Lekrska biofyzika obsah tdia Biofyzika bunky transportn mechanizmy

Lekárska biofyzika – obsah štúdia Biofyzika bunky, transportné mechanizmy Pokojový membránový potenciál Ján Jakuš (www. jfmed. uniba. sk/index. php? 42) Martin

1. Lekárska biofyzika - nie je FYZIKA ani MATEMATIKA - je časť BIOFYZIKY- vedy, ktorá skúma fyzikálne procesy v živých organizmoch - interdisciplinárny odbor štúdia medicíny - skúma fyzikálne zákonitosti v biologických systémoch a účinok fyzikálnych javov na živé systémy (ekobiofyzika) - princípy Lekárskej biofyziky využívajú predmety ako biológia, fyziológia a biochémia, etc - vysvetľuje fyzikálne vlastnosti a biologické účinky ionizujúceho a neionizujúceho žiarenia - prináša nové metódy diagnózy a liečby ochorení, dáva návrhy na konštrukciu nových lekárskych prístrojov a nástrojov

2. Lekárska biofyzika v systéme vied

3. Rozvoj mikro- a nanotechnológií - štruktúry o veľkosti 10 -6 a 10 -9 m - nanorúrky a fulerény sú zlúčeniny uhlíka - do nanorúrky alebo fulerénu môžeme "vložiť iný atóm či atómy, čím zmeníme ich vlastnosti. - v medicíne - mohli by slúžiť ako "dopravcovia" liekov na presne určené miesto v ľudskom tele. Fulerén by predstavoval obal, vo vnútri ktorého by bol prepravovaný liek a po dopravení na dané miesto by liek uvoľnil, alebo by vytvoril “ nanorobot“ – liečenie ochorení

Fulerén Nanorúrka DNA – nanočip

Nanoroboty v genetickom inžinierstve

Nanorobot „opravuje“ chorý neurón

4. Ľudská bunka - základná anatomická a funkčná jednotka - veľkosť 5 -120 µm, počet 60000 miliárd - znaky: metabolizmus, dráždivosť, reprodukcia - súbor buniek tvorí tkanivo, súbor tkanív orgány (206 kostí a cca 600 svalov ) - zloženie: povrchová membrána, cytoplazma, organely (jadro, jadierko, mitochondrie, Golgiho komplex, endoplazmatické retikulum, ribozómy. . . pozri biológiu)

Bunková membrána - intracelulárna (na povrchu organel) - plazmatická, pokrýva povrch buniek - polopriepustná (semipermeabilná), hrúbka cca 7, 5 ηm - zloženie: 2 vrstvy lipidov (lipidická dvojvrstva) + 2 vrstvy bielkovín + cukry + cholesterol - u lipidickej 2 -vrstvy rozlišujeme tzv. hydrofilné hlavy a hydrofóbne chvosty - „hlavy“ sú tvorené fosfátmi, vo vode sú rozpustné, s kladným (+) nábojom, „chvosty“ sú mastné kyseliny so záporným (– ) nábojom

Plazmatická membrána -

Chemické zloženie a funkcia membrán - 45% tukov (fosfolipidy + cholesterol) - 55% proteínov (na povrchu sú plazmatické proteíny. Tie prestupujúce membránou sú integrálne). Proteíny vytvárajú stabilné otvory v membráne, ale aj nestabilné dynamické iónové kanále (pre Na+, K+, Ca 2+. . . ). - Glykoproteíny na povrchu slúžia ako receptory pre väzbu hormónov a prenášačov. Iné tvoria enzýmy (Na-K ATP-áza čo je tzv. Na -K pumpa) - Funkcia membrán: rozdeľovacia (voda, soli, el. náboj), integračná (transportné mechanizmy) Membrány sú elektricky polarizované (zvonka sú kladne a zvnútra záporne nabité) a polopriepustnostné - semipermeabilné.

5. Transportné mechanizmy bunky - sú vitálne dôležité pre metabolizmus buniek, pre tvorbu pokojového membránového, ako aj činnostného elektrického potenciálu - Rozdelenie: A. PASÍVNY transport (jednoduchá difúzia, uľahčená difúzia, osmóza, filtrácia ) – nevyžadujú dodanie voľnej energie B. AKTÍVNY transport (Na-K pumpa, Ca-pumpa, H-pumpa, exocytóza, fagocytóza, pinocytóza)- vyžadujú dodanie voľnej energie (z ATP)

Pasívny transport – Jednoduchá difúzia Definícia: je to samovoľný, pasívny pohyb vody a rozpustených látok cez bunkovú membránu, z miesta s vyššou do miesta s nižšou konc. v smere koncentračného gradientu, ktorý sa riadi Fickovým zákonom: Q = -d. A. (S 1 -S 2 ) [Q- hustota dif. toku, -d- koef. difúzie, A- difúz. plocha, S 1, S 2 - konc. gradient] Difúzia sa zastaví pri vyrovnaní konc. látok v oboch kompartmentoch, pričom objem roztoku v nich zostáva rovnaký. Difundujú: plyny, ióny, chem. Látky - cez lipid. dvojvrstvu a bielk. kanále. 3 druhy: Jednoduchá, Cez bielk. kanále, Uľahčená

