Το Δυναμικό Ενέργειας Η περιγραφή, μελέτη και μοντελοποίηση του απο τους Hodgkin και Huxley

Χαρακτηριστικά του δυναμικού ενέργειας Δυναμικό ενέργειας Κλιμακωτά δυναμικά Όλα ή τίποτα - ουδός Σταθερό εύρος Αναστροφή πόλωσης της μεμβράνης (το εσωτερικό γίνεται θετικότερο του εξωτερικού) επαναπόλωση και υπερπόλωση μετά την εκπόλωση Περίοδος ανερεθιστότητας (όριο στη συχνότητα)

Το δυναμικό ενέργειας έχει σταθερό εύρος Το δυναμικό ενέργειας έχει σταθερό εύρος Στο κλιμακωτό δυναμικό το εύρος του αποτελεί πληροφορία π.χ. σε ένα αισθητήριο κύτταρο: μεγαλύτερο ερέθισμα  μεγαλύρεο εύρος δυναμικού Εφόσον το δυναμικό ενέργειας έχει σταθερό εύρος πως κωδικοποιείται η πληροφορία; Αριθμός των δυναμικών ενέργειας Η συχνότητα των δυναμικών ενέργειας Για τη κωδικωποίηση σημαντικά είναι το εύρος και η διάρκεια του κλιμακωτού δυναμικού

Βιοηλεκτρισμός Ιστορικό Luigi Galvani (1737-1798): Ηλεκτρική εκφόρτηση στο μύ, στο ισχιακό νεύρο ή στον νωτιαίουμυελό προκαλέσε σύσπαση του μύ Ηλεκτρισμός στη μετάδωση σήματος στο σώμα

Επόλωση κυττάρων – δυναμικό ενέργειας Ιστορικό Επόλωση κυττάρων – δυναμικό ενέργειας 1930 Δεν γνωρίζαμε για μεμβρανικές πρωτεΐνες ή διαύλου ιόντων Δεν γνωρίζαμε για μετακινήσεις ιόντων δια μέσου της μεμβράνης Το δυναμικό ενέργειας πιστευόταν οτι παράγετε με/απο την κατάρρευση της μεμβράνης 1939 οι Cole και Curtis δείχνουν αλλαγές στη διαπερατότητα (αγωγιμότητα) του άξονα κατά το δυναμικο ενέργειας 1952 Οι Hodgkin και Huxley δείχνουν την ιοντική φύση του δυναμικού ενέργειας

Το μοντέλο δυναμικού ενέργειας των Hodgkin και Huxley

Ο γιγαντιαίος άξονας του καλαμαριού Loligo vulgaris απομονωμένος

Μεταβολές στην αγωγιμότητα της μεμβράνης Αύξηση της αγωγιμότητας στα ιόντα Αργοπορία της αγωγιμότητας κατα την έναρξη σε σχέση με το δυναμικό της μεμβράνης (λόγω ηλεκτροτονικής εκπόλωσης της μεμβράνης) Θετική και μετά την υπερπόλωση του δυναμικού της μεμβράνης Ιστορική καταγραφή (Cole and Curtis, 1938)

Το εξωκυττάριο νάτριο είναι απαραίτητο για το δυναμικό ενέργειας Hodgkin and Katz (1949) Το ύψος του δυναμικού επηρεάζεται απο την συγκέντρωση [Na+]o Η αυξητική φάση επηρεάζεται απο τη συγκέντρωση [Na+]o

Το εξωκυττάριο Κ+ επηρεάζει το δυναμικό ενέργειας Hodgkin and Katz (1949) Αλλαγή στην εξωκυττάρια συγκέντρωση Κ+: μεταβολή στο δυναμικό ηρεμίας μεγαλύτερο εύρος δυναμικού ενέργειας με λιγότερο Κ+ (καμπύλη Α) μεταβολή στο μέγεθος της υπερπόλωση

Τεχνική καθήλωσης της τάσης Marmot (1949), Cole (1949), Hodgkin, Huxley and Katz(1949) Μέτρηση μεμβρανικού ρεύματος

Τεχνική καθήλωσης της τάσης Marmot (1949), Cole (1949), Hodgkin, Huxley and Katz(1949)

