Bioelektrické jevy a jejich měření

2. přednáška

Z minulé přednášky:Z minulé přednášky:

1902 – J. Bernstein – biopotenciály nervových a svalových buněk existují díky membráně, která je selektivně propustná pro draslík, kvantitativně odpovídající Nernstově vztahu (tehdy mluvil ještě o hypotetické membráně) – v tom se ale mýlil

1910 – J. Bernstein a L. German popsali nervový impuls jako „putující potenciál aktivity“

1939 – Alan Lloyd Hodgkin a Andrew Fielding HuxleyAlan Lloyd Hodgkin a Andrew Fielding Huxley – měření akčního potenciálu pomocí longitudinálních mikroeletrod zasunutých v obřích vláknech hlavonožců, NC 1963

1952 – Hodgkin, Huxley a Bernard Katz – nahrazení Bernsteinovy představy iontovou membránovou teorií

rmrm rm rm

ri ri ri ri ri

U cm cm cm cm

Ekvivalentní elektrický obvod představující nervové vlákno se zahrnutou kapacitou membrány.

cm... kapacita membrány (1 F na cm2)

rm... odpor membrány (1.103 cm2)

ri... podélný odpor axoplasmy (30 cm)

Časová konstanta udává dobu, za kterou potenciál dosáhne 63% své výsledné hodnoty (1 – 1/e).

Pasivní elektrické vlastnosti membrány: časová konstanta

Typicky 1-20 ms; není závislá na průměru vlákna (vzrůst kapacity s plochou vyvolá adekvátní vzrůst odporu a celkový RC člen se

nezmění).

U (t) = I. R (1 – e –t/)

U

Ir

Ic

= R.C

Pro

ud

Vzd

ále

nost

od

ele

ktr

od

y (

mm

)Pasivní elektrické vlastnosti membrány: délková konstanta λ

rmrm rm rm

ri ri ri ri ri

U cm cm cm cm

vzdálenost

Um

x

U0

x0

Axoplasma

Aplikačníelektroda

Registračníelektroda

Do nervového vlákna aplikujeme krátký pravoúhlý puls. Napěťová změna tím vyvolaná se šíří oběma směry od místa vpichu a její velikost se vzdáleností klesá. Tento pokles je exponenciální a lze jej charakterizovat pomocí délkové konstanty λ.

Ux = U0 (e –x/)

Délková konstanta λ udává vzdálenost od místa aplikace proudu, kde poklesne napěťová odpověď na 1/e, tj. 37% odpovědi v místě aplikace (U0).

Toto je tzv. šíření s dekrementem, úbytkem.

• odporu vnějšího roztoku ro,

• odporu membrány rm a

• odporu uvnitř axonu či svalového vlákna ri.

Vnější roztok

Délková konstanta λ závisí na

rm

ro + riλ2 =

Odvození délkové konstanty pro zájemce

Ii = - 1ri

dVi

dx

Im = V . 1rm

dxdIiV = rm . Im = - rm

dxIm = -dIi

V = - rm . d (- )

dx1ri

dVi

V = rm

ri

d2Vi

dx

V = Vo . e + Vo . e

-x

rm/ri

Při vzdálenosti x = je V = 0 B = 0 ; řešení

rm/ri

-x

V = Vo . e

λ = =( )½Rm / 2a

Ri / a2 ( )Rm

Ri

a

2

½

rm = Rm / 2a ri = Ri / a2

( )rm

riλ =

½

POZOR: pokud si to odvodíte s výše uvedenými jednotkami pro rm ( cm2) a ri ( cm), zjistíte, že jednotka délkové konstanty vám nevyjde v mm. Je to tím, že výše uvedené jednotky jsou přepočteny na jednotku délky vlákna a jeho tloušťka už se nebere v úvahu, je započítána. Aby vyšla v mm, počítejte s jednotkami [rm] krát cm a [ri] na cm.

Jednotky rm a ri, jak jsem vám je uvedla výše, ale najdete v drtivé většině neuro učebnic.

