1 - Izvor Biopotencijala - Celijska Membrana - Ravnotezni i Akcioni Potencijal

1

1. Izvor biopotencijala:

ĆELIJSKA MEMBRANA

Ravnotežni i akcioni potencijal ćelije

Mirjana B. Popović

AKVIZICIJA ELEKTROFIZIOLOŠKIH SIGNALA

60 slajdova


REGISTROVANJE BIOPOTENCIJALA

Superpozicija malih struja, koje su reda 10-9 A kroz ćelijsku membranu dovodi do pojave malih napona koji su korelisani sa aktivnošću ćelija, a koji se mogu meriti.

IZVOR BIOPOTENCIJALA:

2/24

Amplitude merenih signala su male, reda 10-6 do 10-3 V. Male struje kroz ćelijske membrane stvaraju i magnetsko polje koje se može meriti.

Izuzetno slaba magnetska polja, indukcije do reda 10-12 T, mogu da se mere sofisticiranim senzorima - SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices).

2

Preciznije, moguće je meriti:•aktivnost srćanog mišića (ElektroKardioGrafija – EKG), •aktivnost skeletnih mišića (ElektroMioGrafija – EMG), •aktivnost perifernih nerava (ElektroNeuroGrafija –ENG), •aktivnost kore velikog mozga (ElektroEncefaloGrafija – EEG), •evocirani potencijali (EP), i slično.

3/24

Elektrohemijska aktivnost mišićnih i nervnih ćelija je osnova nekoliko važnih dijagnostičkih metoda u medicini.


Biopotencijal je rezultat elektrohemijske aktivnosti ćelija

Da bi se pravilno interpretirao mereni napon ilipolje, potrebno je razumeti nekoliko elemenata koji utiču na formiranje napona i polja:

4/24

Bioelektrične pojave

1) način formiranja struje kroz membranu,

2) provodnost tkiva u okolini izvora struje i provodnost prema mernim mestima, i

3) metode (uredjaje) za merenje napona ili polja.

3

Bioelektricitet je definisan istim zakonima fizike kao i elektricitet u elektronici. Bilo da se radi o prirodno evociranim strujama, ili spolja dovedenim,uvek važe Maxwell-ove jednačine.

5/24

Pošto je energija bioloških signala u frekvencijskomopsegu ispod 10 kHz, generalno je usvojeno da je tkivo čisto otporno.

Međutim, ćelijska membrana ima vrlo nisku provodnost, pa se na mikroskopskom nivou vremenski promenljiva komponenta ne može zanemariti. Tad se obično uzima u obzir kapacitivnost.

Na makroskopskom nivou vremenski promenljivičlanovi jednačina mogu da se zanemare.


Razlika je u tome što se umesto električnih kola, posmatra trodimenzionalna struja kao i u tome što važnu ulogu u definisanju bioelektričnih sistema imaju elektrohemijski procesi, pa se smatra da je najvažnija razlika što je provođenje jonima, a ne elektronima.

6/24

Međutim, kad god je uključeno merenje, koristimo elektronsku opremu. To znači da će u ukupnom sistemu telo-oprema morati da postoji interfejs između jonskog i elektronskog provođenja.

Obično se taj interfejs analizira kao deo biomedicinskeinstrumentacije a ne bioelektriciteta.


4

Bioelectricitet se razlikuje od napojne mreže po veličini napona i frekvencije, sa izuzetkom električne i magnetske stimulacije gde su primenjene visoke struje i naponi. Ali i tada, indukovane struje i naponi u tkivu su mali.

7/24

I konačno, bioelectricitet je blisko povezan sa funkcionisanjem živih sistema, i time odražava njihovu posebnost.


Fiziologija ćelije

Primer sistema: nervniProcesi u nervnom sistemu: percepcija, pokret, rad organa

Procesi u biološkom sistemu: ćelija

Informacije o biološkom sistemu nose signali sa biološkog sistema

Ćelija: neuron

8/24

pokret:

5

Ćelija: membranski potencijal

Uloga ćelijske membrane u formiranju membranskog potencijala:

•ravnotežnog i•akcionog

Prenos informacije u biološkom svetu:•električni signali – u okviru neurona•hemijski signali – između neurona

9/24

Ćelija: membranski potencijal

•neorganski joni, •ćelijska membrana i •osnovni procesi (difuzija, jonski transport)

Osnova bioelektriciteta:generisanje i korišćenje električne energije za smeštaj i prenos informacija

Aktivan transport informacija: akcioni potencijal

Formiranje ravnotežnog potencijala od oko-70 mV za neurone, -90 mV za ventrikularne ćelije

10/24

6

Ćelijska membrana

"Biološki sloj" koji odvaja ćeliju od ekstracelularne tečnosti nazivamo ćelijska membrana ili ćelijska opna.

unutrašnjost

spoljašnjost

Komunikacija ?

