Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w
Lublinie
2012/2013
Wykład dla studentów kierunku analityka medyczna
Biofizyka błony biologicznej
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w
Lublinie
2012/2013
Wykład dla studentów kierunku analityka medyczna
Biofizyka błony biologicznej
Transport substancji przez błony
Powstawanie potencjału błonowego
Szkielet błony biologicznej utworzony jest z
dwuwarstwy lipidowej
hydrofobowy
hydrofilowy
hydrofilowy
8 nm
Przejście fazowe
Błona musi być w stanie ciekłym
jeśli nie jest - nie może transportować substancji
T
m
> 30
o
C
Tm
Niewysycone wiązania
– ważne dla płynności błony
•Błony zawierają białka – transbłonowe i
periferialne
•Na zewnętrznej stronie błony ulokowane są
glikorproteiny
•Układ lipidów i białek po obu stronach błony jest
niesymetryczny
•Lipidy i białka błony są w ciągłym ruchu
Wewnętrzna strona błony połączona
jest z cytoszkieletem
Błona biologiczna jako płynna mozaika
(model błony wg Singera i Nicolsona)
Szkielet błony biologicznej utworzony jest z dwuwarstwy
lipidowej
Błony zawierają białka – transbłonowe i periferialne
Na zewnętrznej stronie błony ulokowane są glikorproteiny
Układ lipidów i białek po obu stronach błony jest
niesymetryczny
Lipidy i białka błony są w ciągłym ruchu
Wewnętrzna strona błony połączona jest z cytoszkieletem
Błony biologiczne są
przepuszczalne
dla pewnych substancji i
nieprzepuszczalne
dla innych
Transport przez dwuwarstwe lipidową
-
prosta dyfuzja
pomiędzy łańcuchami
Transport przez błonę
-
dyfuzja ułatwiona
Białka
przenośnikowe
Prosta dyfuzja
przez błony jest drogą
wymiany gazów w układzie oddechowym
oraz wymiany gazów ,wody i małych
niepolarnych cząsteczek przez kapilary.
Dyfuzja ułatwiona
to sposób wymiany
substancji odżywczych.
Transport przez błonę
Transport jonów przez błonę
-
Dyfuzja jonów przez błonę -
kanały jonowe
Transport wody
Cząsteczki wody przechodzą przez błonę
plazmatyczną na dwa sposoby:
• Bezpośrednia dyfuzja poprzez
dwuwarstwę lipidową (prosta dyfuzja
pomiędzy łańcuchami),
• Poprzez akwaporyny – małe
transbłonowe białka pełniące rolę
kanałów dla wody
Transport przez błonę
Prosta dyfuzja pomiędzy łańcuchami lipidów
Dyfuzja ułatwiona
Dyfuzja jonów przez kanały jonowe
Transport pasywny
(bez nakładu energii)
Transport jonów przez błonę
-
Aktywny transport jonów
– pompy jonowe
Pompa sodowo-potasowa
Na
+
/K
+
ATPase
Transport aktywny - potrzebuje energii !
Aktywny transport jonów
– pompy jonowe
Transport aktywny - potrzebuje energii !
Potencjał błonowy
W żywych komórkach istnieje różnica potencjału
elektrycznego w poprzek błony plazmatycznej –
Potencjał błonowy
Potencjał błonowy większości typów komórek
jest względnie stały
Pewne komórki używają zmian potencjału
błonowego do szybkiej komunikacji (np. neurony,
komórki mięśniowe)
Potencjał błonowy
Potencjał błonowy powstaje w wyniku separacji
ładunków elektrycznych w poprzek przegrody o
pewnym oporze elektrycznym.
Istnienie potencjału błonowego jest wynikiem
działania błonowych białek transportowych:
kanałów jonowych i
pomp jonowych,
które
mogą
rozseparowywać jony w poprzek błony.
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
Potencjał błonowy
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
Potencjał błonowy
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
+
_
Potencjał błonowy
i
i
a
a
zF
RT
E
E
E
0
0
ln
)
(
i
c
c
E
0
log
60
]
[
]
[
log
60
i
o
K
K
K
E
c
γ
a
(mV)
R
– stała gazowa (w
J/(molxK))
T
– temperature (w skali
Kelvina)
F
– stała Faradaya (w
C/mol)
C
– stężenie jonów
Potencjał błonowy – równanie Nernsta
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
A
-
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
wnętrze
zewnętrze
Ion
[c
0
] (mM)
[c
i
] (mM)
E (mV)
K
+
2,5
115
-100
Na
+
145
14
+61
Cl
-
90
6
-71
Potencjał równowagowy
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
ln
0
0
o
Cl
i
Na
i
K
i
Cl
Na
K
Cl
P
Na
P
K
P
Cl
P
Na
P
K
P
F
RT
E
]
[
]
[
ln
0
i
K
K
K
F
RT
E
E
Równanie Nernsta
P
K
, P
Na
, P
Cl
– przepuszczalność błony dla jonów
Potencjał spoczynkowy jest wynikiem
przepuszczalności błony dla jonów potasu
Potencjał błonowy – równanie Goldmana
Potencjał spoczynkowy
-70
Potencjał spoczynkowy jest wynikiem przepuszczalności
błony dla jonów potasu
i ustawicznej pracy pompy sodowo-potasowej
Potencjał błonowy
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
ln
0
0
o
Cl
i
Na
i
K
i
Cl
Na
K
Cl
P
Na
P
K
P
Cl
P
Na
P
K
P
F
RT
E
- 70 mV
+ 60 mV
Potencjał czynnościowy
Zmiana przepuszczalności
błony inicjuje powstanie
potencjału czynnościowego
W fazie rosnacej potencjał błonowy
depolaryzuje się (staje się dodatni).
Faza opadająca (repolaryzacja).
Hiperpolaryzacja (błona staje się chwilowo
bardziej ujemna niż w stanie spoczynkowym).
Okres refrakcji
– czas, w którym niemożliwe
(lub bardzo trudne) jest wzbudzenie
następnego potencjału czynnościowego.
Potencjał czynnościowy – zasada
„wszystko albo nic”
W zależności od natężenia bodźca potencjał
czynnościowy albo zachodzi w całości albo nie
zachodzi wcale.
Amplituda potencjału czynnościowego nie zależy od
wielkości powodującego go bodźca, czyli –
silniejsze bodźce nie powodują większych
potencjałów czynnościowych.
Większe natężenie bodźca powoduje zwiększenie
częstotliwości potencjałów czynnościowych.
Inaczej jest przy potencjałach receptorowych, których
amplitudy zależą od natężenia bodźca.
-70 mV
+40 mV
E
K
E
Cl
0
E
Na
1 ms
I
Na
I
K
Przykłady różnych potencjałów
czynnościowych
Przykłady różnych potencjałów
czynnościowych
Akson
Komórka mięśnia szkieletowego Komórka mięśnia sercowego
Propagacja potencjału
czynnościowego w nerwach
Dla szybkiego przewodzenia akson potrzebuje warstwy izolacyjnej
– osłonki
mielinowej
Prędkość propagacji w aksonie z osłonka mielinową jest większa niż 100
m/s.
Prędkość propagacji w aksonie bez osłonki mielinowej wynosi kilka m/s.
Skokowe przewodnictwo potencjału czynnościowego
w nerwach
Do zobaczenia na teście !