Platí, že λ bude delší, když bude menší únik proudu přes membránu ven, t.j. čím větší bude rm (ať už zmenšením plochy membrány, nebo vyšším specifickým odporem – např. méně kanálů v membráně) a čím menší odpor proudu bude klást vnitřek axonu ri a okolí ro.

rm

riλ2 = rm

riλ =

ro zanedbáváme (= 0), takže

Maximální napětí U0 je podle Ohmova zákona (U = I.R) úměrné velikosti aplikovaného proudu. Konstantou této úměrnosti je odpor, v případě vlákna tzv. vstupní odpor vlákna rinput. Tento vstupní odpor závisí na podélném odporu axoplasmy i na odporu membrány:

Délková konstanta λ závisí na ro , rm , ri: rm

ro + riλ2 =

( )rm

riλ =

½

rinput = 0,5 (rm ri) ½

[λ] = mm

[rinput] =

Konstanta 0,5 je tam proto, že napěťová změna se šíří oběma směry od místa aplikace, obě části vlákna mají vstupní odpor úměrný (rm ri) ½.

Z naměřených hodnot vstupního odporu a délkové konstanty lze snadno vypočítat rm a ri . Tato čísla nám ale neposkytnou příliš přesnou informaci o odporových vlastnostech membrány nebo axoplasmy, protože tyto vlastnosti závisí na průměru vlákna. 1 cm úsek membrány vlákna s malým průměrem může mít vyšší odpor membrány než 1 cm úsek vlákna s větším průměrem, protože menší vlákno bude mít menší povrch membrány. A nebo třeba naopak, vlákno menšího průměru může mít membránu hustěji osázenu iontovými kanály a tím stejný odpor membrány na 1 cm jako vlákno průměru většího.Membrány rozdílných vláken lze srovnat pomocí jejich specifického odporu Rm.

rmrm rm rm

ri ri ri ri ri

U cm cm cm cm

(A) Membrány rozdílných vláken lze srovnat pomocí jejich specifického odporu Rm. Tento odpor je nezávislý na geometrii vlákna a umožňuje nám porovnávat membrány dvou buněk různého tvaru či velikosti. Specifický odpor membrány Rm je odpor 1 cm2 membrány vlákna o poloměru a. 1 cm takového vlákna bude mít plochu 2a cm2:

Rm = 2arm

rmrm rm rm

ri ri ri ri ri

U cm cm cm cm

[Rm] = cm2

Průměrné hodnoty Rm se pohybují od méně než 1000 cm2 (membrány s velkým množstvím kanálů) po víc než 50 000 cm2 (membrány s málo kanály).

(B) Axoplasmy rozdílných vláken lze srovnat pomocí jejich specifického odporu Ri. Specifický odpor axoplasmy Ri je podélný odpor 1 cm délky axonu o poloměru a a o průřezu 1 cm2:

Ri = a2 ri[Ri] = cm

Specifický odpor axoplasmy závisí na teplotě a na koncentracích iontů v axoplasmě. Průměrná hodnota Ri axoplasmy obřího vlákna sépie je asi 30 cm při 20°C, což je 107krát více než u měděného drátu. Savci mají nižší koncentraci iontů v axoplasmě než hlavonožci, jejich typický průměrný Ri je asi 125 cm při 37°C. Žáby mají axoplasmatickou koncentraci iontů ještě nižší, jejich průměrný Ri se pohybuje okolo 250 cm při 20°C.

rm = Rm / 2a

ri = Ri / a2

Válcovité nervové vlákno má podobnou stavbu jako elektrický kabel – centrální vodič a izolační vrstvu kolem něj. Lord Kelvin analyzoval tok proudu v podmořských telefonních kabelech natažených na dně Atlantiku. Jeho práci později upravil Oliver Heaviside a byla známa jako kabelová teorie. Na nervová vlákna ji prvně použili Hodgkin a Rushton, když měřili extracelulárně šíření proudu podél humřího axonu. Kabelová teorie pracuje (zejména) s pasivními elektrickými vlastnostmi vláken.

