmérséklet 37 °C, az ion vegyértéke +1, és a természetes alapú logaritmust tízes alapra váltjuk, akkor a képlet jóval egyszerűbb lesz:

ahol a változók ugyanazok, de a végeredményt mV-ban kapjuk meg. Ha a féligáteresztő membrán két oldalán a kálium ionok koncentrációja 1:10, akkor –61 mV a membránpotenciál. Ha az extracelluláris:intracelluláris kálium koncentráció arány 1:30, akkor a végeredmény –90 mV.

A nyugalmi membránpotenciál intracelluláris elektróddal megmérhető a neuronban. Az intracelluláris elektród üvegből készült, elektrolit oldattal feltöltött mikropipetta, melynek nagyon finom, vékony hegye van. A pipettában lévő elektrolit általában valamilyen kálium oldat, a pipetta hegye pedig kb. 50-500 nm átmérőjű. A mikropipetta sejtbe történő bejuttatása után kb. -90 mV potenciál mérhető izomban, idegsejtben ennél kevesebb, kb. –60 mV az extracelluláris tér nullának definiált feszültségéhez képest. A pipetta bejuttatása önmagában is egy jelentős mechanikai trauma a sejt számára, ezért az intracelluláris elektróda rövidíti a sejt túlélését. Bemenetétől megfosztott neuronban a nyugalmi potenciál meglehetősen stabil, de in situ, működő neuronális hálózatban a nyugalmi potenciál erősen fluktuál a folyamatosan érkező szinaptikus ingerek következtében. Időnként, amikor a fluktuáció eléri a küszöböt, akciós potenciál is kialakulhat.

Az elektróda okozta sértés elkerülhető az ún. path clamp elektróda alkalmazásával. A patch clamp technikát Sakmann és Neher dolgozta ki, akik 1991-ben Nobel díjat is kaptak munkásságukért. A patch clamp technika lényege, hogy az üvegelektróda hegye csupán érinti a sejtmembránt, és egy enyhe vákuum hatására extrém szoros kapcsolat alakul ki az üveg és a foszfolipid membrán között, melynek az elektromos ellenállása GigaOhm nagyságrendbe esik. Ez a nagyon szoros üveg-foszfolipid kapcsolat kiküszöböli az elektródák melletti elektrolit szivárgást, jelentősen javítja az intracelluláris jel-zaj viszonyt, valamint a sejt túlélési esélyeit. A patch clamp segítségével lehetőség nyílik igen kicsi, akár egyetlen ioncsatornán átáramló (piko Amper nagyságrendű) áramok mérésére is. Az intracelluláris elvezetés elméletben egyszerűnek tűnik, de a gyakorlatban igencsak nehéz kivitelezni, különleges gyakorlatot, speciális eszközöket igényel, ezért ilyeneket a klinikai gyakorlatban nem alkalmaznak.

Extracelluláris elektróddal történő elvezetés egy alternatív lehetőség az ingerlékeny szövetek által létrehozott elektromos jelek észlelésére. Az extracelluláris elektród készülhet fémből (rozsdamentes acél, platina, wolfram, nyomtatott áramköri lap, aranyozott réz stb.) vagy elektrolittal feltöltött üvegből, hasonlóan az intracelluláris elektródhoz. Az extracelluláris elektródok gyakran nagyobb heggyel rendelkeznek és erősebb a száruk és felépítésük, hogy mélyebb szövetrétegekbe is el lehessen juttatni őket. Az elektromos regisztráláshoz legalább egy pár elektródára van szükség. Egyik a vizsgálni kívánt terület közelében van, amit úgy hívunk, hogy aktív elektróda, a másik, a referencia elektróda, általában valahol távolabb helyezkedik el. Technikailag egy földre általában még szükség van a legtöbb erősítőrendszer működéséhez. Az elektródákat mindig elektromosan szigetelni kell, kivéve a hegyüket, amely az extracelluláris térrel érintkezik. Negatív nyugalmi potenciált ezzel a módszerrel mérni nem lehet, ehelyett aktivitás hiányában nulla feszültséget kapunk. Ingerület esetén azonban mérhetőek a feszültségváltozások. Az elektromos válaszok nagysága és alakja függ az elektróda elhelyezkedésétől, az elektróda szigeteletlen hegyének méretétől. Kisfelszínű (1-5 mikrom) elektródák képesek egyetlen egység, ún. single unit (pl. izom- vagy idegsejt) aktivitását is regisztrálni. Ezzel szemben nagyfelszínű elektródák (5-100 mikrométer) egyszerre sok egységről gyűjtenek információt (multi unit), vagy még nagyobb területről, ún. mezőpotenciált is elvezethetünk. Az extracelluláris egysejt tevékenység leginkább az intracelluláris membránpotenciál felüláteresztő módon szűrt terméke. Matematikai kifejezéssel élve, az extracelluláris jel az intracelluláris potenciálváltozás első deriváltja. Gyakorlatilag minden klinikai neurofiziológiai eljárás extracelluláris elvezetéseken alapul (EEG, EMG, VEP, BERA, SSEP, etc. )

Élő emlős sejt belsejében a Na/K ATPáz aktivitás következtében a kálium koncentráció kb. harmincszor magasabb, mint az extracelluláris térben. A nátrium koncentráció pedig pont fordítva, kb. 15-ször alacsonyabb a sejt belsejében, mint a sejten kívüli térben. Mivel minden sejtben expresszálódnak ún. szivárgási kálium és klorid csatornák, ezért minden testi sejtünk membránja permeábilis káliumra és/vagy kloridra. Ez az igen alacsony nyugalmi ionpermeabilitás felelős a nyugalmi membránpotenciál kialakulásáért, ami minden földön előforduló sejtes életforma egyik jellegzetessége. A nyugalmi membránpotenciál eredménye a negatív elektromossággal töltött sejt belseje az extracelluláris térhez képest. Ez a polarizált állapot egy negatívan polarizált sejtet eredményez, amely külső elektromos eszközzel depolarizálható, vagy hyperpolarizálható, ill. a membránpotenciál természetes úton magától is megváltozhat az ingerlékeny szövetekben (pl. izomsejt, neuron). Az ioncsatornák azok az apró membránba épült egységek, melyek az ingerlékeny szövetek membránjában igen széles spektrumban expresszálódnak és a membránpotenciál természetes megváltozásáért felelősek.

3. Ionok mozgása a membránon keresztül

Egy ioncsatornán keresztül átfolyó adott ion árama függ a kapu állapotától, az egyensúlyi potenciáltól és az éppen aktuális membránpotenciáltól. Egy konkrét példa látható a 1.4.3.1. ábrán, ahol egy kapumechanizmussal szabályozott szelektív kálium csatornán átfolyó kálium áramot szemléltetjük különböző feltételek mellett.

