elektrickÉ jevy na membrÁnĚ

ELEKTRICKÉ JEVY NA MEMBRÁNĚ

MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL• rozdíl elektrického potenciálu mezi 2 stranami rozdíl elektrického potenciálu mezi 2 stranami

biologické membránybiologické membrány• - z fyzikálního hlediska = elektrické napětí na - z fyzikálního hlediska = elektrické napětí na

polarizované semipermeabilní membráněpolarizované semipermeabilní membráně

- vzniká jako důsledek působení elektrochemického - vzniká jako důsledek působení elektrochemického gradientu malých iontů a protonů:gradientu malých iontů a protonů:

semipermeabilní membránou ionty či molekuly procházejí volně jen výjimečně, jedná se o molekuly:

- rozpustné v tucích (PCB, glycerol, nekonjugovaný bilirubin)

- slabě polarizované (voda, močovina, oxid uhličitý)

• velké a nabité částice procházejí jen speciálními kanály či za využití specifických přenašečů

MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL

• velikost membránového potenciálu závisí na poměru koncentrací iontů na obou stranách membrány

• je-li membrána permeabilní pro daný iont, pak elektrochemický potenciál i-tého iontu:

μi = μio + R T ln ai + zi F E

μio potenciál daného iontu za standardních podmínek

F - Faradayova konstantaT - absolutní teplota R - univerzální plynová konstanta z - mocentství E - membránový potenciál

a aktivita

a = γ c γ aktivitní koeficient c → 0 γ → 1

Gibbsova-Donnanova rovnice membránové rovnováhy

• Pro i(tý) ion intracelulárně (i) a extracelulárně (e) za rovnováhy dojde k vyrovnání elektrochemických potenciálů:

μio(i) + R T ln ai(i) + zi F E(i) =

= μio(e) + R T ln ai(e) + zi F E(e)

ELEKTRONEUTRALITApermeabilních iontů

[K+]e [Cl-]i

--------- = ---------

[K+]i [Cl-]e

[K+]e . [Cl-]e = [K+]i . [Cl-]i

Rovnovážný potenciál ER

R T ai(e)

ER = E(e) – E(i) = ------- ln ----------

zi F ai(i)

R T ln ai = zi F E

chemická práce = elektrické práci

ROVNOVÁŽNÝ POTENCIÁL

• - bereme-li v úvahu jen 1 iont, pak pro rovnovážný stav platí NERNSTOVA ROVNICE upravená pro výpočty:

R T ce

E = 2,303 ----------- log -------

z F ci

•E - membránový potenciálR – molární (univerzální) plynová konstantaF - Faradayova konstantaT - absolutní teplotaz - mocentství (K+ = 1) ci - intracelulární koncentracece - extracelulární koncentrace

Svalová buňka savců(koncentrace z následující tabulky)

• ER(K+) = - 0,0975 V

• ER(Na+) = + 0,0667 V

• - znamená, že strana membrány uvnitř

buňky je zápornější

• + opak

Na rovnováze se podílí všechny ionty

TYPICKÁ INTRA- A EXTRA-CELULÁRNÍ KONCENTRACE IONTŮ

INTRACELULÁRNĚ [mmol/l] EXTRACELULÁRNĚ [mmol/l]

Na+ 12 Na+ 145

K+ 155 K+ 4

Ca2+ 10-8 – 10-7 Ca2+ 120

Cl- 4 Cl- 145

HCO3- 8 HCO3

- 27

proteiny (A-) 155 proteiny (A-) 0

VÝSLEDNÝ NÁBOJ VÝSLEDNÝ NÁBOJ

- +

Goldmanova rovnice membránového potenciálu:

R T pK+[K+](e) + pNa+[Na+](e) + pCl-[Cl-](e)

Em= ------- ln -----------------------------------------------------------

z F pK+[K+](i) + pNa+[Na+](i) + pCl-[Cl-](i)

lze tak vypočítat klidové i akční potenciály

Klidový membránový potenciál různých buněk [mV]

• erytrocyt -10• hladký sval -40 až -60• příčně pruhovaný sval -70 až -80• nervová buňka -70 až -90• srdeční sval -100• nádorové buňky -10 až -40

Čím vyšší je klidový membránový potenciál buňky - tím je buňka dráždivější!

