Biológia 11.

Az alábbi tartalmat jelenleg INGYENES hozzáféréssel tekinted meg.
Amennyiben szeretnél teljes hozzáférést az oldalhoz, kérjük, regisztrálj, jelentkezz be, és vásárold meg a szükséges elektronikus licencet vagy írd be a nyomtatott könyv hátuljában található kódot!
A szabályozás alapjai, a nyugalmi és az akciós potenciál
A szabályozás és vezérlés
 Az irányítás típusai

Az irányítás típusai

A többsejtű élőlények sejtjeinek annak érdekében, hogy a környezet változó hatásai mellett is biztosítani tudják a belső környezet állandóságát – szerveződésüktől függően – együtt kell működniük. Ennek alapfeltétele a kapcsolattartás. A fejlettebb állatok sejtjei egyre differenciáltabbak, kialakulnak olyan sejtcsoportok, melyek feladata a többi irányítása. Az irányítás két típusa a vezérlés és a szabályozás. (104.1.)
A vezérlés során az irányító központ utasítása határozza meg a rendszer működését, úgy, hogy a vezérlő hatás független a rendszer állapotától, vagyis nem teszi lehetővé a változó körülményekhez történő folyamatos alkalmazkodást. A környezet hatásai („zavaró jelek”) azonban befolyásolhatják a rendszer működését, emiatt előnyös, ha az irányító központ képes figyelembe venni a rendszer aktuális állapotát („VAN” érték), melyet összehasonlít a rendszer működéséhez szükséges optimális értékkel („KELL” érték). Az összehasonlítás eredményeként a központ „hibajelet” képez, mely a „KELL” és a „VAN” érték közötti különbség. Ezt az irányítási módot szabályozásnak nevezzük.
Amennyiben a rendszer működésnövekedésére a központ a hibajelnek megfelelő további növekedést okoz a szabályozott rendszerben, a hatás a pozitív visszacsatolás. A növekedésre a központ a hibajelnek megfelelő csökkenésre is „utasítást adhat”, ami a rendszer működési értékeit állandó szinten tartja. Ezt a dinamikus állandóságot biztosító szabályozási módot nevezzük negatív visszacsatolásnak.
A szabályozást az állatok többségében az ideg- és a hormonrendszer végzi. A két rendszer – kialakítva a neuroendokrin rendszert – együttműködik, egymás hatását kiegészíti. Az idegrendszer általában gyorsan reagál, de hatása rövidebb idejű. A hormonrendszer szabályozó anyagai, a hormonok általában lassabban hatnak, de hatásuk tartósabb.
Vezérlés: a központ egyértelműen irányítja a rendszer működését (az élőlényekben nem jellemző).
Szabályozás: a központ irányító hatása a rendszer állapotának visszajelzése alapján történik.
Negatív visszacsatolás: a hibajellel ellentétes előjelű hatással módosítja a rendszer működését (növekedésre csökkentés, csökkenésre növelés). Például: a vérnyomás szabályozása.
Pozitív visszacsatolás: a hibajelnek megfelelő, azonos előjelű hatással módosítja a rendszer működését (növekedésre növelés, csökkenésre csökkentés). Például: a petesejt kilökődésének irányítása.
A nyugalmi és az akciós potenciál
Emlékezz!
Az idegszövet idegsejtekből (neuronok) és támasztósejtekből (gliasejtek) épül fel. Az idegsejteket nyúlványaik (egynyúlványú, kétnyúlványú és soknyúlványú) alapján és működésük (érző-, mozgató- és interneuron) szerint csoportosíthatjuk. (Ld. Biológia 10. osztályos tankönyv.)
 A nyugalmi potenciál mérése

A nyugalmi potenciál mérése

Ha egy nyugalomban lévő sejtbe – akár idegsejtbe – beszúrunk egy mikroelektródot, míg a másikat a sejt közelébe helyezzük, a két pont között feszültséget mérhetünk. Ez a nyugalmi potenciál. A mért feszültség értéke jellemző az adott sejtre, az idegsejteknél átlagosan –70 mV (–30 és –90 mV közötti) érték. A negatív előjel arra utal, hogy a sejtmembrán belső felülete a negatív. (105.2.)
Mikroelektród: nagyon vékony üvegelektród elektrolitoldattal feltöltve. Üvegkapillárist felhevítve nagy vékonyságúra húznak ki. Az így kialakuló „tölcsér” csúcsa vékonyabb, mintha fémből készülne. Benne az elektrolitoldat ionjai vezetik az elektromosságot.
 A nyugalmi potenciál kialakulása