1.32. ábra - 4. ábra: Ionmozgás a csatornákon keresztül

4. ábra: Ionmozgás a csatornákon keresztül

Amikor a csatorna kapuja zárva van, akkor nem folyik áram a csatornán keresztül, vagyis a netto kálium áram számértéke nulla. Amikor a kapu kinyílik, a kálium áram egyrészt függ az egyensúlyi potenciáltól (Nernst potenciál), másrészt a pillanatnyi membránpotenciáltól. A kálium áram egylő lesz nullával, ha a pillanatnyi membránpotenciál pontosan egyenlő az egyensúlyi potenciállal (Vm = EK). 1. Ha a pillanatnyi membránpotenciál nagyobb (kevésbé negatív), mint az egyensúlyi potenciál (azaz a sejt depolarizált állapotban van) (Vm > EK), akkor a kálium ionok a koncentráció grádiensüknek megfelelően a nagyobbtól az alacsonyabb koncentráció irányába vándorolnak. Vagyis a kálium kiáramlik a sejtből. Mivel pozitív töltések hagyják el a sejtet és negatív töltések maradnak hátra a sejtben, ez az ionáram a depolarizált állapotból a membránpotenciált negatív irányba igyekszik eltolni, vagyis egyre inkább polarizálni, próbálja a nyugalmi potenciál irányába tolni a membránpotenciált. 2. Ha az aktuális membránpotenciál kisebb (azaz a sejt negatívabb), mint az egyensúlyi potenciál (vagyis a sejt hyperpolarizált állapotban van) (Vm < EK), a kálium ionok a koncentráció grádienssel ellentétes irányba indulnak el. Vagyis a kálium beáramlik a sejtbe. Mivel pozitív töltések vándorolnak a sejtbe és negatívok maradnak vissza, ez az áram fokozatosan arra kényszeríti a membránpotenciált, hogy kevésbé hyperpolarizált legyen, és ismét próbálja eltolni a nyugalmi potenciál irányába. Az adott ion által keltett áram quantitatív módon Ohm törvényével írható le:

Ix = gx(VmEx)

ahol Ix az adott ion árama, gx az adott ion permeabilitása, Ex az adott ion egyensúlyi potenciálja és Vm az aktuális membránpotenciál.

Mivel sok ioncsatorna nem szelektív, vagy néhány ionra, ioncsoportra szelektív csak, az ioncsatorna megfordulási (reversal) pontencálja különbözik bármelyik ion egyensúlyi potenciáljától, amire éppen permeábilis. Például a nikotinerg acetylcholin receptor (nAR), ami a neuromusculáris junkcióban található, permeábilis nátriumra és káliumra is egyaránt. Amikor a csatorna kapuja kinyílik a nátrium ionok be, a kálium ionok pedig kiáramlanak a csatornán keresztül. A nátrium depolarizálja, a kálium repolarizálja a membránt ugyanabban az időben. Az ellentétes ionáramlás végeredményeként az ionhatások egy része semlegesíti egymást, így a csatorna megfordulási potenciálja a két ion egyensúlyi potenciálja között lesz, ami nem egyenlő sem a nátrium, sem a kálium egyensúlyi potenciáljával, hanem valahol a kettő között félúton, kb. 0 V környékén van. A nettó ionáramlás alapelve ugyanaz, mint az egy ionra szelektív csatornák esetében. Ha (Vm = ER), akkor nincs netto ionáramlás a membránon keresztül, hiába van nyitva a csatorna. Ha a (Vm < ER), akkor a netto ionáramlás pozitív a sejtre nézve, vagyis pozitív ionok áramlanak a sejtbe. Ezzel szemben, ha (Vm > ER), a netto ionáramlás negatív a sejtre vonatkoztatva, azaz pozitív töltések hagyják el a sejtet.

1.7. táblázat - 2. táblázat: Teoretikus ionáramok egy nátrium szelektív, kálium szelektív és egy nátrium-kálium kettős ion szelektív ioncsatorna esetében. Az áramokat Ohm törvénye alapján számoltuk ki: I = –g*(Vm – ER), ahol I a csatornán átfolyó áram, g az ioncsatorna vezetőképessége, ER a csatorna megfordulási (reversal) potenciálja, Vm az aktuális membránpotenciál

pillanatnyi membránpotenciál (Vm)Na ion szelektív (feltételek ENa = +50mV, g = 100pS, ENa = ER)K ion szelektív (feltételek EK = –90mV, g = 100pS, EK = ER)Kettős ion szelektív Na és K nAR csatorna (feltételek ER = 0mV, g = 100pS)
(mV) csatornaáram (pA) csatornaáram (pA) csatornaáram (pA)
+60–1–15–6
+500–14–5
+40+1–13–4
+30+2–12–3
+20+3–11–2
+10+4–10–1
0+5–90
–10+6–8+1
–20+7–7+2
–30+8–6+3
–40+9–5+4
–50+10–4+5
–60+11–3+6
–70+12–2+7
–80+13–1+8
–90+140+9
–100+15+1+10


Például egy nátruimra és káliumra egyaránt permeábilis csatorna megfordulási potenciálja a Goldman-Hodgkin-Katz egyenlettel írható le pontosan:

ahol ER a csatorna reversal potenciálja, gK és gNa a csatorna kálium és nátrium permeabilitása, EK és ENa a kálium és nátrium ion egyensúlyi potenciálja.

Az adott ion membránon átfolyó teljes áramát az egyetlen csatorna ionáramának és a membránban jelenlévő csatornák számának a szorzata adja (csatorna denzitása). Ha a membránban egynél több típusú ioncsatorna is jelen van, a teljes membránáramot az egyedi ionáramok numerikus összege adja. Ha pl. kálium, nátrium és chlorid csatornák egyaránt expresszálódtak a membránban, akkor a teljes ionáramot Im az egyedi áramok összege adja.

Im = IK + INa + ICl

4. Az ioncsatornák kapu mechanizmusai

1.33. ábra - 1. animáció: Extracelluláris ligandvezérelt ioncsatorna. Az animáció két db. ioncsatorna működését illusztrálja. A valóságban a plazmamembránban 10-1000 csatorna található minden microm^2 felületen

1. animáció: Extracelluláris ligandvezérelt ioncsatorna. Az animáció két db. ioncsatorna működését illusztrálja. A valóságban a plazmamembránban 10-1000 csatorna található minden microm^2 felületen

Az ingerlékeny szövetekben (pl. izom és idegsejtekben) számos kapumechanizmus irányítja az ioncsatornák permeabilitását. Ezek lehetnek: 1. ligand, 2. feszültség, 3. mechanikai erőhatás, 4. fény, 5. hőmérséklet, 6. kémiai anyagok. Ligandvezérelt ioncsatornák esetében akkor nyílik meg az ioncsatorna kapuja, ha valamilyen kémiai jelzőmolekula kapcsolódik az ioncsatornához (1.4.4.1. animáció). Például, a nikotinerg acetylcholin receptorok a neuromuszkuláris jukcióban (más néven myoneurális szinapszis), melyek a szarkolemma membránjában találhatók, ligandvezérelt ioncsatornák. Ezek a csatornák nyugalomban zárva vannak. Mikor idegi parancs érkezik, az idegvégződésekből acetylcholin (azaz extracelluláris ligand) szabadul fel, bekerül a szinaptikus résbe, mely a pórussal rendelkező nikotinerg acetylcholin receptor ioncsatorna molekula alfa alegységéhez kötődik. Ekkor a pórus felnyílik, nátrium ionok áramlanak a sejtbe, melyek depolarizálják az izomsejtet, és egy sor eseményt indítanak el, amely végül az izom kontrakciójára vezet. Később a ligandot egy enzim gyorsan lebontja, mely véget vet a csatorna nyitott periódusának, az ioncsatorna újra bezárul.

