5. Klidový potenciál

A. Membranový transport z hlediska fyzikálního Pomocí transportních proteinů Prostřednictvím mem- bránových váčků 1. Přímo přes membránu 2. 3. Glukóza Nukleotidy neurotronsmitery Mastné kyseliny Ionty Aminokyseliny glycerol LDL,HDL viry + ++ - kyslík voda proteiny ethanol CO2 KANÁL usnadněná difůze PŘENAŠEČ přenašečový transport difůze / osmóza Fagocytóza Endo-/Exocytóza http://www.blackwellpublishing.com/matthews/neurotrans.html

B. Membránový transport na základě energetických požadavků Pasivní transport ATP T 1. ATP 2. Aktivní transport Osmóza Prostá difůze Usnadněná difůze voda P kanály přenašeče přenašeče

přenašeče KANÁLY ATP T Prostá difůze Spojují přímo vnější a vnitřní prostředí buňky Tvoří vodou vyplněný pór Transportují malé molekuly, především ioty a vodu Transport probíhá velmi rychle Nikdy přímo nespojují vnější prostředí s vnitřním přenašeče Aktivní transport ATP Usnadněná difůze ATP T Vyskytují se ve dvou konformacích – jsou otevřeny buď ven z buňky nebo dovnitř buňky Transportují větší molekuly [glukóza, nukleotidy] Transport je pomalejší ale vysoce selektivní

KANÁLY Otevřené kanály Vrátkové kanály Prostá difůze ATP T Otevřené kanály Umožňují volný pohyb iontů oběma směry. Nazývají se póry. Otevřené kanály pro transport vody se nazývají akvaporiny. Vrátkové kanály Součástí kanálu jsou tzv. vrátka – speciální proteinová oblast , která uzavírá vstup do kanálu. Otvírání vrátek je vyvoláno specifickými podněty a tím je regulován pohyb částic kanálem. Vrátka otevřena Membrána Intracelulární prostor Vrátka uzavřena

A. Elektricky regulován C. Mechanicky regulován VRÁTKOVÉ KANÁLY - regulace Prostá difůze ATP T Otvírání vrátek je regulováno následujícími mechanismy: Elektrickým signálem Vazbou chemického mediátoru (Intracelulárně nebo extracelulárně) Fyzikálními vlivy [teplota, tlak] A. Elektricky regulován B. Chemicky regulován C. Mechanicky regulován Změna polarity membrány + + + - - - ligand mediátor teplota tlak

Funkce iontových kanálů: Typické vlastnosti iontových kanálů: IONTOVÉ KANÁLY - regulace Prostá difůze ATP T Funkce iontových kanálů: transportují výhradně anorganické ionty, především Na+, K+, Cl- a Ca2+ na zlomky sekund se otvírají a umožní tak transport iontů, pro které je jinak membrána nepropustná Bacteriální K+ kanál Tvoří selektivní filtr, který kontroluje, jaké ionty mohou přes kanál projít a které ne. Typické vlastnosti iontových kanálů: Iontově specifické: Kanálem mohou být transportovány pouze ionty, pro které je daný kanál specifický. Selektivita závisí na průměru, tvaru a typu aminokyselin ve vnitřní části kanálu Vrátkové: Iontové kanály se otvírají pouze na krátkou dobu, většinu času jsou uzavřeny

Elektricky regulované KANÁLY a jejich role při vzniku NERVOVÉHO SIGNÁLU

Iontové KANÁLY Jsou zodpovědné za vznik elektrického impulzu Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ TRANSPORTNÍ MEMBRÁNOVÉ PROTEINY Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ + + + + + + Jsou zodpovědné za vznik elektrického impulzu (AP – akční potenciál) - - + + + + ... a tím šíření nervového vzruchu...