PROTEINI:

11/24

- Signaliziraju ćeliji da prilagodi hemiju u odnosu na okruženje

Ćelijska membrana: jonski kanali

Vrsta PROTEINA koji u ćelijskoj membrani deluju kao pora kroz koju mogu da prolaze joni sa jedne na drugu stranu se nazivaju JONSKI KANALI.

Dve vrste jonskih kanala: non-gated i -gated.

Non-Gated su uvek otvoreni i nisu pod uticajem spoljnih faktora.

Primarna uloga je u održavanju ravnotežnog potencijala.

12/24

Gated kanali imaju važnu ulogu u celularnim procesima:signalizacija pri formiranju akcionog potencijala (AP).Spadaju u grupu signalizirajućih proteina.

7

Jonski kanali: gated

Kod gated jonskih kanala, membranski napon se konvertuje u promenu membranske permeabilnosti koja vodi restruktuiranju proteina i otvaranju, tj. zatvaranju transmembranskih pora.

Otvaraju se i zatvaraju pod uticajem elektromehaničkih i hemijskih signala zahvaljujući osetljivosti ovih proteina na napon tako da oni zatvaraju, odnosno otvaraju prolaz jona kroz membranu u zavisnosti od visine membranskog napona (voltage-gated jonski kanali).

13/24

Ćelijska membrana:permeabilnost

Samo mali broj kanala je stalno otvoren- nazivaju se još i leaking (cureći) kanali. Drugi kanali se opet vrlo teško otvaraju.

Nekada je promena stanja otvoreno-zatvoreno pasivna, a nekad uz utrošak energije-aktivno.

Joni:K+, Na+, Ca++, Cl-...Organski anjoni (A-)

ćelijaOrganski anjoni

+-

Membrana ćelije je semipermeabilna(selektivno propustljiva). Samo neki joni mogu da prolaze kroz kanale. Npr., pri ravnotežnom stanju, K+

lako prolazi, ali zato Na+ i Cl- mnogo teže, a negativno naelektrisani organski joni uopšte ne mogu.

14/24Zašto?

8

Ćelijska membrana: permeabilnost

Veličina jona:(A-) >> (Na+) > (Cl-) > (K+)

15/24

Broj pora (jonskih kanala)(K+) pore, vrlo mnogo(Cl-) pore, mnogo(Na+) pore, malo(A-) pore, nema

?

ćelija

membranski potencijalV = Vin - Vout

Organski anjoni

+-

Ćelijska membrana: membranski potencijal

Smanjenje razlike potencijala: Depolarizacija

•Razdvaja električno opterećenje sa obe strane •Ukupno + opterećenje je veće izvan ćelije •Rezultat je membranski potencijal V

Povećanje razlike potencijala: Hiperpolarizacija

Vraćanje u ravnotežno stanje: Polarizacija

“Biološki interfejs”ćelija/ekstracelularna tečnost

16/24

9

Membranski potencijal

Konvencija:

Membranski potencijal je razlika unutrašnjeg i spoljašnjeg potencijala

Membranska struja je pozitivna kada pozitivni joni (katjoni) idu iz ćelije u ekstracelularnu sredinu; za katjone tok u ćeliju daje negativnu struju.

Za anjone je obrnuto.

17/24

ćelijaOrganski anjoni

+-

Ćelijska membrana: membranski potencijalProlazak jona kroz kanale je na

osnovu dve pojave: 1.razlike u hemiskoj koncentraciji i 2.potencijalnoj razlici

Gradijent hemijske koncentracije stvara silu koja gura jone niz gradijent(hemijski potencijal), a razlikau naelektrisanju sa obe strane membrane stvara električnusilu koja gura jone u pravcu definisanom naelektrisanjem(od + ka -).

U slučaju kada membranski proteini guraju jone protiv ovih sila, troši se energija koju obezbeđuje jonska pumpa

(Na+-K+).

Tada nije potrebna metaboličkaenergija: energija se dobija na osnovu osmotskih sila difuzije, osmoze i elektrohemijske ravnoteže.

