Bioelektrické jevy a jejich měření

Prezentace na téma: "Bioelektrické jevy a jejich měření"— Transkript prezentace:

1 Bioelektrické jevy a jejich měření
5. přednáška

2 Různé škály bioelektrických gradientů in vivo
Různé škály bioelektrických gradientů in vivo. Na úrovni organel (A), buněk (transmembránové potenciály, B), tkání (transepiteliální potenciály, C) a celých živočichů nebo částí jejich těl (D). Z Communicative & Integrative Biology :1, e22595

3 Obecná elektrofyziologie tkání
Tkáň = soubor buněk stejného embryonálního původu sdružené k tomu, aby plnily nějakou funkci; tkáň může obsahovat všechny buňky typově stejné, nebo i více různých typů. Nositelem specializované funkce bývá jeden typ buněk, další typy (často i morfologicky a funkčně poněkud odlišné) tuto funkci podporují. A) Tkáň tvořená apolárními buňkami  umístěním obvodu nenaměříme žádný potenciálový rozdíl, dokonce ani tehdy, jsou-li buňky náhodně polarizované a oscilující (vektorový součin je = 0) B) Tkáň složená z buněk tvořících dipóly  umístěním obvodu naměříme v různých místech určitý potenciálový rozdíl, ať už tkáň tvořená dipóly umístěnými v sérii nebo paralelně + - 1 dipól + - suma dipólů Typická polarizovaná tkáň = žabí kůže. Žába má schopnost aktivně transportovat Na+: je to hlavní extracelulární kation a ve sladké vodě je ho málo, žába by o něj přicházela. Kolik Na+ (gramionů iontů) projde přes membránu za nějaký čas (napěťový zámek a měření toků iontů!): Nanet = I . t F

4 Elementární schéma reabsorpce NaCl v Henleově kličce myši
Elementární schéma reabsorpce NaCl v Henleově kličce myši. Čárkované čáry představují pasivní pohyb iontů ve směru jejich elektrochemického gradientu. Vm, membránový potenciál. Z Am J Physiol Renal Physiol May;282(5):F Schéma hlavních iontových transportérů v buňkách alveolárního epitelu I (červeně) a II (žlutě) typu Kredit:

5 Polarizace tkání a schopnost buněk aktivně transportovat ionty např
Polarizace tkání a schopnost buněk aktivně transportovat ionty např. z apikální strany buňky na bazální má značný fyziologický význam. Klasika = střevo... ale např. pro normální vývoj plic: buňky výstelek dýchacích cest plodu secernují chloridy, s nimiž je „tažena“ do dýchacích cest i voda. Několik dní po narození tento transport vody do cest dýchacích výrazně klesá, už před porodem a těsně po něm plicní epitel naopak tekutinu absorbuje, aby mohlo docházet k výměně dýchacích plynů. apikální strana bazolaterální strana -agonista Za tuto změnu je velkou měrou odpovědný aktivní transport Na+ přes plicní epitel. Roste hladina mRNA pro epiteliální Na+ IKs a pro Na+/K+ ATPAsu aj. Elektrický potenciálový rozdíl lze zaznamenat i v apolární tkáni, pokud je část buněk poškozena. Mezi poškozenou a intaktní částí tkáně je potenciálový rozdíl díky difusním potenciálům. Z poškozené buňky/buněk se uvolňují ionty, mění se jejich extracelulární koncentrace, difundují extracelulárním prostředím... + - Všechny měkké tkáně obsahují dlouhé řetězce proteinů jako kolagen, elastin či keratin – molekuly s pravidelnou strukturou opakujících se podjednotek. Tkáně jako ligamenta, fascie, šlachy obsahují denzní plošné (-sheets) sítě těchto proteinů, zejména kolagenu. Chrupavky se skládají z kolagenu a proteoglykanů, kost je v podstatě kalcifikovaná kolagenní struktura. Všechny tyto útvary mají společné to, že pokud jsou vystaveny mechanickému stresu (komprese, natažení, zkroucení aj.), vznikají na jejich vnitřních i vnějších površích piezoelektrické náboje a potenciály. Např. na kosti vystavená torzi naměříme povrchový potenciál mV (podle míry deformace). Takto vyvolaný povrchový náboj trvá po celou dobu podnětu a může se synchronně měnit s kolísáním daného podnětu.

