alapjelenségek Szívelektrofiziológiai

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek

1.

Dr. Tóth András

2018

Témák

• Membrántranszport folyamatok

• Donnan egyensúly

• Nyugalmi potenciál

1 Transzmembrán transzport

A membrántranszport-folyamatok típusai

J: diffúziós fluxus A: felület

dc/dx: koncentráció gradiens

D: diffúziós állandó (D: cm²/s)

Fick első (diffúziós) törvénye

dx A dc

D J

x DA c

J

dx DA dc

J





 







A diffúzióhoz szükséges időtartam a diffúziós távolság függvényében négyzetesen változik

Fick törvénye membránra

x K D

x DA c

J

x DA c

J

 



 





 







Transzmembrán diffúzió kinetikája

: particiós koefficiens K: permeabilitási tényező

Az ozmotikus diffúzió alapelve

A facilitált diffúzió mechanizmusa

Ioncsatornán keresztüli transzport (facilitált diffúzió!!!) szabályozásának alapelve

A Na⁺/K⁺-ATPáz aktív traszportjának működési sémája

Másodlagos aktív transzportfolyamatok

A protein-mediált transzport szaturációs kinetikája

Michaelis-Menten egyenlet

V_max: maximális transz- port sebesség

K_m: szubsztrát koncent- ráció, melynél a transzport sebes- sége = V_max/2

Kérdés ^:

Mi az elvi különbség az alábbi három iontranszporter között?

1.

Nátrium-kalcium kicserélő 2. Nátrium-hidrogén kicserélő

3. A szarkolemma kalcium pumpája

2 Ionegyensúly

   

^

^

A

zF E E

X RT X

zFE C

RT o



















ln

ln







Az elektrokémiai potenciál(különbség)

A Nernst egyenlet levezetése

    ^{ }

   

   

 

B A

B A B

A

B A

B A

X X zF

E RT E

X RT X

E E

zF

E E

X zF RT X

an Egyensúlyb































ln

ln

ln

0

   

lg 60

B A

X

X

mV X

E





Egyértékű kationra

Z = 1

Kérdés:

Mit értünk egy adott ion egyensúlyi

potenciálján ?

Lássuk, hogyan használható a Nernst egyenlet ionmozgások vizsgálatára diffuzibilis ionok

esetén:

A B

0.1 M K⁺

0.01 M K⁺

E_A – E_B = -60 mV

A Nernst egyenlet alkalmazásai 1.

0.1 M HCO₃^-

E_A – E_B = +100 mV A B

1 M HCO₃^-

Fenn áll-e az egyensúly valamelyik esetben ?

A B

0.1 M K⁺

0.01 M K⁺

E_A – E_B = 60 mV

A B

–60 mV-nál a K⁺ elektrokémiai egyensúlyban van a membrán

két oldalán

Nincsen elektromos hajtóerő !!!

+ + + + + + + –– –– –– –

A Nernst egyenlet alkalmazásai 2.

1 M HCO₃^-

0.1 M HCO₃^-

A B

0.1 M K⁺

0.01 M K⁺

E_A – E_B = -60 mV

A Nernst egyenlet alkalmazásai 3.

E_A – E_B = +100 mV ++

++ ++ ++

A B

–– –– –– ––

-60 mV-nál a a membrán két oldalán a K⁺ ion egyensúlyi

állapotban van

Nincsen elektromos hajtóerő

Ennél a membrán-feszültségnél a HCO₃^- ion nincsen elektrokémiai

egyensúlyi állapotban

Elektromos hajtóerő:

+40 mV

++ ++ ++ ++ –– –– –– ––

0.1 M HCO₃^- 1 M

HCO₃^-

Lássuk, mi történik akkor, ha a membrán legalább

egy ionra NEM permeábilis:

A B

[K⁺] = 0.1 M

[P^-] = 0.1 M

[K⁺] = 0.1 M [Cl^-] = 0.1 M

A B

[K⁺] = [Cl^-] =

[P^-] = 0.1 M

[K⁺] = [Cl^-] =

Kiindulási állapot

A Gibbs-Donnan egyensúly kialakulása 1.

1. Az elektroneutralitás elvének érvényesülnie kell !

2. Az elektrokémiai potenciál minden diffuzibilis ionra zérus kell hogy legyen ! (Ez nem diffuzibilis ionra nem teljesül !!!)

Egyensúly

?

A B

[K⁺] = 0.1 M

[P^-] = 0.1 M

[K⁺] = 0.1 M [Cl^-] = 0.1 M

A B

[K⁺] = 0.133 M [Cl^-] = 0.033 M

[P^-] = 0.1 M

[K⁺] = 0.066 M [Cl^-] = 0.066 M

Kiindulási állapot Egyensúlyi állapot* (!?)

