 Co je to akční potenciál? Tkáň lze definovat např. jako soubor buněk stejného embryonálního původu a víceméně jednotné morfologie a funkce.  Jaké je tedy specifikum musí taková buňka mít, aby se o ní dalo říci, že je vzrušivá? Vzrušivá buňka je schopna generovat vzruch, akční potenciál (AP), vést ho dál a předat ho na specializovaném místě, na synapsi, další buňce.  Co je to akční potenciál? Akční potenciál je aktivní odpověď buňky (tzv. odpověď všechno nebo nic), depolarizační vlna, která se šíří membránou vzrušivé buňky bez úbytku (tzv. bez dekrementu).

GAP JUNCTION – elektrická synapse 6 konexinů (26-50 kDa) spojených v 1 konexon otevřená/zavřená konformace kontrolována koncentrací intracelulárního Ca2+, hodnotou pH nebo hladinou cAMP evolučně starší typ synapse, (teoreticky) obousměrná komunikace mezi buňkami, a to elektrická i metabolická (v hematoencefalické bariéře se mohou účastnit transportu látek krev-neuron), rychlé a synchronizované spojení buněk ve vyvíjejícím se nervovém systému hojné, po zprovoznění chemických synapsí jejich počet klesá (barvení neurobiotinem nebo lucifer. žlutí) v CNS savců propojují glie (astrocyty, oligodendroglie) a neurony, v sítnici mohou propojova tyčinky a čípky, čípky navzájem, horizontální buňky navzájem s mutacemi konexinových genů se pojí poruchy excitability CNS, dále např. některé typy hluchoty, šedého zákalu nebo choroby CMT (Charcot-Marie-Tooth typu 2)

Konexinové spoje obecně mohou vést proud oběma směry. Elektrické synapse Konexinové spoje obecně mohou vést proud oběma směry. Pokud použijeme skleněné mikroelektrody naplněné koncentrovaným roztokem KCl (a spojíme je se zdrojem pulsu, zesilovačem a dalším vybavením), můžeme jednu elektrodu použít jako stimulační a druhou jako registrační. Jednou mikroelektrodou pak můžeme aplikovat puls o určité amplitudě do jedné buňky a následně měřit druhou mikroelektrodou jeho amplitudu v druhé buňce, spojené s tou první konexiny. Když mikroelektrody prohodíme, zjistíme, že proud opravdu teče oběma směry.

VS. Evolučně je výhodnější koncept přenosu CHEMICKÉHO chemická synapse umožňuje směrovat tok informace (nevzniká chaos) presynaptický element chemické synapse je menší než postsynaptický: inofrmace se rozšíří na mnoho dalších postsynaptických elementů x presynaptický element elektrické synapse je velký a vodivě spojený s více elementy postsynaptickými, jejichž počet je kvůli úspoře prostoru redukován prostorové hledisko: celé řady vstupů se integrují na těle jediné buňky (stupňovaná odpověď na tzv. vstupní membráně) chemické synapse snadno modulovatelné (ovlivňování vstupů chemickými faktory); farmaka cíleně zasahují synapse určitého typu, tj. přenot určité informace VS.

Vlastnost Elektrická synapse Chemická synapse Vzdálenost mezi pre-a postsynaptickou membránou 3,5 nm 30-50 nm Kontinuita mezi pre-a postsynaptickou membránou Ano Ne Ultrastrukturní komponenty Konexiny/konexony Presynaptické aktivní zóny a váčky s NT/postsynaptické receptory Co přenáší informaci Toky iontů Neurotransmitery Synaptické zpoždění (v podstatě) žádné Signifikantní: nejméně 0,3 ms, obvykle 1-5 ms Směr přenosu informace (teoreticky) obousměrný Jednosměrný Velikost pre/postsynaptického elementu Pre > Post Post > Pre

Podstata biopotenciálů Klidový membránový potenciál (KMP) vzniká zejména díky  Nerovnoměrné distribuci iontů na membráně  Selektivní propustnosti membrány pro daný kationt Podstata biopotenciálů Vnitřek buňky je sice elektricky neutrální – stejný počet kladných i záporných nábojů, ALE VZHEDEM K VNĚJŠKU JE elektricky záporný. Na této polaritě se podílí hlavně záporně nabité molekuly, které nemohou volně procházet membránou a jsou drženy uvnitř buňky (ATP,CP, isothionát, záporně nabité zbytky postranních aminokyselin proteinů aj.). Nerovnoměrná distribuce iontů na membráně je udržována zejména  AKTIVNÍM TRANSPORTEM Na+ z buňky  SOUČASNÝM TRANSPORTEM K+ DOVNITŘ BUŇKY (uvnitř buňky je draslíku asi 20-70x více než extracelulárně

