Informácie

Funkcia čerpadiel pri vytváraní pokojového potenciálu

Funkcia čerpadiel pri vytváraní pokojového potenciálu



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Som zmätený z nasledujúceho. Klidový potenciál -65 mV sa zrejme dosiahne, ak sú dve sily, difúzia a elektrický gradient v rovnováhe. Prečo teda kniha hovorí?

"Rozdiel elektrického potenciálu v [...] náboji membrány je udržiavaný prácou iónových čerpadiel."

Prečo by to malo byť „udržiavané čerpadlami“, ak je to napriek tomu rovnováha?

Viem si predstaviť jednu z možných odpovedí: rovnováha je príliš nestabilná, a preto ju čerpadlá stabilizujú. Ale netuším, či je to správne. Vďaka.


Klidový potenciál -65 mV sa zrejme dosiahne, ak sú dve sily, difúzia a elektrický gradient v rovnováhe.

To nie je pravda. Pletieš si neurón pokojový potenciál s tým, čo je vlastne typ iónov rovnovážny potenciál.

An rovnovážny potenciál pre konkrétny typ iónu-ako je Na+ alebo K+-je presné napätie na membráne, ktoré je presne proti difúznej sile tohto iónu, a tým bráni čistému toku tohto iónu cez membránu. Napríklad v prípade Na + (sodíkový ión) je v cicavčích neurónoch typická hodnota uvedená v učebniciach niečo ako +55 mV. Inými slovami, vnútro neurónu musí byť 55 mV (vzhľadom na vonkajšiu časť neurónu), aby sa zabránilo vniknutiu všetkých iónov Na+ do neurónu. Pre všetky ióny, ktoré sa používajú v neurónoch na ovplyvnenie napätia cez membránu, existujú rovnovážne potenciály: Na+, K+, Cl-, Ca ++. Ak by fiktívny neurón mal rovnovážny potenciál Na+a neboli by v hre žiadne ďalšie ióny, nebolo by potrebné, aby čerpadlá udržiavali akýkoľvek koncentračný gradient Na+., pretože podľa definície by neexistoval čistý tok náboja, a tak by bola situácia stabilná.

Avšak pokojový potenciál označuje napätie neurónu, keď je v pokoji-bez akčného potenciálu-ale toto napätie bude určitým „váženým priemerom“ rovnovážnych potenciálov všetkých typov iónov: Na+, K+, Cl -a Ca ++. Z nich dominuje K+ (draselný ión), a tak zisťujeme, že typické hodnoty pre pokojový potenciál neurónov sú okolo -65mV, čo je bližšie k rovnovážnemu potenciálu pre K+ (-90mV), ako pre Na+ (+ 55mV) resp. Ca ++ (+155 mV!).

Ale pretože typický pokojový potenciál neurónu vlastne sa nerovná žiadnemu z rovnovážnych potenciálov pre žiadny typ iónov, to znamená podľa definície všetky ióny bude mať čistý pohyb cez membránu. Ak zostanú iónové kanály otvorené a ióny budú môcť prúdiť cez membránu, Na+ bude prúdiť dovnútra, K+ bude prúdiť von, Ca ++ bude prúdiť dovnútra atď. (Kvôli jednoduchosti nechávam Cl- out ).

Pretože tieto ióny prúdia čistým smerom (buď do alebo von z neurónu), znamená to, že koncentrácie sa menia; napríklad veľký koncentračný gradient K+sa pri prúdení z neurónu zmenšuje. V priebehu času tieto iónové toky posúvajú koncentrácie iónov smerom k rovnosti na oboch stranách membrány, a preto posúvajú pokojový membránový potenciál neurónu k 0 mV. V istom zmysle je „batéria vybitá“. To by spôsobilo, že neurón nebude mať akčný potenciál, a teda bude pôsobiť ako signalizačný stroj, a preto sa mu musí zabrániť.

Aby sa zabránilo úpadku koncentračných gradientov, iónové pumpy aktívne udržiavať koncentračné gradienty iónov. Jedným z relevantných tu je Výmenník Na+/K+, ktorý používa ATP na poháňanie svojej činnosti čerpania v dva ióny Na+ na každé tri ióny K+, ktoré pumpuje von. Použitie ATP vyžaduje produkciu ATP, ktoré vyžaduje glukózu, a preto je udržiavanie „pripravených neurónov“ metabolicky náročné.


Ste na dobrej ceste: je to dynamická rovnováha, ktorú je potrebné udržiavať aktívne, nie chemicky automatická rovnováha, ktorá nastáva pasívne (bez biologického pôsobenia). Úryvky z Wikipédie:

Hodnoty pokojového membránového potenciálu vo väčšine živočíšnych buniek sa zvyčajne pohybujú medzi potenciálom reverzácie draslíka (zvyčajne okolo -80 mV) a okolo -40 mV. Klidový potenciál v excitabilných bunkách (schopných vytvárať akčné potenciály) je obvykle blízko -60 mV-viac depolarizovaných napätí by viedlo k spontánnej generácii akčných potenciálov. Nezrelé alebo nediferencované bunky vykazujú vysoko variabilné hodnoty pokojového napätia, zvyčajne výrazne pozitívnejšie ako v diferencovaných bunkách.[23] V takýchto bunkách hodnota pokojového potenciálu koreluje so stupňom diferenciácie: v niektorých prípadoch nediferencované bunky nemusí vôbec vykazovať žiadny rozdiel v transmembránovom napätí.

