Ugrás a tartalomhoz

Élettani alapismeretek

Cseri Julianna (2011)

Debreceni Egyetem

A sejtműködések szabályozása

A sejtműködések szabályozása

Az idegi szabályozás alapjai

Nyugalmi potenciál

A membránpotenciál fogalma

Valamennyi élő sejtre igaz az a megállapítás, miszerint a sejtmembrán külső és belső felszíne között elektromos potenciálkülönbség, azaz membránpotenciál mérhető. A potenciálkülönbség nagysága sejttípusonként változik, kb. 30-100 mV közötti tartományban található. Konvencionálisan a sejt belső terének potenciálját tekintjük negatívnak a külsőhöz képest, ebben az esetben a membránpotenciál értéke negatív előjelet kap. A negatív előjel csak a belső tér negativitásának jelzésére szolgál, nem teszi a számot matematikai értelemben negatívvá! Tehát, ha a membránpotenciál –90 mV-ról –60 mV-ra változik, a membránpotenciál, vagyis a potenciálkülönbség csökken, azaz a sejtmembrán polarizáltsága csökken, depolarizációról van szó. A –100 mV-os érték nagyobb polarizáltságot, hiperpolarizációt jelent.

A sejtek nyugalmi, nem ingerelt állapotban mérhető membránpotenciálja a nyugalmi potenciál, mely ingerület alatt jellegzetesen megváltozik, elektrotónusos potenciálváltozás vagy akciós potenciál alakul ki.

A nyugalmi potenciál eredete, jelentősége

A sejtmembrán elektromos szempontból olyan elemi egységek hálózataként modellezhető, amelyek feszültségforrásokat, ellenállásokat és kapacitív elemeket tartalmaznak.

2.6. ábra - A sejtmembrán helyettesítő elektromos kapcsolási rajza

A sejtmembrán helyettesítő elektromos kapcsolási rajza

A lipid kettősréteg elektromos szempontból az intra- és az extracelluláris teret elválasztó szigetelőként viselkedik. A lipidfázis ugyanakkor töltéseket is szeparál, vagyis kondenzátornak, kapacitív elemnek tekinthető.

Az intracelluláris térben negatív töltésű fehérjék találhatók, míg az extracelluláris tér gyakorlatilag fehérjementes. A sejtmembrán fehérjékkel szemben impermeábilis, tehát az intracelluláris fehérjék nem hagyhatják el a sejtet. Mindkét térben találunk pozitív és negatív töltésű ionokat, melyek a nekik megfelelő ioncsatornán keresztül diffundálhatnak. A nem permeáló fehérje anionok jelenléte miatt a diffuzibilis ionok koncentrációja különbözik a két térben, vagyis egyenlőtlen ionmegoszlás alakul ki.

Az egyenlőtlen ionmegoszlás kialakulását két termodinamikai szabály magyarázza: egyensúlyi állapotban érvényesül az elektroneutralitás elve, ami azt mondja ki, hogy azonos oldalon a pozitív és a negatív töltések száma megegyezik. Ugyanakkor a diffuzibilis ionok vonatkozásában érvényesül az ionszorzat állandóságának az elve is, ami megköveteli, hogy a két oldalon a diffuzibilis ionok szorzata állandó legyen. A két egyenletből összességében az adódik, hogy a diffuzibilis ionokra vonatkozóan koncentrációkülönbség lép fel.

Minden diffuzibilis ion koncentrációkülönbsége egyenáramú feszültség-forrásként szerepel (EK, ENa, ECl). Az adott ionnal szembeni vezetőképességet (GK, GNa, GCl) a megfelelő ellenállások reciproka adja. (A vezetőképességet az adott ioncsatorna átjárhatósága biztosítja). Ha egy ionra (pl. a Ca2+ ionra) nézve a membrán nem átjárható, azaz az ellenállás végtelenül nagy, az adott ion koncentrációkülönbsége nem manifesztálódik potenciálkülönbségben. Minél nagyobb a vezetőképesség az adott ionra nézve, annál meghatározóbb lesz az adott ion koncentrációkülönbsége a tényleges membránpotenciál kialakításában. A membránpotenciál kialakítása szempontjából a kálium, a klorid és a nátrium ionok megoszlása a döntő. Nyugalomban a nátrium-permeábilitás kicsi, ezért a nyugalmi potenciál a kálium és a klorid ionok koncentrációkülönbségétől függ.

Ha egy adott ionra (pl. K+ ionra) nézve koncentrációkülönbség áll fenn a két folyadéktér között, a Nernst-képlet segítségével kiszámíthatjuk a koncentrációkülönbség által kialakított elektromotoros erőt (kapocsfeszültséget), ami megfelel a membrán két oldala között kialakult potenciálkülönbségnek, vagyis a membránpotenciálnak.

