Membránové potenciály

Transkript

1 Membránové potenciály

2 Vznik a podstata membránového potenciálu vzniká v důsledku nerovnoměrného rozdělení fyziologických iontů po obou stranách membrány nestejná propustnost membrány pro různé ionty různá velikost elektrického pole uvnitř a vně buňky

3 Pohyb iontů přes membránu pasivní pohyb - koncentrační gradient - membránové el. pole - transmembránový elektrochem.gradient - směr konkrétního iontu (echg) - množství proudu neseného iontem - velikost echg - vodivost kanálu (rychlost proudění)

4 usnadněná difuze - přenašečové molekuly - nevyžadují jinou energii než echg - neformují kanály aktivní transport - proti směru eg,chg nebo obou - vyžaduje speciální transportní molekulu - vyžaduje energii

5 Nerovnovážné rozložení Na + a K + udržuje Na +/ K + - ATPasa Transportuje 3 ionty Na + z buňky ven a 2 ionty K + z buňky proti spádu elektrochemického gradientu Využívá energii hydrolýzy ATP Udržuje rozdíl v koncentracích Na + a K + ale i částečně záporný potenciál v buňce Gradient Na + a K + se využívá k transportu ostatních iontů

6 Iontové složení buňky a Donnanova rovnováha Různé koncentrace iontů na obou stranách membrány Nitrobuněčná koncentrace K iontů až 20 x větší než vně Různá propustnost membrány pro různé druhy iontů + K Cl e Donnanova rovnováha = + K Cl i i e

7 Klidový membránový potenciál V m = -50 až 100 mv V V K m + R = + RT K e = ln F K + i = V rovnovážný potenciál K 8,3JK mol -1-1 F = N e= 96368C.mol A + 1

8 Modelová svalová buňka Příklad je podobný svalové buňce žab rodu Rana Ptáci, savci koncentrace vyšší Bezobratlí (sépie rodu Loligo) ještě vyšší

9 Zásady pro modelování Extracelulární objem nekonečně velký ve vztahu k buňce Buňka je v osmotické rovnováze Vnitřní a vnější prostředí je el. neutrální Při elektrické a osmotické rovnováze nedochází k přesunu vody ani propustných iontů přes membránu Kanál pro nepropustný Na +

10 ion I (mmol/l) E (mmol/l) svalová buňka žáby K ,5 Na Cl nervové vlákno sépie (Loligo palei) K Na

11 Výpočet klidového membránového potenciálu V m V V + = RT F K ln K + K + K e i V m V K + 8, ,5 = 2,3 log 0,058.( 1,748) 0,1 V 100 mv 6, , = = 140

12 V m + V K svalová buňka žáby V K svalová buňka raka svalová buňka savců nervové vlákno sépie srdeční sval psa

13 Výpočty membránového potenciálu Nernstova rovnice Goldman- Hodgkin- Katzova rovnice V K + = V = RT F K K m ln e RT P K + P Na + P Cl Vm = ln F P K + P Na + P Cl K e Na e Cl i K i Na i Cl e i Hodgkin- Horowiczova rovnice V = GU G K K X X K + GU + G X

14 Nernstův potenciál Platí pro membránu propustnou jen pro jeden druh iontů Platí za podmínky termodynamické rovnováhy - elektrochemické potenciály iontu na obou stranách membrány jsou stejné

15 Porovnání modelů Oba teoreticky nesprávné G-H-K rovnice lépe popisuje modely s více ionty procházejícími společnou cestou H-H rovnice lépe popisuje modely s oddělenými cestami pro různé ionty

16 Proč dávají špatné modely přijatelné výsledky? Ion s největším příspěvkem (K + ) je blízko rovnovážného potenciálu odchylky od linearity mohou být malé. Ve skutečnosti jsou vodivosti a kinetiky řady kanálů silně závislé na potenciálu tyto parametry se musí do modelu vložit, nepřesnosti v těchto parametrech často překryjí drobné odchylky

17 Měření membránového potenciálu Extracelulární elektrody Intracelulární mikroelektroda Metoda terčíkového zámku Měření distribuce látek z Nernstovy rovnice Napěťově citlivé fluorescenční sondy

18 Membránový a reverzní potenciál Membránový potenciál- hodnota potenciálu na membráně většinou se uvažuje že celkový elektrický proud membránou je nulový. Reverzní potenciál je potenciál, při kterém specifický proud mění znaménko (prochází nulovou hodnotou)

19 Potenciál na membráně Tloušťka membrány jako dielektrika je 4-7 nm Při potenciálu 60 mv to odpovídá intenzitě elektrického pole 10 7 V/m

20 Změny klidového potenciálu Rychlé změny ms Pomalé změny s Na změnách klidového potenciálu je založena komunikace mezi vzrušivými buňkami

21 Akční potenciál Změna klidového membránového potenciálu Buňky vzrušivých tkání přecházejí po podráždění do vzbuzeného stavu Reakce na podráždění se projeví - fyzikálně chemickými procesy - funkčními změnami membrány

22 Akční potenciál základní prvek kódování a přenosu informace v nervovém systému spouštěč svalové kontrakce hodnota vyšší než klidového V časově závislý po proběhnutí se hodnota vrací na úroveň klidového potenciálu

23 Co je nutné pro vznik AP? Přítomnost Na iontů Akční potenciál sodných iontů Permeabilita membrány 500x větší pro Na V= + 20 až + 50 mv Hrotový potenciál V + = RT F ln Na Na Na + + e i

24 Bernsteinova teorie a její vyvrácení 1939 Hodgkin, Huxley, Katz měření na obřích vláknech sépií záznam toků iontů přes membránu oddělení jednotlivých fází AP v závislosti na typu iontu sodíková elektrogeneze publikováno Nobelova cena

25

26 Membránové pumpy a jejich elektrogenita Přenos iontů transportními pumpami - elektroneutrální - elektrogenní K + : Na + 3 : 2 - různé stechiometrické poměry

27 GHK rovnice s konstantami r,b Tok Cl = 0 Konstanta r vyjadřuje stechiometerický poměr přenosu kationtů Konstanta b udává poměr permeability sodíku k draslíku P Na : P K V m = 58log + + r K + b Na e + + r K + b Na i e i

28 Rozdíl mezi klasickou rovnicí a rovnicí s konstantami je tzv. elektrogenní příspěvek sodnodraselného transportního systému Závisí na: rychlosti obratu trasport. Cyklu poměrné iontové propustnosti teplotě

29 Šíření akčního potenciálu Dík místním el. proudům mezi vzbuzenou a nevzbuzenou membránou Náboj v klidovém stavu na povrchu membrány + uvnitř buňky Polarizace membrány

30 mv

31

32 Využití akčního potenciálu v Reobáze podráždění vyvolané pravoúhlým el. pulzem Chronaxie minimální trvání dráždícího impulzu, jehož amplituda je 2R Neurologická diagnostika medicíně

33 Akomodace Pozvolný nárůst impulzu akomodace Membrána se přizpůsobuje Nutná vyšší amplituda prahového proudu

34 Frekvenční závislost Minim. prahová hodnota Hz Extrémně krátké stimulační impulzy U = 10 4 V f = 10 4 Hz akční potenciál = 0

35 Práce konaná při aktivním transportu Při přenosu neutrální částice je A = nrt c ln i ce Při přenosu nabité částice c A = nrt ± nzf V V c ( ) ln i i e e