Feszültségfüggő vagy más néven feszültségvezérelt ioncsatornák esetében a kapuzási mechanizmust a pillanatnyi membránpotenciál szabályozza. Egy tipikus feszültségvezérelt ioncsatorna zárva, ill. majdnem teljesen zárva van a nyugalmi membránpotenciálon, és kinyílik, ha a membránpotenciál kevésbé negatívvá válik, vagyis a sejt depolarizálódik. A feszültségvezérelt ioncsatornáknak két alapvető típusa létezik: 1. nem inaktiválódó (1.4.4.2. animáció), és 2. inaktiválódó (1.4.4.3. animáció). A két csatorna működési elve alapjaiban különbözik egymástól.

1.34. ábra - 2. animáció: Feszültségvezérelt nem inaktiválódó ioncsatorna. Az animáció egy db. ioncsatorna működését illusztrálja. A valóságban a plazmamembránban 10-1000 csatorna található minden microm^2 felületen

2. animáció: Feszültségvezérelt nem inaktiválódó ioncsatorna. Az animáció egy db. ioncsatorna működését illusztrálja. A valóságban a plazmamembránban 10-1000 csatorna található minden microm^2 felületen

A nem inaktiválódó ioncsatorna feszültségérzékelője, ami egy tlötött részecske, a csatornafehérje S4 szegmentumában található, ez miatt hívjuk feszültségfüggőnek. Depolarizáció alkalmával egy konformáció változás következik be, melynek során a csatorna pórusa felnyílik, és egy bizonyos ion számára, melyre szelektív, átjárhatóvá válik. Repolarizáció alkalmával ellentétes folyamat révén a pórus kapuja bezárul, ionok nem képesek áthaladni rajta (1.4.4.2. animáció). Ezek a típusú ioncsatornák a depolarizáció teljes időtartama alatt nyitva vannak, és amíg a depolarizáció fennáll, ionáramlás zajlik.

1.35. ábra - 3. animáció: Feszültségvezérelt inaktiválódó ioncsatorna. Az animáció egy db. ioncsatorna működését illusztrálja. A valóságban a plazmamembránban 10-1000 csatorna található minden microm^2 felületen

3. animáció: Feszültségvezérelt inaktiválódó ioncsatorna. Az animáció egy db. ioncsatorna működését illusztrálja. A valóságban a plazmamembránban 10-1000 csatorna található minden microm^2 felületen

Az inaktiválódó ioncsatorna komplexebb, mivel két kapuval rendelkezik (1.4.4.3. animáció). Az egyik kapu az aktivációt végzik (ezt a kaput „m” kapunak is szokás nevezni), és nagyon hasonló a nem inaktiválódó csatorna kapujának működési elvéhez. A másik kapu az inaktivációt végzi (ezt szokás „h” kapunak is hívni), melynek különleges szerepe van. Az inaktivációs kapu szintén feszültségvezérelt, de az aktivációs kapuval ellentétes módon működik. Ez a kapu nyugalomban nyitva van, és bezárul akkor, amikor a sejt depolarizálódik. Látszólag tehát a pórus mindig zárva van, mert vagy az aktivciós vagy az inaktivációs kapu zárja el az ionok útját. Mikor folyik egyáltalán ionáram a csatornán keresztül? Ahhoz, hogy megfelelő választ adhassunk erre a kérdésre meg kell ismerkednünk a „kapuzási idő”, pontosabban kapu időállandó fogalmával. A kapuzási idő egy újabb fontos paramétere a csatornának, és azt jelenti, hogy egy adott kapu milyen gyorsan képes egy korábbi membrán feszültséghez tartozó állapotból egy új membrán feszültséghez tartozó állapotba átállni. Amikor ugyanis a membránpotenciál hirtelen megváltozik, bizonyos időre van szükség ahhoz, hogy a kapu az új feszültséghez tartozó állapotba átálljon. Az előző kérdésre adandó válasz kulcs eleme tehát, hogy az aktivációs kapu mindig gyorsabban képes új pozíciót felvenni, mint az inaktivációs kapu. Ha tehát a membránpotenciál hirtelen egyik pillanatról a másikra depolarizálódik, mindkét kapu elindul az új feszültséghez tartozó állapot irányába, de mivel az aktivációs kapu éri ezt el először, lesz egy rövid időintervallum, mialatt nyitott kapu áll rendelkezésre, a központi póruson keresztül ionok tudnak áramlani mielőtt az inaktivációs kapu újra bezárná a pórust. A gyors feszültségfüggő nátrium csatornák talán a legfontosabb szubcelluláris membrán egységek az akciós potenciál létrejöttében majdnem az összes ingerlékeny szövet esetében. Ezek aktiválódása felelős ugyanis az akciós potenciál ún. gyors, felszálló fázisáért mind a szívizomban, a harántcsikolt izomban és az ideg akciós potenciáljában egyaránt. Vegyük észre, hogyha ez a típusú csatorna egyszer inaktiválódott, akkor egészen addig inaktív marad, amíg a membránpotenciál vissza nem tér a nyugalmi, vagy ahhoz közeli értékre. Amíg a membrán depolarizált, addig az inaktivációs kapu is zárva van. Az inaktiváció tehát kulcsfontosságú mozzanat az abszolút refrakter periódus megértésében. Az abszolút refrakter periódus alatt az ingerlékeny szövet teljesen válaszképtelen, függetlenül attól, hogy milyen erős inger éri. Ezzel szemben a relatív refrakter periódus alatt a szokásosnál erősebb ingerekkel ugyan, de kiváltható válasz, ami rendszerint kissé eltér a nyugalmi választól. Nyilván az inaktiváció a felelős az abszolút refrakteritásért, mert ezidő alatt az inaktivációs kapuk zárva vannak, és egészen addig zárva is maradnak, amíg a membránpotenciál ismét vissza nem tér a nyugalmi membránpotenciálra.

Magas extracelluláris kálium koncentráció (azaz hyperkalaemia) eltolja a nyugalmi membránpotenciált depolarizáció irányába. A depolarizáció oka könnyen megérthető a Nernst egyenletből, mivel kisebb extra és intracelluláris kálium koncentráció különbség kevésbé polarizált membránt eredményez. Súlyos hyperkalaemia pedig idő előtt bezárhatja az inaktivációs kapukat az ingerlékeny szöveteknél. Ez az oka annak, hogy magas kálium koncentráció képes teljesen megállítani a szívet. Ezt a technikát alkalmazzák a szívsebészetben a szív immobilizálására arra az időre, míg a finom varratok elkészülnek (kardioplégiás oldat). A kálium hatása reverzibilis, vagyis ha az extracelluláris kálium koncentráció helyreáll, helyreáll a nyugalmi membránpotenciál, a szív újra működőképessé válik. Magas lokális kálium koncentráció extrém izomterhelés, vagy neuronális aktivitás kapcsán is kialakulhat, ill. patológiás esetben, mikor a keringés nem képes a lokálisan hirtelen felhalmozódó többlet káliumot „eltakarítani”, permanens depolarizáció alakulhat ki. Ez a típusú átmeneti ionegyensúly zavar átmeneti funkciókiesést okozhat.