Τα ρεύματα της μεμβράνης του άξονα Εκπόλωση της μεμβράνης και καθήλωση της σε δίαφορα δυναμικά προκαλεί την ροή μιας σειράς μεμβρανικών ρευμάτων

Αντικατάσταση του εξωκυττάριου νατρίου με χολίνη Εξαφανίζει το ρεύμα εισροής και δεν επηρεάζει το ρεύμα εκροής Αρα, το ρεύμα εισροής φέρεται απο ιόντα Na+

Το ρεύμα εκροής φέρεται απο ιόντα Κ+ Απώλεια ρευμάτων καλίου με τετρααιθυλαμώνιο

Το ρεύμα της μεμβράνης του άξονα είναι σύνθετο Το μεμβρανικό ρεύμα του άξονα που προκαλείται απο εκπόλωση στα 0 mV μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη: σε ρεύμα εισροής και ρεύμα εκροής

Δύο είναι κυρίως τα ρεύματα της μεμβράνης INa και IK Οι Hodgkin και Huxley δέν γώριζαν για διαύλους ιόντων και υπέθεσαν «σωματίδια» τα οποία επιτρέπουν ή όχι τη ροή των ιόντων

Τα ρευματα αυτά (άρα και οι αγωγιμότητες) δεν είναι σταθερά αλλα μεταβάλλονται με το χρόνο t 4 t 3 t5 t 1 t 4 t 2 t 3 t 1 t 2

Tα ρεύματα αυτά (άρα και οι αγωγιμότητες) δεν είναι σταθερά αλλά μεταβάλλονται με το δυναμικό V1 = -45 mV V4 = +60 mV V3 = +15 mV V2 = -15 mV

Μέτρηση αγωγιμότητας για κάθε ρεύμα, κάθε τιμή του δυναμικού της μεμβράνης και σε διαφορετικούς χρόνους

Οι Hodgkin και Huxley δέν γώριζαν για διαύλους ιόντων υπέθεσαν οτι υπάρχουν «σωματίδια» στη μεμβράνη τα οποία επιτρέπουν ή δεν ειτρέπουν τη ροή των ιόντων (ανάλογα με το δυναμικό και το χρόνο).

καθορίζουν τη ροή των ιόντων καλίου Τα σωματίδια n καθορίζουν τη ροή των ιόντων καλίου n (V,t) Το n εξαρτάται απο το δυναμικό και το χρόνο βρήκαν εμπειρικά οτι υπάρχουν 4 σωματίδια n που επηρεάζουν την αγωγιμότητα Το n προσδίδει την πιθανότητα να επιτραπεί η ροή των ιόντων Η αγωγιμότητα της μεμβράνης για το κάλιο σχετίζεται με το n και τη μέγιστη αγωγιμότητα gK(V,t) = n4 gKmax

καθορίζουν τη ροή των ιόντων νατρίου Τα σωματίδια m και h καθορίζουν τη ροή των ιόντων νατρίου m =ενεργοποίηση h = απενεργοποίηση παρατήρησαν οτι η αγωγιμότητα των ιόντων νατρίου οταν φτάσει στη μεγιστη τιμή μειώνεται παρόλο που το δυναμικό δεν έχει αλλάξει . Αυτό ονμάστικε απενεργοποίηση. Υπολόγισαν 3 σωματίδια για την ενεργοποίση (m) και 1 για την απενεργοποίηση (n), Τα οποία προσδιορίζουν την πιθανότητα ροή των ιόντων Η αγωγιμότητα της μεμβράνης στο νάτριο gNa(V,t) = m3h gNamax

Οι εξισώσει του μαθηματικού μοντέλου των Hodgkin και Huxley που περιγράφουν τα ρεύματα της μεμβράνης κατα τη διάρκεια του δυναμικού ενέργειας

Σύγκριση μεταξύ καταγραφών απο τον άξονα και της προσομοίωσης με το μαθηματικό μοντέλο

Άσκηση 4 Προσομοίωση του δυναμικού ενέργειας χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Hodgkin και Huxley

Άσκηση 5 Προσομοίωση της αγωγής του δυναμικού ενέργειας σε ασθένειες απομυελίνωσης