Přednesy-komplet

ní s z a1i … aji … aki a1e … aje … ake φi φe dnj buňka e i Částice (ionty) se spontánně pohybují ve směru poklesu elektrochemického gradientu. Podmínka rovnováhy: i j e j μ μ = Každému druhu iontů v buňce i mimo buňku je v klasické termodynamice přiřazena funkce označovaná jako elektrochemický potenciál. Má rozměr J/mol. Závisí na teplotě T, tlaku P, elektrickém potenciálu , nábojovém čísle zj a na aktivitě aj Pokud je daná látka elektricky neutrální, poslední člen je nulový a jedná se o chemický potenciál. ( ) . φ F z a ln RT P , T μ μ j j oj j + + = 7.1 Chemický a elektrochemický potenciál
7.2 Odvození Nernstova vzorce
7.3 Donnanova rovnováha
7.4 Nernstova-Planckova rovnice
7.5 Model membrány s konstantním elektrickým polem BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 7 TERMODYNAMICKÝ POPIS BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ NA ÚROVNI BUŇKY Odvození Nernstova vztahu ( ) ( ) i j i j i j oj e j e j oj e j F z a RT P T F z a RT P T m  m  m m = + + = + + = ln , ln , i j e j j i j e j j e i j a a F z RT a a F z RT U ln ) ln (ln = - = - =   ( )  m m F z a RT P T j j oj j + + = ln , i k e k μ μ = 7.1 Chemický a elektrochemický potenciál
7.2 Odvození Nernstova vzorce
7.3 Donnanova rovnováha
7.4 Nernstova-Planckova rovnice
7.5 Model membrány s konstantním elektrickým polem BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 7 TERMODYNAMICKÝ POPIS BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ NA ÚROVNI BUŇKY Donnanova rovnováha Pokud by přestala fungovat Na-K pumpa (nedostatek ATP) udržující za normálních podmínek různá rovnovážná napětí pro jednotlivé druhy iontů, koncentrační rozdíly přes membránu by měly tendenci se vyrovnávat. Úplnému vyrovnání však brání anionty A- v intracelulárním prostředí, pro něž je membrána nepropustná, protože ve vodivém prostředí musí být v ustáleném stavu hustota náboje nulová. Rovnováha vyžaduje, aby byly všechny makroskopické proudy nulové. Z toho plyne, že se přes membránu ustálí napětí UmDon obecně různé od nuly, které je současně rovnovážným napětím pro všechny druhy iontů (Xzj), pro něž je membrána propustná. K ] X [ ] X [ ] X [ ] X [ ln F RT ] X [ ] X [ ln F z RT U j j j j j j j j z i z e z z i z e z i z e z j mDon = ÷ ÷ ř ö ç ç č ć ÷ ÷ ř ö ç ç č ć = = 1 1 Z této podmínky doplněné o podmínku nulového přeneseného náboje lze vypočíst UmDon a výsledné koncentrace povrchová membrána elektrolyt i elektrolyt e [Na+]i [Ca2+]i [K+]i [Cl-]i [Na+]e [Ca2+]e [K+]e [Cl-]e [A-]i i e Model buňky
pro výklad elektrických jevů Za předpokladu že extracelulární koncentrace zůstávají konstantní, plyne z podmínky rovnosti rovnovážných napětí (1) (kde V je objem buňky) dostáváme Z podmínky nulového přeneseného náboje (2) (1) a (2) je soustava 4 rovnic pro 4 neznámé hodnoty Membránové napětí při Donnanově rovnováze pak můžeme vyjádřit z výsledné koncentrace kteréhokoliv iontové složky, například 7.1 Chemický a elektrochemický potenciál
7.2 Odvození Nernstova vzorce
7.3 Donnanova rovnováha
7.4 Nernstova-Planckova rovnice