Jednoduchá difúzia cez memebránu

Difúzia cez bielkovinové kanále-je Pasívny transport iónov Na+, K+, Ca 2+, Cl- a nízkomolekul. vo vode rozpustných látok cez bielkovinové kanále uložené v membráne, na základe koncentračného gradientu. Kanále sa otvárajú pri zmene napätia na membráne ( voltage gated ), alebo ligandom-hormón ( ligand gated ) Filtrácia Pasívny transport iónov, solí a živín cez bielkov. kanále v membráne na základe tlakového grad. hydrostatického tlaku (nie koncentračného gradientu !) (napr. v kapilárnej kľučke, v glomerule obličky )

Napäťovo a ligandom riadené proteínové kanále

Uľahčená (facilitovaná) difúzia

Uľahčená (facilitovaná) difúzia je to pasívny transportný mechanizmus prenosu vačších molekúl (aminokyseliny) pozdĺž koncentračného gradientu, pričom prenášaná látka sa viaže na bielkovinový prenášač uložený v bunkovej membráne (tvar nožníc) po naviazaní látky prenášač prechádza konformačnými zmenami výsledkom je prenos naviazanej látky a jej vylúčenie na druhej strane membrány, bez dodania voľnej energie

Osmóza - pasívny transport výlučne len molekúl vody, ktorá prechádza membránou z miesta s nižšou do miesta s vyššou koncentráciou až do vyrovnania koncentrácií, Pritom dochádza ku zmenám objemu. - voda má snahu zriediť konc. prostredie, ktoré má vyšší osmotický tlak - rýchlosť osmózy sa riadi Vant´ Hoffovým zákonom, Závisí úmerne od počtu rozp. častíc (osmotického tlaku) a od teploty - zisťovanie osmot. odolnosti krviniek-viď praktiká

Osmóza schematicky

Zmeny objemu červených krviniek v roztokoch v dôsledku osmózy

AKTíVNY TRANSPORT - transport molekúl proti smeru koncentrač. a/alebo elektrického gradientu - dodanie energie je nutné (Energia vzniká hydrolýzou ATP) - rozdelenie: Primárny aktívny transport prenos iónov cez špecifické iónovo selektívne kanále. Pumpy : Na-K+ sodíková (všetky bunky), Ca 2+- vápniková (sval), H +protónová (sliznica žalúdka) Sekundárny aktívny transport prenos látok (napr. glukóza), naviazaním na ión, ktorý sa prenáša cez membránu aktívne napr. Na ( glukózo-Na+ kotransport ).

Na+- K+ ATP-áza (sodíková pumpa) - Je to enzým, uložený v membráne buniek (počet 106 v membráne neurónu ) - prenáša 3 ióny Na+ zvnútra bunky navonok a 2 ióny K+ zvonka dovnútra - pri max. rýchlosti prenesie 200 Na+ a 133 K+ iónov / s - vyžaduje dodanie voľnej energie (z ATP) - je dôležitá pre obnovu elektrických nábojov na membránach buniek ( obnovuje pokojový membránový potenciál bunky)

Sodíková pumpa schematicky

Na +- K+ pumpa - detail

EXO - ENDO-FAGO- a PINOCYTÓZA - považované za aktívne deje, pritom látky sa neprenášajú cez lipidickú dvojvrstvu a bielk. kanále membrán, ale sa dostávajú dnu a von z bunky vchlípením, príp. vychlípením bunkovej membrány - príklad exocytózy (bunkové „zvracanie“ ) : vylúčenie mediátora v synapse - príklad endocytózy : pohltenie tuhých látok, napr. baktérií bielymi krvinkami a ich usmrtenie (fagocytóza) - pinocytóza - pohltenie kvapalného obsahu

Exocytóza a endocytóza

6. Pokojový membránový potenciál-PMP - Je potenciálový rozdiel (el. napätie) namerané medzi + nabitým povrchom a záporne nabitým vnútrom bunky. - Je dôsledkom rozdielnej priepustnosti bunkovej membrány pre ióny K+, Na+, Cl-, , čo vedie k ich nerovnomernému rozloženiu zvonka a zvnútra bunky - Priepustnosť pre K+: Na+ : Cl- = 100 : 45 (%) PMP bunky je dôsledkom najmä difúzie iónov K+ v smere konc. gradientu zvnútra bunky navonok. Proti konc. gradientu K+pôsobí gradient elektrický-výsledkom je vznik rovnovážneho potenciálu, ktorý sa dá vypočítať (Nernstova a Goldmanova rovnica) - Hodnoty PMP: -70 m. V neurón, -90 m. V kostrový sval, -80 m. V srdcový sval, -50 m. V hladký sval.

Rozloženie iónov na membráne a ich koncentračné a elektrické gradienty

Rovnovážny potenciál (RP) Rovnovážny potenciál je také elektrické napätie na membráne, ktoré zastaví difúziu iónov putujúcich v smere konc. gradientu, takže účinok konc. a elektrického gradientu sa vyrovnajú. Nernstova rovnica: je statická, berie do úvahy výpočet RP separátne pre ióny K+, Na+, Cl-, napr. RPK+ = R. T. ln [Ke] z. F [Ki] kde[ R - plyn. konstanta, T - absol. teplota, z - mocenstvo K+, F - Faradayova konštanta] Neberie do úvahy preiepustnosť membrány !

Výpočet Rovnovážneho Potenciálu pre K+

GOLDMANOVA ROVNICA - Je dynamická, berie do úvahy toky všetkých 3 hlavných iónov K+, Na+ a Cl- , priepustnosť membrány a velkosti ich RP v kludovom stave , takže výsledkom výpočtu je reálna hodnota pokojového membránového potenciálu (Vm)

Ďakujem za pozornosť !