18/24

10

Koncentracija osnovnih jona

ĆELIJA srcaKoncentracija K+ je veća unutar ćelije nego izvan nje. Prema tome, postoji hemijski gradijent koji usmerava difuziju K+ izvan ćelije.

Obrnuto je za Na+, gde hemijski gradijentusmerava difuziju Na+unutar ćelije.

[CK+]unutra > [CK

+]spolja

[CNa+]spolja > [CNa

+]unutra

19/24

Primer: ćelija srca

]C[]C[ log

Z60 = U

i

o10

smNernstov ravnotežni potencijal:

o - outsidei - inside

Ravnotežni potencijal za K+: EK

ĆELIJA srca

EK = -96 mV

Nernstov potencijal za K+ je:

EK = -60 log [K+]i / [K+]o

EK = -96 mV; gde je

[K+]i =150 mM, [K+]o = 4 mM,

RT/F= 60

EK je potencijal između dve strane membrane ćelijeneophodan da održi gradijentkoncentracije K+ sa obe strane membrane- Nernstov potencijal za K.

]C[]C[ log

Z60 = U

i

o10

sm

20/24

11

Ravnotežni potencijal za Na+: ENa

Nernstov potencijal za Na+ je:

ENa = -60 log [Na+]i / [Na+]o

ENa = 50 mV; gde je

[Na+]i=20mM, [Na+]o=145mM,

RT/FZ= 60

ENa je potencijal između dve strane membrane ćelije neophodan da održi gradijentkoncentracije Na+ sa obe strane membrane – Nernstov potencijal za Na.

ĆELIJA srca

ENa = +50 mV

]C[]C[ log

Z60 = U

i

o10

sm

21/24

Ravnotežni potencijal ćelije: primer

ĆELIJA srca

EK = -96 mV

Nernstov potencijal za K+:EK = -96 mV

ĆELIJA srca

ENa = +50 mV

Nernstov potencijal za Na+:ENa = 50 mV

Ravnotežni membranski potencijal ćelije srca je: Um =-90 mV

Neto ems za K+ je

Um-EK = 6 mV

Neto ems za Na+ je

Um-ENa = - 140mV22/24

12

Ravnotežni potencijal

Jednačine ravnoteže ne važe za sve supstance u jednakoj meri, pa treba, pored difuzije i električnih sila uzeti u obzir i druge procese koji utiču na protok supstance kroz membranu.

Jonski protok kroz membranu može biti kroz pore bez dejstva drugih supstanci ili energije, i ostvaruje se kroz pore na membrani ili difuzijom.

Ako postoji posrednik ili je potrebna energija za prenos kroz membranu, proces nazivamo "facilitaran" odnosno "aktivni" prenos, respektivno. U najvećem broju slučajeva najbrži je protok kroz pore membrane, nešto sporiji difuzioni, a zatim slede facilitarni i aktivni prenos jona.

23/24


PP=q ,

]C[+]Cq[]C[+]Cq[

logF

RT=UK

Na

KNa

KNam

+i

+i

+o

+o

Goldmanova jednačina

Permeabilnost membrane za NaPNa

PK Permeabilnost membrane za K

(Goldman-Hodgkin-Katz )

24/24

13

pauza

Membranskiipotencijal

Prethodni primeri pokazuju kako promene u koncentraciji pojedinačnih jona sa obe strane membrane utiču na membranski potencijal.

A naravno i kako pumpe, kao što je to Na+/K+ -ATP pumpa, doprinose membranskom potencijalu zbog transporta jona kroz membranu u cilju održanja jonske koncentracije sa obe strane membrane.

Za potpunije razumevanje kako različiti joni utiču na membranski potencijal i kako se membranski potencijal automatski menja tokom akcionog potencijala (AP), neophodno je da se razume kako promene u membranskoj permeabilnosti, tj. jonskoj provodljivosti utiču na membranski potencijal.

1/21

14

Permeabilnost membraneU ravnoteži, membranski potencijal je blizu ravnotežnog potencijala za K+. To je posledica što je membrana relativno više propustljiva za K+, nego za ostale jone. Permeabilnost membrane za Na+ je vrlo mala, tako da samo mali broj jona Na+ protiče u ćeliju.