[xi]II mi = RT ln + nFD [xi]I ~ Na rozhraní se ustaví elektrochemický potenciál mi, jehož velikost je určena dvěma členy. První, logaritmický člen, je odvozen z difusní (osmotické) práce, druhý představuje práci elektrickou, přesun určitého množství nábojů z jednoho do druhého roztoku. mi = RT ln + nFD [xi]II [xi]I ~ [xi] je koncentrace (obecného) iontu xi v roztocích I a II, F je Faradayova konstanta (náboj jednoho molu elektronů , asi 96 000 coulombů/mol), a n (nebo někdy z) je valence iontu (např. n=+1 pro K+ a –1 pro Cl-).  je tedy potenciál(ový rozdíl) mezi vnitřkem a vnějškem buňky, za stavu, kdy přes membránu neteče žádný difusní proud. Říká se mu též ROVNOVÁŽNÝ POTENCIÁL, Nernstovský rovnovážný potenciál (s patřičným indexem pro ten který iont: K+ ionty  EK+). EK+ = [K+]out [K+]in RT nF ln

 Proč se tedy živá buňka tolik namáhá, aby si udržela nějaký MP?  Naměřili bystě membránový potenciál (MP) u každé živé buňky, nebo jen na membráně buněk vzrušivých? MP má každá živá buňka, i když různě vysoký. Zdravé svalové vlákno kosterní svaloviny má typický klidový MP okolo –70 mV, ale jsou buňky s KMP daleko nižším - třeba buňky střevního epitelu mají KMP i okolo –15 mV. Každá živá buňka si udržuje nějaký MP, tedy nerovnoměrnou distribuci iontů vně a uvnitř. To není snadné, ionty musí být různě přečerpávány (některé do buňky, jiné ven), což je energeticky ohromně náročné a nevýhodné. Svalové vlákno může za určitých podmínek až polovinu vyrobeného ATP spotřebovat na činnost transportních pump, zejména Na+/K+ ATPasy – jiným slovy na udržení svého MP v nějakých rozumných mezích. To je hodně drahý špás, když si uvědomíte, jak důležitá molekula ATP je.  Proč se tedy živá buňka tolik namáhá, aby si udržela nějaký MP? Pamatujte si, že s nerovnoměrnou distribucí jakýchkoliv látek, ať už nenabitých nebo iontů, je vždycky spojen určitý gradient: látek (koncentrační), náboje apod. Velmi hrubě řečeno, každý gradient je spojen s určitým obsahem energie, s nějakou energetickou informací, každý gradient vzdaluje živý systém od stavu termodynamické rovnováhy. Termodynamická rovnováha je stav neslučitelný se životem, a proto se jí buňka brání. Energii „uloženou“ v nějakém gradientu může pak buňka využívat různě – na transport látek, na syntézu apod. Pamatujte si tedy klíčový poznatek: jakýkoliv gradient oddaluje živý systém od stavu termodynamické rovnováhy a nese s sebou určitý energetický a informační obsah.

ENa+  +66 mV EK+  -90 mV 1 y = (k) ln x y = ln x ENa+ = [Na+]out [Na+]in RT nF ln Enějakého iontu 145 12  zlomek větší než 1  ENa+ leží v kladných hodnotách ENa+  +66 mV 4 155  zlomek menší než 1  EK+ leží v záporných hodnotách EK+  -90 mV Rovnovážný potenciál Enějakého iontu lze také jinak charakterizovat jako potenciál, při němž neteče pasivně iontovými kanály žádný elektrický, zde tedy i difusní proud - ani z buňky, ani do buňky. Někdy se také označuje jako potenciál reversní (Vr), protože na jeho úrovni se mění směr toku proudu přes membránu; v případě draslíku teče K+ proud ven při kladnějších hodnotách KMP než je EK a dovnitř, jestliže buňku uměle „hyperpolarizujeme“ na zápornější potenciál než je Vr, tekou ionty draslíku naopak do buňky.

