elektrofyziologie buňky - přednáška pro bakaláře
DESCRIPTION
přednáška pro bakalářeTRANSCRIPT
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 1strana 1
Obsah
Proč mají buňky elektrické vlastnosti
Elektrické napětí a distribuce iontů
Funkce buněčné membrány
Klidový, dendritický a akční potenciál
Chemické synapse
Vzrušivé buňky – neurony a myocyty
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 2strana 2
Elektrické vlastnosti buněk
5000 4000 3000 2000 1000 0
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 3strana 3
Elektrické vlastnosti buněk
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 4strana 4
Molární koncentrace iontů v různých prostředích [mmol/l]
Iont Moře Buňka Plazma
K+ 10 140 4Na+ 500 14 140Cl- 560 4 100Ca2+ 10 0.0002 1.8
Elektrické vlastnosti buněk
Cytoplazma je elektrolyt, tj. může vést el. proud.Cytoplazma je elektrolyt, tj. může vést el. proud.
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 5strana 5
Funkce buněčné membrány
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 6strana 6
Funkce buněčné membrány
Fosfolipidová dvojvrstvaFosfolipidová dvojvrstva
VodaVoda
Proteiny (receptory, kanály, pumpy)Proteiny (receptory, kanály, pumpy)
SteroidySteroidy
GlykoproteinyGlykoproteiny
GlykolipidyGlykolipidy
Plyny(O
2, CO
2)
Plyny(O
2, CO
2)
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 7strana 7
Funkce buněčné membrány - propustnost
Je permeabilní pro- vodu- plyny- minerální soli- aminokyseliny- mastné kyseliny- glycerol
Je permeabilní pro- vodu- plyny- minerální soli- aminokyseliny- mastné kyseliny- glycerol
Není permeabiliní pro- ionty- polární molekuly- velké molekuly
Není permeabiliní pro- ionty- polární molekuly- velké molekuly
Pasivní transportPasivní transport
Aktivní transportAktivní transport
Endo- a exocytózaEndo- a exocytóza
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 8strana 8
Funkce buněčné membrány - transport
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 9strana 9
Funkce buněčné membrány - transport
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 10strana 10
Funkce buněčné membrány - gradienty
Koncentrační (tlakový) gradientKoncentrační (tlakový) gradient
Elektrický gradientElektrický gradient
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 11strana 11
Funkce buněčné membrány - transport
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 12strana 12
El. napětí a distribuce iontů
+
-
Elektrické napětíměříme voltmetremElektrické napětíměříme voltmetrem
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 13strana 13
El. napětí a distribuce iontů
+
-
Ionty působí silouna volné elektronykteré uvedou dopohybu ručku.
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 14strana 14
Elektrické napětí a distribuce iontů
Nernstova rovnice:Nernstova rovnice:
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 15strana 15
Elektrické napětí a distribuce iontů
Buňka Krev Napětí uvnitř buňky
koncentrace [mM] [mM] [mV]
K+ 140 4 135
bílkoviny− 138 9 -129
Na+ 14 140 -133
HCO3− 12 29 17
Cl− 4 116 112
Mg2+ 0.8 1.5 -0.7
Ca2+ 0.0002 1.8 -1.8
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 16strana 16
Vzrušivé buňky
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 17strana 17
Vzrušivé buňky
Neurony
Myocyty sv. kosterní, srdeční a hladké
Receptorové buňky
Fotoreceptory v sítnici oka
Mechanoreceptory v Cortiho orgánu,ve vestibulárním aparátu, v kůži,šlachách, svalech a dalších tkáních
Chemoreceptory v čichovém epitelu, v buňkáchchuťových pohárků a v jiných částech CNS
Termoreceptory v kůži
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 18strana 18
Vzrušivé buňky – Co bylo dřív?
Jako první se zřejmě vyvinuly receptorovébuňky, jež řídily motilitu primitivníchorganizmů poháněných bičíkem.
“Senzorimotorickájednotka”
“Senzorimotorickájednotka”
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 19strana 19
Vzrušivé buňky
Svalové buňky jsou řízeny motoneurony
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 20strana 20
Vzrušivé buňky: vzruch = akční potenciál
buňkamyokardu
buňkamyokardu
neuronneuron kosternísval
kosternísval
2 ms 5 ms 200 ms
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 21strana 21
Klidový potenciál
1939
Za normálních klidových fyziologických podmínekbuňka udržuje potenciálový rozdíl mezi jejím nitrema okolím (tj. buňka funguje jako baterie).Nitro buňky je záporné vzhledem k extracelulárnímuprostoru.
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 22strana 22
Klidový potenciál
Přítomný vevšech buňkách
Typické hodnoty:-40 to -90 mV
0 mV0 mV
-70 mV-70 mV
Zdrojenegativity:
• bílkoviny uvnitř• fosfáty uvnitř• Cl- uvnitř• X+ vně
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 23strana 23
Klidový potenciál – Jak vzniká?
Plazmatická membránaje propustná pro K+
[K+i] = 140 mmol/l
[K+e] = 4 mmol/l
Negativní bílkoviny jsoupředevším uvnitř buňky
K+ je tažen ven ve směrukoncentr. gradientu
Buňka netvoříuzavřený el. obvod
Elektrostatická sílanepřesahuje 2 nm
Velké objemy jsouelektroneutrální
Plazmatická membránaje kondenzátor
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 24strana 24
Klidový potenciál
Nekompenzovanýkladný náboj vně buňky a negativní uvnitř buňky se
shlukuje v blizkosti membrány a tyto opačné náboje se
přitahují přes dvojvrstvu membrány.
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 25strana 25
Klidový potenciál
UE = Q/C
kdeUE je napětíQ je celk. nábojC je kapacita
C = 1 µF/cm2
K vytvoření UE = 100 mV se musí na 1 µm2 membrány nacházet zhruba 6000 iontů.
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 26strana 26
Klidový potenciál
Nernstova rovnice
[K+]o and [K+]i jsou
molární koncentrace vevolném objemu uvnitřa vně buňky; nikoli iontypřitažené k membráně,které jsou to, co vytváří membránový potenciál. [K+]o a [K+]i se prakticky nemění. Membránové jevy (které způsobují velké změny Um) tyto koncentrace neovlivňují.
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 27strana 27
Akční potenciál
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 28strana 28
Akční potenciál
Neurony:-70 to +40 mV
2 ms
Buňky myokardu:-60 to +10 mV
300 ms
Svalová buňka:-95 to +20 mV
5 ms
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 29strana 29
Sodium-potassium pump(Na+/K+-ATPase) reinstatesthe resting potential
3 Na+
2 K+
1 K+90 Na+
20 K+ 10 Na+
1 ATP
-70 mV
Voltage-gated Na+ andK+ ion channels
Na+ Na+
K+ K+
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 30strana 30
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 31strana 31
Akční potenciál – saltatorní vedení vzruchu
10 – 120 m/s10 – 120 m/s
5 - 25 m/s5 - 25 m/s
Schwann cell (myelin)
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 32strana 32
Akční potenciál – rychlost vedení vzruchu
5 m5 m18 m18 m
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 33strana 33
Chemická synapse
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 34strana 34
Chemická synapse - neurotransmise
Presynaptickámembrána
Synaptickáštěrbina
Postsynaptickámembrána
Vápníkovékanály
Receptoryse sodíkovýmikanály
Váčky smediátorem
Ústav fyziologie, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova Copyright © 2013 Luděk Nerad
Elektrofyziologie buňkyElektrofyziologie buňkyNeurofyziologieNeurofyziologiestrana 35strana 35
Konec