6 Polarizované mohou být i tkáně vůči sobě navzájem.
Př. torze kosti: Při působení síly na kost lze měřit v různých místech na jejím povrchu potenciálové rozdíly, navozené změnou v distribuci jejího povrchového náboje. Torzí vyvolaný povrchový náboj trvá po celou dobu podnětu a může se synchronně měnit s kolísáním daného podnětu. Každá jednotlivá ohýbaná molekula přispívá k celkovému potenciálovému rozdílu v různých místech (příspěvky povrchových nábojů molekul se sčítají). Stlačené konkávní povrchy generují záporné potenciálové rozdíly, stlačené konvexní povrchy potenciálové rozdíly kladné. Změny povrchového náboje se měří nejčastěji v pC/cm2. Ve šlachách vyvolá tah navozený svalovou kontrakcí a zkrácením svalu mezi jeho šlachou a úponem do fascie nebo na kost paralelní (iso)plochy povrchového náboje, orientované v podélné ose šlachy. Podobně lze měřit změny povrchového náboje ve fasciích aj. potenciál (mV) čas (s) Relaxace tkáně po mechanickém stresu. Stres se projevil změnou elektrického potenciálu (měřeno z vnitřku)  a změnou elektrochemockého potenciálu celé tkáně. Polarizované mohou být i tkáně vůči sobě navzájem. Jak zjistit, že se v ptačím vejci vyvíjí embryo? Embryo má vůči žloutku a bílku pozitivní náboj, a protože je lehčí než jeho okolní prostředí, plave při povrchu skořápky. Lze naměřit indukovaný náboj i přes skořápku, která má vysoký odpor: následným otočením skořápky o 180° lze získat superponovanou hodnotu tohoto potenciálu, který se průběhu vývoje zárodku mění. + - Distribuce elektrického potenciálu uvnitř tkáně v různých časech od aplikovaného tlaku 0,3 MPa. Tkáň byla stlačována v komůrce směrem seshora.

7 Tkáně jako vodiče mají oblasti s různou vodivostí
Tkáně jako vodiče mají oblasti s různou vodivostí. Distribuci elektrického náboje není snadné vypočítat. Podélný řez lidským stehnem, na němž jsou umístěny dvě povrchové elektrody (A,K). Q,H a G, svalová tkáň; F, tuk; H, kyčel; B, stehenní kost; K, koleno. Ekvipotenciály jsou od sebe vzdáleny 4 V. Šíření akčního potenciálu ve svalu mezi elektrodou nad synapsi a nad šlachouv: tvar a frekvence potenciálu závisí na vlastnostech tkáně /vrstav tuku…/ Kredite: J of Applied Physiology, 2004, 96(4),

8 Teplotní odpovědi zahrnují
Lze měřit nejen povrchový náboj, potenciály, proudy a jejich změny jako primární výstupní data, častá jsou v případě tkání tzv. impedanční měření, tedy měření dielektrických vlastností dané tkáně. Provádějí se zpravidla tak, že do tkáně je zaváděn slabý proud o různých frekvencích. Nejlepší výsledky se samozřejmě dosahují přímým kontaktem s tkání, ale i tehdy je třeba brát v potaz vliv okolních tkání, které mohou značně přispívat „parazitickou“ informací. U impedančních měření je tedy velmi přesně polohovat elektrody a brát v potaz velikost a tvar těla nebo jeho relevantní části. Proud si vždy „vybírá“ cestu nejmenšího odporu. Máme-li dobré vodivé médium, vedou i tkáně dobře  tkáně s vysokým obsahem vody jsou nejlepší vodiče. Tkáň odpovídá na průchod elektrického proudu různými typy odpovědí. Mezi nejdůležitější patří odpovědi teplotní, chemické a systémové. I V tok proudu nízké i vysoké frekvence většinou vysoké frekvence Teplotní odpovědi zahrnují vzrůst teploty v proud vedoucích tkáních a následnou disipaci tepla z tkáně vyšší elektrický odpor tkáně způsobený vzrůstem teploty proudy stimulující nervy a svaly mají malý teplotní efekt, neboť průměrný tok proudu je velmi malý ohřev tkání je vyšší při vyšších frekvencích proudů Chemické odpovědi zahrnují na plus pólu: acidické reakce způsobující koagulaci proteinů a tvrdnutí tkáně na minus pólu: alkalické reakce způsobují zkapalňování proteinů a měknutí tkání Systémové odpovědi zahrnují kontrakce svalů (stimulace 60/s!) změny ve vnímání bolestivých podnětů

