ELEKTRICKÉ JEVY NA MEMBRÁNĚ

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

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 konstanta T - absolutní teplota R - univerzální plynová konstanta z - mocentství E - membránový potenciál a aktivita a = γ c γ aktivitní koeficient c → 0 γ → 1

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)

ELEKTRONEUTRALITA permeabilních iontů [K+]e [Cl-]i --------- = --------- [K+]i [Cl-]e [K+]e . [Cl-]e = [K+]i . [Cl-]i

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

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 potenciál R – molární (univerzální) plynová konstanta F - Faradayova konstanta T - absolutní teplota z - mocentství (K+ = 1) ci - intracelulární koncentrace ce - extracelulární koncentrace

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

Na rovnováze se podílí všechny ionty TYPICKÁ INTRA- A EXTRA-CELULÁRNÍ KONCENTRACE IONTŮ INTRACELULÁRNĚ [mmol/l] EXTRACELULÁRNĚ [mmol/l] Na+ 12 145 K+ 155 4 Ca2+ 10-8 – 10-7 120 Cl- HCO3- 8 27 proteiny (A-) VÝSLEDNÝ NÁBOJ - +

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

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!

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.

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

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

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.

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

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

Synapse fyzikální – obousměrné, CNS chemické – jednosměrné, modulační vlastnosti mediátoru

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

Účinky elektrického proudu na organismus dráždivé tepelné elektrolytické stejnosměrný proud střídavý proud

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

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)

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

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