Propustnost membrány pro ionty ENa+= +66 mV Relativní propustnosti pro K+ (PK=PK/PK), Na+ (PNa=PNa/PK) a Cl- (PCl=PCl/PK) jsou následující: PK : PNa : PCl = 1 : 0,01-0,05 : 0,5 Membránový potenciál Klidová propustnost pro Na+ je zpravidla 20 (1:0,05) až 100 (1:0,01) nižší než pro K+ (jen nepatrný počet Na+ kanálů se v klidu náhodně otevírá). Pro Cl- je propustnost této modelové membrány asi poloviční. klidový MP = - 70 mV Na+ K+ EK+= -90 mV

PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i Účast jednotlivých iontů na výsledném klidovém membránovém potenciálu (Em) je dána nejen  poměrem koncentrací, ale poměrem jejich propustností, což vyjadřuje komplexní GOLDMAN-HODGKIN-KATZOVA ROVNICE, v níž jsou zavzaty  poměrné propustnosti P jednotlivých iontů, vztažené k PK = 1: Em = PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o RT nF ln Em = PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o 58 log nebo též Např. pro obří vlákna sépie jsou propustnosti pro Na+ (PNa=PNa/PK), K+ (PK=PK/PK) a Cl- (PCl=PCl/PK) následující: PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,5 Je zřejmé, že klidová propustnosti se pro různé (vzrušivé)é tkáně a tytéž ionty nepatrně liší, nicméně tento specifický poměr jednotlivých propustností je pro nastavení hodnoty MP nezbytný.

AKČNÍ POTENCIÁL, intracelulárně snímaný skleněnou elektrodou Akční potenciál (AP, vzruch, impuls) je velký, krátký a neměnný signál ("vše nebo nic"), který se šíří podél nervu a dlouhých svalových vláken bez snížení amplitudy. PODSTATA: 1) otevření Na+ kanálů, pří depolarizaci na prahovou hodnotu (elektricky, chemicky, mechanicky). PNa převýší ostatní, Na+ teče dovnitř, Em na pár ms určen ENa+ (plus uvnitř-přestřelení) 2) Následné zvýšení PK : další K+ kanály se pod vlivem depolarizace otevřou a přetrvají po uzavření Na+ kanálů→ vzniká následná hyperpolarizace. přestřelení následná hyperpolarizace lokální odpověď (nad)prahový puls KMP membránový potenciál proud práh ENa Ek

membránový potenciál (mV) Akční potenciál vzniká postupným otevřením nejprve Na+ (někdy Ca2+) a pak K+ iontových kanálů, jestliže je klidový membránový potenciál náhle snížen zhruba po 15 mV (řekněme z -70 mV na -55 mV) na tzv. hodnotu prahové depolarizace. Při této prahové depolarizaci se otevírají napěťově citlivé Na+ kanály. Sodík vtéká po koncentračním spádu do buňky a snižuje negativní náboj vnitřku. Na vrcholu vlny se polarita uvnitř buňky otáčí na +20 či +30 mV (hodnota se blíží rovnovážnému potenciálu ENa = +50 mV). Tomuto obrácení polarity se také říká přestřelení - overshoot. Akční potenciál zdravého vlákna kosterní svaloviny a vlákna nervového je krátkodobý (1-3 ms) a regenerativní- depolarizace otevírá další Na+ kanály v sousední oblasti, čímž se vlna šíří. mS/cm2 membránový potenciál (mV) ENa EK

následná hyperpolarizace ENa+= +66 mV EK+= -90 mV klidový MP = - 70 mV Membránový potenciál D 15 mV absolutní relativní refrakterní fáze 1-2 ms   přestřelení Jednotlivé fáze AP práh následná hyperpolarizace

Trvání akčního potenciálu je určeno a) spontánní inaktivací, tj. uzavřením Na+ kanálů – jejich inaktivací a b) opožděným otevřením napětím řízených K+ kanálů, které mají tendenci membránu repolarizovat. Po ukončení vlny akčního potenciálu se klidový membránový potenciál dočasně hyperpolarizuje v důsledku přetrvávající zvýšené propustnosti pro K+, což znamená, že po několik dalších milisekund je toto místo membrány nedráždivé (refrakterní fáze). Jakmile vznikne akční potenciál - jakožto vlna opačné polarity, než je v klidu -, vznikají mezi tímto místem a sousedními úseky membrány lokální proudy.