2.7. ábra - eq_2_1.png

eq_2_1.png

Amennyiben több diffuzibilis ion is jelen van a rendszerben, az általuk létrehozott eredő feszültséget a Goldman-Hodgkin-Katz egyenlettel számíthatjuk ki, amely figyelembe veszi a membrán adott ionra vonatkoztatott vezetőképességét is. Az egyenlet értelmében membránpotenciál változáshoz vezet az ionkoncentrációk változása, de a membrán konduktanciájának változása is. Továbbá nemcsak az individuális konduktanciák abszolút értéke, hanem a különböző konduktanciák egymáshoz viszonyított aránya is megváltozhat, ami szintén potenciálváltozáshoz vezet.

2.8. ábra - eq_2_2.png

eq_2_2.png

Az ideg- és az izomsejtekben a Na+ konduktancia nyugalomban csak kb. századrésze a K+ és a Cl- konduktanciának, míg az akciós potenciál kialakulásakor a Na+ konduktancia több nagyságrenddel meghaladja a K+ konduktanciát (a membránpotenciál előjele is megváltozik), majd ellentétes változások zajlanak le és a membránpotenciál újra eléri a nyugalmi értéket, miközben az extra- és intracelluláris ionkoncentrációk gyakorlatilag nem változnak.

Az ingerületi folyamat

A sejtmembrán polarizáltsága lehetőséget biztosít arra, hogy a környezetből származó ingerek által közölt információtartalom elektromos jellé, membránpotenciál-változássá íródjon át. A sejtek közötti információátadásban ugyancsak fontos szerepe van a potenciálváltozásnak, mint információs jelnek.

A környezetből származó ingerek hatására vagy ligandok kötődésének következményeként a membránpotenciál megváltozik, ingerületi folyamat alakul ki. Az ingerhatás helyén, ill. a ligand (neurotranszmitter) kötődésének helyén ún. helyi (lokális) ingerületi folyamat, elektrotónusos potenciálváltozás jön létre.

Lokális ingerületi folyamat (elektrotónus)

Az elektrotónusos potenciálváltozás amplitúdója arányos a kiváltó inger intenzitásával, illetve a lekötődött transzmitter mennyiségével. Amplitúdója az ingerhatás (ligandkötődés) helyétől távolodva a távolság függvényében exponenciálisan csökken.

2.9. ábra - Elektrotónusos potenciálváltozások jellemzői

Elektrotónusos potenciálváltozások jellemzői

A térkonstans (λ) azt a távolságot jelenti, amelyen az eredeti amplitúdó 37 %-a mérhető. Ideg- és izomrostokon ez az érték 1-2 mm közé esik, ami azt jelenti, hogy a változás valóban csak lokális folyamat marad. Idegsejteken, idegpályákon történő információtovábbítás csak úgy lehetséges, ha az ingerületi folyamat tovaterjedővé, akciós potenciállá alakul át. Minden akciós potenciál depolarizációs irányú elektrotónusból, ún. katelektrotónusból fejlődik ki. Az elektrotónusos potenciálváltozás lehet hiperpolarizáció (anelektrotónus) is, de az nem vezet akciós potenciál kialakulásához.

Az elektrotónusnak nincs refrakter periódusa, ami azt jelenti, hogy lezajlása során a membrán újabb ingerek fogadására és feldolgozására képes. Ebből az következik, hogy az elektrotónusos potenciálváltozások térben és időben összeadódnak (szummálódnak), előjelüktől függően egymást erősítik vagy kioltják. Az önmagukban hatástalan ingerek a szummáció révén hatásosak lehetnek, mivel akciós potenciált válthatnak ki.

Elektrotónusos potenciál az érzéksejtek (ún. érző receptorok) inger hatására bekövetkező ingerülete, a receptorpotenciál. Ugyancsak elektrotónus a posztszinaptikus membránon transzmitter hatására kialakuló posztszinaptikus potenciál. A szabad idegvégződéseken (fájdalomérző receptorokon) az inger hatására ugyancsak katelektrotónus alakul ki, ami akciós potenciálokat generál.

Tovaterjedő ingerületi folyamat, akciós potenciál

A nyugalmi potenciál és az elektrotónus kialakításában résztvevő ioncsatornák közös sajátsága, hogy vezetőképességük független a membránpotenciál értékétől. Az ideg- és az izomsejtek membránja abban különbözik a többi sejt membránjától, hogy olyan ioncsatornákkal is rendelkezik, amelyeknek vezetőképessége függ a membránpotenciál aktuális értékétől és esetleg időben is változik. Ezeket a membránokat ingerületvezető membránoknak is nevezik, mivel megfelelő feltételek mellett rajtuk tovaterjedő ingerületi folyamat, akciós potenciál alakul ki.