9 Kapacitní odpor kůže XC f = 50 Hz, R těla ~ 2000 Ω
( R 2000 ). Ω  těla kapacitní odpor kůže C  f = f C C =  X = 1 kHz , = 10 kHz, X 60 1 1 6 R X Kapacitní odpor kůže XC f = 50 Hz, R těla ~ 2000 Ω f = 1 kHz, XC =1/6 R f = 10 kHz, XC = 1/60 R Odpor kůže proměnný, cca 3x vyšší než tkání při napětí do U= 50 V je R > 10 kΩ s rostoucím napětím R klesá: při U= 220 V je R = 5 kΩ Rozdíly mezi suchou a vlhkou kůží: ve vlhku R= 1kΩ  ve vodě R= Ω suchá kůže U= 220 V ρk= 105 Ω  I= 2,2 mA vlhká kůže U= 220 V ρk= 1,5 Ω  I= 146,7 mA Vysoké frekvence mohou procházet buňkami díky malému kapacitnímu odporu membrán. S zvyšováním frekvence proudu nad 50 Hz dochází ke ztrátě kapacitních vlastností membrán: tzv. Cole-Cole křivka

10 Účinky střídavého proudu na 60 Hz 1 mA téměř nevnímáme
16 mA maximální hodnota proudu, při níž člověk nezůstane v obvodu, je schopen se pustit (can grasp and let-go; průměrně 5 mA, rozsah 9-30 mA) 20 mA paralýza dechových svalů – možný fatální kontakt 100 mA práh pro komorové fibrilace 2 A srdeční zástava, poškození vnitřních orgánů Účinky stejnosměrného proudu do 300 mA chybí let-go fenomén 150 mA po dobu 2 s práh pro komorové fibrilace 500 mA pod 0,2 s práh pro komorové fibrilace Účinky napětí 500 V vnější vrstva kůže praská, vyšší vstup proudu do organismu 20 kV elektroporace (poškození buněčných membrán) při aplikaci vysokých napětí na úsek kůže; u dětí při 120 V a např. konci vodiče v ústech Eplasty: Vol. 9 e.44, 2009

11 Srovnání některých tkání podle jejich vodivosti
relativní permitivita sval vodivost tuk frekvence (Hz) Krev obsahuje značné množství vody a iontů jeden z nejlepších vodičů z biologických tkání Sval (kosterní) obsahuje 75% vody jeho vodivost závisí na tocích iontů při kontrakci nejlepší vodivost má v longitudinálním směru Periferní nervy vodivost 6x vyšší než u svalu myelinové pochvy jsou velmi špatný vodič Kůže různý obsah vody u savců považována za izolant příprava kůže před aplikací stimulu Kost obsahuje 5% vody nejhorší vodič z biologických tkání Svalová šlacha obsahuje málo vody velmi špatný vodič Vodivost v S/m celého těla a některých jeho částí. 0,243 0,239 - 0,332 0,300 0,288 100 kHz 0,222 0,238 0,256 0,285 0,276 10 kHz 0,196 0,195 0,230 0,254 0,216 50 Hz Krk Noha Ruka Trup Hlava Celé tělo Frekvence Tuk obsahuje 14% vody velmi špatný vodič