K čemu to je?

vstupní membrána

iniciální segment

Akční potenciál (AP) vzniká jen ve vzrušivé části membrány, ne na membráně vstupní. Na membráně vstupní se akumulují různé vstupní podněty (příspěvky excitačních synapsí na dendritech neuronu, bolestivé podněty na nociceptorech a pod.), které vyvolají drobnou depolarizaci. Ta se elektrotonicky šíří dál až ke vzrušivé membráně. Aby mohl vzniknou AP, musí se tato depolarizace dostat co nejdále s co nejméně zmenšenou amplitudou.

Délková konstanta λ udává vzdálenost od místa aplikace proudu, kde poklesne napěťová odpověď na 1/e, tj. na 37% odpovědi v místě aplikace (U0). Jinými slovy, λ určí, v jaké amplitudě se určitý vstup dostane ke vzrušivé membráně.

Je tedy žádoucí, aby byla hodnota λ co největší a napěťová změna se dostala v co největší amplitudě co nejdále od místa svého vzniku. Hodnota λ je přímo úměrná „děravosti membrány“, odporu membrány rm, a průměru vlákna a.

λ = =( )½Rm / 2a

Ri / a2 ( )Rm

Ri

a

2

½rm = Rm / 2a

ri = Ri / a2

( )rm

riλ =

½

= R.C

Časová konstanta udává dobu, za kterou potenciál dosáhne 63% své výsledné hodnoty (1 – 1/e). Časová konstanta je tedy mírou toho, jak velké proudy tekou v daném místě membrány.

Určitý neuron má za různých fyziologických situací různé vzorce aktivity; salva AP závisí na velikosti napětí a době trvání napětí. Délková konstanta určí, v jaké amplitudě se určitý vstup dostane ke vzrušivé membráně. Když impuls na dané místo dorazí, nevyvolá AP hned, ale až po době, která závisí na časové konstantě – membrána se musí nejprve nabít jako každý kondenzátor.

vstupní membrána

iniciální segment

Při stále aplikaci podnětu o téže síle (velikosti amplitudy) se po době = zase opakuje vznik AP. Při aplikaci podnětu o vyšší síle vznikne další AP za zlomek Při stálé aplikaci tohoto silného podnětu zase vznikne další AP za stejný zlomek frekvence AP závisí na síle podnětu (vzrůst intenzity podnětu má za následek vzrůst frekvence vzniku AP).

U synapsí na těle neuronu je žádoucí, aby byla co nejdelší – jen tak může dojít k časoprostorové sumaci (podnět vyvolá nějakou depolarizaci, která nějakou dobu dosahuje svého maxima a stejně dlouhou dobu odeznívá – tato doba musí být dost dlouhá, aby mohlo docházet k sumaci.

Se vzdáleností od místa vzniku klesá amplituda podnětu. Příspěvek synapse vzdálenější od iniciálního segmentu je menší než příspěvek synapse ležící blíže, pokud obě produkují podnět stejné maximální amplitudy a pokud má membrána všude stejné elektrické vlastnosti.

Z potřeby co nejvyšší hodnoty délkové konstanty vyplývají dvě strategie pasivního šíření impulsu podél axonu:

snížení vnitřního odporu axoplasmy ri zvýšením průměru vlákna. Touto cestou se vydali např. hlavonožci: obří vlákno sépie má až 13 mm (tj. pokles amplitudy vzruchu na cca 1/3 až ve vzdálenosti 13 mm od místa jeho vzniku). nebo zvýšení membránového odporu rm – např. myelinem jako vydatnějším isolantem, než je „jen“ membrána.

Myelinizace a její výhodyMyelinizace a její výhody

Myelin je složitá lipidicko-proteinová substance produkovaná gliovými buňkami (na periferii

Schwannovými b., v CNS oligodendrogliemi).

Proteinové složení myelinu v CNS a PNS se liší: centrální myelin obsahuje zásaditý myelinový protein (MBP) a proteolipidický protein (PLP). Periferní myelin obsahuje MBP a protein nula (P0). Oba obsahují další menší proteiny, nejzajímavější z nich je asi s myelinem-asociovaný glykoprotein (MAG).