Amennyiben a depolarizáció nem elég gyors, ezt úgy hívjuk, hogy „ramp” depolarizáció (vagyis a depolarizációkor a depolarizáló áram nagyon lassan emelkedik, következésképpen a membránpotenciál is nagyon lassan emelkedik) és az ingerlékeny szövetben sohasem vált ki akciós potenciált. A jelenséget neuronális akkomodációnak hívjuk. A fokozatos depolarizáció ugyanis egyszerre nyitja az aktivációs és zárja az inaktivációs kapukat. Ha a két kapu lassú szinkronban mozog egymással, a központi pórus sohasem nyílik ki, ionok sohasem áramolhatnak át rajta.

5. Membránpotenciál

Az ingerlékeny sejt membránpotenciálja nyugalomban állandó, de pillanatról pillanatra változik ingerléskor. Nyugalomban a membránpotenciált leginkább a membránban jelenlévő ioncsatornák összessége, és a nyugalmi membrán permeabilitása határozza meg. Külső áramforrásból származó ingerlés hatására azonban megváltozik mind a membránpotenciál, ill. a membrán permeabilitása is, amennyiben feszültségvezérelt ioncsatornák is jelen vannak. A feszültségfüggő ioncsatornák megváltozott permeabilitása „belső” membránáramokat generál, melyek tovább hatnak a membránpotenciálra. A membrán kapacitása szintén szerepet játszik, ami korlátozza a membránpotenciál változás sebességét. Minél nagyobb a kapacitás, annál lassabban változhat csak a membránpotenciál. Ezek a bonyolult interakciók a membránpotenciál, a permeabilitás és a membrán áramok között csak helyettesítő elektromos kapcsolási diagram segítségével írhatók le és érthetők meg precízen (1.4.5.1. ábra).

1.36. ábra - 5. ábra: A membrán modell elektromos kapcsolási rajza

5. ábra: A membrán modell elektromos kapcsolási rajza

A teljes membrán áramot felbonthatjuk kapacitív áramra, amelyik feltölti vagy kisüti a membrán kondenzátort, ill. ionáramra, mely áthalad a membrán ioncsatornáin.

ahol Itot a teljes membránáram, Im az ioncsatornákon átfolyó áram Cm a membránkapacitás, delta Vm a (delta t) idő alatt bekövetkezett feszültségváltozás. A membránáram további egyedi ionáram komponensekre bontható:

Im = IK + INa + ICl

ahol Im a teljes, ioncsatornákon átfolyó ionos áram, IK, INa, ICl sorban kálium, nátrium és chlorid membrán áramok. Az egyes ionokra vonatkozó áramok pedig Ohm törvénye alapján adhatók meg az alábbiak szerint:

IK = gK (Vm – EK)

INa = gNa (Vm – ENa)

ICl = gCl (Vm – ECl)

ahol IK, INa, ICl sorban a kálium, nátrium és chlorid membrán áramok, gK, gNa, gCl sorban kálium, nátrium és chlorid permeabilitás, EK, ENa, ECl, sorban a kálium, nátrium és chlorid egyensúlyi potenciálok, Vm pedig az aktuális membránpotenciál. Habár a fenti egyenletek alkalmazhatók a legbonyolultabb esetekben is, tekintsünk át néhány egyszerűbb esetet, amely segít megérteni a membránpotenciál változások komplex dinamikáját (ld. 1.4.5.2. ábra).

1.37. ábra - 6. ábra: A membránpotenciál alakulása három hipotetikus esetben. 1. eset: csak a kálium csatornák vannak nyitva a membránban, minden más csatorna zárva. 2. eset: csak a nátrium csatornák vannak nyitva, minden más csatorna zárva. 3. eset: újból csak a kálium csatornák vannak nyitva, minden más csatorna zárva van a membránban. A kezdeti membránpotenciál (V0) tetszőleges

6. ábra: A membránpotenciál alakulása három hipotetikus esetben. 1. eset: csak a kálium csatornák vannak nyitva a membránban, minden más csatorna zárva. 2. eset: csak a nátrium csatornák vannak nyitva, minden más csatorna zárva. 3. eset: újból csak a kálium csatornák vannak nyitva, minden más csatorna zárva van a membránban. A kezdeti membránpotenciál (V0) tetszőleges

Tekintsük át az első esetet, amikor a membrán csak káliumra permeábilis, minden más csatorna zárva. Tulajdonképpen mindegy, hogy mi a kezdeti Vm, kálium, áram kezd folyni a sejtbe vagy a sejtből a 1.4.3.1 ábrán megbeszélt elvek szerint. Ez vagy tölti vagy kisüti a membránkapacitást egészen addig, amíg a membránpotenciál egyenlő nem lesz EK–val. Amikor Vm = EK, nem folyik tovább kálium áram a csatornákon keresztül. Most tekintsük át a második esetet, azaz a kálium konduktancia egyenlő nullával, vagyis minden kálium csatorna bezárult, és a nátrium csatornák nyílnak ki. Minden más konduktanciát nullának tekintünk. Azonnal nátrium áram kezd el folyni a sejt belsejébe, ami feltölti a membránkapacitást ENa feszültségre. Amikor Vm = ENa, abban a pillanatban megáll a nátrium áramlás, nem folyik több áram a membránon keresztül. Most térjünk rá a 3. esetre, amikor a nátrium csatornák bezárulnak (nátrium konduktancia nulla) és a kálium csatornák újra kinyílnak. Ismét kálium áram kezd folyni a sejtből kifele, ami feltölti a membránkapacitást a kálium egyensúlyi potenciáljára EK. Amikor Vm = EK, a kálium áram ismét nullára csökken. A fenti folyamatok pontos időzítés szerint sorbarendezve egy nagyon egyszerű modelljét adhatják az akciós potenciálnak, melyet a következő fejezetben fogunk elmagyarázni.

6. Akciós potenciál

Hirtelen depolarizáció az ingerlékeny szövetekben gyakran akciós potenciált eredményez. Tintahal óriás axonban létrejövő akciós potenciál kialakulását és terjedését először Hodgkin és Huxley írta le 1952-ben és értette meg kellő mélységében. Egy viszonylag egyszerű, de kellően pontos fizikai modellt alkottak az akciós potenciálra, amely igen nagy pontossággal képes volt a pillanatnyi membránpotenciál alakulását megbecsülni változó körülmények mellett is. Kesőbb, 1962-ben Nobel díjat kaptak a számos tudós gondolatait megtermékenyítő munkásságukért. Az általuk létrehozott modellt gyakran csak Hogkin-Huxley modellnek, vagy egyszerűen HH neuronként említik. A modell szilárd alapot teremtett számos új tudományág megszületéséhez, mint pl. valósághű idegsejt modellezés, ami része egy nagyobb új tudományágnak, amit computációs idegtudományként szokás emlegetni.

A tintahal óriás axon membránja kizárólag három fajta ioncsatornát tartalmaz: 1. feszültségvezérelt gyors nátrium csatorna, 2. feszültségvezérelt nem inaktiválódó kálium csatorna, 3. szivárgási csatorna, ami zömmel klorid ionokra permeábilis. A három csatorna interakciója bőségesen elegendő részletességgel magyarázza az ideg válaszkészségét a legtöbb kísérleti körülmény közepette. Bár az emlős neuronok számos egyéb ioncsatornát is expresszálhatnak membránjukban, ezért kissé bonyolultabb lehet a szóma és az axon iniciális szegmentum elektromos viselkedése. Ennek ellenére a neuronok vezető régiójában (myelinizált vagy nem myelinizált perifériás idegek, központi idegpályák) előforduló csatornák jelleggörbéi szinte tökéletes egyezést mutatnak a tintahalban kimutatott csatornákkal. Ezért a mai napig a Hodgin-Huxley modell maradt, és feltehetően marad a jövőben is a legfontosabb referencia az ingerlékeny membrán működési alapelveinek tekintetében.