Prema tome, membranski potencijal ne reflektuje samo individualnu koncentraciju jona(tj., ravnotežne potencijale), već i relativnu permeabilnost membrane na te jone. Ako onaima značajno veću premebailnostza jedne jone u odnosu na sve ostale, onda ti joni imaju značajno veći uticaj na vrednost membranskog potencijala.

K+ permeabilnost je visoka(arbitrarno definisana =1),

Cl- permeabilnost je srednja(0.6 relativno u odnosu na K+standard)

Na+ permeiabilnost je niska(0.1 relativno u odnosu na K+),

A- permeabilnost je 0. 2/21

Na+ - K+ pumpa

Akcionipotencijal

Razmotrimo gradijentekoncentracija jona Na+ i K+:Kadgod je generisan akcionipotencijal (AP), Na+ ulazi u ćeliju i K+ napušta ćeliju.

Održavanje gradijenatajonske koncentracije sa obe strane membrane zahteva utrošak energije(ATP hidroliza) kuplovanesa jonskim pumpama.

3/21

Iako je broj jona koji prolazi membranu u toku jednog AP jako mali u odnosu na ukupan broj jona, posle mnogo AP, nastupila bi značajna promena u ekstracelularnoj i intracelularnoj koncentracijiovih jona.

15

Na+ - K+ pumpa

Na+/K+pumpa

Da bi ćelija ostala u ravnotežnom položaju neto Na+ kretanje u ćelijutreba da se izbalansira efektivnim fluksom K+ jona.

4/21

Ovo je automatski sprečeno Na-K pumpom, koja šalje Na+ izvanćelije, a K+ ubacuje u ćeliju.

Ovaj proces ne može da se održava kontinualno jer bi K+ joni bili ispražnjeni iz ćelije.Na+ bi se povećavao u ćeliji, jonski gradijent bi se smanjivao i time snižavalavrednost ravnotežnog potencijala.

Pošto ih pumpa gura suprotno elektrohemijskom gradijentu, potrebna je energija da obezbedi transport. Ova energija se dobija hidrolizom ATP-molekula koji poseduje energiju.

Na+ - K+ pumpa

Na+/K+pumpa

Da bi se održao koncentracioni gradijent za Na+ i K+, postoji na sarkolemienergetski zavisna (ATP-zavisna) pumpa (Na+/K+ATPase) koja pumpa Na+ izvan ćelije i K+ u ćeliju.

Ako pumpa prestane sa radom (kada je ATP izgubljen), ili kada je aktivnost pumpe inhibirana (pri nekim srčanim anomalijama), Na+ se akumulira unutar ćelije i unutarćelijska koncentracija K+ opada. To utiče na depolarizacijuravnotežnog ćelijskog potencijala.

5/21

Normalno funkcionisanje ove pumpe je esencijalno za održavanje koncentracija Na+ i K+ sa obe strane membrane.

16

Na+ - K+ pumpa

-10 mV

Ova pumpa je electrogena po svojoj prirodi zato što izbacuje 3 Na+ za svaka 2 K+ koja ulaze u ćeliju.

Inhibicija ove pumpe utiče na depolarizaciju koja je rezultat ne samo promena u gradijentu koncentracija Na+ i K+,

već i gubitka electrogenekomponente membranskog potencijala.

6/21

Pumpanjem više pozitivnog opterećenja izvan ćelije nego u ćeliju, pumpa stvara negativni potencijal unutar ćelije.

Ovaj potencijal može da bude i do -10 mV.

Ca++ - Na+ pumpa

ĆELIJA srca

Ca++

0.1 - 10 µM Ca++

(2 mM)

Postoji hemijski gradijent koji utiče da Ca++ difunduje u ćeliju.

Ca++ koji ulazi u ćeliju za vreme AP (tj., za vreme depolarizacije) mora da se eliminiše iz ćelije jer u suprotnom akumulacija Ca++ vodi celularnoj disfunkciji.

Pošto ćelije imaju negativan ravnotežni potencijal (~ -90 mV kod miocita), postoji i električna sila koja utiče na Ca++ da se kreće ka ćeliji.

Međutim, osim za vreme AP kada se membranski permeabilitet za Ca++ povećava, postoji malo curenje Ca++ u ćeliju.

7/21

17

Ca++ - Na+ pumpaCa++ se eliminiše iz ćelije srca na osnovu dva mehanizma: (1) Prvi uključuje ATP-zavisnu

pumpu koja izbacuje kalcijumiz ćelije.

