Přednesy-komplet

VÝKLAD BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ NA ÚROVNI BUŇKY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI NA ÚROVNI TKÁNÍ A ORGÁNŮ BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 1 VZNIK A FUNKCE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ V ŽIVÝCH
BUŇKÁCH BIOELEKTRICKÉ JEVY 3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 2 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO NAPĚTÍ 5 KVANTITATIVNÍ POPIS (ROVNICE HODGKINA A HUXLEYHO) 4 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO PROUDU 6 VAZBA MEZI ELEKTRICKÝM PODRÁŽDĚNÍM A STAHEM
(KONTRAKCÍ) SVALOVÉ BUŇKY 1.4 Fyziologický význam elektrické aktivity BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 1.1 Membránové napětí 1.2 Akční napětí excitabilních buněk 1.3 Šíření akčního napětí 1 VZNIK A FUNKCE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ V ŽIVÝCH BUŇKÁCH V e e Elektrický potenciál ve vnějším (extracelulárním) prostředí i i Elektrický potenciál ve vnitřním (intracelulárním) prostředí Um = i - e MEMBRÁNOVÉ NAPĚTÍ KLIDOVÉ MEMBRÁNOVÉ NAPĚTÍ (Umr , Ur) MEMBRÁNOVÉ NAPĚTÍ 1.4 Fyziologický význam elektrické aktivity BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 1.1 Membránové napětí 1.2 Akční napětí excitabilních buněk 1.3 Šíření akčního napětí 1 VZNIK A FUNKCE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ V ŽIVÝCH BUŇKÁCH I Umr Um 0 t Reg prahové napětí AKČNÍ NAPĚTÍ akční napětí depolarizace repolarizace Um I T> . je pro . m výst i is i is is m výst U U R R R R R U U @ >> + = roztok depolarizující
membránu Uvýst m Ri Ris Um Zm impedance depolarizované membrány Zm BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 2 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO NAPĚTÍ Možnosti získání elektrického kontaktu s vnitřkem buňky 2.1 Měření membránového napětí 2.2 podprahové odezvy akční napětí M Um METODA VNUCENÉHO PROUDU
(CURRENT CLAMP) průnik
mikroelektrody
do buňky Umr práh dráždivosti t mV 0 -80 Um MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO NAPĚTÍ
BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 1 VZNIK A FUNKCE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ V ŽIVÝCH
BUŇKÁCH BIOELEKTRICKÉ JEVY 3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 2 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO NAPĚTÍ 5 KVANTITATIVNÍ POPIS (ROVNICE HODGKINA A HUXLEYHO) 4 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO PROUDU 6 VAZBA MEZI ELEKTRICKÝM PODRÁŽDĚNÍM A STAHEM
(KONTRAKCÍ) SVALOVÉ BUŇKY BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 3.3 Šíření akčního napětí buněčnými vlákny 3.1 Klidové membránové napětí
3.1.1 Model buňky pro výklad bioelektrických jevů
3.1.2 Elektrické náhradní schéma buněčné membrány
idealizovaná membrána
reálná membrána
3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 3.2 Akční napětí
2.2.1 Mechanizmus spuštění impulzu akčního napětí
2.2.2 Hlavní složky iontového membránového proudu
2.2.3 Kvantitativní vztah mezi celkovým iontovým proudem
a průběhem akčního napětí
2.2.4 Tři základní typy kanálů z hlediska časové a napěťové
závislosti
MODEL BUŇKY PRO VÝKLAD ELEKTRICKÝCH JEVŮ Předpokládejme nejprve, že buňka je v klidu (U = Umr) EXPERIMENTÁLNĚ OVĚŘENÉ SKUTEČNOSTI: MODEL povrchová membrána elektrolyt i elektrolyt e [Na+]e [Ca2+]e [K+]e [Cl-]e [Na+]i [Ca2+]i [K+]i [Cl-]i [A-]i i e  se mění jen uvnitř membrány;