Hodgin és Huxley alapvető célkitűzése volt az akciós potenciál generálásában résztvevő, előbb felsorolt ionpermeabilitások (akkor még nem ismerték az ioncsatornákat) pontos idői és feszültség függésének megismerése. Bár Hodgkin és Huxley nem tudtak semmit sem az ioncsatornák létezéséről, valójában ők jósolták meg a létezésüket elsőként a tudomány történetében, és precízen le is írták a működési alapelveiket.

Mivel a membránpotenciál a membrán áramoktól és a permeabilitástól függ, de a membrán permeabilitás pedig a membránpotenciál függvénye, egyik paraméter sem vizsgálható egyedileg szisztematikusan. A probléma megoldásához egy fontos technikai fejlesztésre volt szükség, az ún. voltage clamp, magyarul feszültségzár módszer megalkotására. A feszültségzár lényege, hogy a kísérletes ingerlések ideje alatt az ideg ill. neuron membránpotenciálját állandó szinten tartják oly módon, hogy vagy pozitív vagy negatív áramot juttatnak a sejtbe abból a célból, hogy a membránon átfolyó áramot kompenzálja. A technika két elektródot igényel, egyik a feszültség mérésére, a másik a kompenzáló áram bejuttatására. Egy bonyolult készülék folyamatosan figyeli a membránpotenciált, és azonnal korrigálja, ha az eltér a kívánt feszültségtől. A kísérlet közben a kísérletező elhatározza, hogy éppen milyen feszültséget kell állandóan tartani. A kísérlet megkezdésekor a membránpotenciál késedelem nélkül, azonnal a kívánt feszültségre ugrik, és ott is marad egészen addig, amíg a kísérletező indokoltnak tartja a kísérlet folytatását (pl. pár száz ms időtartam). A feszültségzár alatt a sejtbe juttatott áram pontos mennyisége ismert, tehát a membránon átfolyó áram dinamikája precízen kideríthető, visszajátszható. Ioncsatornák szelektíven blokkolhatók kémiai anyagok segítségével. A tetrodotoxin (TTX) például blokkolja a nátrium ioncsatornákat, így a kálium áramok tanulmányozhatók szelektíven. Ha viszont tetraethyl-ammoniumot (TEA) használunk, ez szelektíven blokkolja a kálium ioncsatornákat, vagyis a nátrium ionáramok tanulmányozhatók külön. Mivel a membránpotenciál állandó, a membrán áram csak és kizárólag a permeabilitástól függ. Vagyis ha minden ioncsatornát blokkolunk, kivéve egy típust, akkor az éppen nem blokkolt csatorna permeabilitása lesz vizsgálható. Ha mindent blokkoltunk, kivéve a kálium iont, akkor a teljes membránáram a következőképpen írható fel:

Itot = IK + gK (VclampEK)

ahol Itot a teljes membrán áram, IK a kálium áram, a kálium konduktancia, EK a kálium egyensúlyi potenciálja és Vclamp az éppen állandóan fenntartott feszültség. Mivel (VclampEK) állandó, IKtükrözi a kálium permeabilitás időbeli változását, ill. a kálium ioncsatorna kapu állapotát, ami csak az és gK az idő függvénye. A fenti elvek alapján elvégzett kísérletek eredményeit láthatjuk a 1.4.6.1. ábrán.

1.38. ábra - 7. ábra: Feszültségzár kísérlet

7. ábra: Feszültségzár kísérlet

Az ábra felső része elmagyarázza a feszültségzár technika lényegét. Az ábra alján három különböző kísérlet eredményét mutatjuk be. Bal: A nátrium csatornákat TTX-el blokkoltuk, vagyis csak a kálium áramot mérjük egyedül. Amikor a feszültségzár bekapcsol és egy depolarizáló feszültségre ugrik a membránpotenciál, a transzmembrán kálium áram fokozatosan emelkedik, amíg el nem éri az egyensúlyi állapotot. Ez az időbeli lefolyás egy feszültségvezérelt ioncsatorna aktiválásával magyarázható (vagyis a kálium permeabilitás megemelkedik). Az áram nem lépcsőszerűen ugrik magasabb szintre úgy, ahogyan a feszültség, mivel a permeabilitás nem képes azonnal megváltozni. A kapunak valójában időre van szüksége, hogy kinyíljon, és az új, megváltozott feszültséghez tartozó állapotot felvegye. Mivel a kálium csatorna egy nem inaktiválódó csatorna, az új állapot állandó szinten marad egészen addig, amíg a feszültségzár fennáll. Középső: A kálium csatornákat TEA-val blokkoltuk, így most csak a nátrium áramok mérhetők. Amikor a feszültségzár bekacsol és a membránpotenciál hirtelen egy depolarizáló feszütségre ugrik, a nátrium áram gyorsan növekszik, majd kissé lassabb ütemben, de nullára csökken és marad nullán egészen addig, amíg a feszültségzár fennmarad. Ennek az áramnak ellenkező az iránya, mint a káliumnak, mivel a poziív töltések ellentétes irányba mozdulnak el a membránon keresztül. Míg az előbb (bal oldal) a kálium kifelé áramlott a sejtből, addig most a nátrium befelé áramlik a sejtbe. A nátrium áram időbeli lefolyásának értelmezése sokkal komplexebb, mint a kálium áramé. A nátrium áram kezdeti emelkedése (lefelé tartó görbe a negatív áram miatt), hasonlóan a káliumhoz, magyarázható egy feszültségvezérelt kapu kinyílásával (azaz a nátrium permeabilitás növekedésével). Az áram itt sem lépcsőszerűen változik, ahogy a kálium sem, mert a permeabilitás nem képes azonnal megváltozni, de a változás sokkal meredekebb, mint a kálium áram emelkedése az előző ábrán. A meredekebb áramváltozás gyorsabb permeabilitás változásra, következésképpen a csatorna aktivációs kapujának gyorsabb működésére utal. A nátrium csatorna azonban nemcsak aktivációs, hanem inaktivációs kapuval is rendelkezik. A nátrium áram kezdeti növekedés utáni csökkenése (felfelé elmozduló áramváltozás) magyarázható a nátrium csatorna inaktivációjával, amely együtt mozog az aktivációs kapuval (ld. 1.4.4.3. ábra.). Amikor ugyanis az inaktivációs kapu bezárul, a permeabilitás nullára csökken, és így a nátrium áram is nullára csökken. A nátrium áram nulla is marad egészen addig, amíg a membrán depolarizált állapotban marad. A nátrium csatorna újranyitásához szükség van előbb egy repolarizációra, majd egy újbóli depolarizációra (hasonlítsd össze 1.4.4.3. ábrával). Jobb: A nátrium és a kálium áramot egyszerre tanulmányozhatjuk, bármiféle farmakológiai blokkoló nélkül. A kezdeti befelé irányuló nátrium áramot egy kifelé irányuló kálium áram követi. Ez a mintázat a nátrium és a kálium konduktanciák ill. kapuk precízen összehangolt egymás utáni aktivációjával inaktivációjával magyarázható. A nátrium csatorna aktivációt egy inaktiváció, majd egy kissé megkésett kálium csatorna aktiváció követi.

