Elektromos ingerlés: elektromos áram hatására az ideg-izomsejtben létrejövő funkcionális változás Mi kell hozzá: ingerelhető sejt elektromos áram ingerlő elektróda
Elektromos ingerlés
Ingerelhető sejt: sejtmembrán sejtmembrán fehérjék ionkoncentráció különbségek a membrán belső és külső oldala között nyugalmi membrán potenciál: Vr ingerlés -> membrán potenciál (Vm) változás -> akciós potenciál -> ingerület
ELEKTROMOS INGERLÉS
A sejtmembrán szerkezete
Extracelluláris tér
Perifériás membránfehérjék
Feszültség detektor
+ Na
extra
Foszfolipid kettősréteg hidrofil rész
Mi kell még az ionáramhoz? Az ionokat hajtó erő.
Feszültség vezérelt Na+ csatorna
Integráns membránfehérjék
Intracelluláris tér
Feszültség vezérelt ioncsatornák
Ion koncentráció különbség a membrán két oldala között!
Foszfolipid kettősréteg hidrofób rész intra
Ion áramlás + Na
Transzporterek(aktív, passzív) Egyéb ioncsatornák
1
Nyugalmi membrán potenciál modellje A membrán semmit nem enged át
Csak Na+-t enged át
Voltmérő
Nyugalmi membrán potenciál (Vr) kialakulása Intracelluláris ionkoncentráció
Csak K+-t enged át
Intra pozitívabb
Intra negatívabb
Elektromos tér
Diffúzió
membrán
intra
extra
Koncentráció különbség
Na+ csatorna
Ionáramlás
K+ csatorna
Töltéseloszlási különbség
Nyugalmi potenciál
Elektromos tér
Élő sejtben az [K+]intracell > [K+]extracell és [Na+]i < [Na+]e Élő sejtben nyugalmi helyzetben a K+ sokkal könnyebben átmegy (permeábilisabb) a membránon mint bármely más ion. Ha pK=1 akkor pNa=0.1 Nagyon kevés ion vándorol, a koncentráció gyakorlatilag nem változik.
Nyugalmi membrán potenciál (Vr)
drift fluxus valencia koncentráció sebesség mobilitás
Extracelluláris ionkoncentráció
diffúziós fluxus diffuzivitás koncentráció
Feszültség vezérelt Na+ csatorna
diffúziós fluxus diffuzivitás koncentráció
Ion diffúzió: Elektromos tér:
drift fluxus valencia koncentráció sebesség mobilitás
Equilibriumban nettó áram nem folyik:
Nernst egyenlet
2
Elektromos ingerlés hatása a membrán potenciálra (Vm) Elektromos ingerlés: elektromos áram hatására az ideg-izomsejtben létrejövő funkcionális változás. Vm=Vi-Ve
Mi kell hozzá: Vm [mV] (membrán potenciál) Idő
Távolra vezetődik, ingerület kiváltása
Akciós potenciál
ingerelhető sejt elektromos áram ingerlő elektróda
Vthr Depolarizáció (serkentő)
Lokális hatás, moduláló tényező
Vr Hyperpolarizáció (gátló)
Elektromos áram: áram tér létrehozása potenciál meghatározása
Stimuláló áram Excitáció Idő Is nA tartomány
Vthr
küszöb potenciál
Vr
nyugalmi potenciál
Inhibíció
TÉRELMÉLET: STACIONÁRIUS ELEKTROMOS TEREK
Stimuláció elektromos árammal
(grad)
Elektromos tér: potenciállal kapcsolata: töltésre ható erő: Elektróda
Áramforrás térbeli eloszlása
Sejt
Áramforrás Potenciál Áramsűrűség
Áramsűrűség: konduktivitással kapcsolata: áramforrás sűrűség:
(div)
(Laplace)
Poisson egyenlet: (potenciál, áramforrás sűrűség kapcsolata)
Áramforrás Potenciál kiszámítása adott áramforrás sűrűségnél: Potenciál
3
MONOPÓLUS ELEKTROMOS TERE
DIPÓLUS ELEKTROMOS TERE
szuperpozíció elve:
dipól momentum
Elektromos ingerlés modellje
Elektromos ingerlés modellje
(lineáris extracell potenciál tér)
(potenciál eloszlás)
Elektróda
Elektróda
V sejt
Sejt
Elektróda
extracell
Intracell
extracell
z
Elektromos tér
hyperpolarizált
Áramsűrűség depolarizált Legyen Vr=0 Sejt modell
Potenciál térfüggvénye lineáris (extracell) intracell extracell
membrán
intracell
és a membrán jó szigetelő
extracell Vm=Vi-Ve
R
4
Praktikus ingerlés
Vm térfüggése
sejtmembrán
erős tér
sejt
Hyperpolarizált
gyenge tér depolarizált
depolarizált unipolarizált hyperpolarizált
Elektromos ingerlés:
Is mA tartományban
Intracelluláris ingerlés elektromos árammal
elektromos áram hatására az ideg-izomsejtben létrejövő funkcionális változás Elektróda
Mi kell hozzá: ingerelhető sejt elektromos áram ingerlő elektróda
Sejt
Áramsűrűség
Ingerlő elektróda:
Föld elektród
ingerlés módjai elektróda tulajdonságai ingerlés hatása Az összes ionáram direkt kontrollja. Technikai megvalósítása nehéz.
5
Extracelluláris ingerlés elektromos árammal
Különböző elektródák átviteli jellemzői
Bipoláris
Monopoláris
Elektróda Sejt
Áramsűrűség Föld elektród
Az összes ionáram indirekt kontrollja. Technikai megvalósítása könnyebb.
Elektromos kettősréteg kialakulása
Polarizálható, nem polarizálható elektródok
Fém-folyadék érintkezésekor ion mozgás alakul ki → polarizáció → egyensúlyi állapot Polarizálható elektródok:
Fémek: Ag, Pt, Au stb...
az áthaladó áram nagysága függ a kettősréteg tulajdonságaitól (C, R)
az áram tölti vagy kisüti a kettősréteget az áram feszültség karakterisztika nem lineáris egyenáramú impedancia nagyon nagy, kapacitásként működik de csökkenthető a felület növelésével
Nem polarizálható elektródok:
Ag/AgCl
az áthaladó áram nem változtatja a kettősréteg tulajdonságait az áram szabadon folyik a kettősrétegen az áram feszültség karakterisztika lineáris egyenáramon ellenállásként működik
6
Fém-folyadék-fém kapcsolat esetén az elektrokémiai feszültségsornak megfelelő galvánelem képződik
Elektróda-elektrolit határréteg modellje
Helyettesítő kapcsolás
Zc frekvencia függése
Elektróda potenciál értéke: standard hidrogén elektróddal szemben mért potenciál különbség
Elektróda potenciál Elektrolit ellenállás Határréteg ellenállás, kapacitás
Elektróda impedancia
Ingerlés repetitív impulzusokkal
Az elektróda impedancia frekvenciafüggése
kevés áram a szövetbe
hidrolízis Nagy áramsűrűség
termikus hatás
Szöveti roncsolás
töltés injekció
Monofázisos repetitív ingerlés
Bifázisos repetitív ingerlés
7
Ingerlés és ingerület kapcsolata
Időbeli szummáció
Izom tenzió
Izom összehúzódás nyomatéka (ft*lbs)
70Hz 50Hz 30Hz
20Hz Ingerlés frekvenciája
10Hz 1Hz 100
200
300ms
Inger erősség (mA)
Inger erősség-időtartam görbe
Refrakteritás Páros ingerlés Akciós potenciál
idő
Ingerület kialakulása függ: ingerlés erőssége (Is) ingerlés tartama (t)
Küszöb potenciál
Nyugalmi potenciál Refrakter periódus: az ingerelhetőség átmeneti csökkenése
Is
Inger erősség-időtartam görbe: 2 x rheobázis rheobázis (Irh)
1
2
3
4
5msec
chronaxia
idő (t) membrán időállandó: τ
8
Összefoglaló I. Ingerelhetőség
membrán csatornák
hajtóerő
Összefoglaló II.
ion koncentráció különbség
nyugalmi membrán potenciál kialakulása Extracell ingerlés
nyugalmi membrán potenciál
áramforrások (elektródok)
Poisson egyenlet
membrán potenciál térfüggése
hyperpolarizáció depolarizáció ugyanazon sejten
nagy áramok kellenek
K+ ionok és csatornák meghatározó szerepe
Elektromos ingerlés
membrán potenciál változás
küszöb feszültség
feszültség vezérelt Na+ csatorna
akciós potenciál
ingerület
Extracell elektródok
fém elektródok
kettősréteg
polarizáció
nem lineáris töltésátvitel
repetitív ingerlés
akciós potenciál
Na+ ionok meghatározó szerepe Inger ingerület erősség szaturációt mutat
direkt kontroll
intracell ingerlés
hyperpolarizáció depolarizáció
indirekt kontroll
extracell ingerlés
potenciál meghatározása
Inger ingerület kettős kapcsolata
szummáció
refrakteritás
Inger erősség időtartam görbe
rheobázis
chronaxia
Membrán potenciál
9
