Előadás 12 bioelektromos potenciálok
ELŐADÁS 12 bioelektromos potenciálok
1. ionos áramlását a membrán.
2. A potenciális pihenés. Egyenlet Goldman-Hodgkin-Katz.
3. Az akciós potenciál és annak terjedését.
4. Alapvető fogalmak és képletek.
Az élő szervezetekben származnak a különböző elektromos folyamatokat. A működése élő szövetek kíséri elektromos jelenségek. Termelés és elosztás elektromos potenciál - fontos jelenség az élő sejtekben és a szövetekben.
Bioelektromos potenciál - potenciális különbség a két pont egy élő szövet, amely meghatározza az elektromos aktivitását. Biokapacitást van egy membrán jellegű.
12.1. Ionáramait a membránban
Átjutnak a membránon ionáramait, amelyre az egyenleteket a Nernst-Planck egyenlet (11,18):
Einstein azt mutatta, hogy a mobilitás a ionok Um kifejezve a diffúziós koefficiens a D és az abszolút hőmérséklet T: Um = D / (RT), akkor a Nernst-Plank egyenlet válik
ahol a C - koncentrációja ionok; R - egyetemes gázállandó.
Az első közelítésben, akkor feltételezhetjük, hogy a homogén erőtér a membránon belül. Ebben az esetben, dp / dx = fordulat / l, ahol L - a membrán vastagsága, és a fordulat - a potenciális különbség annak felületei, az úgynevezett membrán potenciál. Most az egyenlet Nernst-Planck fog kinézni
Ahhoz, hogy egyszerűsítse a jelölési bemutatjuk az értéke ψ, amely az úgynevezett
Egy rendesen működő cella által támogatott a legkedvezőbb összetételét az ionok. A különbség a koncentráció, a különböző oldalain a membrán ad okot, hogy egy potenciális különbség.
Nyugalmi potenciál - a potenciális különbség a citoplazma és a környezet normálisan működő sejt.
1902-ben, Bernstein azt javasolta, hogy a nyugalmi potenciál miatt a permeabilitása a membrán K + ionok. Nyugalmi, az ion fluxus nulla és egyenlet (12,5) a következő alakú:
Potenciális képlet definiálja (12,7), az úgynevezett egyensúlyi potenciálja. Végrehajtott számítások szerint ez a képlet jelentősen eltér a kísérleti adatok alacsony koncentrációban K +. Ez azt jelzi, hogy „a kálium” elmélet hibás lehetséges.
A helyhez kötött potenciál a Goldman-Hodgkin-Katz
Ennek oka az az eltérés a egyensúlyi potenciálja a kísérleti adatokat a permeabilitása a membrán és egyéb ionok, amelyek hozzájárulnak a kialakulását a membrán potenciál. A fő hozzájárulása a teljes áramlás függvényében díjak, és ezért, hogy a létrehozása és fenntartása a nyugalmi potenciál, továbbá a K + ionok teszik Na +. Cl -. A teljes sűrűsége az áramlás ezen ionok összhangban a karakter
„-” jel előtt Jel - jelzi a negatív töltés.
Az egyensúlyi állapot (amikor a rendszer paraméterei nem változtak), a teljes fluxus sűrűsége nulla, azaz a különböző számú áthaladó ionok egységnyi idő a membránon keresztül a cella, egyenlő az ionok száma kilépő a sejt a membránon keresztül: J = 0
Itt, a nehézségek elkerülése érdekében az indexelés, hogy jelezze a koncentráció, ha a használt betűk helyett zárójelben: [] i és a [] 0 - megfelelő koncentrációban ionok belül és a sejten kívül.
Nyilvánvaló, hogy a egyensúlyi potenciáljának képletű (12.7) kapunk az álló potenciális képletű (12,9) RNS = 0 és PC1. = 0 így az egyenlet Goldman-Hodgkin-Katz jelentősen finomítja elméletet Bernstein.
Sok az információ a neurális sejtek nyert a tanulmány a tintahal axon elérve a közel mm vastagságú. Annak elszigetelt idegrostok hosszú ideig megtartják azt a képességüket, hogy idegi impulzusok. Kiszámítjuk a rögzített membrán potenciál tintahal axon sejteket. A számítás általános képletű (12,9) helyett permeabilitási koefficiensek használhatja a közöttük fennálló arány, amely axon által kifejezett, a következő számok:
koncentrációértékek alább.
Amely vállalja elég jól az értékét empirikusan határozzuk meg.
12.3. Az akciós potenciál és a szaporítás
Minden élő sejtek hatására különböző ingerekre izgatott. Amikor izgatott a potenciális különbség a sejt és a környezet megváltozik, mivel az elektromos impulzus fordul az akciós potenciált. Az általános változása a potenciális különbség a membránon keresztül, amely alatt történik a gerjesztés sejtek meghatározza az akciós potenciál.