Rozložení elektrických nábojů uvnitř a vně buňky K-3 + + + + + + + + + - - - + + - + + - + + - - + - + + + + - - + + - + - + + + - - - - + - + - + + + - + + + + - + + - - - + - - + - - + + + + + - + - - + - + + + + + - - + - + + - - - - - + + + - - + + + + + + + - + + - + - Ve skutečnosti existuje pouze malý přebytek kladného nebo záporného náboje v blízkosti plasmatické membrány (toto rozložení je zdrojem důležitých elektrických efektů = membránový potenciál)

ionty na membráně + - + - - + - + - + - + - + K-4 Pokud nemají buňku roztrhat elektrické síly, musí být kladné náboje v buňce vyváženy téměř stejným množstvím záporných nábojů ( totéž platí i o okolní kapalině) + - Vnitřní prostor buňky Vnější prostor buňky + - - + - + - - + - + + - + - + - + + - + - + - - + - - + - + + Náboje odpovědné za membránový potenciál ale…

Distribuce iontů na membráně K-5 Distribuce iontů na membráně pro zjednodušení mluvíme o elektricky neutrálním vnitřku a okolí buňky - + - + - + Elektricky neutrální vnitřní prostor buňky - + Elektricky neutrální okolí buňky - + - + ale ve skutečnosti je uvnitř buňky náboj mírně negativní, což způsobuje efekt přitahování kladných a záporných nábojů k membráně a vzniku elektrického potenciálu kationty vně buňky a anionty uvnitř buňky jsou vzájemně přitahovány, ale jsou oděleny membránou + - + - + - + - - +

Význam membrány při tvorbě membránového potenciálu K-6 Význam membrány při tvorbě membránového potenciálu Buněčná membrána plní funkci přehradní hráze: Membrána odolává elektrochemickým silám, které navzájem ionty přitahují Ionty - podobně jako voda za přehradní hrází - mají potenciální energii. Separací a nabitých částic je na membráně vytvořen elektrický potenciál + - Elektrický potenciál ne membráně = membránový potenciál

Membránový potenciál K-7 obecný termín, obecná vlastnost všech živých buněk je základem všech elektrických aktivit v buňkách buňka si udržuje různou koncentraci kationtů a aniontů mezi intra- a extracelulárním prostředím → tím vzniká na jejich membráně potenciálový rozdíl = napětí u většiny membrán existuje mezi jejich povrchy napětí – rozdíl v elektrických potenciálech na každé straně membrány → tento potenciál působí na každou molekulu, která nese elektrický náboj

Membránový potenciál - K-8 Membránový potenciál Vyjadřuje rozdíl mezi: nábojem vně buňky nábojem uvnitř buňky - + je dán nerovnoměrnou distribucí elektrického náboje na obou stranách plasmatické membrány a mění se při průtoku iontů otevřenými kanály. Membránový potenciál… je vyjádřen rozdílem napětí (volty, milivolty) vně a uvnitř membrány uvádí se v záporných hodnotách vzhledem k zápornému náboji uvnitř buňky. pohybuje se v rozpětí -20mV až -200 mV, v závislosti na organismu a typu buňky.

např. u nepodrážděných svalových a nervových buněk Klidový potenciál K-9 Membránový potenciál vzrušivé buňky v klidovém stavu se označuje jako klidový potenciál. Buňka v klidovém stavu  transport iontů přes membránu je v rovnováze  klidový membránový potenciál. např. u nepodrážděných svalových a nervových buněk Klidový membránový potenciál mají všechny buňky – je přítomen na všech buněčných membránách, ale pouze na vzrušivých membránách (neurony…) může docházet k jeho změnám a výkyvům. U neuronů je jeho hodnota obvykle okolo – 70 mV.

relativní koncentrace Ionty K-10 nejhojnější ionty v okolí buněk Na+,K+, Ca2+, Cl-, H+… jejich pohyb přes buněčné membrány je základem mnoha buněčných dějů pohyb těchto iontů hraje zásadní význam při práci nervových buněk Na+ K+ Cl- P- relativní koncentrace iontů v buňce a okolí P- = vázané anionty (proteiny), které nemohou projít přes membránu koncentrace iontů