1.39. ábra - 8. ábra: A nátrium csatorna kapujának feszültségfüggése. Folyamatos vonal a nátrium csatorna „m” kapujának egyensúlyi állapotát mutatja végtelen idő után. A szaggatott vonal a nátrium csatorna „h” kapujának egyensúlyi állapotát mutatja végtelen idő után. A zöld pont és a rajta keresztülhaladó függőleges szaggatott vonal a küszöböt mutatja. A küszöb az a feszültség érték, ahol az aktivációs kapu kifejezetten érzékennyé válik a feszültségváltozásra, és az öngerjesztő folyamat általában beindul. A küszöbpotenciál elérése nem feltétlenül garantálja az akciós potenciál kialakulását, ld. neurális akkomodáció

8. ábra: A nátrium csatorna kapujának feszültségfüggése. Folyamatos vonal a nátrium csatorna „m” kapujának egyensúlyi állapotát mutatja végtelen idő után. A szaggatott vonal a nátrium csatorna „h” kapujának egyensúlyi állapotát mutatja végtelen idő után. A zöld pont és a rajta keresztülhaladó függőleges szaggatott vonal a küszöböt mutatja. A küszöb az a feszültség érték, ahol az aktivációs kapu kifejezetten érzékennyé válik a feszültségváltozásra, és az öngerjesztő folyamat általában beindul. A küszöbpotenciál elérése nem feltétlenül garantálja az akciós potenciál kialakulását, ld. neurális akkomodáció

1.40. ábra - 9. ábra: A kálium csatorna aktivációs kapujának feszültségfüggése. A folyamatos piros vonal a kálium csatorna aktivációs kapujának az egyensúlyi állapotát mutatja a végtelenben

9. ábra: A kálium csatorna aktivációs kapujának feszültségfüggése. A folyamatos piros vonal a kálium csatorna aktivációs kapujának az egyensúlyi állapotát mutatja a végtelenben

Hodgkin és Huxley szisztematikusan tanulmányozta a nátrium és kálium permeabilitás változásait a tintahal óriás axonban. Az egyensúlyi kapu állapotváltozók feszültségfüggését minden kapu esetében meghatározták. A 1.4.6.2. ábra a nátrium kapuk állapotát a 1.4.6.3. ábra a kálium kapuk állapotát mutatja. Ehhez több száz, vagy ezer feszültségzár kísérlet elvégzésére volt szükség. A feszültségfüggésen kívül a kapuk sebességét (időállandóját) úgyszintén meghatározták, amely szintén feszültségfüggő. A leggyorsabb kapunak az „m” kapu bizonyult, míg a leglassabb a kálium csatorna „n” kapuja., míg az inaktivációs „h” kapu sebesség tekintetében valahol a kettő között foglal helyet.

1.41. ábra - 10. ábra: A Hodgkin-Huxley neuron akciós potenciál. A négyszög áramimpulzus 1 ms időpillanatnál kezdődik, és 2 ms hosszú. Felső görbe: Membránpotenciál az akciós potenciál alatt. Alsó görbék: Kapu állapotváltozók időbeli változása. A kapu állapotváltozók az alábbiak szerint értelmezhetők. 0: a kapu teljesen zárva van; 1: a kapu teljesen nyitva van; 0-1 közötti folyamatos számoknak két lehetséges értelmezése lehet, melyek lényegében azonos értékűek: 1. a kapu bizonyos részben nyitva van; 2. annak a valószínűsége, hogy egy kapu az adott pillanatban éppen nyitva van. A nátrium csatornának két kapuja van: 1. aktivációs, vagy „m” kapu; 2. inaktivációs vagy „h” kapu. A kálium csatornának egy aktivációs „n” kapuja van

10. ábra: A Hodgkin-Huxley neuron akciós potenciál. A négyszög áramimpulzus 1 ms időpillanatnál kezdődik, és 2 ms hosszú. Felső görbe: Membránpotenciál az akciós potenciál alatt. Alsó görbék: Kapu állapotváltozók időbeli változása. A kapu állapotváltozók az alábbiak szerint értelmezhetők. 0: a kapu teljesen zárva van; 1: a kapu teljesen nyitva van; 0-1 közötti folyamatos számoknak két lehetséges értelmezése lehet, melyek lényegében azonos értékűek: 1. a kapu bizonyos részben nyitva van; 2. annak a valószínűsége, hogy egy kapu az adott pillanatban éppen nyitva van. A nátrium csatornának két kapuja van: 1. aktivációs, vagy „m” kapu; 2. inaktivációs vagy „h” kapu. A kálium csatornának egy aktivációs „n” kapuja van

Összefoglalva, az ideg akciós potenciáljának két fő fázisa van, gyors depolarizációs fázis (a membránpotenciál emelkedik), amit egy gyors repolarizációs fázis követ (a membránpotenciál csökken). A gyors felszálló fázis alatt a membrán depolarizált a nyugalmi potencálhoz képest, ami a csúcs környékén még ellentétesen is polarizálódik (túllövés v. overshoot), míg a repolarizációs fázis alatt a membrán repolarizálódik, gyakran még kissé hyperpolarizálttá is válik (undershoot), majd pedig rövid oszcillációs periódus után megállapodik a nyugalmi potenciálon. A nátrium és kálium csatornák akciós potenciál kialakulásában játszott szerepét elemezhetjük a 1.4.6.4. ábrán. Kezdetben a depolarizáció néhány feszültségvezérelt gyors nátrium csatornát nyit fel, melyek nagy sűrűségben találhatók az axonális membránban. A gyors nátrium csatorna felnyílása nátrium ion beáramlást generál a membránon keresztül, ami további depolarizációt idéz elő. A depolarizáció további csatorna felnyílást eredményez, ami még több nátrium beáramlását teszi lehetővé, és ezek a folyamatok egymást erősítve öngerjesztővé válnak (egyes szerzők ezt egy pozitív visszacsatolásnak „feed back” nevezik) egészen addig, amíg a membránpotenciál el nem éri a nátrium egyensúlyi potenciálját (a csúcs a +50 mV-ot majdnem eléri) vagy a csatorna inaktiváció be nem következik. A csatorna inaktiváció az aktivációval párhuzamos, bár kissé lassabb folyamat. Párhuzamos, mivel mind az aktivációs, mind az inaktivációs kapu feszültség vezérelt (ld. 1.4.4.3. ábra). Ha egyszer a nátrium csatorna inaktiválódott, vagy a membránpotenciál elérte a nátrium egyensúlyi potenciálját, további depolarizációra nincs lehetőség.