Sodnodraselná pumpa

• aktivní transport (kotransport – antiport) za dodání energie z ATP

• Enzym - Na+K+ATPasa integrovaná do buněčné membrány

• komplex Na-Enzym po dodání energie ~ P vede ke změně konfigurace, což má za následek změnu vazebného místa. Tím se uvolní Na+ a naváže se K+ .

• Následující hydrolýzou se celý komplex rozloží.

Sodnodraselná pumpa

1. intracelulární strana membrány Na+

(i) + ENZ + ATP → Na+-ENZ~P + ADP

2. extracelulární strana membrány Na+-ENZ~P + K+

(e) → Na+(e) + K+-ENZ-P

3. intracelulární strana – hydrolýza komplexu K+-ENZ-P → K+

(i) + ENZ + P

Vápníková pumpa

• Ca2+ATPasa zabudovaná do membrány sarkoplazmatického retikula udržuje v okolí svalových vláken nízkou koncentraci Ca2+

Úkoly aktivního transportu

• extrakce živin z extracelulárního prostředí a jejich zakoncentrování intracelulárně

• regulace a udržování metabolicky ustáleného stavu (vyrovnání fluktuací okolí)

• vysoká intracelulární koncentrace elektrolytů nutná pro proteosyntézu na ribosomech

• regulace objemu a stabilita pH buňky• gradient Na+ a K+ u klidového membránového

potenciálu nutný pro následné vedení vzruchů.

Vznik a šíření vzruchu

• kabelové vlastnosti nervového vlákna

útlum:

Ex = Eo . e-x / λ

x vzdálenost λ přenosová konstanta

Šíření vzruchu

• základním projevem vzrušivé tkáně (nervové, svalové) je akční potenciál

• šíření lokálními proudy• saltatorické šíření na

myelinizovaných nervových vláknech

Synapse

• fyzikální – obousměrné, CNS

• chemické – jednosměrné, modulační vlastnosti mediátoru

Potenciály lze snímat na orgánech i povrchu těla• unipolární zapojení elektrod (jedna měrná, druhá srovnávací)• bipolární zapojení elektrod (obě měrné)• EKG, EEG, EMG, elektroretinografie, elektrohysterografie elektrogastrografie

Účinky elektrického proudu na organismus

• dráždivé

• tepelné

• elektrolytické

• stejnosměrný proud

• střídavý proud

Využití stejnosměrného proudu v medicíně

• Galvanizace – změna pH v okolí elektrod

u anody se pH snižuje – analgezie

u katody se pH zvyšuje - stimulace

• Iontoforéza

farmaka iontového charakteru

Využití střídavého proudu v medicíně• Diatermie1. krátkovlnná 27 MHz spíše povrchové

účinky kontinuální x pulzní2. ultrakrátkovlnná 434 MHz pulzní – hloubkový efekt(3. mikrovlnná 2 450 MHz – jiný fyz.

princip - magnetron)

Využití střídavého proudu v medicíně

• Pulzní jednocestně nebo dvoucestně usměrněný střídavý sinusový proud

• Dráždivé účinky – transkutánní elektrická nervová stimulace TENS

• elektrostimulace 0,25 – 200 Hz

• kardiostimulace

• defibrilace 1000 – 3000 V

Vysokofrekvenční chirurgie nad 300 kHz

• tepelná koagulace – pomalý ohřev

• elektrotomie (řezání) – rychlý ohřev

• vaporizace – vysoký výkon

• monopolární

vysoká proudová hustota vlivem různé plochy elektrod

• bipolární – krátká dráha, kleště