Poznato je da Ca++ i Na+ mogu da se kreću u oba smera kroz membranu. Tri Na jona se razmenjuju sa jednim Cajonom, što znači da se generiše elektrogeni potencijal.

8/21

(2) Drugi je pomoću Na-Carazmenjivača. Njegov mehanizam rada nije sasvim razjašnjen.

Ćelijska membrana: akcioni potencijal

Izlaz:Akcioni potencijal

Ulaz:Neurotransmiteri

ćelija

Do sada smo objašnjavali kako se održava ravnotežni membranskipotencijal. Taj balans se menja kada se ćelija depolarizuje dovoljno da trigeruje akcioni potencijal. Ćelije koje mogu da se depolarizujusu eksitabilne ćelije. Izvesni spoljni stimulusi smanjuju razliku električnog opterećenja na membrani.

Ekscitabilne ćelije:1. nervne i 2. mišićne

• nervne ćelije prenose signale,

• mišićne iniciraju kontrakciju.

9/21

18



Sinapsa-Ulaz:Neuro

transmiteri

ćelija

10/21

Sinapsa je mesto na kome se akson presinaptičkog neurona spaja sa postsinaptičkim neuronom;

Drugim rečima to je mesto predaje informacije putem otpuštanja neurotransmitera.



Sinapsa-Ulaz:Neuro

transmiteri

ćelija

Ako je ovaj potencijal redukovan do oko –50 mV(praga osetljivosti),nastaje akcioni potencijal (AP).

Stimulus

Postoje dve vrste stimulusa:

1.mehanički (istezanje, zvuk)

2.hemijski (neurotransmiteri: acetilholin)

aktiviraju zatvorene Na+kanale mehanički, odnosno hemijski.

11/21

U oba slučaju je omogućena (facilitirana) difuzija Na+ u ćelijusmanjujući ravnotežni potencijal i formirajući Ekscitatorni PostSinaptički Potencijal (EPSP).

19

Akcioni potencijal

AP ima 3 faze: •Depolarizacija (B), •Repolarizacija (C) , •Hiperpolarizacija (D).

12/21

HiperpolarizacijaHiperpolarizacija je rezultat delovanja nekih neurotransmitera koji otvaraju kanale K+ i/ili Cl- u plazmi membrane.

U oba slučaja otvaranje kanala povećava membranski potencijal dozvoljavajući K+ da ide izvan ćelije (ili Cl-unutra).

•Hiperpolarizacija se još naziva Inhibitorni PostSinaptički Potencijal (IPSP).

•Ne postoji propagacija inhibicije.

•Nakon hiperpolarizacije, iako je prag ostao nepromenjen, potreban je jači ekscitatorni stimulus da bi se dostigao prag.

13/21

20

Akcioni potencijal

Hipotetička membrana koja ima samo jone K i Na. Is je struja stimulusa.

14/21

Akcioni potencijal

I/U karakteristika “hipotetične” membrane koja ima samo K+ i Na+ jone: Jonski tokovi strujakroz ćelijsku membranu pri skokovitoj promenimembranskog napona

Ravnotežni potencijal ~

Nernstov potencijal za K+

Nernstov potencijal za Na+

Maximum AP

Prag AP

I[pA]- V[mV] kriva

15/21

Karakterističfni potencijali:

21

Hodgin-Huxlijeve jednačine

n G=G 4KK

h m G=G 3NaNa

Električni model ćelijske membane

n, m – aktivacija;

h - inaktivacija

16/21

K+

n G=G 4KK n - aktivacija

HH model: K+ kanal

K+ funkcionalni jonski kanal ima 4 jedinice, a svaka jedinica ima 6 segmenata

17/21

22

Na+

h m G=G 3NaNa

m – aktivacija; h - inaktivacija

HH model: Na kanal

Na+ funkcionalni jonski kanal ima 4 jedinice, a svaka ima 6 transmembranskih segmenata; između III i IV jedinice je poseban deo koji je odgovoran za inaktivaciju Na kanala.

18/21

HH model

n G=G 4KK

h m G=G 3NaNa

n, m – aktivacija

h - inaktivacija

nm

h

m nh

19/21

23


Analitička zavisnost membranskog potencijala od pojedinačnih relativnih provodnosti (G‘i) i ravnotežnog potencijala za pojedinačne jone (Ei):

Iext=0dV/dt =0

V = G'K EK + G'Na ENa + G'Ca ECa + G'Cl Ecl

G’i = Gi /GTotal = Gi / (GK + GNa + GCa + GCl)

Membranski potencijal (V) zavisi od sume individualnih ravnotežnih potencijala pomnoženih relativnom membranskom provodljivošću (G’i) svakog pojedinačnog jona.