12

13

14

15

16

17 Srovnání některých tkání podle jejich vodivosti
rohovka krev prsní tuk kost

18 Polarizace zygoty hnědé řasy (Fucus sp.)
Rostlinné buňky vnímají svou polohu v tkáni a jsou schopny na základě vnějších podnětů (externích gradientů, zejména teploty, světelné intenzity, pH a gradientu elektrického potenciálu) tuto polohu vyhodnotit a případně změnit – např. přesměrovat růst jiným směrem. Model: buňky hnědých řas (Fucus sp., Pelvetia sp.) uvolňujících gamety bez buněčné stěny do moře. gamety zprvu apolární, osa polarizace se formuje během několika hodin od oplodnění vlivem unilaterálního světelného podnětu změnou směru osvětlení se může měnit i osa polarizace, fixuje se hodin po oplodněn vzniká polarizovaná jednobuněčná zygota s rhizoidním a stélkovým pólem zygota se dále dělí a vznikají polarizované buňky: rhizoidní a stélková Nepolarizovaná zygota světlo zastíněná půlka plasmatická membrána jádro polarizace ztráta polarizace zafixování polarizace vtok Ca2+ via Ca2+ IKs výtok Ca2+ tok iontů pučící rhizoid aktinová filamenta budování buněčné stěny dělení buňky sekrece látek pro stavbu buněčné stěny Labilní osa polarizace Polarizovaná zygota Embryo Po osvitu zygoty se začnou na povrchu buňky redistribuovat Ca2+ IKs a buňkou začnou protékat transcelulární vápníkové proudy v řádu asi 100 pA. Tyto proudy mění i membránový potenciál a ovlivňují např. distribuci membránových proteinů či polarizaci aktinového cytoskeletu. V rostoucích rhizoidech Fucusů vzniká Ca2+ gradient v rozmezí 100 nM Ca2+ na bázi až 450 nM na vrcholku rhizodu.

19 Tradescantia virginiana
Tento vápníkový gradient může být velmi důležitý pro skládání aktinových vláken nebo pro uvolňování transportních váčků vypučených z Golgiho aparátu. 20 m nižší vyšší Ca2+ koncentrace Lilium longiflorum Nicotiana sylvestris Tradescantia virginiana Transportní váčky vypučené z Golgiho aparátu přenášejí součásti budoucí/tvořené buněčné stěny. Proto je třeba je zanést tam, kde tkáň roste. Směr transportu je určen gradientem vápenatých iontů. Vlevo: pučící pylová zrnka různých rostlin vykazují gradient Ca2+, s nejvyšší koncentrací (asi 1 M) na růstovém vrcholku. (a) (b) Pučící pylová zrnka různých rostlin vykazují gradient Ca2+, s nejvyšší koncentrací (asi 1 M) na růstovém vrcholku (Fura 2). Transportní váčky oddělěné od Golgiho aparátu se hromadí na rhizoidním pólu zygoty (a) a v rhizoidní buňce embrya (b), ve směru růstu buňky (toluidinová modř). Pokud zablokujeme tvorbu nových proteinů cykloheximidem, oddálíme vývoj rhizoidu, ale ne vznik a fixaci osy polarity embrya. Vznik polarity embrya není závislý na nových proteinech, ale na přeskupení proteinů už existujících. Aktinová filamenta jsou velmi dynamická a jejich tvorba z aktinových monomerů je vysoce regulovaná. Účastní se mj. transportu sekrečních váčků. Pokud zablokujeme tvorbu filament cytochalazinem B, nevznikne polarizace embrya a ustanou i transcelulární proudy.

20 Zelené rostliny jako zdroje elektrického proudu
z rostlin jako biopaliv lze získat jen 3-6% uložené energie přenos e- z fotosystému I na ferredoxin, z fotosystému II na chinon (regenerace PS I) z živé buňky řasy, Chlamydomonas reinhardtii lze vytěžit fotosyntetické elektrony o sumárním proudu 1.2 pA na 6000 mA/m2 zavedena nanoelektroda, aplikováno přepětí výtěžnost elektronů cca 20% s perspektivou až 100% (fotovoltaické články 20-40%) na proud poskytovaný jednou AA baterií by muselo 1012 buněk hodinu fotosyntetizovat vedlejší produkty: protony a kyslík po hodině buňka umírá /únik iontů vpichy, chybí jí odebraná energie…/ Nano Lett., 2010, 10 (4), pp 1137–1143

21 Proud tekoucí nanotrubičkami a odebíraný elektrodou:
3:742 3:742 3:742 Nat. Commun. Nat. Commun. Nat. Commun. Zelené rostliny jako zdroje elektrického proudu Proud tekoucí nanotrubičkami a odebíraný elektrodou: Maximální proudová densita 68 μA cm−2 , stabilně poskytovaná proudová densita 38 μA cm−2 Energy Environ. Sci., 2013,6, Proud odebíraný zlatou elektrodou/bilirubinoxidázou na uhlíkových nanotrubičkách: 12% výtěžek Nat Commun 3:

22 Detekce nádorů v prsu pomocí mikrovlnného impedančního měření
Detekce nádorů v prsu pomocí mikrovlnných imepdančních měření se používá jako doplňková metoda k ultrazvuku, rentgenu (mammografii) či magnetické resonanci (MRI, magnetic resonance imaging). Mikrovlnné frekvence – 300 MHz až 30 GHz. Potenciálně dobře detekuje malé pevné nádory, je lacinější než např. MRI, detekuje jen nádory, ne benigní cysty a je citlivá. Při mikrovlnných frekvencích lze interakci biologické tkáně s vybuzeným elektrickým (elektromagnetickým) polem popsat její celkovou permitivitou . Ta se skládá z dielektrické konstanty (“reálná“ složka) ´ a z tzv. faktoru ztrát ´´. Dielektrická konstanta určuje schopnost tkáně udržet energii elektrického pole, faktor ztrát nám říká, kolik z této energie se při expozici tkáně poli přemění v teplo a disipuje. prsní tkáň nádor vysílač přijímače prsní tkáň vysílač přijímače Zdravá tkáň propouští mikrovlny úměrně své dielektrické konstantě. Ty jsou pak zaznamenány přijímači. Nádorová tkáň má jiné elektrické charakteristiky. Zatímco prsní tkáň propouští mikrovlny úměrně své dielektrické konstantě, od buněk nádoru se vlny částečně odrážejí a jsou zachyceny anténou vysílače.

23 Hemisférický model prsu o průměru 14 cm.
bradavka Hemisférický model prsu o průměru 14 cm. kůže Modře, zeleně, bíle, fialově a žlutě jsou různé žlázy. 6 mm nádor je červená kulička. Zbytek prostoru je vyplněn prsním tukem. Vodivost tumoru byla 4 S/m, jeho dielektrická konstanta =50. Vodivost prsní tkáně byla 0,4 S/m, dielektrická konstanta =9. Tloušťka kůže byla 2mm, její vodivost 4 S/m a dielektrická konstanta =36. s nádorem bez nádoru čas (s) Normalizované napětí Rozdílné odpovědi tkáně s nádorem a bez nádoru. Praxe: žena leží a má prsa ponořena v roztoku glycerinu ve vodě (tato směs má velmi malý faktor ztrát). Do nádrže s roztokem je umístěno 16 vysílačů s anténami, signály jsou měřeny 15 přijímači na 12 různých frekvencích celého užívaného pásma. Doba záznamu je asi 14 minut.

24 Elektrické děje během dozrávání gamet a oplodnění
Gamety jsou buňky poměrně hojně vybavené iontovými kanály, schopné odpovídat na elektrické stimuly. Jako jeden z prvních studoval roli iontů ve fyziologii oocytu Edward Chambers (1946, role výměny Na+ a K+ během oplození ježovky). Na hvězdicích, ježovkách a žahavcích se také studovaly elektrofyziologické vlastnosti oocytární membrány. Dozrávávní oocytární membrány Nezralé oocyty hvězdice exprimují 3 typy napěťově ovládaných IKs: dovnitř usměrňující Ca2+ IKs, rychlé přechodné K+ IKs a dovnitř usměrňující K+ IKs. Během dozrávání se mění amplitudy všech těchto proudů: vápníkový proud roste, oba proudy draslíkové se snižují. Klesá také vodivost membrány oocytu a dochází k lehké depolarizaci klidového membránového potenciálu (díky změnám ve vodivosti pro K+ a Na+). Výbava iontovými kanály v membráně oocytu se liší druhově: Boltenia vilosa je „osázena“ dovnitř usměrňujícími přechodnými Na+ IKs, dovnitř usměrňujícími přechodnými Ca2+ IKs a dovnitř usměrňující K+ IKs. U žab dominují u nezralých oocytů K+ a Cl- proudy, během dozrávání jsou nahrazeny Na+ proudy. U savců není měření oocytárních proudů nezralého oocytu snadné, nebot oocyt je obalen buňkami tvořícími tzv. cumullus oophorus. Tyto dvě „funkční jednotky“ se spontánně oddělí po dozrání oocytu. Umělé odstraněné cumulus oophorus může vést k různým artefaktům. Buňky cumullu a oocytu mají různý membránový potenciál, ačkoliv je cumullus s oocytem spojen vodivě pomocí gap junctions. Takto je asi oocyt udržován v rané fázi meiosy – jeho membrána je lehce hyperpolarizovaná (oproti cumullu). Působení gonadotropinů na buňky cumullu navodí depolarizaci membrány oocytu a jeho dozrání.