MBP je bohatý na kladně nabité zbytky lysinu a argininu. Tím je přitahován k obecně záporně nabitému P-listu membrány; může do ní i zapouštět N-konec a stabilizovat ji tak.P0 je člen superrodiny zahrnující Ig, CAM aj. Jeho extracelulární doména je podobná Ig a interaguje s toutéž doménou P0 v sousední membráně.

• rychleji vedoucí myelinizovaná vlákna umožní vznik složitějších živých organismů schopných rychlejší lokomoce apod.

• na nemyelinizovaném vlákně tekou ionty sodíku dovnitř a draslíku ven po celé délce vlákna, což může při dlouhodobější stimulaci vést ke změnám koncentračních poměrů (u myelinizovaných vláken se tak děje jen v Ranvierových zářezech); myelin navíc „drží“ Na+ IKs a pumpu v místě nodu

• u myelinizovaných vláken netřeba tolik energie na přečerpávání Na+/K+ (snížení spotřeby ATP)

• 20-40% myelin, 60-80% axon

• pochvy z 10 - 160 otáček, tj. až 320 dalších membrán rm a Cm

cytoplasma Schw. buňkybasální membrána

cytoplasma glie

astrocyt

Ranv. zářezaxon

cytoplasma glie

Distribuce sodíkových a draslíkových kanálů

myelinizovanýxh axonech.Sodíkové kanály jsou natěsnány v Ranvierových zářezech (zeleně) a draslíkové kanály (červeně) jsou roztroušeny v paranodální oblasti. Všimněte si, jak se axon v R.z. zužuje.

Periferní myelin

Rychlost vedení zruchů vs. průměr

vlákna

RV… rychlost vedení D… průměr axonu

RV

D

Myelinizovaná vlákna

RV

D

Nemyelinizovaná vlákna RV = k . ri

RV = k . D

D

RV

1 m

Rychlost vedení v myelinizovaných vláknech se pohybuje od několika m/s po víc než 100 m/s. Světový rekord drží myelinizované axony krevet, které vedou rychlostí až 200 m/s. Díky myelinizaci roste membránový odpor a klesá kapacita membrány (čím tenčí vrstva izolantu, tím větší kapacita, neboť jsou větší síly přitahující opačné náboje), čímž se postup vzruchu „nezdržuje“ nabíjením membrány, a navíc je vzruch veden tzv. saltatorně. U nemyelinizovaných vláken je jedinou cestou, jak zvýšit rychlost vedení, zvýšit průměr vlákna, a tím snížit vnitřní odpor axoplasmy ri: ri závisí na průměru vlákna (ri = Ri / a2).

Rychlost vedení RV v nemyelinizovaných vláknech je přímo úměrná druhé odmocnině z axiálního (podélného) odporu vlákna ri a tím i druhé odmocnině z průměru vlákna D (D... diameter):

RV = k . D = D½

resp.

Rychlost vedení RV v myelinizovaných vláknech je přímo úměrná průměru vlákna D:

k = 4,5 pro vlákna menší než 11 mk = 6 pro vlákna větší než 6 m

Obě se protnou v 1 ( 1m) nemyelinizovaná vlákna s průměrem pod 1 m vedou rychleji, tj. vlákna s průměrem pod 1 m jsou u obratlovců zásadně nemyelinizovaná

Podstatou šíření akčního potenciálu (AP) jsou tzv. lokální proudy. Jde o toky iontu od místa vzruchu (AP). Směr toku může být antidromní (zpáteční) nebo orthodromní (dopředný); na vzrušivých membránách je podstatou propagace AP tok dopředný (membrána je v místech, kudy už AP prošel, dočasně nevzrušivá – specifické chování Na+ IKs).

++++++ +++- - -

- - -- - -

( )rm

riλ =

½

Vzdálenost, do které tyto lokální proudy „doběhnou“, závisí na délkové konstantě. Čím vyšší odpor membrány, tím dále se lokální proudy rozšíří s rozumnou amplitudou. I to má své limity: při přílišné myelinizaci by začal převažovat negativní vliv ri a snižování kapacity membrány. Ideální poměr axon : pochva je 0,7.

