Download - 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