25 Plasmatická membrána bovinního oocytu během dozrávání a oplození.
out in dozrávání oplození chemotaxe akrosomální reakce Ca2+ L-typ Ca2+ IKs K+ IKs Ca2+ - aktivované K+ IKs Cl- IKs Plasmatická membrána bovinního oocytu během dozrávání a oplození. Během rané fáze meiosy dominuje vliv K+ a Ca2+ IKs L-typu, který klesá během metafáze II. Po oplození spermie navodí uvolnění Ca2+ z intracelulárních rezervoárů, což aktivuje K+ IKs. Otevírají se i vápníkové kanály, vápník vtéká do buňky, membrána se depolarizuje. I membrána spermií doznává během chemotaktického pohybu a akrosomální reakce změn. Akrosomální reakce (AR) je děj regulovaný iontovými kanály: vtok Ca2+ je zásadním požadavkem pro AR u všech živočišných druhů. Zvyšuje se také pH (výtok H+ a výměna H+/Na+). Na hlavičce spermie jsou také 4 typy Cl- IKs s různou vodivostí; eflux chloridů je zřejmě navozen progesteronem.

26 Oplození je vysoce specifický proces zahrnující rozpoznání gamet navzájem, jejich navázání a fúzi. Klíčovým momentem je reciproká aktivace těchto gamet. Prvním (a velmi univerzálním) krokem je spermií navozené uvolnění vápníkových zásob v oocytu (možná zprostředkované aktivací fosfolipasy C při kontaktu oocyt-spermie). Následných procesů vápníkové signalizace v oocytu se účastní řada dalších receptorů (RyR aj.). Spermie navodí na membráně oocytu krátkodobou potenciálovou změnu nazývanou fertilizační potenciál. Proud zodpovědný za tento potenciál je u savců veden iontově-nespecifickými kanály o vodivosti cca 70pS, dále Na+ a Ca+ IKs. Depolarizační krok (šipka) v momentu oplození ježovčích oocytů, následovaný fertilizačním potenciálem. Dale et al., 1978) Typy IKs zapojených do aktivace spermie a oocytu a změn membránového potenciálu. Všimněte se, že u obratlovců jde výhradně o hyperpolarizační projevy. RP = klidový membránový potenciál.

27 Elektrické orgány ryb - elektroplaky
Vznikly z modifikovaných svalových vláken. Jsou inervovány cholinergně. Jejich nervosvalová spojení jsou mnohem větší a početnější než u vláken kosterní svaloviny. Postsynaptické membrány jsou hustě osázeny acetylcholinovými Rs nikotinického typu (z jednoho elektroplaku parejnoka rodu Torpedo lze „vytěžit“ až miligramy purifikovaného receptoru!). Jedna stran ploché buňky plaku (= elektrocytu) je inervovaná, má vysoký elektrický odpor a značné množství nAChRs, Na+ a K+ IKs. Druhá strana takto vybavená není a odpor má nízký. Buněk může být v jednom plaku až Navzájem jsou propojeny elektrickými synapsemi (synchronizace!) motorický neuron elektroplak -90 mV 0 mV Na obou stranách plaku v klidu je na membráně potenciál asi – 90 mV. Jednotlivé „články“ jsou spojeny do série. Vzpomeňte si na Voltův sloup! E-list postsynaptikcé membrány Torpeda připravený lámáním za mrazu. nAChRs jsou v řádcích. Úsečka = 0,1 m.