7.5 Model membrány s konstantním elektrickým polem BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 7 TERMODYNAMICKÝ POPIS BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ NA ÚROVNI BUŇKY a1(r), a2 (r) … aP (r) φ(r) r V důsledku koncentračních gradientů a elektrického pole se budou ionty pohybovat. Cíl – odvodit rozložení proudové hustoty v daném prostoru ze známého rozložení (r) a aj(r). Nernstova-Planckova rovnice φ grad F z c c grad RT μ grad f j j j j j - - = - = φ grad z c u F c grad z z u RT I j j j j j j j j - - = j j j j v F z c I = F z f u v j j j j = uj … pohyblivost iontů j Předpokládejme nerovnoměrné rozložení koncentrací látek cj a elektrického potenciálu  v prostoru (aj = gj cj i  jsou obecně funkcemi r) Na 1 mol iontů látky j působí v daném místě síla , která iontům udílí rychlost . Tomu odpovídá proudová hustota . f j v j j I Důsledky Nernstovy-Planckovy rovnice φ grad z c u F c grad z z u RT I j j j j j j j j - - = 1. Pokud cj = const Ohmův zákon ú ű ů ę ë é ú ű ů ę ë é ú ű ů ę ë é = = = = = - = ĺ ĺ ĺ m S vodivost specifická ... m V pole . el enzita int ... E m A hustota proudová ... I z c u F E E z c u F I I E z c u F φ grad z c u F I j j j j j j j j j j j j j j j j j g g g 2 2. Pokud  = const Fickův zákon difuze [ ] 2 2 m difuze koeficient ... D m mol tok látkový ... I u F z RT D c grad D c grad u F Sྟྨzꄀ㘏Ȁ　Āǿ̀最̀ĀĀĀሀǾĀ⌀ĀĀĀ ༀЀ싰ሀ਀ࣰ준ШȀ錀଀㛰耀簀Ⴕ脑舀茀萀蔀Ȁ뼀ሀᬀ뼀က＀ࠀༀჰ攀쀀─洀ༀഀ哰鼀ЏЀꠀȏ刀Tꄀ㘏̀　Ā˿̀最̀ĀĀĀሀǾĀ⌀ĀĀĀ ༀЀ쇰ሀ਀ࣰ쨀ШȀ錀଀㛰耀退Ⴙ脑舀茀萀蔀Ȁ뼀ሀᬀ뼀က＀ࠀༀჰ���
蘀　㌀ༀഀ台鼀ЏЀꠀď䘀ྡ60＀g︀# Á⣋ਂ“6€붤ᄐ
BIOELEKTRICKÉ JEVY NA ÚROVNI BUŇKY 1 VZNIK A FUNKCE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ V ŽIVÝCH BUŇKÁCH BIOELEKTRICKÉ JEVY 3 FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY BIOELEKTRICKÝCH JEVŮ 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 2 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO NAPĚTÍ BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 5 KVANTITATIVNÍ POPIS (ROVNICE HODGKINA A HUXLEYHO) 4 METODY MĚŘENÍ MEMBRÁNOVÉHO PROUDU 2 METODY MĚŘENÍ PROUDU Z JEDNOHO KANÁLU 3 PŘENAŠEČOVÉ SYSTÉMY TRANSPORTU IONTŮ 6 VAZBA MEZI ELEKTRICKÝM PODRÁŽDĚNÍM
A STAHEM (KONTRAKCÍ) SVALOVÉ BUŇKY 4 MOLEKULÁRNÍ DĚJE PODMIŇUJÍCÍ SVALOVOU KONTRAKCI BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 2 METODY MĚŘENÍ PROUDU Z JEDNOHO KANÁLU 3 PŘENAŠEČOVÉ SYSTÉMY TRANSPORTU IONTŮ 4 MOLEKULÁRNÍ DĚJE PODMIŇUJÍCÍ SVALOVOU KONTRAKCI BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 1.1 Biologická membrána
1.2 Struktura a funkce iontových kanálů
1.3 Vrátkování kanálů
1.4 Interakce látek s kanály
FOSFOLIPIDY polární skupina KYSELINA
FOSFOREČNÁ
H3PO4 GLYCEROL MASTNÉ KYSELINY PROTEINY STRUKTURA MEMBRÁNY FOSFOLIPIDY PROTEINY FOSFOLIPIDY AMINOKYSELINY BÍLKOVINY (polypeptidy) PEPTIDOVÁ VAZBA C O H N R R SEKUNDÁRNÍ STRUKTURA TERCIÁRNÍ STRUKTURA KVARTÉRNÍ STRUKTURA BÍLKOVINY
(PROTEINY) R1 R2 R1 R2 R3 BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 1.1 Biologická membrána
1.2 Struktura a funkce iontových kanálů
1.3 Vrátkování kanálů
1.4 Interakce látek s kanály
vrátkovací systém STRUKTURA A FUNKCE IONTOVÝCH KANÁLŮ FUNKČNÍ PRVKY selektivní filtr hydrofobní povrch vazebná místa napěťový senzor hydrofilní povrch NH2 COOH
P I II III IV selektivní filtr napěťový senzor STRUKTURA SODÍKOVÉHO A VÁPNÍKOVÉHO KANÁLU napěťový senzor BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 1.1 Biologická membrána
1.2 Struktura a funkce iontových kanálů
1.3 Vrátkování kanálů
1.4 Interakce látek s kanály