Údržba pokojového potenciálu môže byť pre bunku metabolicky nákladná, pretože to vyžaduje aktívne čerpanie iónov na zamedzenie strát spôsobených únikovými kanálmi. Náklady sú najvyššie, keď funkcia bunky vyžaduje obzvlášť depolarizovanú hodnotu membránového napätia. Napríklad pokojový potenciál vo fotoreceptoroch fúkacích mušiek (Calliphora vicina) prispôsobených dennému svetlu môže byť až -30 mV.[24] Tento zvýšený membránový potenciál umožňuje bunkám veľmi rýchlo reagovať na vizuálne vstupy; náklady sú na údržbu pokojového potenciálu môže spotrebovať viac ako 20% celkového bunkového ATP.[25]

Na druhej strane, vysoký pokojový potenciál v nediferencovaných bunkách môže byť metabolickou výhodou. Tento zdanlivý paradox je vyriešený skúmaním pôvodu tohto pokojového potenciálu. Málo diferencované bunky sa vyznačujú extrémne vysokým vstupným odporom,[23] čo znamená, že v tejto fáze bunkového života je prítomných málo únikových kanálov. Ako zdanlivý výsledok je priepustnosť draslíka podobná priepustnosti pre sodíkové ióny, ktorá kladie pokojový potenciál medzi reverzné potenciály pre sodík a draslík, ako je uvedené vyššie. The Znížené zvodové prúdy tiež znamenajú, že je tu len malá potreba aktívneho čerpania na kompenzáciu, a teda nízke metabolické náklady. [Dôraz kladený.]

Ukazuje sa teda, že potenciál odpočinku je zaujímavá, funkčne variabilná kvalita rôznych buniek a niekedy stojí údržbu dosť veľa energie!

Referencie

[23] Magnuson, D. S., Morassutti, D. J., Staines, W. A., McBurney, M. W., & Marshall, K. C. (1995). In vivo elektrofyziologické dozrievanie neurónov odvodených z bunkovej línie multipotentného prekurzora (embryonálny karcinóm). Vývojový výskum mozgu, 84(1), 130-141.

[24] Juusola, M., Kouvalainen, E., Järvilehto, M., & Weckström, M. (1994). Zisk kontrastu, pomer signálu k šumu a linearita vo svetlom prispôsobených ofukových fotoreceptoroch. The Journal of General Physiology, 104(3), 593-621. Prevzaté z http://europepmc.org/articles/PMC2229225/pdf/jg1043593.pdf.

[25] Laughlin, S. B., van Steveninck, R. R. D. R., & Anderson, J. C. (1998). Metabolické náklady na nervové informácie. Neuroveda o prírode, 1(1), 36-41. Prevzaté z http://www.nature.com/neuro/journal/v1/n1/full/nn0598_36.html.


Aký je kľudový potenciál neurónu?

Pokojový membránový potenciál je negatívny z dôvodu:
1. predpoklad veľkého počtu pozitívnych iónov Na smerom von
2. prítomnosť menšieho počtu pozitívnych iónov K smerom dovnútra membrány
3. Zwitteriontové proteínové molekuly cytoplazmy sa správajú ako negatívne ióny v prítomnosti vysoko nabitého K
4. Na-K iónová pumpa kontinuálne pumpuje tri sodíkové ióny, zatiaľ čo do bunky sa odoberajú iba dva ióny draslíka.

Ak dôjde k zmene bezprostredného vonkajšieho alebo vnútorného prostredia tela, pôsobí to ako stimul pre neurón. Sodné kanály sa otvárajú, aby umožnili difúziu Na vo vnútri stimulovanej oblasti, čím dochádza k depolarizácii membrány.

Možno to opísať ako zvrátenie negatívneho membránového potenciálu v pozitívnom membránovom potenciáli, nazývanom tiež akčný potenciál. K prenosu impulzov môže dôjsť až po rozvinutí akčného potenciálu z pokojového.


Klinický význam

Vplyv draselného séra na elektrické vedenie

Pretože draslík má najvýznamnejší vplyv na transmembránový potenciál bunky, hladiny draslíka v krvi majú značný vplyv na elektrickú aktivitu v srdci/neurónoch a pomáhajú vysvetliť, prečo nízka alebo vysoká hladina draslíka môže mať za následok slabosť a srdcové arytmie .   V srdci vysoká alebo nízka hladina draslíka mení transmembránový potenciál, ktorý sám o sebe podporuje srdcovú arytmiu, ale tiež nepriamo podporuje srdcovú arytmiu zmenou elektrického gradientu iných iónov, konkrétne Na, Cl a vápnik. [10]

Na svalovej úrovni dochádza k primárnej periodickej paralýze v dôsledku defektu iónových kanálov. Na úrovni neurónov môže dôjsť k zmene duševného stavu so záchvatom alebo bez neho v dôsledku zmeneného transmembránového potenciálu, ku ktorému môže dôjsť v dôsledku zvýšených alebo znížených hladín Na, K a Ca.