Az akciós potenciál - a potenciális különbség a citoplazma és a környezetre a gerjesztés.
A mechanizmus az akciós potenciál mentén idegrostok tartják során normális fiziológiáját. Ebben természetesen figyelembe vesszük néhány fizikai vonatkozásait ezt a folyamatot, amely ábrán látható. 12.1.
Pulse terjedési állapot változása határozza meg a membrán. A nyugalmi állapotban (ábra. 12.1 és) aktív transzporttal K + ion koncentrációja a membrán sokkal magasabb
(36-szor), mint a külső közegben. A Na + -ionok átellenes (az a koncentráció ionok Na + a membránon kívül 6-szor nagyobb, mint belül). Ahol a belső membrán felületén negatív töltésű. Gerjesztés hatására fog történni.
1) elején növelte a membrán permeabilitás ionok Na +.
Nátrium-csatornák nyílnak csak izgatott. Na + ionok szerepelnek a membránon keresztül a cella, amelynek belső felülete a membrán megváltoztatja töltést „-” a „+”, azaz a van a membrán depolarizációját eredményezi (ábra. 12.1, b). rövid idő (0,5-1 ms) nátrium-csatorna nyitva van. Ezalatt az idő alatt van egy változás a membrán potenciál -60 és +30 mV (90 mV érték a pulzus generáció).
2) A impulzusokat előállító nátrium csatorna zárja és nyitja a káliumcsatorna. K + ionok találhatók részben kívül (hagyhatja el a sejtet), amely elvezet a csökkentését negatív töltés a belső oldalán a membrán (ábra. 12.1). Pulzus során a membrán vezetőképességét növeljük 1000-szer. Teljes idő generálására egy impulzust keresztül négyzet mikronos szál felület húzódik 20000 nátrium és a kálium-ionok.
3) jön refrakter periódust. A membrán nem érzékelik pulzus és visszatér a fő fiziológiai állapot (ábra. 12,1 g).
Így a membrán valamennyi faj ionok (elsősorban nátrium- és kálium) saját csatornát, tartózkodik a nyitott vagy zárt állapotban függően elektromos potenciál a membrán. Ennek köszönhetően az elrendezéssel lehetséges, hogy gyors áramlását ionok a membránon keresztül, és ennek következtében, a gyors változás a potenciális különbség a cella és a környezetet.
Ion csatorna először írta le R. McKinnon. Csatorna áll külső és belső üregek elválasztva egy szűrő (ábra. 12.2).
Között a belső test üregébe, és a sejtek kapuk. A szűrő úgy van elrendezve, művészien. Általában, a kálium-ion vagy nátrium-mozog körülvevő sejtek tápközege hidratált formában van csatlakoztatva „coat” a négy vízmolekulák. A szűrő is tartalmaz
négy oxigénatom, amely abban az esetben, például, kálium-csatorna található pontosan azonos távolságra egymástól, ahol a vízmolekulák körül helyezkednek káliumion. Miután a szűrő, ez az ion helyettesíti a kabátot, és nem is veszi észre. Ha az ion egy különböző méretű, mint például egy kis nátrium-ionok, majd átadja azt nem lesz lehetséges: a víz kabát nem kiakasztani és zavarja. Ami a kapu, nyitva vannak, mint a változások eredményeként a protein-szerkezetben. Ez a változás történik változásra reagálva az elektromos potenciál a membrán.
Összehasonlítása a nyugalmi potenciál és az akciós potenciál
Gerjesztés hatására a membrán megváltoztatja a szelektív permeabilitás: a permeábilis elsősorban K + áteresztővé válik membrán főleg A Mivel a nátrium-kívül több, arra törekszik, befelé és újratölti a membrán.
12.1 táblázat összehasonlítását mutatja mind potenciálok bizonyos tényezők.
12.1 táblázat. Összehasonlítása a nyugalmi potenciál és az akciós potenciál
Amikor membrán depolarizációját áramok keletkeznek, zárható keresztül a külső vezető közeg. Között izgatott, és gerjesztett részletekben idegrostok elektromos áram, mivel a gerjesztett része a belső felület egy pozitív töltés, míg a gerjesztett - negatív, és egy potenciális különbség közöttük. Ez az áram szolgál helyi irritálja a gerjesztett idegrost régiók közvetlenül szomszédos a helyén vált ki. Azt is felmerül gerjesztés, azaz akciós potenciál (vagy depolarizáció), és így tovább. Sejtfelszíni lokalizált áram folyik a gerjesztett részletben a gerjesztett; folyik az ellenkező irányban a sejten belül. Helyi aktuális például az elektromos áram és semmilyen zavaró szomszédos gerjesztett részek, és növekedést okoz membrán permeabilitását. Ez vezet akciós potenciálok szomszédos szakaszok. Ugyanakkor, a korábban izgatott rész regeneratív folyamatok zajlanak repolarizáció. Re izgatott része viszont válik töltésű, és van egy aktuális helyi irritálja őt a következő részben. Ez a folyamat ismétlődik sokszor
és meghatározza a terjedését impulzusjelekkel a cella hossza mindkét irányban.
