Φυσιολογία Ζώων και Ανθρώπου, Διάλεξη 3 Σπύρος Ευθυμιόπουλος Δυναμικό ενέργειας ή δυναμικό δράσης

Σχέση έντασης του ερεθίσματος και του δυναμικού της μεμβράνης Έχει παρατηρηθεί ότι η απόκριση του νευρώνα (η αλλαγή στο δυναμικό της μεμβράνης του) είναι, μέχρι ένα σημείο (ουδικό ή κατώφλιο δυναμικό), διαβαθμιζόμενη. Όσο μεγαλύτερο είναι το ερέθισμα τόσο μεγαλύτερη η απόκριση.

Σχέση έντασης του ερεθίσματος και του δυναμικού της μεμβράνης Όταν η ένταση του ερεθίσματος είναι τέτοια ώστε να ξεπεραστεί μια συγκεκριμένη τιμή του δυναμικού της μεμβράνης (ουδός ή κατώφλι) έχουμε την δημιουργία δυναμικού δράσης. Από το σημείο αυτό και μετά οι αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης είναι ανεξάρτητες του αρχικού ερεθίσματος.

Σχέση έντασης του ερεθίσματος και του δυναμικού της μεμβράνης Τα ερεθίσματα τα οποία είναι μεγαλύτερα της ουδού προκαλούν δυναμικά ενέργειας που έχουν το ίδιο μέγεθος με αυτό που προκλήθηκε από το ερέθισμα ουδικής έντασης.

Ο κανόνας του όλα ή τίποτα Τα δυναμικά ενέργειας είτε συμβαίνουν σε όλο τους το εύρος είτε δεν συμβαίνουν. Δεν υπάρχουν ενδιάμεσες καταστάσεις οι οποίες θα μπορούσαν να δηλώνουν και το μέγεθος του ερεθίσματος. Το μέγεθος του ερεθίσματος κωδικοποιείται με την συχνότητα των δυναμικών δράσης. Όσο μεγαλύτερη η ένταση του ερεθίσματος ή η διάρκειά του τόσο μεγαλύτερη η συχνότητα των δυναμικών δράσης

Γενικά χαρακτηριστικά του Δ.Δ. Μεμβρανικό φαινόμενο Παροδική εκπόλωση (το δυναμικό της μεμβράνης μετατοπίζεται από τα περίπου -65mV στα περίπου +50 mV Μικρή διάρκεια, 1 msec Σταθερό μέγεθος, περίπου 100 mV Ταχύτητα 30-100 m/sec

Ποιά είναι τα θετικά φορτία τα οποία εισέρχονται στο κύτταρο και προκαλούν αναστροφή του δυναμικού της μεμβράνης;

Παρατηρήσεις που υποστηρίζουν ότι η είσοδος ιόντων νατρίου μπορεί να μεσολαβεί την εκπόλωση Η εξωκυττάρια συγκέντρωση των ιόντων νατρίου είναι περίπου 10πλάσια της ενδοκυττάριας. Η δύναμη από την ηλεκτρική βαθμίδωση προστίθεται σε αυτή από την χημική και έχει κατεύθυνση προς το εσωτερικό. Η μέγιστη τιμή του δυναμικού της μεμβράνης προσεγγίζει το δυναμικό ισορροπίας για το νάτριο (+50 έως +60 mV) Η μέγιστη τιμή του δυναμικού μεταβάλλεται ανάλογα με την εξωκυτταρια συγκέντρωση του νατρίου όπως προβλέπεται από το δυναμικό ισορροπίας για το νάτριο σε αυτές τις συνθήκες.

Η μείωση της εξωκυττάριας συγκέντρωσης των ιόντων νατρίου αναστέλλει την δημιουργία δυναμικού δράσης; Οι Hodgkin και Katz (1949) παρατήρησαν ότι απουσία εξωκυτταρικού νατρίου δεν παρατηρείται δυναμικό δράσης. Οι καταγραφές 2-5 αφορούν δυναμικά που καταγράφηκαν μετά από σταδιακή αντικατάσταση του νατρίου με χολίνη. Η καταγραφή 6 (διακεκομένη γραμμή) αφορά το δυναμικό που καταγράφεται μετά από επαναφορά του νευρώνα στην αρχική συγκέντρωση των ιόντων νατρίου.

Η υπόθεση του Νατρίου Τα αποτελέσματα αυτά οδήγησαν τους Hodgkin και Katz να διατυπώσουν την υπόθεση του νατρίου: Η άνοδος (και το δυναμικό αιχμής) του δυναμικού ενέργειας οφείλεται σε εισροή ιόντων νατρίου μέσω της παροδικής αύξησης στην αγωγιμότητα της μεμβράνης προς το νάτριο.