A nyugalmi potenciál kialakulása

A nyugalmi potenciál kialakításában a membrán tulajdonságai (féligáteresztő, szelektív áteresztőképesség), valamint a membrán két oldala közötti egyenlőtlen ioneloszlás (Na+–K+-pumpa, ioncsatornák) játszanak szerepet. (105.1.)
Az egyenlőtlen elrendeződés következtében (a fehérjeanionok túlsúlya miatt) a sejt belülről negatív. Mivel a K+ kiáramlását nem követik az anionok, a nátriumionok pedig nem juthatnak be, ezért a membrán kívülről pozitív töltésű.
Nyugalmi potenciál: a nyugalomban lévő sejt membránjának két oldala között kialakuló feszültség (potenciálkülönbség).
A fehérjék anionként találhatók meg a citoplazmában. A membrán féligáteresztő képessége miatt nem képesek a koncentrációkülönbségüknek megfelelően kiáramlani a sejtből. A Na+–K+-pumpa a sejtből aktív transzporttal távolít el nátriumiont (3 db/ATP), ezzel együtt káliumiont (2 db) szállít a sejtbe. Ezek okoznak feszültséget a membrán két oldala között.
A sejtmembránon a Na+-, a K+-, a Ca2+- és a Cl-ionnak is külön csatornája van.
A K+-ionok a csatornákon koncentrációkülönbségüknek megfelelően igyekeznek kijutni a sejtből, ami a Na+-ionok és a nagyméretű anionok számára gyakorlatilag nem lehetséges. Ez a membránnak belülről negatív, kívülről pozitív töltéstöbbletet ad. Az így létrejövő feszültség a két oldal között a nyugalmi potenciál.
Az inger (ha energiatartalma elér vagy meghalad egy adott szintet: az ingerküszöb értékét), kiváltja a sejt válaszát, kialakul az ingerület. Az akciós potenciál, azaz az ingerület a membrán áteresztőképességének megváltozását jelenti, melynek következtében az ionok áramlása a koncentráció-különbségüknek megfelelően indul meg.
Ingerküszöb: a membránnak az a legkisebb változása (depolarizációja), amelyik kiváltja az akciós potenciált.
Küszöbinger: az a legkisebb energiamennyiség, amely hatására már kialakul az akciós potenciál.
Minden vagy semmi törvénye: ha az inger nagysága eléri az ingerküszöböt, mindig ugyanolyan nagyságú és irányú potenciálváltozás jön létre, ellenkező esetben nem alakul ki akciós potenciál.
A megfelelő energiatartalmú inger hatására a membrán nyugalomban zárt Na+-csatornái megnyílnak, és a hatalmas koncentrációkülönbség következtében a Na+-ionok beáramlanak a sejtbe. Ez a membrán depolarizációjához, sőt a belső oldal pozitívvá válásához vezet (túllövés). Az akciós potenciálnak ezt az első szakaszát depolarizációs fázisnak nevezzük.
A szakasz végén mérhetjük a csúcspotenciált és a túllövést. A csúcspotenciál értéke a nyugalmi potenciál és a csúcsérték közötti feszültség, míg a túllövés a membrán pozitívvá válásának a mértéke.
A depolarizációs fázis átlagosan 0,1 ms alatt lezajló folyamata végén a Na+-csatornák bezárulnak, ugyanakkor az inger hatására lassan megnyílnak a K+-csatornák is. A kiáramló K+ csökkenti a belső oldal pozitív töltéstöbbletét, melynek hatását fokozza a Na+–K+-pumpa működése is. A folyamatot repolarizációnak nevezzük, hiszen eredményeként visszaáll a nyugalmi potenciál.
Mi bizonyítja, hogy a depolarizációs szakaszt elsősorban a Na+-ionok koncentrációkülönbsége, és nem csak a töltésviszonyok eredményezik?
 Az akciós potenciál görbéje

Az akciós potenciál görbéje

Az akciós potenciál ideje alatt a membrán ingerelhetetlen, hiszen az inger vagy nem képes áteresztőképesség-változást okozni (depolarizáció), vagy még nem állt vissza a nyugalmi ioneloszlás.
Akciós potenciál: a membrán két oldala között az inger hatására kialakuló feszültségváltozás.
Szakaszai: depolarizációs és repolarizációs fázis. (106.1.)
Egy sejtre kapcsoljunk egyenáramot. Először a feszültség legyen 7 mV alatti, majd egy idő után 7–15 mV közötti. Az első esetben a feszültség csak passzívan hat a membránra, míg a második esetben már a membrán aktívan részt vesz a depolarizációban.
Milyen töltésű elektródát tegyünk a membrán külső felületéhez, ha depolarizációt szeretnénk kiváltani? Mit jelenthet, hogy a „membrán aktívan részt vesz a depolarizációban”? Mi történik a membránban, ha 15 mV vagy nagyobb feszültséget adunk? Milyen hibát követhettünk el a kísérletben, ha a növelt feszültség a depolarizáció helyett a membrán túlpolarizálását (hiperpolarizáció) eredményezte?
 Az akciós potenciál és az ioncsatornák működése

Az akciós potenciál és az ioncsatornák működése

A. L. Galvani (1737–1798) vizsgálta az idegsejtek és az izomsejtek viselkedését az elektromosság hatására.
L. E. Overton 1902-ben bebizonyítja, hogy az akciós potenciál kialakulásához Na+-ion szükséges.
J. Bernstein az izom és az idegsejt külső és belső tere közötti feszültséget a K+-ionok eltérő eloszlására vezeti vissza (1902–1910 között).
J. C. Eccles, A. L. Hodgkin és A. F. Huxley az idegsejtek membránjában működő ioncsatornák leírásáért kaptak 1963-ban Nobel-díjat.
J. Axelrod, U. S. von Euler, B. Katz 1970-ben Nobel-díjat kaptak az ingerületvezetés folyamatának felderítéséért.
  ELLENŐRIZD TUDÁSOD!
1.
Miért a negatív visszacsatolás vált általánossá az élőlények működésszabályozásában?
2.
Keress példákat a környezetedben vezérlésre és az élőlények szabályozási folyamataira!
3.
Mi indokolhatja, hogy az idegrendszer tölti be az irányító, összerendező szerepet a neuroendokrin rendszerben?
4.
Miért nevezték a nyugalmi potenciált sértési potenciálnak?
5.
Mi okozza, hogy a nyugalmi potenciál, illetve az akciós potenciál jellemző az adott sejtre?
6.
Miért előnyös az élő sejtnek az, hogy a nyugalmi állapotának fenntartásához használ folyamatosan energiát, míg az ingerre bekövetkező válasz esetén többségben passzív folyamatok zajlanak?
Leckéhez tartozó extrák

Szabályozás alapjai - fogalmak

Kosárba helyezve!