Przewodnictwo

Monika Hereć

08.05.2011

1. Klasyczna teoria przewodnictwo elektronowego.

2. Teoria pasmowa przewodnika.

3. Zjawisko nadprzewodnictwa.

4. Przewodnictwo jonowe

5. Badanie kanałów jonowych techniką

patch-clamp

Paul Drude (1902)



Metal jest zbiorem jonów sieci przenikanym przez „morze”

elektronów- gaz elektronowy



Elektrony mogą poruszać się swobodnie, ale napotykają od czasu

do czasu przeszkody z którymi się zderzają



W temperaturze T>0 elektrony są w ciągłym ruchu, podobnie jak

cząsteczki gazu w naczyniu, między zderzeniami poruszają się po

liniach prostych



Jeżeli do kawałka metalu przyłoży się różnicę potencjałów, jego

wnętrze przeniknie pole elektryczne wprawiając elektrony w

dodatkowy ruch o składowej wzdłuż przyłożonego pola

Klasyczna teoria przewodnictwo elektronowego

E – natężenie pola elektrycznego

Poziomy elektronowe w atomie

r

4

qe

=

)

r

(

V

o

2







Elektrony w izolowanych

atomach zajmują

dyskretne dozwolone

poziomy energetyczne

E

0

, E

1

, E

2

etc.

Energia potencjalna

elektronu:

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-5

-4

-3

-2

-1

0

F6
F7
F8
F9

r

V(r)

E

2

E

1

E

0

r

0

Wzrost
energii
wiązania

Teoria pasmowa

Jeżeli atomy ulegają zbliżeniu, na odległości równe parametrom sieci

krystalicznej następują zmiany stanu elektronów. Pojedyncze poziomy atomowe

ulegają rozszczepieniu na zespoły poziomów zwanych dozwolonymi pasmami

energetycznymi.

Powstawanie pasm energetycznych

Przewodnictwo elektronowe kryształów

En

ergia

G

G

V

C

metal

półprzewodnik

samoistny

izolator

ln(

s

)

1/T

Półprzewodniki samoistne

Półprzewodniki typu n

Półprzewodniki typu p

Opór elektryczny

temperatura

op

orno

ść

Rys. Zależność temperaturowa oporu dla

normalnego metalu

Kelvin

Dewar, Onnes

Odkrycie Heike Kamerlingha Onnesa (1911)

Opór zamrożonej próbki rtęci spadł do zera w temperaturze wrzenia

ciekłego helu 4.2 K

NADPRZEWODNICTWO

Całkowity zanik oporu elektrycznego materiału poniżej wyraźnie

określonej temperatury (T

c

), charakterystycznej dla tego materiału

Heike Kamerlingh Onnes -

nagroda Nobla z fizyki 1913r.

Nadprzewodniki w polu magnetycznym

Efekt Meissnera

–

wypychanie pola magnetycznego z wnętrza nadprzewodnika

H

zew

Chłodzenie

w polu

magnetycznym

T > T

c

T < T

c

Ekranujące

prądy

nadprzewodzące

Nadprzewodniki I rodzaju

H<H

c

Stan Meissnera

H>H

c

Stan normalny

H

c

0

H

T

c

T [K]

Stan normalny

Stan Meissnera

Wykres fazowy dla nadprzewodnika

I rodzaju

Ekranujące

prądy

nadprzewodzące

H<H

c1

Stan

Meissnera

H

c1

<H<H

c2

Stan mieszany

H>H

c2

Stan normalny

Nadprzewodniki II rodzaju

obsadzenie

en

er

g

ia

T > 0

o

K

kondensat

 





1

1

/







kT

e

f







 





1

1

/







kT

e

f







Statystyki kwantowe

Ferm

iego

-Dir

aca

B

ose

go

-Einstei

na

Energia Fermiego

obsadzenie

en

erg

ia

T > 0

o

K

T= 0

o

K

0

1

Pary Coopera i teoria BCS (1957)

J. Bardeen L.Cooper J.Schreiffer

J. George Bednorz Alex Muller

Nadprzewodnictwo w wysokich temperaturach

Struktura błony komórkowej

Przewodnictwo w błonie komórkowej

Potencjał spoczynkowy

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

Błona komórkowa

Na zewnątrz

Wewnątrz

Na+

K+

Cl

-

Org

-

Rozkład jonów między wnętrzem komórki a otoczeniem – potencjał spoczynkowy

 

 

 

 

zew

Cl

wew

Na

wew

Cl

zew

Na

Cl

P

Na

P

Cl

P

Na

P

F

RT

V

















ln

3

,

2

wew

zew

c

c

zF

RT

V

ln





równanie Nernsta

równanie Goldmana-Hogdkina-Katza

Rośliny

Zwierzęta

Stan
spoczynku

Ze

względu na aktywność pompy

protonowej:

1.

10-1000 x

większe stężenie K

+

i 10-50 x

większe stężenie Cl

-

wewnątrz komórki w stosunku
do jej otoczenia

2.

V

m

przyjmuje

wartości od

–150 do –200 mV

Ze

względu na aktywność pompy

sodowo- potasowej:

1.

10 x

większe stężenie K

+

i 10 x

mniejsze

stężenie Na

+

wewnątrz

komórki w stosunku do jej
otoczenia

2.

Błona głównie przepuszczalna
dla K

+

stąd V

m

oscyluje w

pobliżu

–58mV

Rodzaj komórki

Potencjał spoczynkowy

Olbrzymi akson kałamarnicy

Komórka mięśniowa

Erytrocyt

Neuron kota

Komórka jajowa jeża

-70 mV

-90 mV

-10 mV

-80 mV

-40 mV

Potencjał membranowy V

m

= V

w

-V

z

, V

z

= 0

*

selektywność

*

otwieranie (gating)

*

przewodnictwo jednostkowe

*

kinetyka: aktywacja, inaktywacja

*

gęstość powierzchniowa

Parametry charakteryzujące kanały jonowe:

- kanały sodowe

- kanały potasowe

- kanały wapniowe

- kanały chlorowe

- nieselektywne kanały kationowe

Podział kanałów ze względu na selektywność

- kanały otwierane napięciem (voltage-gated)

- kanały otwierane ligandem (ligand-gated)

-kanały otwierane naprężeniem błony

Podział kanałów ze względu na sposób otwierania (gating):

C



100

przewodnictwo jednostkowe

p S

100

mV

100

p A

10

U

I

R

1







mV

-

0 +

-

0 +

mA/cm

2

komparator

Pomiar potencjału

błony komórkowej

Źródło prądu
kompensacyjnego

Mikroelektrody

Źródło napięcia
wzorcowego

Voltage - clamp

I

K

+ I

Na

+30 mV

I

Na

I

K

Nagroda Nobla w dziedzinie

fizjologii i medycyny 1991

Erwin Neher

Bert Sakmann

Max-Planck-Institut für

Biophysikalische

Chemie

Goettingen, Germany

Max-Planck-Institut,

Heidelberg, Germany

Pomiar prądów jonowych płynących przez pojedyncze kanały

Technika patch - clamp

Podstawowe konfiguracje pomiarowe stosowane
w technice patch-clamp

cell attached

whole cell

outside-out

cell attached

whole cell

outside-out

cell attached

whole cell

outside-out

cell attached

whole cell

outside-out

C



60

C



20

C

+20

C

+60

C

+100

10 pA

1 s

V

/

m

V

C



100

Cell attached