28 Na nervový podnět dojde k výlevu ACh a masivní depolarizaci vzrušivé strany plaku. Vznikne akční potenciál, dojde ke zvratu polarity a na inervované straně plaku je potenciálový rozdíl mezi vnějškem a vnitřkem membrány +40 mV. Druhá strana plaku je nevzrušivá a zachovává si potenciál –90 mV. Celý plak tedy vytvoří potenciálový rozdíl 130 mV. Pokud je elektroplaků spojeno do série a na každém je potenciálový rozdíl 130 mV, výsledný rozdíl napětí na pólech sloupce bude 5 000 x 0,130 = 650 V Sladkovodní úhoř Electrophorus electricus může vyvinout až 800 V (i 650 V stačí na usmrcení člověka). motorický neuron elektroplak +40 mV -90 mV 130 mV motorický neuron elektroplak -90 mV 0 mV

29 Elektrické orgány se vyvinuly nezávisle přinejmenším v 6 různých skupinách ryb (rejnoci, parejnoci, Gymnotiformes, Mormyriformes aj.). U některých generují silné elektrické výboje (Torpedo sp., Gymnotus sp., Raja sp.), u jiných slabé. Pulsy slouží k např. elektrolokaci, rozpoznávání hrubého tvaru, vodivosti a lokace blízkých objektů, k rozpoznání jedinců téhož druhu, lákání partnera, obraně či lovu kořisti. Morfologie elektrocytů se liší mezidruhově a souvisí s typem výbojů, který ryba generuje. Slabě elektrické ryby generují výboje o síle stovek milivoltů až jednotek voltů, silně elektrické ryby generují až stovky voltů. Slabě elektrické ryby generují výboje buď v nepravidelně se objevujících pulsech, nebo v pravidelných sinusových vlnách o frekvenci Hz. Elektrocyty zástupce rodu Gymnotus mají asi 1 mm v průměru a jsou cca 300 m tlusté. Produkují jen zlomky voltů, což stačí k elektrolokaci. Inervovány jsou podobně jako u Torpeda.

30 Elektrocyty (EL) zástupce rodu Eigenmannia sp.
D, dermis A, ocasní ploutev Šipkou je označena inervace motorickými nervy

31

32 Apteronotus leptorhynchus, 650-1100 Hz
Slabě elektrické ryby se zřejmě v evoluci vydělily dvakrát. Jedna skupina žije v Africe (Mormyriformes), druhá v Jižní Americe (Gymnotiformes). Žijí v bahnitých vodách, kde jim elektrolokace nahrazuje do značné míry zrak. S výjimkou jediného zástupce samičky těchto druhů vydávají výboje o vyšší frekvenci než samci. Zdá se, že hormony ovlivňují také amplitudu výboje. Apteronotus leptorhynchus, Hz mozek elektrický orgán receptor výboj Sternopygus macurus, Hz Eigenmannia virescens, Hz výboj

33

34 Sexuální dimorfismus výboje u Hyppomus occidentalis.
Samci (A) jsou větší a mají delší tenčí ocas. Jejich výboj je asymetrický, neboť druhý výboj bifázického pulsu je delší než první. Samice (B) jsou kratší a jejich puls je kratší, symetrický.

35 zatímco Sachsův orgán a zbytek orgánu Hunterova výboje nízkonapěťové.
Někteří zástupci mohou mít i dva či tři elektrické orgány, jako např. Electrophorus electricus. Hlavní orgán Sachsův orgán Hunterův orgán Hlavní orgán a přední část Hunterova orgánu produkují vysokonapěťové výboje, zatímco Sachsův orgán a zbytek orgánu Hunterova výboje nízkonapěťové.

36 Vnímání elektrického pole není doménou ryb; jsou jej schopny paryby (žraloci, rejnoci), některé kostnaté ryby (sumci), mloci, axolotli nebo např. i ptakopysci. Vnímají i velmi slabé elektrické pole: rejnok Raja clavata je schopen detekce 0,01-0,02 V/cm (hodnota produkovaná napětím monočlánku na vzdálenost asi km). K vnímání intensity elektrického pole slouží ampulární orgány. kanálky otvory oko kapsula břišní strana kanál alveoly vnitřek alveolu nervová vlákna kinocilie tight junction mikroklky receptor podpůrná buňka synaptický hřebínek bazální membrána Ampulární orgány jsou složeny z kanálků o průměru asi 1 mm a délce cm. Jsou distribuovány po těle živočicha a otevírají se přímo do (mořské) vody.