A csatornák vezetőképességének feszültségfüggését ún. kapuzó (gating) részecskék jelenlétével magyarázzuk. A kapuzó részecskék a csatorna falában elhelyezkedő dipólusok, amelyeknek térszerkezetét a környező elektromos térerő nagysága és irányultsága befolyásolja. A csatorna nyugalmi állapotában a kapuzó részecskék orientációja megakadályozza az ionok átlépését a csatornán. Kellően nagy katelektrotónusos potenciálváltozás hatására a dipólusok átrendeződnek, a csatorna átjárhatóvá válik. A Na+ csatornák esetében egy másik kapuzó mechanizmus is van, amely ugyancsak feszültségfüggő módon nyitja ill. zárja a csatornát, ez az ún. inaktivációs kapu.

2.10. ábra - Az ioncsatornák kapuzó mechanizmusai

Az ioncsatornák kapuzó mechanizmusai

A csatorna akkor vezetőképes, ha mindkét kapu nyitva van, ez a csatorna aktivált állapota. Amennyiben az inaktivációs kapu a membránpotenciál változás hatására, ill. az idő függvényében bezáródik, a csatorna vezetőképessége megszűnik. Ez az inaktivált állapot. Az újra aktiválhatóság feltétele a nyugalmi állapot helyreállása.

A K+ csatornák esetében nincs inaktivációs kapu, a depolarizáció nyitja az aktivációs kaput, repolarizáció hatására pedig a kapu záródik.

Az akciós potenciál egységnyi membránfelszínen található csatornapopulációk szinkron működésének következtében alakul ki. Amennyiben a katelektrotónus amplitúdója eléri azt a szintet, amely beindítja a feszültségfüggő Na+ csatornák megnyílását, beindul a Hodgkin ciklusnak nevezett eseménysor. A Na+ csatornák megnyílása Na+ ionok (pozitív töltések) belépését teszi lehetővé. A pozitív töltések felszaporodása depolarizál, ami további Na+ csatornákat nyit meg stb. A ciklus addig folytatódik, amíg a belső tér pozitivitása egyensúlyba nem kerül a Na+ ionokra ható koncentráció gradienssel, azaz el nem érjük a Na+ egyensúlyi potenciálját vagy amíg az összes Na+ csatorna meg nem nyílik. A valóságban a belső pozitivitás nem éri el ezt az értéket, mivel a Na+ csatornák inaktiválódnak, ill. a depolarizáció megnyitja a feszültségfüggő K+ csatornákat is, amiken keresztül K+ ionok lépnek ki, vagyis pozitív töltések távoznak a sejtből.

2.11. ábra - Hodgkin ciklus

Hodgkin ciklus

2.12. ábra - Az akciós potenciál alatt lezajló konduktanciaváltozások

Az akciós potenciál alatt lezajló konduktanciaváltozások

Az akciós potenciál lezajlása alatt fázisosan változik a membrán ingerelhetősége. A felszálló szár alatt és a repolarizáció kezdetén újabb ingerekkel szemben a membrán abszolút refrakter állapotban van, ami azt jelenti, hogy újabb ingerrel nem váltható ki újabb akciós potenciál (nincs aktiválható Na+ csatorna). A leszálló szár későbbi szakaszán, a kritikus potenciálnál pozitívabb sávban az eredeti küszöbingernél erősebb ingerek a már újra aktiválható Na+ csatornákat megnyithatják (relatív refrakter stádium). A kritikus potenciál és a nyugalmi potenciál közötti sávban gyengébb ingerek is hatásosak (szupernormális fázis), míg a nyugalmi potenciálnál negatívabb tartományban ismét nő az ingerküszöb, csak erősebb ingerek hatásosak (szubnormális fázis).