následná hyperpolarizace K+ Na+ (C) klidový stav depolarizace repolarizace následná hyperpolarizace Em (mV) (B) K+ Na+ Na+ K+ (D) K+ Na+ sodíkový kanál membrána draslíkový vně buňky uvnitř buňky (A) Sodíkový a draslíkový kanál během AP

 Proč je důležité, aby AP ve vlákně kosterní svaloviny netrval příliš dlouho, aby „včas“ skončil? Když zvedáte svazek klíčů, musíte vyvinout daleko menší sílu, než když zvedáte pětikilový meloun. Této větší síly můžete dosáhnou zejména dvěma způsoby: zapojením většího počtu motorických jednotek a větším zkrácením sarkomery. Sílu, které svalové vlákno vyvíjí při zkracování sarkomery, popisuje Gordonova křivka. S tou se seznámíte na přednášce; obecně, pokud se sarkomera zkracuje, tak se zkracováním do určité délky roste i síla stahu. Děje, které vedou ke zkrácení sarkomery, všichni znáte, takže jen stručně: aktivace nervosvalového spojení (AP) Ţ výlev acetylcholinu Ţ depolarizace membrány svalového vlákna (AP) Ţ AP je zaveden do T-tubulů Ţ ty jsou v kontaktu s cisternami sarkoplasmatického retikula, které také depolarizují Ţ výlev vápníku z cisteren SR Ţ aktivace myosinové ATPasy Ţ zasouvání aktomyosinového komplexu do sebe Ţ kontrakce. Aktomyosinový komplex se nejen zasouvá do sebe (kontrahuje), musí také relaxovat, uvolnit vzájemné spojení. Relaxace aktomysionového komplexu trvá několik desítek milisekund. Na jeden akční potenciál odpoví aktomyosinový komplex jen nepatrným zasunutím aktinu a myosinu do sebe. Jde o tzv. svalové trhnutí. Vyvíjí se jen nepatrná síla. Díky tomu, že AP svalového vlákna trvá jen 1-2 ms, mohou se na vlákně uplatnit ještě další AP před tím, že aktomyosinová komplex zrelaxuje Ţ aktin a myosin se zasunou více do sebe, sarkomera se výrazněji zkracuje, vyvíjí se větší síla. Toto je zajištěno právě krátkou dobou AP, jež je podmíněna rychlým zavíráním sodíkových kanálů. Takovému typu kontrakce, kdy na vzestupnou nebo sestupnou fázi předchozího svalového trhnutí nasedne další AP, mohou se na sebe „naskládat“ a zvyšovat tak celkovou vyvinutou sílu, se říká kontrakce tetanická. Nesouvisí s poškrábáním se o rezavý hřebík. Tetanickým způsobem se realizuje drtivá většina vašich svalových kontrakcí.

vysokofrekvenční série svalových APs tetanus součet dvou trhnutí trhnutí (twitch) svaloý AP 2 svalové AP vysokofrekvenční série svalových APs vyvinutá síla

 Proč vtéká vápník do buňky? 150-200 ms ENa+, + 66 mV EK+, -90 mV klidový MP, - 70 mV D15 mV 1 2 3 1-2 ms 4 Ca2+  Proč vtéká vápník do buňky? Fáze plató srdečního AP je podmíněna otevřením napěťově ovládaných vápníkových kanálů. Vápník teče po svém elektrochemickém gradientu do buňky a depolarizuje membránu po dobu až 200 ms. Během fáze plató jsou již uzavřeny sodíkové kanály. Tato fáze skončí uzavřením vápníkových kanálů, které vpouštějí vápník do srdečního svalu. Jak ale kardiomyocyt pozná, že už je ta správná doba na uzavření vápníkových kanálů? Vápníkové kanály zodpovědné za fázi plató srdeční svaloviny mají na své intracelulární straně dvě vazebná místa pro ionty vápníku. Poté, co jsou obě obsazena (signál: už je v cytoplasmě vápníku dost, uběhla dost dlouhá doba), kanály se autoregulačně uzavírají. Membránový potenciál klesá, otevírají se napěťově ovládané draslíkové kanály a AP končí způsobem, jaký známe ze svaloviny kosterní.