Tyto lokální proudy protékat přes membránu. V meylinizovaných vláknech mohou ionty protékat skrze membránu jen v Ranvierových zářezech. V axoplasmě tedy dojde k přesunu iontů směrem od místa vzruchu, ale extracelulárně se to může projevit jen v neizolované části – zářezu. Tam dojde k odpovídajícímu toku iontů přes membránu, a tedy k depolarizaci membrány. Akční potenciál „přeskočí“ izolovanou oblast a stejným způsobem se šíří k dalšímu zářezu. Není třeba otevírat kanály po celé délce membrány vlákna. Tomuto způsobu propagace AP se říká saltatorní vedení.

- vlákno hlavonožce o průměru 0,5—1,0 mm – 20 m/s

- vlákno obratlovce o průměru 20 m – 120 m/s plocha tohoto vlákna by se vešla do průřezu vlákna hlavonožce 2500x

- největší vlákna v lidském těle mají průměr okolo 20 m

Při akčním potenciálu šířícím se podél vlákna o průměru 12 m by dovnitř vlákna vtekla až 3% sodných iontů v blízkosti membrány. Tím by byla neúnosně zatížena Na+/K+ ATPasa, pokud by se tak dělo podél celé délky vlákna. Běžná transportní kapacita Na+/K+ ATPasy je asi 200 iontů Na+ přenesených za sekundu z buňky. Ačkoli tento enzym pracuje za běžných okolností v dolní části svých možností, při rychlé a dlouhé salvě APs by takový tok iontů nezvládl. Proto se tak děje jen na malé ploše membrány v Ranvierových zářezech, kde je Na+/K+ ATPasa silně akumulována. Sodné ionty se také pufrují tím, že jsou transportovány axoplasmou mezi nody.

Bezobratlí využívají faktu, že povrch roste s první mocninou poloměru, zatímco objem s druhou. Vlákna s velkým průměrem mají velký objem. Takže ačkoliv axon o průměru 600 m může mít koncentraci sodíkových kanálů až 500 na 1m2 sarkolemy, při akčním potenciálu vteče dovnitř vlákna podél celé jeho membrány sice mnoho sodných iontů, ale vzhledem k objemu axoplasmy to představuje zvýšení intracelulární koncentrace Na+ o jen asi 0,01% .

• prodlužuje délkovou konstantu a tím pasivní elektrotonické šíření lokálních proudů

• zvyšuje amplitudy lokálních proudů v místě Ranvierových zářezů

• napomáhá pufrování vtoku a výtoku iontů v paranodiích (která mohou být díky silné vrstvě myelinu a tím vyšší délkové konstantě poměrně dlouhá)

Myelinizace zvyšuje rychlost vedení myelinizovaných vláken obratlovců několika způsoby:

Membránová teorie bioelektrických jevůMembránová teorie bioelektrických jevů

[xi] je koncentrace (obecného) iontu xi v roztocích I a II, F je Faradayova konstanta (náboj jednoho molu elektronů , asi 96 000 coulombů/mol), a n (nebo někdy z) je valence iontu (např. n=+1 pro K+ a –1 pro Cl-).

Na rozhraní se ustaví elektrochemický potenciál i, jehož velikost je určena dvěma členy. První, logaritmický člen, je odvozen z difusní (osmotické) práce, druhý představuje práci elektrickou, přesun určitého množství nábojů z jednoho do druhého roztoku.

je rozdíl elektrických potenciálů ve voltech, což nás bude zajímat jako MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL.MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL.

VZPOMÍNÁTEVZPOMÍNÁTE?? Přednášky prof. Vyskočila.