20/21

Membranski potencijal: primer srca

Kod ćelija srca, najvažniji joni koji određuju membranski potencijal- V su Na+, K+ i Ca++. Membranski potencijal je :

V = G'K(-96 mV) + G'Na(+50 mV) + G'Ca(+134 mV)

V = -96 G'K+ 50G'Na + 134G'Ca [mV]

Gradijenti pojedinačnih jonskih koncentracija menjaju se vrlo malo, čak i kada Na+ ulaze u ćeliju u toku depolarizacije:promene u V su uglavnom zbog promena u jonskoj provodnosti.

Na primer, kod ćelije u ravnoteži, G'K je značajno veća u odnosu na sve ostale jonske provodnosti, tako da je V blizu EK. U toku pika AP, G'Na je značajno veća u odnosu na sve ostale jone, prema tome V se približava vrednosti ENa.

21/21

24

Pauza

Rezime: Dok ravnotežni potencijal opisuje šta se dešava u ćeliji dok je u ravnoteži, AP ukazuje šta se dešava kada ćelija šalje informaciju niz akson izvan tela ćelije. Razlog za AP je razmena jona kroz ćelijsku membranu duž ćelije.

Kod nemijeliziranih axona, AP propagira usled interakcije pasivnogširenja membranske depolarizacije i voltage-gate Na+ kanala.

Propagacija AP: nemijelizirana vlakna

Prostorno lokalizovana depolarizacija otvara Na+ kanale, dozvoljava-jući ulaz jona Na+ u ćeliju i lokalno depolarizujući membranu.

Ova depolarizacija se “širi" do susednog dela membrane difuzijompozitivnih jona duž zapremine axona. To uzrokuje pražnjenje membranske kapacitivnosti, a time i depolarizaciju membranskogpotencijala. Ova depolarizacija otvara Na+ kanale na tom mestu i postupak se ponavlja duž aksona.

1/15

+ + + + + + + + - - - - - - - + + + - - - - - - - - - - - + + + + + + - - - -

NEMIJELIZIRANO VLAKNO500 µm 50 µm

+ + + + + + + + - - - - - - - + + + - - - - - - - - - - - + + + + + + - - -

25

Protok Na+ kroz jedan čvor je dovoljan da se na sledećem ostvari depolarizacija. Na taj način AP skače sa jednog čvora na drugi. Rezultat je mnogo brži prenos impulsa nego kroz nemijeliziranavlakna.

Aksoni mnogih neurona su obavijeni masnim omotačem -mijelinom, nazivaju se mijelinizirani.

Propagacija AP: mijelizirana vlakna

Mijelin se sastoji od Švanovih ćelija. Između omotača dve Švanovećelije akson je nezaštićen. Na takvim mestima se nalaze Na+ voltage–gate jonski kanali i nazivaju se Ranvierovi čvorovi.

2/15

Akcioni potencijal•Ne-saltatorna propagacija kod nemijeliniziranihvlakana (neaktivna propagacija)

Primer brzine: 0.04 m/s •Saltatorna propagacija kod mijeliniziranihvlakana (aktivna propagacija)

Primer brzine: 18.8 m/s izračunato, 21.2 m/s izmereno kod sipe

3/15

MIJELIZIRANO VLAKNO

500 µm 50 µm

+-+-

+ -

+ -

RANVIEROVČVOR

26

Akcioni potencijal: Mehanizam propagacije

Kratko posle otvaranja, kanali postaju neaktivni i ostaju tako sve dok se membrana ne repolarizujedozvoljavajući kanalima da se vrate u svoju prvobitnu konfiguraciju zatvorenog stanja.

Samo mali deo kanala je otvoreno u istom trenutku i taj deo (prozor) se pomera niz akson dozvoljavajući da se razvije membranski potencijal.