př.: Na - kanál kanál uzavřen VRÁTKOVÁNÍ KANÁLU inaktivační vrátka (h) aktivační vrátka (m) některá vrátka uzavřena všechna vrátka uzavřena všechna vrátka otevřena kanál otevřen NNa ... celkový počet Na-kanálů v membráně sledovaného objektu (buňky). m(t) ... pravděpodobnost nalezení určitých aktivačních vrátek v otevřeném stavu
v okamžiku t (je zřejmé, že pravděpodobnost uzavřeného stavu je 1-m(t)), h(t) ... pravděpodobnost nalezení inaktivačních vrátek v otevřeném stavu v okamžiku t, Na ... vodivost otevřeného Na-kanálu, Na m(t)3 ... pravděpodobnost současného nalezení všech aktivačních vrátek v otevřeném stavu v okamžiku t, m(t)3 h(t) ... pravděpodobnost nalezení kanálu v otevřeném stavu v okamžiku t, NNa m(t)3h(t) ... počet Na-kanálů nacházejících se v okamžiku t v otevřeném stavu, NNa Na m(t)3h(t) …celková vodivost gNa soustavy Na-kanálů v okamžiku t. označíme-li Označme:
h ... pravděpodobnost přechodu vrátek h ze stavu z (zavřená) do stavu o
(otevřená) za jednotku času
h ... pravděpodobnost přechodu vrátek h ze stavu o do stavu z za
jednotku času
h,, h …rychlostní konstanty [s-1]. (Podobně pro m a n) PRAVDĚPODOBNOSTNÍ INTERPRETACE H-H DIFERENCIÁLNÍCH ROVNIC PRO m, h, n ( ) ( ) ( ) ÷ ÷ ř ö ç ç č ć - + + = + - = - - = h h h h dt dh h h h h h h h h h h b a a b a b a a b a 1 ( ) . , 1 kde 1 h h h h h h h h h h dt dh b a a b a t t + = + = - = Ą Ą ZOBECNĚNÍ (BEZ PŘEDPOKLADU NEZÁVISLOSTI VRÁTEK) Předpoklad: Kanál se může nacházet v n různých stavech (Y1, Y2, ... Yj, ... Yn) z nichž zpravidla pouze jeden je otevřený. Označme (y1, y2, ... yj, ... yn) pravděpodobnosti výskytu kanálu v jednotlivých stavech, přičemž platí
y1+ y2 … + yj ... + yn =1. Přechody mezi stavy kanálu jsou popsány kinetickými schématy (zahrnují rychlostní konstanty přechodů). Příklad: OTEVŘENÝ STAV BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 1.1 Biologická membrána
1.2 Struktura a funkce iontových kanálů
1.3 Vrátkování kanálů
1.4 Interakce látek s kanály
INTERAKCE LÁTEK S KANÁLY LÁTKY PŮSOBÍCÍ NA KANÁL střední dobu otevření kanálu nebo j a tím zvyšují
Snižují Ij AKTIVÁTORY zvyšují BLOKÁTORY snižují MECHANIZMY ÚČINKU NĚKTERÝCH LÉKŮ A TOXICKÝCH LÁTEK BLOKÁTORY BLOKÁTOR INTERAKCE NEZAHRNUJÍCÍ VRÁTKOVACÍ SYSTÉM 1 INTERAKCE S VRÁTKOVACÍM SYSTÉMEM 2 „UCPÁNÍ“ KANÁLU organickou makromolekulou INTERAKCE anorganických iontů
S VAZEBNÝMI MÍSTY BLOKÁTOR 1 Um Ij 2 V oblasti kanálu se nachází vazebné místo pro blokátor, kterým může být molekula organické látky nebo anorganický iont Z ZB O OB aktivita jednoho kanálu vazebná místa pro ionty TTX
Na kanál příklady Cd 2+ Ca 2+
BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 1 MEMBRÁNOVÉ IONTOVÉ KANÁLY 2 METODY MĚŘENÍ PROUDU Z JEDNOHO KANÁLU 3 PŘENAŠEČOVÉ SYSTÉMY TRANSPORTU IONTŮ 4 MOLEKULÁRNÍ DĚJE PODMIŇUJÍCÍ SVALOVOU KONTRAKCI BIOELEKTRICKÉ JEVY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI 2 METODY MĚŘENÍ PROUDU Z JEDNOHO KANÁLU 2.1 Princip metody „patch clamp“ 2.2 Analýza proudu registrovaného z jednoho kanálu úsek membrány
(patch) membrána sání úsek membrány orientovaný vnějškem ven úsek membrány orientovaný vnitřkem ven PRINCIP METODY "patch clamp" METODY MĚŘENÍ PROUDU Z JEDNOHO KANÁLU neuron MĚŘENÍ PROUDU Z JEDNOHO KANÁLU A Z CELÉ BUŇKY U = R Im _ + R Im (nA) záznam z celé buňky předpoklad: m el Z R