Na rozhraní - membráně probíhá přesun elektricky nabitých chemických částic - iontů .

i = RT ln + nF[xi]II

[xi]I

~

Po ustavení klidového membránového potenciálu je difúze iontů do a ven z buňky v rovnováze, takže elektrogenní tok iontů je (teoreticky) nulový. Tok iontů lze popsat pomocí 1. Fickova zákona, který po zahrnutí elektrické složky přechází v Nernstovu-Planckovu rovnici:

= Jj = - SDj d[j]

dx

dnj

dt Jj = - SDj ( )

d[j]

dx

zjFj [j]

RT

ddx

Po ustavení klidového membránového potenciálu a za nulového elektrogenního toku iontu přechází Nernstova-Planckova rovnice v rovnici Nernstovu:

[j]out

[j]in

j = ln RT

nF

je tedy potenciál(ový rozdíl) mezi vnitřkem a vnějškem buňky za stavu, kdy přes membránu neteče žádný difusní proud. Říká se mu též ROVNOVÁŽNÝ POTENCIÁL (s patřičným indexem pro ten který iont: K+ ionty EEKK).

[K+]out

[K+]in

EK = ln RT

nF

Driving forces of ions = hnací síly iontů

Na ionty působí dvě zásadní síly, které ovlivňují jejich distribuci: síly elektrické, které je nutí pohybovat se ve směru jejich elektrického gradientu, a síly chemické, které je nutí pohybovat se ve směru jejich chemického gradientu.

117 Na+

3 K+

120 Cl-

0 A-

12

108

4

116

+ -

+ -

-60 mV

vně buňky uvnitř buňkyout

in

Na+

+ + +

- - -

out

in

Cl-

+ + +

- - -

out

in

K+

+ + +

- - -

tj. x PK =

x PNa =

x PCl =

Proč ionty nedifundují přes membránu tak, aby se jejich koncentrace na obou stranách vyrovnaly (pomineme-li s výjimkou K+ nevalnou propustnost membrány)?Např. K+: ven by „chtěl“ po svém koncentračním gradientu. Když ale difunduje ven z buňky, na vnějším povrchu membrány se zvyšuje akumulace kladného náboje a na vnitřní akumulace náboje záporného. Roste transmembránové napětí. Tento elektrický gradient zpomalí výtok kladně nebitých iontů K+ z buňky, a když je gradient dostatečně velký, čistý tok K+ přes membránu se zastaví úplně. Ionty draslíku jdou v rovnováze. Jednotlivé ionty sem a tam občas procházejí, ale čistý tok K+ je nulový.

chem el.

Klidový mem. potenciál je výsledkem vtoku Na+, výtoku K+

a činnosti Na+/K+ ATPAsy.

Např. pro obří vlákna sépie jsou propustnosti pro Na+

(PNa=PNa/PK), K+ (PK=PK/PK) a Cl- (PCl=PCl/PK) následující:

PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,5

Je zřejmé, že klidová propustnost pro Na+ je zpravidla 25 (1:0,04) až 100 (1:0,01) nižší než pro K+ (jen nepatrný počet Na+ kanálů se v klidu náhodně otevírá). Pro Cl- je propustnost membrány obřího vlákna sépie asi poloviční.

Účast jednotlivých iontů na výsledném klidovém membránovém potenciálu (Em) je dána nejen  poměrem koncentrací, ale poměrem jejich propustností, což vyjadřuje komplexní Goldman-Hodgkin-Katzova rovnice, v níž jsou zavzaty  poměrné propustnosti P jednotlivých iontů, vztažené k PK = 1:

PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i

PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o

Em = ln RT

nF

nebo též Em = 58 log PNa [Na+]o + PK [K+]o + PCl [Cl-]i

PNa [Na+]i + PK [K+]i + PCl [Cl-]o

a protože valence chloridových aniontů je záporné číslo (z = -1), ECl = -58 log [Cl-]o/[C-]i neboli díky pravidlům logaritmování ECl = +58 log [Cl-]i/[Cl-]o. Při srovnatelně stejně vysokých propustnostech klidové membrány pro Cl- a K+ platí v ekvilibriu rovnost příspěvku obou iontů:

po zjednodušení dostáváme vztah známý jako Donnanova rovnováha

[K+]o [Cl-]o = [K+]i [Cl-]i

Konečné koncentrační složení na obou stranách membrány je řízeno, doladěno

Donannovou rovnováhou.