2.13. ábra - Az ingerlékenység fázisos változásai az akciós potenciál lezajlása során

Az ingerlékenység fázisos változásai az akciós potenciál lezajlása során

Az akciós potenciál tovaterjedése

Az akciós potenciál a kialakulás helyéről mindkét irányba tovaterjed. Az ingerületben lévő membránrészlet és a szomszédos, nyugalomban lévő membránrészletek között helyi áramkörök alakulnak ki, a fent vázolt konduktancia változások minden egyes ponton lezajlanak, az akciós potenciál autoregeneratív módon, pontról-pontra újra kialakul. Ezzel magyarázható az, hogy terjedés közben az amplitúdója nem változik. Mielinhüvellyel nem fedett, csupasz axonon az ingerület terjedése hosszabb időt vesz igénybe, mint a velőhüvelyes axonokon. Ennek magyarázata az, hogy a velőhüvely szigetelőként borítja az axont, az autoregeneratív folyamat csak a velőhüvellyel nem fedett területeken alakul ki, így a vezetési sebesség jelentősen megnő (szaltatórikus ingerületvezetés). Két erősítési pont között az akciós potenciál elektromos jelként, a tónusos membránpotenciál változásokhoz hasonlóan, jelveszteséggel (dekrementummal) terjed.

2.14. ábra - Az akciós potenciál terjedése csupasz axonon (felső rész) és mielinhüvellyel fedett axonon (alsó rész)

Az akciós potenciál terjedése csupasz axonon (felső rész) és mielinhüvellyel fedett axonon (alsó rész)

Nagy átmérőjű, nagy távolságon mielinhüvellyel fedett rostokon a leggyorsabb az ingerület vezetése (szomatikus érző és motoros neuronok).

A kémiai szabályozás alapjai

Általános jellemzés

A testfolyadékok (vér, nyirok) által szállított kémiai anyagok, illetve az idegvégződésekből felszabaduló neurotranszmitterek, az ún. hírvivő molekulák a sejtek közötti hírközlés fontos eszközei. Általános jellemzőjük, hogy hatásukra megváltozik a sejt anyagcseréje, ami fontos feltétele a környezeti változásokhoz való alkalmazkodásnak. Hatásuk kifejlődésének feltétele, hogy megfelelő kémiai struktúrához, ún. receptor molekulához kötődjenek (innen származik a ligand elnevezés). A kötődés rendkívül specifikus, az adott kémiai hírvivő anyag (ligand) csak a neki megfelelő szerkezetű receptor fehérjéhez képes kapcsolódni.

A hírvivő molekulák (pl. hormonok, neurotranszmitterek) kémiai szerkezetük alapján rendkívül heterogén csoportot képviselnek. Sejtszintű hatásmechanizmusuk megértéséhez célszerű oldékonyságuk alapján csoportosítani ezeket az anyagokat.

A lipidoldékony anyagok egyszerű diffúzióval transzportálódnak a sejtmembrán lipid fázisán keresztül. A citoplazmában fehérjéhez (hormonkötő receptorhoz) kapcsolódnak. A hormon-receptor komplex a DNS megfelelő szakaszához (magreceptorhoz) kapcsolódva beindítja egy bizonyos fehérje szintézisét, a sejtválasz az adott fehérje működésének eredményeként jön létre.

A vízoldékony hírvivő molekulák nem képesek a membránon átlépni, hatásukat a sejtmembrán felszínén lévő receptorokhoz való kötődés által fejtik ki. A ligand-receptor kölcsönhatás másodlagos hírvivő mechanizmusokat aktivál, melyek a sejten belüli jelátvitelt (intracelluláris szignalizációt) biztosítják.

Ionotróp és metabotróp receptorok

A ligandkötő receptor struktúrák ioncsatornák alkotórészei lehetnek. A ligand kötődése a csatornafehérje konformáció változásához, ezáltal a csatorna áteresztőképességének megváltozásához vezet (ionotróp receptor). Ezeket az ioncsatornákat nevezzük ligand-vezérelt csatornáknak. Ilyenek találhatók pl. a posztszinaptikus membránban, vagy a simaizomsejtek és mirigysejtek felszíni membránjában stb.

A ligand-vezérelt ioncsatorna vezetőképességének megváltozása ionáramlást, azaz töltések áramlását eredményezi, ami a sejt membránpotenciáljának megváltozásához vezet. A membránpotenciál-változás – számos áttételen keresztül – anyagcsere-változást is kivált.

2.15. ábra - Ligandvezérelt ioncsatornák működése

Ligandvezérelt ioncsatornák működése

Az ábrán példaként befelé irányuló Na+ áramot tüntettünk fel, de meg kell jegyezni, hogy a ligand-vezérelt csatornák általában aspecifikus kation áramlást, bizonyos csatornák pedig anion áramlást tesznek lehetővé, az ionáramlás iránya az adott ion elektrokémiai gradiensétől függ.

A metabotróp receptor elnevezés arra utal, hogy a specifikus ligand-receptor kölcsönhatás eredményeként közvetlenül sejtanyagcsere-változásban nyilvánul meg a sejtválasz. A metabotróp receptorok aktiválódása másodlagos hírvivő mechanizmusok közvetítésével váltja ki a sejtválaszt.