ve vnitřním i vnějším prostředí je
konstantní: Um = i - e 1 [Na+]e >> [Na+]i [Ca2+]e >> [Ca2+]i
[K+]e > [Cl-]i 2 Membrána má různou propustnost (vodivost) pro různé druhy iontů (selektivita). Vodivosti závisí na Um. 3 FOSFOLIPIDY polární skupina GLYCEROL MASTNÉ KYSELINY PROTEINY STRUKTURA MEMBRÁNY FOSFOLIPIDY PROTEINY FOSFOLIPIDY KYSELINA
FOSFOREČNÁ
H3PO4 AMINOKYSELINY BÍLKOVINY (polypeptidy) PEPTIDOVÁ VAZBA C O H N R R SEKUNDÁRNÍ STRUKTURA TERCIÁRNÍ STRUKTURA KVARTÉRNÍ STRUKTURA BÍLKOVINY
(proteiny) PRIMÁRNÍ STRUKTURA R1 R2 R1 R2 R3 BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 3.3 Šíření akčního napětí buněčnými vlákny 3.1 Klidové membránové napětí
3.1.1 Model buňky pro výklad bioelektrických jevů
3.1.2 Elektrické náhradní schéma buněčné membrány
idealizovaná membrána
reálná membrána
3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 3.2 Akční napětí
2.2.1 Mechanizmus spuštění impulzu akčního napětí
2.2.2 Hlavní složky iontového membránového proudu
2.2.3 Kvantitativní vztah mezi celkovým iontovým proudem
a průběhem akčního napětí
2.2.4 Tři základní typy kanálů z hlediska časové a napěťové
závislosti
i e K+ Předpokládejme nejprve membránu selektivně propustnou pro ionty K+ Nernstův vztah pro výpočet rovnovážného napětí pro ionty K+ + - DIFUZE PŮSOBENÍ EL. POLE IDEALIZOVANÁ MEMBRÁNA Podobně pro membránu propustnou selektivně pouze pro ionty Na+ Nernstův vztah pro výpočet rovnovážného napětí pro ionty Na+ Obecný Nernstův vztah pro výpočet rovnovážného napětí pro ionty zx … počet a znaménko elementárních nábojů (nábojové číslo) IDEALIZOVANÁ MEMBRÁNA i e Na+ - + DIFUZE PŮSOBENÍ EL. POLE Elektrické náhradní schéma idealizované membrány selektivně propustné pro jeden druh iontů UNa UK UCl UCa 0 100 -100 mV C UK gK K+ gNa UNa C Na+ gCl UCl C Cl- gCa UCa C Ca2+ IDEALIZOVANÁ MEMBRÁNA REÁLNÁ MEMBRÁNA V KLIDU Membránové napětí reálné buňky je výsledkem difuze iontů přes všechny vodivé kanály za působení elektrického pole. Elektrické náhradní schéma získáme sloučením dílčích schémat odvozených pro idealizovanou membránu. Im IC Ii V klidu jsou splněny následující podmínky:
Po dosazení do (1) a (2) dostaneme výraz pro výpočet klidového napětí: IC INa ICa IK ICl Membrána je v klidu nejvíce propustná pro ionty K+ částečně ale propouští i ostatní ionty (vodivost gK je v klidu mnohem větší než ostatní vodivosti). C Um gNa gCa gCl gK UNa UK UCa UCl BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 3.3 Šíření akčního napětí buněčnými vlákny 3.1 Klidové membránové napětí
3.1.1 Model buňky pro výklad bioelektrických jevů
3.1.2 Elektrické náhradní schéma buněčné membrány
idealizovaná membrána
reálná membrána
3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 3.2 Akční napětí
2.2.1 Mechanizmus spuštění impulzu akčního napětí
2.2.2 Hlavní složky iontového membránového proudu
2.2.3 Kvantitativní vztah mezi celkovým iontovým proudem
a průběhem akčního napětí
2.2.4 Tři základní typy kanálů z hlediska časové a napěťové
závislosti