[Cl-]in

[Cl-]out

ECl = ln RT

nF

Tato rovnice vyjadřuje rozdíl (membránových) potenciálů obou iontů, který je důsledkem vzniku elektrické dvojvrstvy na rozhraní obou roztoků s rozdílnými koncentracemi iontů.Z této rovnice vyplývá základní podmínka membránové rovnováhy:

[K+]out

[K+]in

ln RT

F

[Cl-]in

[Cl-]out

= - ln RT

F

117 Na+

3 K+

120 Cl-

0 A-

30

90

4

116

+ -

+ -

-85 mV

vně buňky uvnitř buňky

114 Na+

6 K+

120 Cl-

0 A-

29

91

7,9

112,1

+ -

+ -

-68 mV; rel. obj. 1,035

vně buňky uvnitř buňkyModelová buňka:propustná pro K+ a Cl-, extra- a

intracelulární prostředí je elektricky neutrální a v osmotické rovnováze.

Vliv změny extracelulární koncentrace iontůVliv změny extracelulární koncentrace iontů

Rovnovážné potenciály K+ i Cl- jsou shodné (poměr koncentrací

1:30).U neuronů a mnoha jiných typů buněk je klidový membránový

potenciál citlivý na změny extracelulární koncentrace

draselných iontů, ale ne chloridů. Proč?

dvojnásobná [K+]out

114 Na+

3 K+

60 Cl-

60 A-

30,5

89,5

2,0

118,0

+ -

+ -

-85 mV; rel. obj. 0,98

vně buňky uvnitř buňkypolovič

ní [Cl-]out

114 Na+

6 K+

120 Cl-

0 A-

29

91

7,9

112,1

+ -

+ -

-68 mV; rel. obj. 1,035

vně buňky uvnitř buňky

dvojnásobná [K+]out

3 mM NaCl byly nahrazeny 3 mM KCl (nezmění se osmolarita). Vzrůst [K+]out sníží koncentrační gradient zodpovědný za výtok draslíku, ale elektrický gradient je zpočátku nezměněný. Dovnitř buňky začne vtékat draslík a snižovat záporný náboj na vnitřní straně membrány. Ta se depolarizuje a tím se změní rovnovážný potenciál pro chloridy. Chloridy začnou také vtékat do buňky. Tento vtok trvá až do doby, než se ustanoví nová rovnováha iontů a nový membránový potenciál. Díky vtoku vody se zvětší objem buňky o 3,5%.

114 Na+

3 K+

60 Cl-

60 A-

30,5

89,5

2,0

118,0

+ -

+ -

-85 mV; rel. obj. 0,98

vně buňky uvnitř buňkypolovič

ní [Cl-]out

60 mM chloridů bylo nahrazeno 60 mM membránou neprocházejícího aniontu (nezmění se osmolarita). Pokles [Cl-]out

zvýší koncentrační gradient zodpovědný za výtok chloridů, ale elektrický gradient je zpočátku nezměněný. Chloridy vytékají z buňky a membrána se depolarizuje. Draselné ionty tím už také nejsou v rovnováze a začnou rovněž opouštět buňku. Draslíku i chloridů vyteče z buňky stejné množství, ale vzhledem k původní vysoké [K+]in je koncentrační změna draslíku vcelku zanedbatelná. Proto se membránový potenciál vrátí víceméně zase ke své původní hodnotě.

K+ i Cl- vyteče stejné množství, ale výsledná změna koncentrace vypadá vyšší pro chloridy. Není to tak. Trik je ve změně objemu buňky. Kdyby zůstal stejný, byla by konečná koncentrace Cl - 8,2 (7,9) mM, ale K+ 94,2 (91,0)mM.

Co si pamatovat z dnešní přednášky

- délková konstanta (definice)- vstupní odpor membrány, specifický odpor membrány a axoplasmy- význam časové a délkové konstanty- myelinizace: stavba myelinu, k čemu to je- rychlost vedení v ne- a myelinizovaných vláknech- lokální proudy a saltatorní vedení- Nernstův potenciál a (klidový) membránový potenciál- propustnosti iontů- Donnanova rovnováha- změny extracelulárních koncentrací iontů a membránový potenciál