A Gibbs-Donnan egyensúly kialakulása 2.

1. Az elektroneutralitás elve érvényesül !!!

2. Az elektrokémiai potenciál K⁺-ra és Cl^--ra zérus !!!

3. * Tehát minden OK?

A B

[K⁺] = 0.1 M

[P^-] = 0.1 M

[K⁺] = 0.1 M [Cl^-] = 0.1 M

A B

[K⁺] = 0.133 M [Cl^-] = 0.033 M

[P^-] = 0.1 M

[K⁺] = 0.066 M [Cl^-] = 0.066 M

Kiindulási állapot „Egyensúlyi” állapot

Gibbs-Donnan egyensúlyban a membrán két oldala között jelentős hidrosztatikus nyomásgradiens alakul ki

(A nyomásokra nem áll fenn az egyensúly !!!)

 ^P

= 2.99 atm !!!

Kérdés:

Mikor van Gibbs-Donnan egyensúlyban egy

élő sejt membránja?

3 Nyugalmi potenciál

A „koncentrációs elem” működési elve 1

A B

0.1 M NaCl

0.01 M NaCl

Ha a membrán kationra permeábilis, de anionra nem, kation áram szükséges az egyensúly kialakulásához !!!

A „koncentrációs elem” működési elve 2

A B

+ + + + + + + – – – – – – –

Elektrokémiai egyensúlyban

E

– E

= - 60 mV

Na

0.1 M NaCl

0.01 M NaCl

Kérdés:

Mennyi Na

ionnak kell átvándorolnia a membránon az egyensúly eléréséhez?

Válasz?

Nagyon-nagyon kevés? Nagyon kevés? Igen kevés?

Közepes? Igen sok? Nagyon sok? Nagyon-nagyon sok?

Lássuk, hogyan modellezhetők az élő

sejtek ”multi-ion” koncentrációs elemmel:

Kísérletesen meghatározott intra- és extracelluláris ionkoncentrációk és nyugalmi membránpotenciál

A nyugalmi membránpotenciál egyszerűsített modellje humán vázizomra

mV P

mV mV mV

Na

70 E

4)

0 Prot

3) P ) 2

-

- 150

Prot

70 - 125

10

Cl

90 - 5

150 K

0 6 150

15

Na

E (mM)

EC (mM) IC

1)

m K 100 - -

eq



















-70 mV

Cl^- Na⁺

cc cc

cc

E E

E

K⁺

































 



K m K

K

Na m Na

Na

Cl m Cl

Cl

g E

E I

g E

E I

g E

E I

g R R

I U

) (

) (

0 )

(

1

A „chord konduktancia” egyenlet egyensúlyi feltételei

A nyugalmi potenciál elméleti becslése 1.





























 

 













Na Na

K

Na K

Na K

K m

K m K

Na m Na

K Na

g E g

E g g

g E g

g E

E g

E E

I I

) (

) (

0





 

 

Na

m

E

E

E 100 1

1 1

100 100

+6 0

0

-70 -90

Na⁺

K⁺ E_m

A „chord konduktancia” egyenlet

Amikor: g

= 1 & g

= 100

A „constant field” (Goldman-Hodgkin-Katz) egyenlet

o pCl

i pNa

i pK

i pCl

o pNa

o pK

m

k K k Na k Cl

Cl k

Na k

K k

F E RT

] [

] [

] [

] [

] [

]

ln [













 

A nyugalmi potenciál elméleti becslése 2.

A nyugalmi potenciált kialakító főbb tényezők

C

Kérdés:

Melyek az alapvető feltételei stabil membrán-

potenciál kialakításának és fenntartásának?

1. Elkülönült ion kompartmentek

2. A membrán szelektív permeabilitása 3. Ion koncentráció gradiensek

4. Energia ellátás és ion transzporterek

Válasz:

Szívsejtek

A nyugalmi potenciál szívizomban is erősen [K⁺] függő kell, hogy legyen

A nyugalmi potenciál valóban nagymértékben [K⁺] függő szívizomban (mért: Vm, illetve számított: E_k görbék)

Kérdés:

Miért lehet a nyugalmi potenciál értéke –30 mV egyes sejtekben (pl. vvt), míg más sejtekben (pl.

szívizomsejt) –90 mV?

Kérdés

Melyek a membránpotenciál aktuális értékét

meghatározó tényezők?

Válasz

1.

A monovalens kationok koncentrációgradiense 2. A membrán szelektív permeabilitása kationokra 3. Az intracelluláris, nem permeábilis anionok

koncentrációi

Folytatás következik!