A feszültségfüggő, nem inaktiválódó kálium csatornák szintén nagy számban jelen vannak az axonban. Ezeket a csatornákat szintén feszültség vezérli csakúgy, mint a nátrium aktivációs és inaktivációs kapuját, azzal a különbséggel, hogy sokkal lassabb a kapumechanizmus, mint bármelyik nátrium kapu. Nyugalomban relatíve kevés kálium csatorna van nyitva, kb. 30%, vagyis a többségük zárva van. A folyamatosan erősödő depolarizáció ugyan egyre több kálium kaput nyit ki, de a kapu mozgása rendkívül lassú. A legtöbb nátrium csatorna (80%) már inaktiválódik, mikorra a nyitott kálium csatornák száma eléri a maximumát. Röviddel az akciós potenciál feszültség csúcsa után (1-2 ms) a nátrium csatornák már inaktiválódnak, amikorra a kálium csatornák egyre nagyobb számban aktiválódnak és egyre gyorsabban egyre több kálium kiáramlását teszik lehetővé. Mikorra a nátrium inaktiváció befejeződik, a tömeges kálium ion kiáramlás gyorsan repolarizálja a membránt a nyugalmi potenciálra, kissé még az alá is. A membránpotenciál gyors zuhanása kiváltja a nátrium aktivációs kapu bezáródását, majd jóval később a kálium csatorna záródását. Ezzel egyidőben, de kicsivel a kálium csatorna záródása előtt a nátrium csatornák inaktivációs kapuja újra kinyílik. Az „n” és „h” kapuk nyugalmi állapotának teljes helyreállása kb. 10-15 ms-ig tart, ami lényegében a relatív refrakteritás alapját képezi (ld. később).

A következő animációban (1.4.6.1. animáció) a ioncsatornák kapujának képzeletbeli működését szimuláltuk akciós potenciál alatt. A modell a membránpotenciál változásával egyidőben bemutatja a nátrium és kálium csatornák kapuinak precíz összehangolt mozgásait, valamint a csatornákon átfolyó ionáramokat külön-külön az ingerlő árammal együtt feltüntetve. Amennyiben túl gyorsnak bizonyul az alapértelmezett lejátszási sebesség, bizonyos videolejátszók megengedik a kockánkénti léptetést is.

1.42. ábra - 4. animáció: Ioncsatornák kapujának képzeletbeli működése akciós potenciál alatt

4. animáció: Ioncsatornák kapujának képzeletbeli működése akciós potenciál alatt

Az akciós poteniál „minden vagy semmi” jellegű az ingerlékeny sejtekben, vagyis az egyedi izomrostokban és idegrostokban. Amikor a hirtelen depolarizációra legalkalmasabb négyszögimpulzus eléri a küszöböt, az akciós potenciál teljes erővel jelenik meg. Ha az inger csak egy kicsivel is a küszöb alatt marad semmilyen válasz nem keletkezik. Ezt a jelenséget nevezik a „minden vagy semmi” törvényének. Más szavakkal, az akciós potenciál alakja és amplitúdója nem függ az inger erejétől, mert vagy a teljes elektromos válasz megjelenik vagy semmilyen válasz nem jelentkezik. A válaszban fokozatok nem léteznek. A „minden vagy semmi” elv nem érvényes egy teljes idegre vagy izomra, mert az ideg számos idegrostból, az izom pedig számos izomrostból tevődik össze. Az egyetlen idegrostra jellemző akciós potenciállal ellentétben az összetett akciós potenciál amplitúdójában, a több idegrostból eredő együttes elektromos válasz miatt már lehetnek fokozatok (ld. összetett akciós potenciál). Habár a szívizom is számos izomsejtből tevődik össze, a „minden vagy semmi” elv a teljes szívre vonatkozólag mégiscsak érvényes. A szívnek ez a különös sajátsága annak köszönhető, hogy a szívizomsejtek gap junctionok (elektromos szinapszis) révén elektromosan kapcsolt funkcionális hálózatot alkotnak. Így az egész szív egyetlen funkcionális egységként viselkedik.

Minden akciós potenciál során kevés nátrium ion áramlik a sejtbe, és valamennyi kálium ion szivárog ki a sejtből az extracelluláris térbe, vagyis a koncentrációkülönbség, ami a Na/K ATPáz aktivitása révén kialakult, fokozatosan csökken. A legtöbb diákban kialakult téves elképzeléssel ellentétben, rendkívül kevés az az ion mennyiség, ami egy akciós potenciál során a membránon áthalad. Egy neuron nagyobb ideg képes akciós potenciálok millióinak létrehozására anélkül, hogy a fiziológiás ionkoncentrációk szignifikánsan megváltoznának az idegsejtben. Tehát nincs szükség a Na/K ATPáz enzim aktiválására egy-egy akciós potenciál repolarizációs fázisa alatt. Ezzel szemben a Na/K ATPáz aktivitása sokkal inkább az intracelluláris nátrium koncentráció harmadik hatványával arányos. Vagyis a nátrium koncentráció megduplázódása a Na/K ATPáz aktivitás nyolcszoros emelkedésével jár együtt. A Na/K ATPáz aktivitását leginkább egy akkumulátor töltőhöz hasonlíthatjuk. Ez a töltő a háttérben működik, és folyamatosan újratölti azokat a mikroelemeket, melyek feszültsége az egyes ionok egyensúlyi potenciáljával azonos.

A nyugalmi potenciál fenntartásának energiaigénye jelentős teher a sejt számára. Általában egy testi sejt teljes alapanyagcseréjének harmadát a Na/K ATPáz aktivitás adja. Neuronokban a Na/K ATPáz aktivitására fordított energia még több, elérheti akár az alapanyagcsere 2/3-át is, ami emelkedik, ha az ingerlékeny szövet aktivitása megnő, és csökken, amikor nyugalomban van. Nem elhanyagolható a Na/K ATPáz szerepe a sejt térfogatának állandó szinten sem. A pumpa bénításakor a beszivárgó Na ionok a magukkal hozott hidrátburok révén előbb-utóbb a sejt „felrobbanásához” vezetnek.

7. Egyetlen ioncsatorna szerkezete és működése

A path clamp technika megjelenése az ioncsatornák működésének további, finomabb részleteibe nyújtott betekintést. Sikerült megmérni az egy csatornán áthaladó áram nagyságát és jellegét. A kísérletek során kiderült az is, hogy csatornák tulajdonképpen a kvantumfizikában tapasztalt mozgásokhoz hasonlóan sztochasztikusan működnek. Ennek értelmében egy csatorna vagy teljesen nyitva van és az ionok Ohm törvényének megfelelően, szabadon áramlanak, vagy teljesen zárva van és egyáltalán nincs ionáram a póruson keresztül. Részben permeábilis csatorna, ahogyan azt a Hodgkin-Huxley modellben szereplő kapunyitottsági állapotváltozó mutatja, nem létezik. Akkor hogyan értelmezhetjük a kapuk állapotváltozóinak 0 és 1 közötti tartományát egy ioncsatornára vonatkozóan? Vajon mit jelent az, amikor a kapu állapotváltozó értéke 0,5?

A válasz a valószínűség. Amikor az állapotváltozó értéke 0,5 egy adott membránpotenciálon, ez azt jelenti, hogy 0,5 annak a valószínűsége, hogy egy csatorna az adott pillanatban éppen nyitva van. Ha nagy számú csatornát veszünk figyelembe, ez a valószínűségi változó egyben azt is jelenti, hogy a membránban található csatornák fele éppen nyitva van. Ha pedig a teljes membrán áramot vesszük figyelembe, ami a sok-sok kis csatornán keresztül folyik, ugyanannyi áram folyik fele annyi teljesen nyitott csatornán, mint az összes csatornán keresztül, ha a kapuk félig lennének nyitva. Vagyis a teljes membránáramot figyelembe véve teoretikus szempontból mind a félig nyitott csatorna, mind az 50% valószínűséggel nyitott csatorna megfelelően helyes interpretációja a mérési eredményeknek.

