ELEKTRICKÉ JEVY NA MEMBRÁNĚ

1. ELEKTRICKÉ JEVY NA MEMBRÁNĚ

2. MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL • rozdíl elektrického potenciálu mezi 2 stranami biologické membrány • - z fyzikálního hlediska = elektrické napětí na polarizované semipermeabilní membráně- vzniká jako důsledek působení elektrochemického 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

3. 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

4. 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)

5. ELEKTRONEUTRALITApermeabilních iontů [K+]e[Cl-]i --------- = --------- [K+]i[Cl-]e [K+]e . [Cl-]e = [K+]i . [Cl-]i

6. 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

7. 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

8. 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

9. Na rovnováze se podílí všechny ionty

10. 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

11. 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!

12. 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.

13. 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

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

15. 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.

16. Vznik a šíření vzruchu • kabelové vlastnosti nervového vlákna útlum: Ex = Eo . e-x / λ x vzdálenost λ přenosová konstanta

17. Šíření vzruchu • základním projevem vzrušivé tkáně (nervové, svalové) je akční potenciál • šíření lokálními proudy • saltatorické šíření na myelinizovaných nervových vláknech

18. Synapse • fyzikální – obousměrné, CNS • chemické – jednosměrné, modulační vlastnosti mediátoru

19. 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

20. Účinky elektrického proudu na organismus • dráždivé • tepelné • elektrolytické • stejnosměrný proud • střídavý proud

21. 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

22. Využití střídavého proudu v medicíně • Diatermie 1. krátkovlnná 27 MHz spíše povrchové účinky kontinuální x pulzní 2. ultrakrátkovlnná 434 MHz pulzní – hloubkový efekt (3. mikrovlnná 2 450 MHz – jiný fyz. princip - magnetron)

23. 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

24. 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