Υπόθεση νατρίου Μετά τον 2ο παγκόσμιο πόλεμο οι Hodgkin &Huxley παρουσίασαν επιπλέον δεδομένα που υποστηρίζουν την υπόθεση του νατρίου χρησιμοποιώντας την τεχνική της παγίδευσης της τάσης. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί ένα επανατροφοδοτικό σύστημα που διατηρεί το δυναμικό της μεμβράνης σε μια σταθερή τιμή.

Τεχνική της παγίδευσης της τάσης Το ρεύμα που διέρχεται μια μεμβράνη (Im) ισούται με το άθροισμα του ρεύματος χωρητικότητας (Ic) και του ρεύματος των ιόντων (Ii) Im=Ic+Ii ή Im=(ΔVm/Δt xCm)+Ii ή Im=(0)+Ii Ή Im=Ii

Υπόθεση νατρίου Ένα υπερπολωτικό δυναμικό (a-παγίδευση στα -65mV) οδηγεί σε ένα μικρό και σταθερό μεμβρανι-κό ρεύμα με κατεύθυνση προς το εσωτερικό (a’). Ένα εκπολωτικό δυναμικό του ιδίου μεγέθους (b-παγίδευση στα +65 mV) οδηγεί σε μια πολύπλοκη αλληλουχία ισχυρότερων μεμβρανικών ρευμάτων (b’). Ένα αρχικό ρεύμα προς το εσωτερικό ακολουθείται από ένα αργά αναπτυσσόμενο και καθυστερη-μένο ρεύμα προς το εξωτερικό

Υπόθεση νατρίου Α. Εκπόλωση στα +60 mV Ba. Το ρεύμα που καταγράφεται παρουσία νατρίου Βb&c. Το ρεύμα που καταγράφεται όταν μέρος ή όλο το νάτριο αντικατασταθεί από την χολίνη. C. Αν από την καταγραφή a αφαιρεθεί η b παίρνουμε το ρεύμα νατρίου Το αρχικό προς τα μέσα ρεύμα νατρίου συσχετίζεται με το ανερχόμενο τμήμα του δυναμικού δράσης.

Το εξερχόμενο ρεύμα είναι ρεύμα ιόντων καλίου Η δύναμη που ασκείται από την χημική και ηλεκτρική βαθμίδωση στα ιόντα καλίου είναι πολύ μεγάλη. Χρησιμοποιώντας ραδιενεργό κάλιο οι Hodgkin & Huxley παρατήρησαν ότι το ρεύμα εκροής συνέπιπτε με μεγάλη εκροή ιόντων ραδιενεργού καλίου. Ο αναστολέας της ενεργοποίησης των καναλιών καλίου, τετρααιθυλικό αμμώνιο (ΤΕΑ) ανέστειλε το ρεύμα καλίου

Η ιοντική βάση του δυναμικού ηρεμίας Στην κατάσταση της ηρεμίας περισσότεροι δίαυλοι ιόντων καλίου (και χλωρίου) είναι ανοικτοί σε σχέση με τους διαύλους ιόντων νατρίου. Η αγωγιμότητα για το κάλιο είναι πολύ μεγαλύτερη της αγωγιμότητας για το Νάτριο. Για αυτό το δυναμικό ηρεμίας είναι κοντά στο δυναμικό ισσοροπίας για το κάλιο.. 8-18

Η ιοντική βάση του δυναμικού δράσης Όταν το δυναμικό της μεμβράνης μετά από κάποια διέγερση ξεπεράσει μια οριακή τιμή (-50mV) ανοίγουν τα τάσσεο-εξαρτώμενα κανάλια Na+. Ιόντα Na+ χύνονται στο εσωτερικό του κυττάρου και την εκπολώνουν περισσότερο και η επιπλέον εκπόλωση προκαλεί το άνοιγμα επιπλέον τάσσεο-εξαρτώμενων καναλιών. Έτσι το δυναμικό της μεμβράνης μετατοπίζεται στα +30 έως +50 mV. Προσεγγίζεται το δυναμικό ισορροπίας για το νάτριο. Αυτή είναι η τιμή του δυναμικού που προκαλεί κλείσιμο των καναλιών Na+.

Η ιοντική βάση του δυναμικού δράσης Στην τιμή των +30 έως +50mV που κλείνουν τα κανάλια Na+ ανοίγουν τα κανάλια Κ+ γιατί το άνοιγμά τους ελέγχεται από το δυναμικό (είναι τάσσεο-εξαρτώμενα). Έτσι διευκολύνεται και επιταχύνεται η έξοδος ιόντων Κ+ έξω από το κύτταρο και μετατοπίζεται το δυναμικό της μεμβράνης στα -75 mV. Ξεπερνιέται το δυναμικό ηρεμίας γιατί μερικά από τα τάσσεο-ελεγχόμενα κανάλια καλίου παραμένουν ανοιχτά. Στην συνέχεια η αντλία ιόντων Na+ και K+ επαναφέρει το δυναμικό στα επίπεδα ηρεμίας (-65mV) Η ιοντική βάση του δυναμικού δράσης