AP se kod mijeliziranih vlakana prenosi skokovitood jednog do susednog Ranvierovog čvora. Iako postoji slabljenje od čvora do čvora, vrednost AP je dovoljna da pobudi sledeći deo aksona koristeći mehanizam aktivnog provođenja. 4/15

MIJELIZIRANO VLAKNO

+-+-

+ -

+ -

+ + + + + + + + - - - - - - - + + + - - - - - - - - - - - + + + + + + - - - -

NEMIJELIZIRANO VLAKNO

+ + + + + + + + - - - - - - - + + + - - - - - - - - - - - + + + + + + - - -

Akcioni potencijal: pobuda

1. spoljnim mehanizmima (npr., neuromišićnom stimulacijom skeletnih mišića ili depolarizacionimprocesom od ćelije do ćelije srca) ili

2. unutrašnjim, spontanim mehanizmima (npr., srčane pejsmejker ćelije).

Mnoge ćelije (nervne i mišićne) imaju sposobnost da podležu prolaznoj depolarizaciji i repolarizacijikoja je trigerovana jednim od sledećih mehanizama:

5/15

27

Akcioni potencijal: sporog i brzog odziva

Postoje dva tipa srčanih AP:

2. Akcioni potencijali brzog odziva jer depolarizacija nastaje naglo, koji se generišu u srcu, osim na pacemaker ćelijama, pa se još nazivaju i NE-PACEMAKER AKCIONI POTENCIJALI.

1. Akcioni potencijali sporog odziva jer depolarizacijanastaje sporo i javljaju se na sinusatrijskom (SA) i atrioventrikularnim (AV) čvorovima srca gde generišu spontane akcione potencijale, pa se još nazivaju i PACEMAKER ĆELIJE.

6/15

Akcioni potencijalOba tipa AP koji se javljaju u srcu se značajno razlikuju od AP u neuralnimi skeletnim mišićima ćelijama:

Uloga Ca++ jona u depolarizaciji: Kod nervno/mišićnih ćelija, depolarizaciona faza akcionog potencijala nastaje usled otvaranja Na kanala. Isto je i kod pacemaker srčanih ćelija. Međutim, kod ne-pacemaker srčanih ćelija, Ca++ joni su uključeni u inicijalnu depolarizaciju. Influx Ca jona produžava trajanje AP i prouzrokuje karakteristični plato kod ne-pacemaker ćelija.

Razlika je u trajanju AP:

Tipično, kod nerva , AP traje oko 1 ms. Kod ćelije skeletnih mišića, AP traje oko 2-5 ms. Za razliku od njih, trajanje APsrčanih ćelija je u opsegu 200-400 ms.

7/15

28

Akcioni potencijal : ne-pacemaker ćelijeKada se ove ćelije depolarišu do praga

(npr., usled nekog drugog AP), nastaje nagla depolarizacija (faza 0) usled prolaznog povećanja gNa+. U isto vreme gK+ pada. Ove dve promene g pomeraju Um dalje od EK a bliže ka ENa.

Ne-pacemaker ćelije imaju pravi ravnotežni membranski potencijal (faza 4) koji ostaje blizu EK(ravnotežnog potencijala za K+).

AP

Faza 1 predstavlja inicijalnu repolarizacijunastalu usled otvaranja posebnih K+ kanala. Zbog velikog porasta u sporom protoku C++ (gCa++), repolarizacija kasni i nastaje plato na AP (faza 2).

8/15

Repolarizacija (faza 3) nastaje kada gK+poraste a gCa++ opadne. Prema tome, APsrčanih ćelija je primarno određen promenama provodnosti: brzog Na+ i sporih Ca++ i K+ .

Akcioni potencijal: ERP

U toku faza 0, 1, 2, i delimično fazi 3, ćelija je u refraktornommodu u odnosu na inicijaciju novih AP. Taj period se naziva efektivni refraktorni period (ERP).

Efektivni refraktorni period (ERP)

9/15

U toku ERP, stimulacija ćelije neće generisati novi akcioni potencijal. ERP služi kao zaštitni mehanizamsprečavajući da se dogode višestruki združeni AP.

29

Akcioni potencijal: ERP

Ako bi se teorijski dogodili združeni višestruki AP kod srčanih ćelija, srce ne bi imalo vremena da se napuni krvlju i da je ispumpa.

Mnogi antiaritmijski lekovi menjaju ERP, i na taj način menjaju ćelijsku eksitabilnost.

Na primer, lek koji blokira Na kanale,usporava fazu repolarizacije i povećava ERP.

Kod neurona refraktorni period traje 1-2 ms, što znači da učestanostprenosa informacija kroz neuron može da bude 500-1000 impulsa u sekundi.

Dužina refraktornog perioda ograničava frekvenciju AP, pa prema tome i kontrakcije koje može srce da generiše.

