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
Klasyczna teoria przewodnictwo elektronowego
Paul Drude (1902)
Øð Metal jest zbiorem jonów sieci przenikanym przez  morze
elektronów- gaz elektronowy
Øð Elektrony mogÄ… poruszać siÄ™ swobodnie, ale napotykajÄ… od czasu
do czasu przeszkody z którymi się zderzają
Øð W temperaturze T>0 elektrony sÄ… w ciÄ…gÅ‚ym ruchu, podobnie jak
cząsteczki gazu w naczyniu, między zderzeniami poruszają się po
liniach prostych
Øð Jeżeli do kawaÅ‚ka metalu przyÅ‚oży siÄ™ różnicÄ™ potencjałów, jego
wnętrze przeniknie pole elektryczne wprawiając elektrony w
dodatkowy ruch o składowej wzdłuż przyłożonego pola
E  natężenie pola elektrycznego
Teoria pasmowa
Poziomy elektronowe w atomie
F6
F7
F8
Elektrony w izolowanych
0
0
F9
atomach zajmujÄ…
dyskretne dozwolone
-1
V(r)
E2
poziomy energetyczne
Wzrost
E0, E1, E2 etc.
energii
-2
E1
wiÄ…zania
Energia potencjalna
elektronu:
E0
-3
-4
-ð qe2
V(r) =
4pðeðo r
-5
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
r
r
Powstawanie pasm energetycznych
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.
Przewodnictwo elektronowe kryształów
C
G
V
G
półprzewodnik
metal izolator
samoistny
Energia
Półprzewodniki samoistne
ln(s)
1/T
Półprzewodniki typu n
Półprzewodniki typu p
Opór elektryczny
Kelvin
Dewar, Onnes
temperatura
Rys. Zależność temperaturowa oporu dla
normalnego metalu
oporność
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 wyraz
nie
określonej temperatury (Tc), charakterystycznej dla tego materiału
Heike Kamerlingh Onnes - nagroda Nobla z fizyki 1913r.
Nadprzewodniki w polu magnetycznym
Efekt Meissnera  wypychanie pola magnetycznego z wnętrza nadprzewodnika
Hzew
Chłodzenie
w polu
EkranujÄ…ce
magnetycznym
prÄ…dy
nadprzewodzÄ…ce
T > Tc
T < Tc
Nadprzewodniki I rodzaju
H
Stan normalny
Hc
Stan Meissnera
Tc
0
T [K]
H>Hc HWykres fazowy dla nadprzewodnika
Stan normalny Stan Meissnera
I rodzaju
Nadprzewodniki II rodzaju
EkranujÄ…ce
prÄ…dy
nadprzewodzÄ…ce
H>Hc2 Hc1Stan normalny Stan mieszany Stan
Meissnera
Statystyki kwantowe
T > 0oK
Energia Fermiego
T= 0oK
1
f (ðeð)ð=ð
e(ðeð -ðmð )ð/ kT +ð1
0 1
obsadzenie
T > 0oK
kondensat
1
f (ðeð)ð=ð
e(ðeð -ðmð )ð/ kT -ð1
obsadzenie
energia
Fermiego-Diraca
energia
Bosego-Einsteina
Pary Coopera i teoria BCS (1957)
J. Bardeen L.Cooper J.Schreiffer
Nadprzewodnictwo w wysokich temperaturach
J. George Bednorz Alex Muller
Przewodnictwo w błonie komórkowej
Struktura błony komórkowej
Rozkład jonów między wnętrzem komórki a otoczeniem  potencjał spoczynkowy
Potencjał spoczynkowy
Na zewnÄ…trz
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
Błona komórkowa
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
WewnÄ…trz
Na+
K+
Cl-
Org-
równanie Nernsta
RT czew
V =ð -ð ln
zF cwew
równanie Goldmana-Hogdkina-Katza
RT PNa[ðNa+ð]ð +ð PCl[ðCl-ð]ð
zew wew
V =ð -ð ln
2,3F PNa[ðNa+ð]ð +ð PCl[ðCl-ð]ð
wew zew
Potencjał membranowy Vm= Vw-Vz , Vz = 0
Rośliny Zwierzęta
Ze względu na aktywność pompy Ze względu na aktywność pompy
Stan
protonowej: sodowo- potasowej:
spoczynku
1. 10-1000 x większe stężenie K+ 1. 10 x większe stężenie K+ i 10 x
i 10-50 x większe stężenie Cl- mniejsze stężenie Na+ wewnątrz
wewnątrz komórki w stosunku komórki w stosunku do jej
do jej otoczenia otoczenia
2. Vm przyjmuje wartości od 2. Błona głównie przepuszczalna
 150 do  200 mV dla K+ stÄ…d Vm oscyluje w
pobliżu
 58mV
Rodzaj komórki Potencjał spoczynkowy
Olbrzymi akson kałamarnicy -70 mV
Komórka mięśniowa -90 mV
Erytrocyt -10 mV
Neuron kota -80 mV
Komórka jajowa jeża -40 mV
Parametry charakteryzujące kanały jonowe:
* selektywność
* otwieranie (gating)
* przewodnictwo jednostkowe
* kinetyka: aktywacja, inaktywacja
* gęstość powierzchniowa
Podział kanałów ze względu na selektywność
- kanały sodowe
- kanały potasowe
- kanały wapniowe
- kanały chlorowe
- nieselektywne kanały kationowe
Podział kanałów ze względu na sposób otwierania (gating):
- kanały otwierane napięciem (voltage-gated)
- kanały otwierane ligandem (ligand-gated)
-kanały otwierane naprężeniem błony
C
-ð100
1 I 10 pA
=ð =ð =ð 100 pS
przewodnictwo jednostkowe
R U 100 mV
Voltage - clamp
komparator
y
ródło napięcia
y
ródło prądu
wzorcowego
kompensacyjnego
- 0 + - 0 +
mA/cm2 mV
Pomiar potencjału
błony komórkowej
Mikroelektrody
+30 mV
IK
IK + INa
INa
Technika patch - clamp
Pomiar prądów jonowych płynących przez pojedyncze kanały
Nagroda Nobla w dziedzinie
fizjologii i medycyny 1991
Erwin Neher Bert Sakmann
Max-Planck-Institut für
Max-Planck-Institut,
Biophysikalische
Heidelberg, Germany
Chemie
Goettingen, Germany
Podstawowe konfiguracje pomiarowe stosowane
w technice patch-clamp
cell attached whole cell
c a ell t t ach w hole c ell
c a ell t t ach w hole c ell
c t ach ed ed ed w hole ell
a ell t s c e-out
out id
out s id e-out
out s id e-out
outside-out
Cell attached
+100
C
+60
C
+20
C
C
-ð20
C
-ð60
C
-ð100
10 pA
1 s
V / mV