Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Hasonló dokumentumok
Sejtek membránpotenciálja

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Membránpotenciál, akciós potenciál

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Nyugalmi és akciós potenciál

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

Potenciálok. Elektrokémiai egyensúly

Az ingerületi folyamat sejtélettani alapjai

Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Biofizika szeminárium

Elektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Membránszerkezet. Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Folyékony mozaik modell. Membrán-modellek. Biofizika szeminárium

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektromos ingerelhetőség. A membránpotenciál mérése. Panyi György

BIOFIZIKA. Membránpotenciál és transzport. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

Az idegsejt elektrokémiai és

MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNPOTENCIÁL, AKCIÓS POTENCIÁL. Biofizika szeminárium

A membránpotenciál. A membránpotenciál mérése

Egy idegsejt működése. a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál

a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál. Nyugalmi potenciál. 3 tényező határozza meg:

Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása. A patch-clamp technika

Érzékszervi receptorok

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

NÖVÉNYGENETIKA. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Transzportfolyamatok

Biológiai membránok és membrántranszport

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Elektromos ingerlés ELEKTROMOS INGERLÉS. A sejtmembrán szerkezete. Na + extra. Elektromos ingerlés:

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Ahonnan letölthető az anyag (egy része):

Membránok, nanopórusok, ioncsatornák és elektrokémiai kettősrétegek tulajdonságainak vizsgálata számítógépes szimulációkkal

Az akciós potenciál (AP) 2.rész. Szentandrássy Norbert

Vezetők elektrosztatikus térben

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Membrántranszport. Gyógyszerész előadás Dr. Barkó Szilvia

Egy idegsejt működése

Kevéssé fejlett, sejthártya betüremkedésekből. Citoplazmában, cirkuláris DNS, hisztonok nincsenek

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Gyógyszerészeti neurobiológia. Idegélettan

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Szigeti Gyula Péter. Homeosztázis

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

A Sejtmembrán Szerkezete, Nyugalmi Membránpotenciál

Reakciókinetika és katalízis

Kémiai alapismeretek 11. hét

ORVOSI BIOFIZIKA. Damjanovich Sándor Mátyus László QT Szerkesztette

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

zis Brown-mozg mozgás Makromolekula (DNS) fluktuáci Vámosi György

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Megoldás: A feltöltött R sugarú fémgömb felületén a térerősség és a potenciál pontosan akkora, mintha a teljes töltése a középpontjában lenne:

A sejtek membránpotenciálja (MP)

A nyugalmi potenciál megváltozása

6 Ionszelektív elektródok. elektródokat kiterjedten alkalmazzák a klinikai gyakorlatban: az automata analizátorokban

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA A BIOLÓGIAI MEMBRÁNOK 1. kulcsszó cím: MEMBRÁNOK

Elektromos alapjelenségek

Szerkezet és funkció kapcsolata a membránműködésben. Folyadékkristályok típusai (1) Dr. Voszka István

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Első rész

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektrotónusos potenciálok. - Ionális mechanizmusok -

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Nyugalmi potenciál, akciós potenciál és elektrotónusos potenciálok. - Ionális mechanizmusok -

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

NÖVÉNYGENETIKA. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Az élet alapvető sajátosságai Élőlények kapcsolata a környezettel. Információk feldolgozása. Ingerületi folyamatok (definíciók)

4. BIOMEMBRÁNOK Membránon keresztüli transzport A passzív diffúzió. megszűnik. Energiaforráshoz való csatolás

Szerkezet és funkció kapcsolata a membránműködésben. Folyadékkristályok típusai (1) Dr. Voszka István

térrészek elválasztása transzport jelátvitel Milyen a membrán szerkezete? Milyen a membrán szerkezete? lipid kettısréteg, hidrofil/hidrofób részek

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

1. Kolorimetriás mérések A sav-bázis indikátorok olyan "festékek", melyek színüket a ph függvényében

EHA kód: f. As,

EA. Elektrokémia alap mérés: elektromotoros erő és kapocsfeszültség mérése a Daniell cellában, az EMF koncentráció függése

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Elektrokémia B01. Mi a ph? Láng Győző. Kémiai Intézet, Fizikai Kémiai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Budapest

Homeosztázis A szervezet folyadékterei

Redox reakciók. azok a reakciók, melyekben valamely atom oxidációs száma megváltozik.

A reakció szabadentalpia definíció egyenletébe

Átírás:

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Biológiai membránok passzív elektromos tulajdonságai. A sejtmembrán kondenzátorként viselkedik -lipid kettősréteg nagy elektromos ellenállás (~10 3-10 9 Ωcm), jó szigetelő -jó vezetőképességű vizes oldatok a membrán két oldalán A biológiai membránok kapacitását felületegységre vonatkoztatva szokták megadni (normál érték 0.4-1.0 μf/cm 2 ) anion ( ) kation ()

Biológiai membránok passzív elektromos tulajdonságai. 7 nm figyelembe véve a membrán vastagságát (7 nm) és a kb. 70 mv transzmembrán potenciált az elektromos térerősség ~10 5 V/cm (EU/d). Ez egy igen jelentős elektromos térerősség! relatíve kis mértékű töltésszétválasztás elegendő jelentős potenciálkülönbség kialakításához: QCU 1.0 μf/cm 2 70 mv 7 10 8 C/cm 2 anion ( ) kation () 1 M ion töltése ~96500 C, így 7 10 8 C/cm 2 megfelel ~10-12 mol ion/ cm 2 nek. Ez az érték elhanyagolható az élő sejtek iontartalmához képest.

Kiegészítés (#3 diához) r5 μm V cell 4 r 3 π/3 5.233 10 13 L [K 150 mmol/l azaz a sejtben 7.85 10 14 mol K ion van A cell 4 r 2 π 3.14 10 6 cm 2 7.85 10 14 mol K /3.14 10 6 cm 2 2.5 10 8 mol ion/ cm 2 maximális ionsűrűség produkálható. 70 mv transzmembrán potenciál 10-12 mol ion / cm 2 ion sűrűséget igényel csak!

A biológiai membránok (pl. citoplazma membrán) két oldalán az ionösszetétel és az ionkoncentrációk jelentősen különböznek on [extracelluláris mm [intracelluláris mm Na 140 10-20 K 5 140-150 Ca 2 1-2 10 4 Különböző sejtek nyugalmi membránpotenciáljának (E m ) összehasonlítása PD E m Ψ i Ψ o Ψ i Ψ o Neuron Vázizom Szívizom vvt T limfocita 70 mv 80 mv 80 mv 11 mv 50 mv

Egyenlőtlen ioneloszlás az extra- és intracelluláris térben Szelektív permeabilitás transzmembrán ion fluxusok membránpotenciál

konstans memránpotenciál feltétele az, hogy NE legyen nettó töltésáramlás a membránonm keresztül A nettó fluxus nulla mindegyik permeábilis ionra: K Nem nulla nettó fluxus a permeáló ionokra, viszont a töltésáramok előjeles összege nulla Na K Termodinamikai egyensúlyi potenciál Donnan potential Egyensúlyi potenciál, Nernst egyenlet K Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet

Termodinamikai egyensúlyi potenciál: A Nernst egyenlet levezetéséhez használható modell

K : 0.1 M Cl : 0.1 M K : 0.01 M Cl : 0.01 M T22 o C side. side. A permeábilis ionok elektrokémiai potenciálja (K ) : K μ K μ 0 RTlncK zfψ Egyensúly esetén a permeáló ionok elektrokémiai potenciáljának azonosnak kell lenni a két térrészben : Δμ K RTln[K RTln[K zf(ψ ψ) 0 Δμ [K RT [K RTln zfδ Ψ 0 ΔΨ ln 59 mv [K zf [K K

A termodinamikai egyensúlyi potenciál összefoglalása a Nernst egyenlet értelmezése 1, A potenciálkülönbség a permeábilis ionok diffúziójának következménye ( diffúziós potenciál). 2, a Nernst egyenletből számítható potenciál különbség alakul ki ha a membrán csak egy ionfajta számára átjárható (szelektív permeabilitás, esetünkben K, ΔΨE K ) 3, Ha a membránpotenciál egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljával, akkor nincs nettó ion fluxus. Termodinamikai egyensúly: a diffúziót a felépülő elektromos tér ellensúlyozza, nincs nettó ionáram, az ellenkező irányú ionfluxusok egyenlőek. Az elektroneutralitás elvének teljesülnie kell a két térrészben lévő oldatokra. A felépülő elektromos tér a membrán felszínére lokalizálódó igen kis mértékű töltés szétválasztás eredménye. Az. térrész felől kis mértékű Cl míg a. térrész felől kis mértékű K felhalmozódás történik.

Biológiai jelentőség. 1, Ha a membrán csak egy ion számára permeábilis, és az adott ion koncentrációja különböző a membrán két oldalán, akkor a Nernst egyenlet adná meg a membránpotenciált on [x i [x o E x K 140 5 89 mv Na 10 140 70 mv Cl 5 100 80 mv E x RT zf (T 37 o C) [ x ln [ x i o 2, Ha a membránpotenciál egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljával E x, akkor nincs nettó ion fluxus.

Biológiai jelentőség. Ezzel szemben élő sejtekben: 1, A membrán számos ion számára átjárható az egyik ionfajta által létrehozott elektromos kettősréteget más ionok fluxusai lerontják, a diffúziós potenciál nem lenne tartós. 2, A biológiai membránok nincsenek termodinamikai egyensúlyban, nettó ionáram folyik át a membránon annak nyugalmi állapotában is. 3, A sejtek elektromos ingerelhetősége a membránpotenciál gyors változását jelenti. A Nernst egyenlet azonban csak az extra- és intracelluláris ionkoncentrációk drámai megváltozása esetén ad membránpotenciál változást. Ez szöges ellentétben áll a sejtek homeosztázisával.