MECHANIZMUS SPUŠTĚNÍ IMPULZU AKČNÍHO NAPĚTÍ Pro výklad principu stačí zjednodušený model omezený na Na a K kanál s napěťově a časově závislými vodivostmi gNa a gK. Um gNa gK UK UNa C Pro vysvětlení excitability je podstatné, že vodivosti vystupující v náhradním schématu jsou závislé na membránovém napětí (nelinearita) a navíc časově závislé. Tento mechanizmus zavádí do systému pozitivní zpětnou vazbu. gK >>gNa  Umr  UK Označme: Pokud je Uříd>Um,, je dU/dt >0 => spontánně pokračuje depolarizace Po skončení stimulačního impulzu mV 100 -100 UNa
UK
0 Při změnách poměru gNa/gK může Um dosáhnout libovolné hodnoty v intervalu (UK, UNa). V klidu: m dU dt = 0 Ţ Umr = Uříd UK UNa Um gNa gK UK UNa C mV 100 -100 UNa
UK
0 V závislosti na poměru gNa /gK může Um dosáhnout libovolné hodnoty v intervalu (UNa , UK). Výklad vzniku akčního napětí Um t Umr Upr Im Im Im Im Im vnucený proud gNa gK Um Umr Upr inaktivace t t t deaktivace vnucené napětí aktivace aktivace -70 -65 -60 -55 0,0 0,1 0,2 0,3 membránové napětí [mV] membránová vodivost gNa gK t1 = 0.75 ms t1 gK t2 = 5 ms -60 -40 -20 0 20 0 5 10 15 20 25 membránová vodivost membránové napětí [mV] gNa t2 gNa gK Um Umr Upr inaktivace t t t deaktivace aktivace aktivace UK UNa Um t Umr Upr Im Im Im Im Im vnucený proud fáze depolarizace
kladná zpětná vazba:
gNa  depol  gNa fáze repolarizace:
inaktivace gNa
a aktivace gK fáze hyperpolarizace
deaktivace gK 0 UK UNa Um gNa gK UK UNa C mV 100 -100 UNa
UK
0 V závislosti na poměru gNa /gK může Um dosáhnout libovolné hodnoty v intervalu (UNa , UK). Výklad vzniku akčního napětí
zjednodušený Um t Upr Im Im Im Im Im gNa gK Um Umr Upr inaktivace t t t deaktivace vnucené napětí aktivace aktivace INa IK Im 0 BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 3.3 Šíření akčního napětí buněčnými vlákny 3.1 Klidové membránové napětí
3.1.1 Model buňky pro výklad bioelektrických jevů
3.1.2 Elektrické náhradní schéma buněčné membrány
idealizovaná membrána
reálná membrána
3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 3.2 Akční napětí
2.2.1 Mechanizmus spuštění impulzu akčního napětí
2.2.2 Hlavní složky iontového membránového proudu
2.2.3 Kvantitativní vztah mezi celkovým iontovým proudem
a průběhem akčního napětí
2.2.4 Tři základní typy kanálů z hlediska časové a napěťové
závislosti
HLAVNÍ SLOŽKY
IONTOVÉHO MEMBRÁNOVÉHO PROUDU
Um Im
100 ms IC IC kapacitní proud ICa ICa vápníkový proud INa INa sodíkový proud Ito ŘĚ
đ”
ź ®Ito draslíkový proud
pY
echodný proud
z buH
ky
(transient outward)ˇbX
ĚţĚţç˙
Ěţç˙

Ěţç˙RĚţŞ`
 
 
 /


đ'đl
đî
ł
ČM
đo0
đł
î
ČMđ,$
ńD


0đŤ
đ@
đî
ł
ďň
đn0đî
ł
ďňđۢ
đ60
Sđ€Đ°®Š60ż
˙

BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 1 VZNIK A FUNKCE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ V ŽIVÝCH
BUŇKÁCH BIOELEKTRICKÉ JEVY 3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 2 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO NAPĚTÍ 5 KVANTITATIVNÍ POPIS (ROVNICE HODGKINA A HUXLEYHO) 4 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO PROUDU 6 VAZBA MEZI ELEKTRICKÝM PODRÁŽDĚNÍM A STAHEM
(KONTRAKCÍ) SVALOVÉ BUŇKY 4 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÝCH PROUDŮ BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 4.1 Technické problémy při měření membránových
proudů 4.2 Varianty řešení U Pomocí jedné mikroelektrody lze požadovaný průběh napětí buňce vnutit jen tehdy, je-li je splněna podmínka Technický problém metody vnuceného napětí U Zm Rel Um=U-RelIm REŽIM VNUCENÉHO NAPĚTÍ - VOLTAGE CLAMP METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÝCH