Základy fyziologie X31ZLE Základy lékařské elektroniky Jan Havlík | Katedra teorie obvodů |
[email protected]
Rádio Víte, telegraf je v podstatě jen velmi dlouhý kocour. V New Yourku ho zataháte za ocas a jeho hlava v Los Angeles zamňouká. Rozumíte tomu? A rádio funguje úplně stejně: tady vyšlete signál a tam ho přijmou. Jediný rozdíl je v tom, že k tomu nepotřebujete žádného kocoura. Albert Einstein
Fyziologie • lékařský vědní obor – Jan Evangelista Purkyně (1787 – 1869)
• z hlediska lékařských diagnostických (nebo terapeutických) metod nás často zajímají elektrické vlastnosti živých organismů na úrovni – organismu jako celku, – funkčního systému (kardiovaskulárního, nervového atd.), – jednotlivých orgánů (srdce, mozku atd.), – tkání (nervové, svalové atd.), – a buněk
Elektrofyziologie • specializovaný vědní obor zabývající se studiem elektrických dějů v živých organismech • dráždivé tkáně vykazují schopnost reagovat na vnější podnět – elektrický, chemický nebo fyzikální (světelný, mechanický, tepelný apod.) • podstatou elektrických projevů buňky je změna koncentrací iontů na buněčné membráně
Membránové napětí (potenciál) • rozdílná koncentrace iontů vně a uvnitř buňky vede ke vzniku membránového napětí kde je potenciál na vnitřní straně membrány, je potenciál na vnější straně membrány • činností buněčné membrány a sodíko-draslíkové pumpy dochází ke změně koncentrace iontů, především K+, Na+ a Cl-, uvnitř a vně buňky • klidová membránová napětí živočišných buněk se pohybují v rozmezí asi -30 – -100 mV
Nernstova rovnice
kde
je rovnovážné napětí iontu X, je molární plynová konstanta, je termodynamická teplota, je valence iontu X, je Faradayova konstanta, je koncentrace iontu X uvnitř buňky, je koncentrace iontu X vně buňky
… a co z toho? • různá koncentrace nábojů na obou stranách membrány vyvolává potenciálový rozdíl na membráně • funguje to i opačně – napětí přivedené na membránu může pumpovat ionty z jedné strany na druhou • napětí na membráně je přímo úměrné termodynamické teplotě • napětí na membráně je závislé na podílu koncentrací (nikoli třeba na rozdílu apod.) a je přímo úměrné logaritmu tohoto podílu
Rovnovážná napětí • pro kationty draslíku K+
• pro kationty sodíku Na+
• pro anionty chloru Cl-
•
pozn.: koncentrace byly naměřeny na kosterním svalu žáby při teplotě 20 °C
Membránové napětí ještě jednou • membránové napětí nelze získat prostým součtem napětí pro jednotlivé ionty – proč? • Goldmanova rovnice
kde
je membránové napětí tvořené ionty K+, Na+ a Clje propustnost membrány pro ionty X
Klidový potenciál • klidový potenciál kosterního svalu žáby
Akční potenciál • při podráždění buňky může dojít k dočasné změně jejího membránového napětí, vzniká tzv. akční potenciál • spouštěcím mechanismem je změna membránového napětí na tzv. prahovou úroveň (např. u nervové buňky to představuje vzrůst napětí z -70 mV na asi -55 mV) • ke vzrůstu napětí může dojít z různých příčin, např. lokálními proudy, přítomností neurotransmitteru, elektrostimulací
Akční potenciál nervové buňky • spouštěn vzrůstem napětí na asi -55 mV • čtyři fáze – depolarizace, – transpolarizace, – repolarizace, – hyperpolarizace a obnovení klidového stavu
• po spuštění akčního potenciálu buňka není schopná reagovat na další podněty, je tzv. absolutně refrakterní • po alespoň částečné repolarizaci se buňka stává tzv. relativně refrakterní, je schopná reagovat na další podněty
Akční potenciál nervové buňky
http://en.wikipedia.org
Akční potenciál nervové buňky
http://www.answers.com
Akční potenciál buňky srdečního svalu • oproti akčnímu potenciálu nervové buňky má výrazně pomalejší průběh • pět fází – depolarizace, – transpolarizace, – plató – repolarizace, – hyperpolarizace a obnovení klidového stavu
• velmi pomalá repolarizace trvá i více než 200 ms
Akční potenciál buňky srdečního svalu
Bronzino, J. D.: Biomedical Engineering Fundamentals. CRC Press, 2006.
Akční potenciál buňky sinového uzlu • buňky sinového uzlu (pacemaker, SA node) jsou zvláštní buňky srdečního svalu, které jsou schopné vytvářet periodicky akční potenciál, aniž by potřebovaly ke spuštění vnější podněty
http://www.texashearthinstitute.org
Akční potenciál buněk sinového uzlu
http://www.asus.net.pl
Šíření vzruchu srdeční svalovinou
http://www.bmi2.bmt.tue.nl
Literatura 1. Penhaker, M a kol.: Lékařské diagnostické přístroje – – učební texty. VŠB TU Ostrava, 2004. 2. Bronzino, J. D.: Biomedical Engineering Fundamentals. CRC Press, 2006. 3. Trojan, S. a kol.: Lékařská fyziologie. Grada, 2003. 4. Silbernagl, S., Despopoulos, A.: Atlas fyziologie člověka. Grada, 2004. 5. Obdržálek, J.: Nernstova rovnice srozumitelně. http://utf.mff.cuni.cz/~jobdr/download/NERNST.pdf [28. 9. 2008]