Az ioncsatornák gyakran szelektívek egyetlen ionra. Egy kálium csatorna pl. nagyságrendekkel átjárhatóbb kálium számára, mint a kisebb méretű nátrium ion számára. Logikátlannak tűnik, hogy egy pórus, amelyik átjárható kálium ion számára, nem átjárható egy kisebb nátrium ion számára. Az ioncsatornák szelektivitása évtizedekig komoly fejtörést okozott a tudósok számára. Roderick MacKinnon, aki 2003-ban kémiai Nóbel díjat kapott munkásságáért, végül tisztázta a kálium csatorna molekuláris térbeli szerkezetét és atomi szintű működését. Röntgen krisztallográfiával láthatóvá tette a kálium csatorna pórusának felépítését és a kálium ion mozgását a póruson keresztül.

Az ionok hidrátburokkal rendelkeznek vizes közegben, vagyis minden egyes iont számos vízmolekula vesz körül egy meghatározott szerkezetben. Minden kálium iont 8 vízmolekula veszi körül, és ezek kb. 0,27 nm távolságra helyezkednek el a központi kálium mag körül. A kálium csatorna túl szűk a hidrátburokkal rendelkező kálium számára, a hidrátburoknak le kell szakadnia ahhoz, hogy a kálium beférjen a póruson. A dehidráció azonban energiaigényes. Ha ez a dehidrációs energia nem áll rendelkezésre vagy nem kompenzálja valami, akkor a kálium nem mozog abba az irányba.

Az ion szelektivitásért felelős szűrő a kálium csatorna minden alegységében 5 aminosavból áll “TVGYG” a prokariotákban, és ez a szekvencia az evolúció során alig változott. A szelektivitásért felelős szűrő elektronegatív karbonil oxigén atomokkal bélelt, melyek a pórus közepe felé meredeznek. A karbonil oxigén atomok elhelyezkedése, egymástól való távolsága pontosan olyan, mint vizes közegben a kálium iont körülvevő hidrátburkot alkotó vízmolekulák elhelyezkedése. Amikor a hidratált kálium ion a szelektivitás szűrő felé közeledik, szabadon képes átugorni a csatorna pórusába, mert a karbonil oxigén atomok elhelyezkedése egy energetikailag kedvező útvonalat biztosít a kálium ionok számára, ugyanis a dehidrációs energia kompenzálódik. A nátrium ion számára ez az útvonal energetikailag nem kedvező, mert a karbonil oxigén atomok túl távol vannak a kisebb méretű nátriumhoz képest.

Tesztkérdések

  1. Mi NEM befolyásolja a kálium ion egyensúlyi potenciálját?

    1. Intracelluláris nátrium koncentráció

    2. hőmérséklet

    3. Intracelluláris kálium koncentráció

    4. Extracelluláris kálium koncentráció

  2. Mi NEM befolyásolja a nátrium ion egyensúlyi potenciálját?

    1. nátrium aktivációs kapu állapota

    2. hőmérséklet

    3. Intracelluláris nátrium koncentráció

    4. Extracelluláris nátrium koncentráció

  3. Hol található a legtöbb feszültségvezérelt gyors nátrium csatorna a neuronban?

    1. Ranvier csomó

    2. dendrit

    3. sejttest

    4. internodális axon

  4. Hol található a legtöbb feszültségvezérelt kálium csatorna a neuronban?

    1. internodálisan

    2. Ranvier csomó

    3. dendrit

    4. sejttest

  5. Hol található a legtöbb feszültségvezérelt kálcium csatorna a neuronban?

    1. Axon terminális

    2. internodálisan

    3. Ranvier csomó

    4. dendrit

  6. Hol található a nikotinerg acetylcholin receptor ligand kötőhelye?

    1. Az ioncstornán az extracelluláris oldalon

    2. A sejtmagban

    3. A plazmamembránon az ioncsatornától távol

    4. A plazmamembrán intracelluláris oldalán

  7. Melyik ioncsatorna permeabilitása határozza meg leginkább egy neuron nyugalmi potenciálját?

    1. kálium

    2. nátrium

    3. kalcium

    4. magnézium

  8. Mennyi lenne a legvalószínűbb membránpotenciál, ha minden csatorna zárva lenne, és csak nátrium szelektív ioncsatronák lennének nyitva?

    1. +50 mV

    2. 0 mV

    3. –70 mV

    4. –90mV

  9. Mennyi netto ionáram folyik a nikotinerg acetylcholin receptor ioncsatornán, amikor a membránpotenciál pillanatnyi értéke 0 mV?

    1. A netto ionáramlás nulla

    2. Pontosan annyi amennyi kálium kiáramlik a sejtből

    3. Nem lehet megmondani, mert a csatorna nem ionszelektív

    4. Pontosan annyi amennyi nátrium beáramlik a sejtbe

  10. Mi felelős a kálium ioncsatorna ionszelektivitásért?

    1. Az ioncsatorna pórusának negatív töltése, és a carbonyl oxigén atomok egymástól való távolsága

    2. Az ioncsatoran pórusának átmérője

    3. Az ioncsatorna pórusának hossza

    4. A kapu szerkezete, a feszültségszenzor helyzete

  11. Mely tényezők depolarizálják a membránt?

    1. Nátrium aktivációs kapujának nyílása

    2. Nátrium inaktivációs kapujának nyílása

    3. kálium aktivációs kapujának nyílása

    4. a klorid ioncsatorna fokozódó permeabilitása depolarizáció alatt

  12. Melyik ionáram felelős az idegi akciós potenciál gyors felszálló szárának kialakításáért?

    1. nátrium beáramlás a sejtbe

    2. nátrium kiáramlása a sejtből

    3. kálium kiáramlása a sejtből

    4. kálium beáramlása a sejtbe

  13. Az akciós potenciál csúcsán NEM igaz?

    1. A kálium csatornák még teljesen zárva vannak

    2. A nátrium inaktivásiós kapuk zárva vannak

    3. A nátrium aktivásiós kapuk nyitva vannak

    4. A nátrium áram gyakorlatilag nulla

  14. A hyperkalaemia hatása lehet.

    1. Depolarizálja a membránt

    2. A nátrium egyensúlyi potenciálja negatívabb lesz

    3. A feszültségvezérelt kálium csatornák aktivációs kapuja bezárul

    4. A feszültségvezérelt gyors nátrium csatornák inaktivációs kapuja kinyílik

  15. Mi történik, ha nyugalmi potenciálról feszültségzár segítségével 0 mV-ra depolarizáljuk az ideget?

    1. Kezdeti nátrium beáralmás után a nátriumáram nullára csökken, majd egy kálium kiáramlás jön létre egészen addig, amíg a feszültségzár fennáll

    2. Semmi nem történik, mert 0 mV-on minden csatorna egyensúlyi, inaktív állapotba kerül

    3. Folyamtos nátrium kiáramlás zajlik egészen addig, amíg a feszültségzár fennáll

    4. A kezdeti gyors kálium kiáramlást egy lassú kiáramlás váltja fel, ami fokozatosan nullára csökken