Nerovnoměrná distribuce iontů na membráně K-11 Na+ K+ Cl- P- Hlavním kationtem vně buňky je sodíkový iont Na+. Vysoká koncentrace Na+ vně buňky a K+ uvnitř buňky je v buňce zajišťován tzv. sodno-draselnou pumpou Na/ K pumpa neustále transportuje Na+ ven z buňky a K+ dovnitř buňky. Hlavním kationtem uvnitř buňky je draselný iont K+. Uvnitř buňky je náboj mírně negativní: většina organických molekul [bílkoviny] uvnitř buňky má negativní náboj; ten je vyrovnán sodíkovými kationty K+, hlavním intracelulárním kationtem Vysoká koncentrace Na+ v okolí buňky je vyvažována hlavně extracelulárními ionty Cl-. Vysokou koncentraci K+ uvnitř buňky vyrovnává celá řada záporně nabitých aniontů (Cl-, anorganické ionty → HCO-3, PO3-4, HPO2-4, vázané organické anionty…)

POHYB IONTŮ PŘES MEMBRÁNU K-12 POHYB IONTŮ PŘES MEMBRÁNU + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + kladně nabité ionty se snaží dostat do záporně nabité buňky a záporně nabité ionty se snaží dostat ven z buňky

ELEKROCHEMICKÝ POTENCIÁL Elektrochemický potenciál = + Koncentrační gradient Membránový potenciál Síla, která žene látky (ionty) přes membránu - + - + - + - + Na+ → má strmý elektrochemický potenciál, koncentrační gradient a membr. potenciál se sčítají - působí stejným směrem (Na+ vstupuje do buňky velmi rychle) K+ → elektrochemický potenciál je malý, koncentrační gradient a membr. potenciál působí v opačných směrech (výsledek: malý tok K+ přes membránu )

Transport iontů přes membránu K-14 Transport iontů přes membránu přenašečový protein kanálový protein prochází konformační změnou vytváří hydrofilní pór Sodno/draselná pumpa Iontové kanály Na+ Na+ K+ K+ Na+ Na+ Na+ spotřeba energie K+ bez energie K+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ K+ Na+ K+ K+

K-15 TYPY IONTOVÝCH KANÁLŮ reagují na změny membránového potenciálu a umožňují průchod pouze jednomu typu iontu Iontové kanály řízené napětím Chemicky řízené iontové kanály se otevírají nebo zavírají na chemický podnět (např. neurotransmiter uvolňovaný ze synaptického zakončení) V buňkách můžeme nalézt chemicky řízené sodíkové a draslíkové kanály, stejně tak jako napětím řízené sodíkové a draslíkové kanály. Každý typ kanálu hraje nezastupitelnou roli při vytváření a přenosu elektrických signálů – nervového vzruchu.

zaměřené na transport iontů: Na+, K+,Cl-,Ca2+ Iontové kanály K-16 zaměřené na transport iontů: Na+, K+,Cl-,Ca2+ Chemicky řízené iontové kanály Na+ K+ struktura K+ kanálu uzavřený kanál otevřený kanál uzavřený kanál inaktivovaný kanál otevřený kanál Kanály jsou iontově selektivní: mohou projít jen ionty vhodné velikosti a náboje. Kanály jsou uzavíratelné: regulují průtok iontů přes membránu. Vybraným iontům je dovoleno rychle difundovat ve směru jejich elektrochemického potenciálu přes membránu. Pasivní transport. Nárazový tok iontů přes membránu představuje impuls elektrického náboje – vzruch.