Diffuziós potenciál, (E diff ), Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet 1, Az élő sejtek membránpotenciáljához a legnagyobb hozzájárulást a Goldman-Hodgkin-Katz egyenletből számítható diffúziós potenciál adja (E diff ). 2, A legnagyobb különbség a Nernst egyenlethez képest az, hogy az E diff NEM termodinamikai egyensúlyi potenciál. 3, A membránon átfolyó ionáramok összege nulla, de az egyes ionok fluxusa külön külön nem nulla. 4, A GHK egyenlet levezetése igen bonyolult, az ion fluxusokat leíró kinetikai egyenletek ismerete szükséges.

Extracelluláris tér [c o dψ l ntracelluláris tér [c i J E J diff zuc D dψ dx dc dx cd pδc Fz RT dψ dx Fluxus járulék koncentráció gradiesns miatt Fluxus járulék E potenciál gradiesns miatt J J diff J E dc D dx Fz RT c dψ dx JFz dc zfd dx Fz RT c dψ dx Áramsűrűség

JFz dc zfd dx Fz RT c dψ dx A fenti egyenlet megoldható (integrálás a membrán teljes vastagságára, l). Az eredményül kapott egyenlet az s ion áramsűrűségét adja meg a permeabilitási állandó (p s ) töltés (z s ) intra- és extracelluláris koncentráció (s i és s o ) transzmembrán potenciál (E m ) függvényében. Ha három ionfajtát veszünk figyelembe (K,Na és Cl ) és megoldjuk az K Na cl 0 feltétel mellet az egyenletrendszert akkor a diffúziós potenciált megadó GHK egyenlethez jutunk: dψ E m RT Fz ln p p K K [K [K i o p p Na Na [Na i [Na o p p Cl Cl [Cl o [Cl i

Az GHK egyenlet legfontosabb üzenete: E diff az ion koncentrációktól és a membrán adott ionokra vonatkozó relatív permeabilitásától függ. [K o (mm) 1 10 100 0 E m (mv) -20-40 -60-80 -100 P Na /P K 0.2 0.1 0.05 0.01 [K i 150 mm [Na i 15 mm [K 0 [Na 0 154 mm -120-140 0.001 E m RT zf [K ln [K i o P P P P Na K Na K [Na [Na i o

Termodinamikai egyensúlyi potenciál:donnan potenciál t0 Na :100 mm A : 100 mm. térrész Na :100 mm Cl : 100 mm. térrész t Na :133 mm Cl : 33 mm A : 100 mm. térrész Na :67 mm Cl : 67 mm. térrész

Na :133 mm Cl : 33 mm A : 100 mm Na :67 mm Cl : 67 mm. térrész A permeábilis ionok elektrokémiai potenciálja:. térrész μ i i μ0 zfψ Egyensúly esetén a permeáló ionok elektrokémiai potenciáljának azonosnak kell lenni a két térrészben : Δμ Na RTln[Na RT ln[na RTlnc i zf( ψ ψ ) 0 Hasonlóan Cl -ra Δμ Na [Na RTln [Na zfδψ 0 RT [Na ΔΨ ln zf [Na RT [Cl ΔΨ ln zf [Cl

Mi határozza meg a Donnan potenciált? 1, [Na [Na [Cl [Cl r, azaz [Na [Cl [Na [Cl 2, Teljesülnie kell az elektroneutralitás elvének a két térrészben lévő oldatokra: [Na [Cl c [Na [Cl [A 1, és 2, kombinációjával : [ Na [ Na r [ A 4c 2c 2 [ A 2 RT [ Na ΔΨ ln zf [ Na RT zf ln r

Hogyan lehet meghatározni az ionok egyensúlyi koncentrációját? 1, Kiindulás az elektroneutralitás elvéből: [Na 100 mm x [Na 100 mmx [Cl 100 mm x [Cl x 2, felhasználva [Na [Cl [Na [Cl az egyenlet megoldható x-re (100 x) x (100-x) (100-x) x 33.3 Equilibrium koncentrációk: Térrészenkénti össz ion: [Na 67 mm : 100 mm A [Na 133 mm 133 mm Na [Cl 67 mm 33 mm Cl [Cl 33 mm : 67 mm Na 67 mm Cl RT [Na ΔΨ ln zf [Na RT [ 133 ln zf [ 67 18 mv

A Donnan ekvilibriumra vonatkozó fontos megállapítások : A. térrészben található nem permeábilis ionok jelenlétének következménye [ Na [ Na r [ A ahol A a protein anionok koncentrációja és c az ionok egyensúlyi koncentrációja az. térrészben Metabolikus energia felhasználása nélkül, aktív transzport hiányában is kialakul A potenciál különbség mértéke k.b. -20 mv A potenciál különbség a membrán felszínére lokalizálódó igen kis mértékű töltés szétválasztás eredménye. A. térrész felől kis mértékű Cl míg az. térrész felől kis mértékű Na felhalmozódás történik. Termodinamikai egyensúlyról van szó, a nettó fluxus nulla. A permeáló ionok permeabilitási tényezői azonosak gen jelentős ozmotikus gradiens alakul ki az egyensúly esetén, amit az élő sejtek nem tolerálnak (az össz oldott ion koncentráció jóval nagyobb a sejt belsejében mint a sejten kívül). 4c 2c 2 [ A 2