10/15

Akcionioni potencijal: pacemaker ćelije

Ćelije SA čvora su osnovne ćelije srca. Ove ćelije nemaju pravi ravnotežni potencijal, umesto toga one generišu regularne, spontane akcione potencijale.

11/15

Za razliku od većine ostalih ćelija koje generišu akcione potencijale (npr., nervne i mišićne ćelije), depolarizaciona struja je rezultat uglavnom sporih Ca++ jona umesto brzih Na+ struja.

U stvari, u SA čvoru ne postoje brze Na+ struje.

30


Akcioni potencijali ćelija SA čvora se sastoje iz 3 faze:

Spontana depolarizacija (faza 4) nastaje usled pada gK+ i malog porasta gCa++.

12/15

Faza 0 je depolarizaciona i nastaje osnovno usled povećane provodnosti Ca++ (gCa++).

Pošto kretanje (ili provodnost) Ca++ jona kroz njihove kanale nijebrzo (odatle termin "spori Ca++ kanali"), brzina depolarizacije(nagib faze 0) je mnogo manja nego u ostalim ćelijama srca (npr., Purkinjeove ćelije).

Repolarizacija (faza 3) nastaje kada gK+ raste i gCa++ opada.

Spori protok Na+ struja u ćeliju takođe doprinosi fazi 4, i smatra se da je razlog za ono što se naziva pacemakerili "funny" struja (If). Kada ta spontana depolarizacija jednom dostigne prag (oko -40 mV), trigeruje se novi akcioni potencijal.


Za vreme depolarizacije, membranski potencijal (Em) se pomera ka ekvilibrijum potencijalu za Ca++, što je oko +134 mV.

Em = g'K (-96 mV) + g'Ca (+134 mV)

Iako je pacemaker aktivnost spontano generisana od strane ćelija SA čvora, brzina aktivnostimože da se značajno modifikuje spoljnim faktorima kao što su to autonomni nervi, hormoni, joni, i ishemija/hipoxia.

13/15

Za vreme repolarizacije, g'Ca(relativna provodnost Ca++) se smanjuje i g'K (relativna provodnostK+) raste, što pomera Em bliže kaekvuilibrijum potencijalu za K+. Prema tome, akcioni potencijal u ćelijama SA čvora je osnovno zavistan od promena provodnosti Ca++ i K+ :

31

Akcioni potencijal:

rezimeAP može da se proizvede samo kod eksitabilnih ćelija.

piramidalni neuron

Jačina AP je inherentna osobina ćelije: bez obzira koliko je pojačavan stimulus, on uvek proizvodi isti AP, pod uslovom da je pređen prag depolarizacijeza tu vrstu ćelije.

Jačina stimulusa je kodirana u učestanost AP koji se generiše.

14/15

2 µA

Rezime: Različiti stimulusi (električni, hemijski, mehanički, neurotransmiteri) mogu da aktiviraju nervne i mišićne ćelije. Rezultat je sekvenca stereotipnih događaja koje se uglavnom dešavaju na ćelijskoj membrani. Ćelije koje imaju osobinu da mogu da se aktiviraju nazivaju se eksitabilne, dok se proces inicijalizacije ćelijske elektrohemijskeactivnosti naziva eksitacija.Ćelijska aktivnost može da se zabeleži kao promena potencijalne razlike ćelijske membrane (unutra/spolja), proces koji zapravo putuje duž membranu do ostalih delova ćelije ili drugih ćelija. U miru, kada je ćelija neaktivna, transmembranski potencijaleksitabilne ćelije je između –50 mV i –100 mV, u zavisnosti od vrste ćelije i naziva se ravnotežni. Ćelija, tj. membrana, je na taj način polarizovana, gde je unutrašnjost negativna u odnosu na spoljašnost. Za vreme eksitacije, unutrašnjost prvo postaje manje negativna, a zatim pozitivna, posle čega se polako vraća u ravnotežno stanje. Trajanje celog procesa, depolarizacija i repolarizacija,koje se još zajedno zovu akcioni potencijal, jako zavise od vrste ćelije. Kod tipičnog nerva iznosi 0.5-1 ms, dok kod srčane ćelije može i duže od 400 ms, a kod glatkih mišića i duže. 15/15

1 - Izvor Biopotencijala - Celijska Membrana - Ravnotezni i Akcioni Potencijal

Documents

Transcript of 1 - Izvor Biopotencijala - Celijska Membrana - Ravnotezni i Akcioni Potencijal