Pochopenie základnej fyziológie bunkovej membrány a spôsobu, akým ju riadia iónové kanály, viedlo k lepšiemu porozumeniu toľkých chorobných procesov a vývoju účinných liečebných postupov. Zmenou pokojovej membrány môže potenciálna hypokaliémia viesť k tachyarytmii a hyperkaliémii k bradyarytmiám. Napríklad v prípadoch hyperkalémie, kde sú bradyarytmie veľmi časté, je možné podať glukonát vápenatý alebo#chlorid vápenatý na stabilizáciu pokojového membránového potenciálu. [11] [12]

Horčík sa úspešne používa pri ťažkých exacerbáciách astmy a pri eklampsii, kde mení neuromuskulárne prenosy zmenou vstupu vápnika do bunkovej membrány. [13]


Elektródy

7.3 Elektródové kovy

Pod kovom rozumieme vodič s elektrónmi ako dominantným nosičom náboja. V tomto kontexte, uhlík je v definícii kovu.

Elektrická dvojvrstva je najcentrálnejšou časťou elektródy. Je to veľmi tenká vrstva vytvorená na ostrej hranici (interfáza) medzi elektronickým vodičom a iónovým vodičom (napríklad medzi kovovou doskou a elektrolytom). Dvojitá vrstva je popísaná v časti 7.5. Elektronické vodiče sú popísané teraz a iónový vodič (kontaktný elektrolyt) bude popísaný v ďalšej časti 7.4 (tabuľka 7.1).

Tabuľka 7.1. Materiály elektronického vodiča

KovVlastnostiPoužite
Ag/AgClStabilná referencia DC, nízka polarizácia DC, nie je biokompatibilnýElektrokardiogram povrchu pokožky, elektromyogram
Platinové kovyNekorózny, biokompatibilný, polarizovateľnýIhly, implantáty
ZlatoNekorózny, menej biokompatibilný ako platinaIhly
TitánVysoko biokompatibilnýImplantáty
Nehrdzavejúca oceľMechanicky silné, nekorozívne, vysoko polarizovateľné DC a hlučné, veľmi závislé od zliatinyIhly
Cín, olovoNízka hlučnosť, mäkká a tvarovateľnáElektroencefalogram
NikelTenké flexibilné doštičky, alergické reakcie na pokožkuPovrch pokožky
Striebro, zinok, železo, hliníkFarmaceutické alebo baktericídne vlastnostiDC terapia a kožná iontoforéza
UhlíkRöntgenové priesvitné, mäkké a flexibilné viacúčelové gumové platne a drôtyElektrokardiogram povrchu pokožky, elektromyogram
PolyméryTiež sa vyskytuje ako iónová alebo zmiešaná verzia, osobitnú pozornosť treba venovať iónovému kontaktnému médiu. Môže byť súčasťou kontaktného elektrolytuPovrch pokožky
OrtuťVo výskumných laboratóriách. Unikátny ako ortuťová kvapkajúca elektróda s neustále obnovovaným kovovým povrchom

Uvedené kovy sú zvyčajne zliatiny. V praxi sa oxidy tvoria na povrchu (okrem kvapkajúcej ortuti) a tiež na ušľachtilých kovoch a ich zliatinách. Použitie rôznych kovov v páre elektród môže generovať veľké jednosmerné napätie, ktoré môže nasýtiť vstupný stupeň biopotenciálnych zosilňovačov.

Mechanická pevnosť kovu je často dôležitou vlastnosťou (napríklad v drieku ihlovej elektródy). Biokompatibilita môže byť kritická, ak kov príde do styku so živým tkanivom (napr. S kovmi používanými v sterilných invazívnych elektródach). Flexibilné veľké niklové elektródy môžu spôsobiť alergiu na ľudskú pokožku. Tomu sa dá zabrániť použitím elektrolytického soľného mostíka medzi kovom elektródy a tkanivom.

7.3.1 Test polarizovateľnosti elektronických vodičov

Obrázok 7.2 ukazuje zostavu testu, pomocou ktorého je možné kontrolovať polarizovateľnosť kovov (Cooper, 1946).

Obrázok 7.2. Polarizovateľnosť kovovej závislosti. a) Systém so štyrmi elektródami v 0,9% fyziologickom roztoku. b) Ekvivalentný elektrický obvod pre nabitý pár elektród PU. B je nezaťažený výstupný signál PU zo šiestich rôznych kovov, ako je znázornené na obrázku 7.3, zaregistrovaný s odporom zaťaženia 750 k ohm. Pozri text.

Na obrázku 7.2 (a) sa na pár CC elektród vo fyziologickom roztoku aplikujú jednosmerné prúdové impulzy 10 uA a trvanie 1 s. Polarizačné vlastnosti týchto CC elektród nie sú dôležité, pokiaľ je generátor typu s riadeným prúdom. Ako PU elektródy sa používajú ďalšie dve rovnaké kovové elektródy a práve tento pár elektród sa skúma. Sú zaťažené odporom 750 kΩ, takže sú mierne CC a preto polarizované. Ekvivalentný elektrický obvod (obrázok 7.2 (b)) obsahuje paralelnú väzbu rezistora R.pol a kondenzátor C.pol charakterizujúca polarizovateľnosť meraného páru. Nepolarizovateľná elektróda má malé Rpol, polarizovateľná elektróda má R.pol oveľa väčšia ako záťaž 750 kΩ. C.pol spolu s R.pol určiť časovú konštantu.

Obrázok 7.3 zobrazuje nabíjacie napätie získané zo šiestich rôznych kovov elektród. Pár elektród chloridu strieborného je najlepší (R.pol ≈ 75 kΩ) čisté striebro je oveľa horšie (R.pol > 10 MΩ), pretože štvorcový priebeh je úplne zdeformovaný. Odpor prenosu medzi elektródami CC a PU je R = V/I = 100 uV/10 uA = 10 Ω. Pre platinu je časová konštanta zhruba 0,5 s, takže Cpol = 0,5 s/0,75 MΩ = 0,7 uF. Vysoko polarizovateľným elektródam dominuje veľké C.pol s malým vplyvom veľkého Rpol. Akonáhle je kondenzátor nabitý, už netečie žiadny prúd a výstupné napätie je nulové. Podľa obrázku 7.3 sú striebro, zlato a nehrdzavejúca oceľ vysoko polarizovateľné. Všimnite si však, že nahradenie zaťažovacieho odporu 750 kΩ oveľa vyšším odporom zníži polarizačný prúd cez elektródy PU, zníži polarizáciu a zníži skreslenie tvaru vlny.

Obrázok 7.3. Namerané napätie ΔV so šiestimi rôznymi kovmi zbernej elektródy (pozri obrázok 7.2).

Obrázok 7.4 ukazuje výsledok klinického merania biopotenciálov s tromi rôznymi kovmi v PU elektródach. Zdroj signálu je endogénny: registrácia elektro-okulografie súvisí s polohou očí a meria sa pomocou biopotenciálnych zosilňovačov s odozvou DC. Je zrejmé, že AgCl je jediným materiálom, ktorý robí elektródy dostatočne nepolarizovateľnými.

Obrázok 7.4. Zaznamenávanie pohybov očí rôznymi kovmi elektród. Pozície elektród: 1 cm od vonkajšieho očného kanálika každého oka.

7.3.2 Vlastnosti kovových a elektronických vodičov

Ag/AgCl

Jedná sa o veľmi používaný kov elektródy (striebro pokryté chloridom strieborným) v biológii a medicíne pre aplikácie jednosmerného prúdu, pretože je jednoduchý a pretože má dobre definovaný potenciál jednosmerného prúdu, ktorý veľmi nezávisí od toku jednosmerného prúdu. Ide teda o nepolarizovateľnú referenčnú elektródu DC. Obvykle pozostáva zo strieborného kovu pokrytého vrstvou AgCl, často elektrolyticky deponovanou. Ag a AgCl sú toxické a nemožno ich použiť v dlhodobom kontakte so živým tkanivom. Na odstránenie kovu elektródy z priameho kontaktu s tkanivom sa často používa soľný mostík.

Vlhký AgCl je pevný iónový vodič. Pri prúde jednosmerného prúdu sa vrstva AgCl zvýši, ak je uložená na anóde strieborného kovu. Polarizačná impedancia prejde minimom a potom sa zvýši v závislosti od hrúbky vrstvy AgCl (pozri nasledujúcu časť). Ako katóda s prúdom jednosmerného prúdu sa vrstva zmenší a nakoniec sa odstráni. Zostal nám povrch z čistého striebra s celkom odlišnými vlastnosťami (napr. S oveľa vyššou polarizačnou impedanciou a iným rovnovážnym potenciálom) (obrázok 7.3).

Na výrobu elektródy AgCl sa striebro vloží ako anóda do roztoku napríklad 0,9% chloridu sodného (NaCl). Optimálny výsledok závisí od prúdovej hustoty a množstva použitej elektriny, často je prúdová hustota rádovo 1 mA/cm2 a množstvo elektrickej energie 1000 mA s/cm2 (Geddes, 1972). Optimálne hodnoty nie sú nevyhnutne rovnaké pre minimálnu impedanciu a maximálnu stabilitu jednosmerného napätia a závisia od skutočného povrchu elektródy. Najlepšia hrúbka vrstvy AgCl tiež závisí od požadovanej mechanickej trvanlivosti a možného množstva elektriny, ktoré môže prechádzať opačným smerom bez toho, aby sa počas používania vrstva AgCl odizolovala. Elektróda stimulujúca monopolárny nerv sa takmer vždy používa ako katóda, a preto sa bude postupne odstraňovať vrstva AgCl. AgCl môže byť tiež spekané na vytvorenie objemného AgCl je možné povrch potom trieť a použiť ho mnohokrát.

Platinové kovy

Platinové elektródy sú určitým spôsobom opakom elektród AgCl. Platina je biokompatibilná, a preto je veľmi vhodná pre invazívne elektródy a implantáty. Aj keď je vysoko DC-polarizovateľný, je stále vhodný pre aplikácie na meranie DC potenciálu za prísnych nulových DC prúdových podmienok. Spolu s inými vzácnymi kovmi a ich zliatinami sú tiež výhodné ako CC elektródy v kontakte so živým tkanivom, najmä pre elektródy katétrov implantované kardiostimulátorom. Pokiaľ ide o stimulačné elektródy, Greatbatch (1967) zistil veľké rozdiely medzi čistými vzácnymi kovmi a ich zliatinami, s výnimkou Pt a Pt 90%, Ir 10%.

Platinovú elektródu je možné zlepšiť aktívnym elektrolytickým procesom vytvorením platinovo čierneho povrchu. Znížená impedancia polarizácie je dôsledkom zvýšenej efektívnej povrchovej plochy kovu (fraktálneho povrchu). Elektróda sa pripraví v elektrolyte obsahujúcom (napr. 3% chlorid platiny) s platinou ako katódou. Platinová čierna je uložená na povrchu a aj tu existujú optimálne hodnoty pre prúdovú hustotu a množstvo elektrickej energie: prúdová hustota asi 10 mA/cm 2 a množstvo elektrickej energie (náboj) asi 30 000 mA s/cm 2 je odporúčané (Schwan, 1963). Najlepšie výsledky sa dosiahnu, ak je platinový povrch pieskovaný pred nanesením platinovej černe. Povrch však môže byť krehký a proteínová vrstva vytvorená kontaktom s tkanivom môže mikrohrubý povrch ľahko vyhladiť a zvýšiť polarizačnú impedanciu. Platinové čierne elektródy sa najlepšie skladujú v destilovanej vode a skratujú (Schwan, 1963).

Zliatiny titánu

Zliatiny titánu sú obvykle materiálmi zvolenými pre lekárske implantáty. Zliatina Ti-6Al-4V je všeobecne považovaná za chemicky inertnú, kompatibilnú s ľudským tkanivom a odolnú voči korózii pôsobením tekutín ľudského tela. Malé percentá vanádu a hliníka obsiahnuté v zliatine sú však potenciálne toxické. Čistý titán je chemicky a biologicky kompatibilnejší s ľudskými tekutinami a tkanivami, ale je príliš slabý na protézy, ktoré musia znášať ťažké bremená, ako sú implantáty nôh alebo bedrových kostí.


Bunkové

Štrukturálne je Na+ K+ ATPáza   zložená z katalytickej alfa podjednotky a pomocnej beta podjednotky. [7] Niektoré Na-K ATPázy obsahujú podjednotku, ktorá je tkanivovo špecifická a patrí do rodiny proteínov FXYD. [8] Podjednotka alfa obsahuje transmembránovú oblasť, ktorá sa skladá z 10 špirálok, označovaných ako MA1-M10. V rámci týchto desiatich špirálok iónové väzbové miesta, konkrétne tri väzbové miesta, ktoré sa viažu na Na+ v stave E1, a dve väzbové miesta, ktoré sa viažu na K+ v stave E2. [9] [10] [11] [12] Štruktúra Na-K ATPázy sa skladá z troch miest. Web jedna a dva sa prekrývajú v rámci stavov E1 a E2. Miesto tri je však výlučne v stave E1 a nachádza sa medzi transmembránovými špirálami M5, M6 a M8, ktoré sa viažu na Na+ a katalyzujú aj transport H+, [13] [14]   v závislosti od Na+, K+ a Koncentrácie H+. [15] Podľa predchádzajúcich štúdií môže byť selektivita stavu E2 pumpy na K+ spôsobená protonáciou vrecka viažucou ióny. [16]


Umenie a#8211 Psychológia

Výmena materiálov medzi bunkou a jej prostredím:


Bunky mnohobunkového organizmu žijú vo vodnom prostredí, ktoré obsahuje všetky soli a živiny potrebné na prežitie bunky. Telo dospelého obsahuje asi 60% vody, ktorá je rozdelená do dvoch oddelených oddelení: intracelulárny priestor (celkový objem uzavretý vo všetkých bunkách) a extracelulárny priestor (celkový objem prítomný mimo buniek).

Distribúcia vody v tele u 70 kg dospelého muža, ktorý obsahuje 60% telesnej hmotnosti

Vnútrobunkové tekutiny: 40% (28 litrov)
Extracelulárne tekutiny: 20% (14 litrov), z toho cievny systém má štvrtinový objem a tri štvrtiny tvorí intersticiálne tekutiny.
Obsah vody v tele je s vysokou presnosťou udržiavaný konštantný, aby nebola ohrozená rovnováha mnohých látok rozpustených v telesných tekutinách. Udržiavanie konštantného vnútorného prostredia (homeostáza) je život zachraňujúcim predpokladom optimálneho fungovania každej bunky v tele. Pretože najrozmanitejšie chemikálie sa dostávajú do extracelulárneho priestoru v dôsledku dýchania, príjmu živín a metabolickej aktivity buniek, udržiavanie homeostázy je jednou z najdôležitejších úloh tela, ktorá je udržiavaná činnosťou pľúc, čriev. a obličky prostredníctvom určitých špecifických transportných procesov (napr. difúzia, osmóza, aktívny transport). Transport látok na väčšie vzdialenosti v tele (napr. Živín prijatých v črevách a kyslíka prijatého v pľúcach) sa dosahuje cievnymi systémami, napr. V cievach alebo lymfatickým prechodom črevami. Látky rozpustené v extracelulárne alebo intracelulárne tekutiny (napr. soli) sú prítomné ako elektricky nabité častice (ióny) a roztoky sa nazývajú elektrolyty. Vďaka svojmu elektrickému náboju môžu ióny migrovať v elektrických poliach. Z tohto dôvodu sa kladne nabité ióny nazývajú aj katióny (migrujú na negatívny pól, katódu) a záporne nabité ióny sa nazývajú anióny (migrujú na kladný pól, anódu). Vyššie uvedené ióny sú v oboch kompartmentoch distribuované nerovnomerne, čo vytvára potenciálny gradient nazývaný pokojový membránový potenciál.

Membrána alebo pokojový potenciál bunky

Pretože sú ióny distribuované nerovnomerne- medzi intracelulárnym a extracelulárnym priestorom, v bunkovej membráne sa vytvorí potenciálny rozdiel, známy ako membránový potenciál. To vytvára negatívny náboj vo vnútri bunky v porovnaní s extracelulárnym

priestor, takzvaný kľudový potenciál. Tento potenciálny rozdiel je možné merať citlivými prístrojmi a je asi 60 - 80 m V alebo meraný pomocou Nernstovej rovnice uvedenej nižšie.

Potenciál pokojovej membrány (RMP)

= (RT/nF) + ECF/K* ICF)

R— Plynová konštanta

T - Absolútna teplota systému

n - valencia K*

F - 96 500 stĺpcov

K+ - Koncentrácia iónov K*

Dôvod negatívneho potenciálu vo vnútri bunky vzhľadom na jej okolie spočíva v diferenciálnej distribúcii iónov medzi intracelulárnym a extracelulárnym priestorom. Intracelulárna koncentrácia draslíka je teda asi 35 -krát väčšia ako extracelulárna koncentrácia, zatiaľ čo proteíny sú prevládajúcimi aniónmi vo vnútri bunky. V extracelulárnom priestore dominujú sodné ióny, ktoré sú na negatívnej strane vyvážené chloridovými aniónmi. Akumulácia iónov draslíka vo vnútri bunky je špecifickou aktivitou takmer každej bunky a predstavuje jeden z jej najdôležitejších aktívnych transportných procesov. Táto pumpa ‘ion ’ transportuje ióny draslíka do buniek a aby to bolo v rovnováhe, transportuje ióny sodíka von. Hovorí sa mu preto aj sodno-draselné (Nat-K+) čerpadlo. Obsahuje enzým štiepiaci ATP (sodná a draselná AT Páza, Na+ – ATPáza) Táto reakcia uvoľňuje energiu potrebnú na iónový transport. Bunková membrána je pre ióny nepriepustná, takže existujú membránové kanály (póry) pre Nat, K +a Cl—, ale nie pre anióny bielkovín. Počas pokojového potenciálu sú kanály K + často otvorené, ale kanály Na + a Cl- sú väčšinou uzavreté. Vzhľadom na rozdiel v koncentrácii majú ióny K + tendenciu difundovať von. Difúzia pozitívne nabitých iónov draslíka z bunky je však obmedzená negatívne nabitými proteínovými aniónmi, ktoré kvôli svojej veľkosti nemôžu prejsť cez membránu. Difúzia dokonca niekoľkých iónov draslíka z bunky ponechá anióny s opačným (negatívnym) nábojom (proteínové anióny) na vnútornej strane bunkovej membrány, takže vnútro bunky je voči svojmu okoliu negatívne nabité. Klidový potenciál je preto známy aj ako difúzny potenciál. Difúzia iónov smerom von cez membránové póry je nezávislá na čerpadle Na+-Kt. Energeticky náročné iónové pumpy môžu byť brzdené alebo blokované nedostatkom kyslíka (porucha produkcie ATP) alebo metabolickými jedmi (napr. Kyanidom), čo môže viesť k závažným poruchám špecifického výkonu bunky. Iniciácia a propagácia excitácie nervových alebo svalových buniek závisí od krátkych zmien potenciálu membrány (akčných potenciálov).

Bunkový transportný mechanizmus, ktorý udržuje bunkovú homeostázu

Špecifické transportné procesy, ktoré prebiehajú medzi bunkami a medzi krvnými kapilárami a ich okolitými bunkami, možno rozdeliť na pasívne (difúzia, osmóza a filtrácia) a aktívne (závislé na energii) (aktívny transport, transportné procesy endocytóza, exocytóza) .