37 Žraloci a spol. žijící ve mořské vodě s vysokou koncentrací iontů mají nízký odpor kůže. Elektrické pole ve vodě tedy není příliš rušeno tělem živočicha. Stěny kanálků ampulárních orgánů mají odpor vyšší, uniká přes ně jen málo náboje. Pokud jsou kanál a vnější elektrické pole orientovány stejným směrem, lze intenzitu elektrického pole (V/cm) vypočítat jako součin délky kanálku a síly pole. Při konstantní intenzitě pole bude napěťový rozdíl dráždící receptor tím větší, čím delší bude kanál. Díky různé délce kanálků mohou např. rejnoci vnímat různé amplitudy v různých směrech a místech. Tyto receptory se pravděpodobně vyvinuly z vláskových buněk postranní čáry. Jejich excitačním neuropřenašečem je zřejmě glutamát. Struktura receptorů vnímajících změny v intenzitě elektrického pole je u sladkovodních ryb jednoduchá. Jde o prostý kanál otevřený do vody, na jehož „dně“ jsou receptorové buňky. Pokud je napětí vně ryby kladnější než uvnitř, tekou proudy dovnitř receptorových buněk přes luminální membránu a pak ven na membránu bazální. lumen kanálu receptorové buňky luminální membrána bazální membrána Ta se depolarizuje, zvyšuje se pravděpodobnost otevření Ca2+ IKs, do přilehlé nervové buňky vstupuje vápník, depolarizuje ji a navodí výlev neuropřenašeče (receptor je sekundární). Ten depolarizuje postsynaptické nervové vlákno a zvyšuje frekvenci vzniku APs.

38 Vyústění ampulárních orgánů
u Electrophorus electricus

39 Elektroloka(liza)ci popsal prvně H.W. Lissmann.
Ampulární receptory jsou tonické – pomalu se adaptují a reagují na relativně stálé změny v intenzitě okolního pole. Jiný typ receptorů slouží k elektrolokaci: tuberózními receptory (?, tuberous receptors. Tyto receptory reagují na pulsy vysílané rybou (generované elektrocyty). Tyto receptory nejsou spojeny kanálem s vnějším prostředím, ale jsou uzavřeny a odděleny vrstvou epiteliálních buněk. Mají různý počet receptorových buněk, jejichž membrána často ční do kanálku. U bází jsou spojeny těsnými spoji (tight junction). Nemají cílie, ale často jsou pokryty mikroklky. Jejich bazální membrána také obsahuje synaptické hřebínky a zpravidla k ní přiléhá jen jeden aferentní nerv. Elektroloka(liza)ci popsal prvně H.W. Lissmann. epidermis epitelové buňky lumen kanálku receptorové buňky nerv mozek elektrický orgán receptor výboj

40 Ampulární receptory jsou tonické – pomalu se adaptují a reagují na relativně stálé změny v intenzitě okolního pole. Tuberózní receptory slouží k elektrolokaci, receptory reagují na pulsy vysílané rybou (generované elektrocyty). Rozsah sensitivit obou typů receptorů se liší. Obecně jsou citlivější ampulární receptory, rozkódují i nižší frekvence.

41 Elektrický orgán generuje výboj (podle orientace sloupce elektroplaku + nebo -). Proud opustí plak na jeho anteriorním konci a na konci posteriorním se vrací. To vytvoří kolem ryby 3D gradient napětí, který zvíře detekuje.

42 Napětí rychle klesá se vzdáleností a slouží k získání informace do vzdálenosti max. 1-2 délky těla ryby. Pokud je v blízkosti ryby izolant (kamínek aj.) nebo vodič (červ k snědku, rostlina aj.), dojde k narušení ekvipotenciálních ploch. Aby ryby nerušily toto pole vlastním pohybem, dochází u nich jen k vlnivým pohybům hřbetní ploutve. izolant vodič

43 Co si pamatovat z dnešní přednášky
co je to tkáň apolární a polární buňky potenciály v poškozené a mechanicky namáhané tkáni odpověď tkáně na průchod proudu impedanční a vodivostní měření: srovnání tkání, detekce nádorů v tkáních vývoj polarity rostlinných buněk (tkání) elektrické jevy při dozrávání zárodečných buněk ryby a jejich elektrické orgány (elektroplaky a receptory)