Přenašeči iontů na membráně K-17 K+ Na+ K+ Na+ Na+ Na+ + K+ + + + + + + Na+ + + + K+ - - - - - - Na+ - - - - - - Na+ K+ K+ Na+ Na+ K+ K+ Sodno/draselná pumpa Iontové kanály

Na/K pumpa čerpá Na+ a K+ ionty proti jejich elektrochemickému gradientu. potenciálu K+ gradient elektrochem. potenciálu Na+ - - - - - - Na+ K+ K+ Na+ K+ Na+ K+ K+ K+ Na+ K+ K+ Na+ K+ Na+

Na/K pumpa K-19 K+ K+ K+ K+ Na+ K+ K+ Na+ K+ Na+ Na+ - Na+ Na+ Na+ Na+ ENERGIE Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ 1

Na/K pumpa K-20 K+ Na+ K+ Na+ Na+ K+ - Na+ Na+ K+ Na+ K+ Na+ K+ K+ ENERGIE Na+ Na+ Na+ 2

Navázání Na+ na vazebné místo přenašeče. Na/K pumpa K-21 K+ Vazebná místa pro K+ jsou deformována. Tím je zaručeno, že se K+ nebudou přemísťovat - pomocí pumpy- z buňky do okolí. K+ + - Na+ Navázání Na+ na vazebné místo přenašeče. Na+ Na+ Na+

Na/K pumpa K-22 K+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ - P ENERGIE Vazebná místa pro K+. K+ K+ + - Na+ Na+ Na+ Na+ P Navázání P na pumpu (fosforylace) způsobí změnu konformace a přenos Na+ na druhou stranu membrány. Navázání Na+ aktivovalo ATPázovou činnost přenašeče. ENERGIE Dochází k rozštěpení ATP na ADP a fosforylovou skupinu P, která se váže na samotnou pumpu.

Uvolnění Na+ do extracelulárního prostoru. Na/K pumpa K-23 K+ Uvolnění Na+ do extracelulárního prostoru. K+ + - Na+ Na+ Na+ Po uvolnění Na+ se tyto vazebná místa deformují, aby nedošlo ke zpětnému navázání a přenosu Na+ směrem do buňky. P

Na/K pumpa K-24 Na+ Na+ K+ Na+ K+ - P Navázání K+ na pumpu. + Navázání K+ spustí odstranění fosforylové skupiny (defosforylace).

Na/K pumpa K-25 Na+ Na+ Na+ K+ K+ K+ - Konformační změna pumpy, která má za následek přenesení K+ přes membránu. Na+ K+ + - K+ K+ Defosforylace zapříčiní návrat pumpy do její původní konformace.

Na/K pumpa K-26 Na+ Na+ Na+ K+ K+ - + Výsledkem defosforylace je návrat pumpy do její původní konformace a uvolnění K+ do vnitřku buňky.

spřahuje čerpání Na+ z buňky s transportem K+ do buňky Na/K pumpa K+ Na+ Na+ Na+ je enzymem ATP-ázou  hydrolyzuje ATP→ADP + P ATP ADP+P spřahuje čerpání Na+ z buňky s transportem K+ do buňky zaujímá ústřední místo v energetické bilanci živoč. buňky a spotřebuje až 30% všeho ATP v buňce Na/K se podílí na zamezení vstupu Cl- do buňky tím, že pomáhá udržovat membránový potenciál pokud dojde k zastavení Na/K pumpy, proniknou Na+ a Cl- do buňky a tím poruší osmotickou rovnováhu, to vede k nabobtnání a prasknutí buňky

GLUKOSO-SODNÝ TRANSPORT Transport přes membránu, který využívá toku Na+ dovnitř po elektrochemickém gradientu k pohonu přenosu dalších látek - glukosy do buňky. Na+ Na+ Na+ gradient elektrochem. potenciálu Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ glu Přenos glukosy ze střeva k buňkám bez spotřeby ATP. Na+ glu Na+ Zajišťuje přenos glukosy ze střeva i v případě, že je koncentrace glukosy vyšší v buňce než ve střevě. Přenašeč glukosy je poháněn gradientem Na+. Přenašečový protein je otevřený do extracelulárního prostoru. glu glu glu Na+ a glukosa se na přenašeč váží stejně dobře, ale přenašeč je účinný až po navázání obou látek. Na+ glu glu glu Na+ glu glu glu glu koncentrační spád glukósy glu

Shrnutí: pohyby a rozložení iontů v buňce K-29 Na+ K+ Cl- P- + + + - - - + - + - + + - - + + - - + + - pasivní transport - + + + aktivní transport