DIFÚZIA – Najjednoduchším transportným procesom pre tuhé látky je difúzia. Atómy a molekuly sa kvôli svojej tepelnej kinetickej energii voľne pohybujú vo vodných roztokoch alebo v plynoch a rozdiely v koncentrácii sa vyrovnávajú difúziou. V tomto procese molekuly difundujú smerom k nižšej koncentrácii, kým koncentrácie nedosiahnu rovnovážny stupeň. Hnacou silou tohto procesu je koncentračný alebo potenciálny gradient nazývaný elektrochemický gradient. Napríklad veľká časť transportu pevných látok (soli, dýchacie plyny, živiny) v intersticiálnom (medzibunkovom) priestore a do a von z bunky závisí od difúznych procesov. Malé molekuly, ako sú dýchacie plyny 02 a C02, ako aj viac vody prechádzajú cez bunkovú membránu bez prekážok (voľná difúzia). Póry cez membránu (kanálové proteíny, membránové póry) alebo mobilné transportné proteíny (nosiče) uľahčujú prechod (uľahčenú difúziu) živín (napríklad glukózy a aminokyselín v bunkách črevnej sliznice) a iónov.
OSMÓZA A OSMOTICKÝ TLAK -Keď sú dva roztoky obsahujúce rôzne koncentrácie tej istej rozpustenej látky oddelené semipermeabilnou membránou, môže dôjsť k osmóze. Pri osmóze semipermeabilná membrána umožňuje priechodu rozpúšťadla, ale nie rozpustenej látky, za účelom rovnováhy oboch strán. Voda difunduje cez membránu smerom k roztoku s vyššou koncentráciou, kým sa nedosiahne rovnováha. Počas tohto procesu sa zvyšuje objem strany, ktorá pôvodne obsahovala vyššiu koncentráciu. Tlak, ktorý je potrebné použiť na túto stranu, aby sa zvrátil proces osmózy, sa nazýva osmotický tlak. Vyjadruje sa v mmHg alebo v jednotkách Sl pascalov (Pa) alebo kilopascalov (kPa). Keď sa použije také meranie, sa zistilo, že osmotický tlak závisí iba od počtu rozpustených častíc v definovanom objeme, a nie od ich veľkosti alebo náboja. Bunkové membrány sú semipermeabilné membrány, pretože lipidová vrstva je menej priepustná pre nabité molekuly, ako sú ióny a proteíny. Osmotický tlak extracelulárnej tekutiny závisí od jej obsahu bielkovín a solí a približne zodpovedá tlaku 0,9% roztoku NaCl. Takýto fyziologický roztok soli je izotonický (to znamená, že je v osmotickej rovnováhe s bunkou). V dôsledku toho bunky kúpané v hypertonických (koncentrovanejších) roztokoch strácajú vodu a zmenšujú sa, zatiaľ čo v hypotonických (menej koncentrovaných) roztokoch naberajú vodu a napučiavajú. Organizmus má špeciálne regulačné mechanizmy, ktoré udržujú osmotický tlak extracelulárnej tekutiny na čo najnižšej úrovni. Vzhľadom na dobrú priepustnosť bunkových membrán pre vodu vedú tieto mechanizmy k viac -menej konštantnému osmotickému tlaku vo vnútri bunky. Pojem koloidný osmotický tlak sa používa vtedy, keď sú napríklad proteíny, pre ktoré je kapilárna stena nepriepustná, rozpustené v krvnej plazme, a nie v intersticiálnej tekutine. Medzi intersticiálnou tekutinou a kapilárnym priestorom vytvárajú rozdiel osmotického tlaku asi 25 mmHg (3,3 kPa). To by viedlo k pohybu tekutiny do ciev, ak by nebol proti tomu hydrostatický krvný tlak aktívny vo vnútri ciev. Pretože krvný tlak na začiatku kapilár (37 mmHg) je vyšší ako koloidný osmotický tlak, tekutina sa v skutočnosti filtruje do intersticiálneho priestoru.

1.FILTRÁCIA – K filtrácii dochádza, keď je voda a akékoľvek rozpustené častice pretlačené cez bunkové membrány alebo pórový systém pomocou rozdielu hydrostatického tlaku. K pórom dochádza napríklad vtedy, keď sú medzi endotelovými bunkami (medzibunkové rázštepy alebo fenestrácie) v bunkových membránach malé medzery. Takýto proces sa nachádza v kapilárach tkanív. Pojem ultrafiltrácia sa používa vtedy, keď sa v priebehu filtračných procesov, ako sú procesy v kapilárach obličkových teliesok, zachytávajú väčšie krvné zložky alebo sa oddelia rozpustené molekuly kvôli ich veľkosti alebo náboju.

2.AKTÍVNA DOPRAVA – Aktívny transport je transport látok cez bunkovú membránu prostredníctvom energeticky závislého transportného systému (transport AT Pase). Tu opäť slúži ATP ako univerzálne palivo. Takýto transportný proces môže pohybovať látkou cez membránu proti koncentračnému gradientu. Bunky majú teda schopnosť udržiavať vo svojom vnútri stabilné koncentrácie iónov, ktoré sú napríklad jasne odlišné od ich koncentrácií v extracelulárnej tekutine. Tieto aktívne transportné procesy slúžia špecializovaným proteínom v bunkovej membráne, ktoré môžu súčasne pohybovať niekoľkými iónmi. V tomto procese môže k spojenému transportu látok dochádzať v rovnakom smere (kotransport-symport) alebo v opačných smeroch (proti transport-Antiport). Napríklad v obličkách je transport aminokyselín spojený s aktívnym transportom Na+. Na vytvorenie membrány alebo pokojových potenciálov je navyše potrebný aktívny transport iónov cez bunkové membrány.