A folyamat terjedése az akciós potenciál sokkal lassabb, mint a helyi elektromos áram folyik.
A gerincesekben növelik a sebesség terjedési gerjesztés érhető mielinizáció szálak (myelinhüvelyes rostok). A rost borítja myelinburok. A héj vastagsága egység mikron. A mielin - szigetelő. A diffúziós ionok révén a mielinhüvely nem lehetséges. Ezért, a szálak az akciós potenciál generációs koncentrált csak ott, ahol a mielinhüvely hiányzik. Ezek a helyek a membránban nevezik csomópontok Ranvier (vagy aktív csomópontok). A területen a lehallgatást a membrán érintkezik a extracelluláris oldatban. lefoglaló hossza 2 m. A lehallgatott elfogás (szakaszosan), idegi impulzusok keresztül továbbítják a forgalmat helyi áramlatok. A lop számla 0,02% a teljes hossza a idegrost.
12.3 ábra egy vázlatos rajz terjedési gerjesztés mentén idegrost a csomópontok Ranvier.
A mielin szigetelési ellenállás egy nagy - százszor nagyobb, mint a tintahal axon membrán ellenállás és kapacitás - százszor kisebb. Az eredmény egy nagyon jó „kábel”, de interception csatornákkal és szivattyúk jár, mint a jelenlegi forrás. Ha hozol egy lehallgatás, a jelenlegi generál szinte semmilyen veszteség eléri a következő lehallgatott. Jelenlegi, jön a következő lehallgatott, izgatja okozza a megjelenése a helyszínen az akciós potenciál, és a folyamat eloszlik a rost. Ez vezetési gerjesztés az úgynevezett „ugrás”. impulzus
gyorsan ugrik az egyik a másikra lehallgatás, kiadások a különbség a lehallgatások csak néhány századmásodperc ezredmásodperc (50-70 ms). Energia költségek az ilyen jel terjedési sokkal kisebb, mint a demielinezett szál, mivel a teljes mennyiségű nátrium áthaladó ionok a membránon a régióban a lehallgatás, lényegesen kisebb, mint ha azokat áthaladó a membrán felületén.
Megsértése a mielinhüvely vezet zavar az akciós potenciál terjedési mentén idegrostok (súlyos idegi betegség). A tanulmány a terjedési szingularitásoknak biokapacitást természetesen fontos a számos területen az orvostudomány.
A terjedési sebessége gerjesztés sima demieiinezett idegrostok arányos a négyzetgyöke a sugár v
√R. Ezért lábasfejűek választotta, hogy növelje a sugara a idegrost, forgalomba óriás axonok.
A gerinctelen terjedési sebessége az akciós potenciál 20-30 m / s.
Terjedése az akciós potenciál az idegrost nevű gerjesztés. Ez a hullám nem csillapodik, mint kihúzza az energiát a környezet - a feltöltött membrán. Autowaves gerjesztés van aktív közegében ingerelhető sejtekben.
12.4. Fogalmak és a Formula
1. Számítsuk ki az egyensúlyi membránpotenciál által generált ionok K +, elhanyagolható permeabilitása ionok Na + és a C1 -.
2. Meddig tart egy akciós potenciál terjedése az egyenlő távolság S = 10 cm, figyelembe forgalmazási sebesség v = 20 m / s?
t = S / v = 0,1 / 20 = 5 × 10 -3 másodperc. Válasz: t = 5 × 10 -3 másodperc.
3. Figyelembe Ci / Co = 100, a hőmérséklet T = 300 K, hogy megtalálják a nyugalmi potenciál egy vegyértékű ion (| Z | = 1).
4. Határozza meg, hogy mennyi az egy vegyértékű ionok kell mozdulnia a citoplazmában a sejtmentes környezet létrehozása nyugalmi potenciál fordulat ≈ 120 mV? Vegyük sejtfelszíni területen S = 10 -9 m 2; fajlagos villamos kapacitása a membrán (egységnyi terület) Bíróság 10 -2 = F / m 2.
a) E = Δφ / h = 10 7 V / m.
b) még egy kis csökkenést az a membrán vastagságának növekedéséhez vezet a feszültség E és okozhat elektromos meghibásodások, azaz membrán károsodás és sejthalál. Ez a mechanizmus a fejlesztési különböző patológiás állapotok érintő a membrán (lipidek peroxidációját, amikor hatása alatt sugárzás, UV-sugárzás, miatt karcinogenezis, stb).
Válasz: a) E = 10 7 V / m.