Ο κύκλος της θετικής ανατροφοδότησης της εκπόλωσης και του ανοίγματος των καναλιών νατρίου: Κύκλος του Hodgkin Αύξηση

Οι αγωγιμότητες ιόντων κατά την διάρκεια του δυναμικού δράσης Οι αλλαγές στην αγωγιμότητα των ιόντων καλίου και νατρίου κατά την διάρκεια της ανάπτυξης δυναμικού δράσης. Οι τασσεο-εξαρτώμενοι δίαυλοι των ιόντων καλίου ανοίγουν με βραδύτερο ρυθμό

Ο νευρώνας μπορεί να βρεθεί σε κατάσταση απόλυτης και σχετικής ανερεθιστότητας Απόλυτη ανερεθιστότητα Σχετική ανερεθιστότητα Η περίοδος κατά την διάρκεια ενός δυναμικού δράσης όπου ανεξάρτητα από την ένταση του ερεθίσματος δεν είναι δυνατή η παραγωγή ενός νέου δυναμικού δράσης Η περίοδος μετά από ένα δυναμικό δράσης όπου μόνο ερεθίσματα μεγαλύτερης έντασης από το συνηθισμένο μπορούν να προκαλέσουν την παραγωγή ενός νέου δυναμικού δράσης

Απόλυτη περίοδος ανερεθιστότητας Η απόλυτη περίοδος ανερεθιστότητας οφείλεται στο γεγονός ότι στην κορύφωση του δυναμικού δράσης τα κανάλια νατρίου είναι κλειστά και μη διέγερσιμα. Πρέπει να επιστρέψουν στην κατάσταση ηρεμίας όπου είναι κλειστά αλλά διεγέρσιμα (μπορούν να ανοίξουν). Αυτό γίνεται μόνο εφόσον η μεμβράνη αποκτήσει το δυναμικό ηρεμίας της.

Σχετική περίοδος ανερεθιστότητας Η σχετική περίοδος ανερεθιστοτήτας συμπίτει με την περίοδο της μεταϋπερπόλωσης. Στην περίοδο αυτή κανάλια καλίου είναι ανοικτά και το δυναμικό της μεμβράνης είναι μικρότερο, αρνητικότερο, από το δυναμικό ηρεμίας. Κατά συνέπεια για να έχουμε παραγωγή νέου δυναμικού ενέργειας θα πρέπει το ερέθισμα να υπερβεί την υπερυψωμένη ουδό.

Σημασία των ανερέθιστων περιόδων Περιορίζουν τον αριθμό των δυναμικών δράσης που παράγονται Επιτρέπουν την μετάδοση διακριτών δυναμικών δράσης Καθορίζουν την κατεύθυνση της μετάδοσης του δυναμικού δράσης μακριά από την περιοχή του αρχικού δυναμικού δράσης

Ταχύτητα αγωγής των δυναμικών δράσης Όσο πιο μεγάλη είναι η διάμετρος του άξονα τόσο πιο μεγάλη είναι η ταχύτητα αγωγής αφού οι άξονες μεγαλύτερης διαμέτρου έχουν μικρότερη αντίσταση στα τοπικά ρεύματα. Οι εμμύελοι άξονες μεταδίδουν δυναμικά με μεγαλύτερη ταχύτητα (100 m/s) σε σχέση με τις αμύελες αφού τα δυναμικά δράσης μεταδίδονται με άλματα

Η σχέση μεταξύ της διαμέτρου του άξονα και της ταχύτητας αγωγής

Πως η ύπαρξη της μυελίνη αυξάνει την ταχύτητα αγωγής των δυναμικών δράσης

Πως η ύπαρξη της μυελίνη αυξάνει την ταχύτητα αγωγής των δυναμικών δράσης Το τμήμα της μεμβράνης του νευράξονα που καλύπτεται από την μυελίνη δεν έχει κανάλια ιόντων νατρίου και καλίου μέσω των οποίων έχουμε διαροή φορτίων που μειώνει την ένταση των τοπικών διαβαθμιζόμενων εκπολωτικών ρευμάτων. Έτσι αυτά φτάνουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις και προκαλούν εκπόλωσης της μεμβράνης των κόμβων του Ranvier. Έτσι δυναμικά ενέργειας αναπτύσσονται μόνο στους κόμβους του Ranvier και η αγωγή είναι αλματώδης.

Επιπλέον πλεονεντήματα από την ύπαρξη της μυελίνης Επιπλέον πλεονεντήματα από την ύπαρξη της μυελίνης Εξοικονομείται ενέργεια γιατί δεν είναι απαραίτητο να υπάρχουν αντλίες ιόντων νατρίου-καλίου κατά μήκος των τμήματων του άξονα που καλύπτονται από μυελίνη. Εξοικονομείται χώρος για το νευρικό σύστημα