ENDOCYTÓZA A EXOCYTÓZA
Molekuly, ako sú proteíny, vstupujú (endocytóza) alebo vystupujú (exocytóza) cez bunkovú membránu takzvaným vezikulárnym transportom. Počas tohto procesu sú látky čiastočne prichytené k bunkovej vonkajšej strane receptormi naviazanými na membránu, uzavretými časťou plazmatickej membrány, a presúvajú sa do vnútra bunky ako vezikula obalená membránou (endocytóza sprostredkovaná receptorom). V závislosti od veľkosti absorbovaných častíc sa tento proces môže nazývať aj pinocytóza alebo fagocytóza. In exocytosis, products synthesized in the cell are enclosed in membranous vesicles and, by coalescence of these vesicles with the inside of plasma membrane, reach the extracellular space. In this way, the transmitter substances in the endings of nerve cell processes are liberated at the synapses. The secretory products of most glandular cells leave the cell interior in a similar fashion. Endocytosis and exocytosis are dependent on the action of ATP. The smallest living entity of an organism is the cell. In contrast to single-celled organisms that are independent entities, the cells of higher organisms form functional units. In accordance with their function, the cells are differentiated by size, shape, and the degree of definition of certain characteristics. For all cells of the body, there are a certain basic structure and numerous basic properties. The basic properties include the ability to divide and to sense and respond to stimuli.


Calcium channels

As with potassium channels, there is more than one type of calcium channel. The inward calcium current is slower than the sodium current. There are at least two types of current in certain neurons of the central nervous system—a long-lasting current activated at positive potential and a transient current activated at more negative potential. There are two corresponding types of calcium channels: a large conductance channel that gives rise to a long-lasting current at positive membrane potentials and a low conductance channel that gives rise to a transient current at more negative potentials. In some neurons a third channel current occurs that is transient and can only be activated at high negative potential.


About this autism research news

Zdroj: The Child Mind Institute
Kontakt: Press Office – The Child Mind Institute
Obrázok: The image is in the public domain

Pôvodný výskum: Open access.
“Towards robust and replicable sex differences in the intrinsic brain function of autism” by Dorothea L. Floris, José O. A. Filho, Meng-Chuan Lai, Steve Giavasis, Marianne Oldehinkel, Maarten Mennes, Tony Charman, Julian Tillmann, Guillaume Dumas, Christine Ecker, Flavio Dell’Acqua, Tobias Banaschewski, Carolin Moessnang, Simon Baron-Cohen, Sarah Durston, Eva Loth, Declan G. M. Murphy, Jan K. Buitelaar, Christian F. Beckmann, Michael P. Milham & Adriana Di Martino. Molecular Autism


Nerve impulses are conducted from receptors to the CNS by sensory neurons, within the CNS by relay neurons, and from the CNS to effectors by motor neurons.

Odpočinkový potenciál: the electrical potential across the plasma membrane of a cell that is not conducting an impulse.

Akčný potenciál: the reversal and restoration of the electrical potential across the plasma membrane of a cell, as an electrical impulse passes along it (depolarization and repolarization).


Risky decision making, prefrontal cortex, and mesocorticolimbic functional connectivity in methamphetamine dependence

Dôležitosť: Various neuropsychiatric disorders, especially addictions, feature impairments in risky decision making clarifying the neural mechanisms underlying this problem can inform treatment.

Cieľ: To determine how methamphetamine-dependent and control participants differ in brain activation during a risky decision-making task, resting-state functional connectivity within mesolimbic and executive control circuits, and the relationships between these measures.

Design, setting, and participants: A case-control, functional magnetic resonance imaging study of methamphetamine-dependent and healthy comparison participants at rest and when performing the Balloon Analogue Risk Task, which involves the choice to pump a balloon or to cash out in the context of uncertain risk. Conducted at a clinical research center at an academic institution, this study involved 25 methamphetamine-dependent and 27 control participants.

Main outcomes and measures: Parametric modulation of activation in the striatum and right dorsolateral prefrontal cortex (rDLPFC ie, the degree to which activation changed as a linear function of risk and potential reward), both indexed by pump number, and resting-state functional connectivity, measured in the whole brain with seeds in the midbrain and rDLPFC. Relationships between these outcomes were also tested.

Výsledky: Parametric modulation of cortical and striatal activation by pump number during risk taking differed with group. It was stronger in the ventral striatum but weaker in the rDLPFC in methamphetamine-dependent participants than control individuals. Methamphetamine-dependent participants also exhibited greater resting-state functional connectivity of the midbrain with the putamen, amygdala, and hippocampus (P < .05, whole brain, cluster corrected). This connectivity was negatively related to modulation of rDLPFC activation by risk level during risky decision making. In control participants, parametric modulation of rDLPFC activation by risk during decision making was positively related to resting-state functional connectivity of the rDLPFC with the striatum.

Conclusions and relevance: Maladaptive decision making by methamphetamine users may reflect circuit-level dysfunction, underlying deficits in task-based activation. Heightened resting-state connectivity within the mesocorticolimbic system, coupled with reduced prefrontal cortical connectivity, may create a bias toward reward-driven behavior over cognitive control in methamphetamine users. Interventions to improve this balance may enhance treatments for stimulant dependence and other disorders that involve maladaptive decision making.


Pozri si video: Oprava vstrekovačov a vstrekovacich (August 2022).