Wykładowca: mgr A. Szczepanek

Biofizyka - ćwiczenia 24.10.2010
(niedziela)

Potencjał spoczynkowy

• W wyniku wybiórczej przepuszczalności błony komórkowej występują różnice w składzie płynu wewnątrz- i zewnątrzkomórkowego

• Różnica ta utrzymana jest dzięki dyfuzji zależnej od dyfuzji gradientu chemicznego oraz elektrycznego, jak i dzięki pompie sodowo-potasowej

• Cytoplazma komórek i płyn pozakomórkowy jest elektrycznie obojętna. Jedynie obszar 1 µm wokół błony komórkowej (będącej izolatorem elektrycznym) cechuje się wyraźnie warstwą ładunków dodatnich po zewnętrznej stronie i ujemnych po wewnętrznej stronie komórki

• Różnica w rozkładzie ładunków wytwarza potencjał elektryczny w poprzek błony komórkowej, nazywany potencjałem spoczynkowym

• Większość potencjału w zależności od typu komórki wynosi od -10 do -100 mV

• Spośród jonów występujących w komórce znaczenie w powstawaniu potencjału spoczynkowego odgrywają Na⁺, K⁺, Cl^-, i A^- różniące się łatwością przenikania przez błonę komórkową.

• Aniony organiczne A- przeważnie nie przenikają przez błonę komórkową

• Spośród jonów Na⁺, K⁺, Cl^- najłatwiej przez błonę komórkową przenikają jony chlorkowe i potasowe, a najtrudniej sodowe (75 razy trudniej niż jony potasowe)

• Przepuszczalność błony komórkowej ogranicza ilość specyficznych kanałów dla danego rodzaju jonów

• W komórce wstanie spoczynku tylko niewielka ilość kanałów sodowych jest otwarta, strumień jonów Na⁺ pomimo występowania gradientu stężeń jest niewielka

• Wpływ gradientu stężeń jonów K⁺ przewyższa różnicę potencjału elektrycznego utrzymującego te jony wewnątrz w wyniku czego jony potasowe wydostają się na zewnątrz komórki

• Jony chlorkowe zgodnie z gradientem stężeń dążą do wnętrza komórki natychmiast jednak są wypychane na zewnątrz poprzez ujemne elektrycznie wnętrze komórki osiągają potencjał równowagi

Potencjał czynnościowy komórki

• Potencjał spoczynkowy komórki jest właściwością wszystkich komórek żywych, największe znaczenie ma jednak dla tkanek nazywanych pobudliwymi - nerwowej i mięśniowej

• W przypadku tkanek pobudliwych po zaistnieniu odpowiedniego bodźca potencjał czynnościowy, będący biofizycznym wyrazem pobudzenia - impulsem.

• W postaci impulsów przewodzone są informacje w układzie nerwowym

• Włókno mięśniowe czy nerwowe w stanie potencjału spoczynkowego wykazuje się polaryzacją poprzeczną - na zewnątrz dominują ładunki dodatnie, a wewnątrz ujemne

• Potencjał spoczynkowy dla neuronów człowieka to -70mV, a w komórkach mięśniowych -90mV

• W wyniku zadziałania bodźca (podniety) w komórce może dojść do powstania potencjału czynnościowego, jednak aby doszło do powstania impulsu potencjał błony musi urosnąć do poziomu większego od -55mV, czyli przekroczyć potencjał progowy

• Wraz z działaniem bodźca zwiększa się przepuszczalność błony dla jonów sodowych, potencjał komórki staje się dodatni (+35mV). Następnie dochodzi do inaktywacji kanałów sodowych

• Z opóźnieniem czasowym dochodzi do zwiększenia przepuszczalności błony dla jonów potasowych (około -10krotnie). Jony K⁺ opuszczają komórkę zgodnie z ich gradientem chemicznym. Wnętrze depolaryzowanej komórki wyzbywa się nadmiaru jonów dodatnich - zachodzi repolaryzacja. Dodatkowo repolaryzację wspomaga pompa sodowo-potasowa

• W wyniku działania bodźca występuje nie tylko pobudzenie lecz również zmienia się pobudliwość komórki. W momencie gdy trwa potencjał iglicowy i błona jest depolaryzowana, komórka jest niepobudliwa. Żaden bodziec nie jest w stanie wywołać kolejnego potencjału czynnościowego. Okres ten nazywamy refrakcją bezwzględną

• Wraz z zachodzącą repolaryzacją lecz gdy nie nastąpiła jeszcze pełna polaryzacja komórka jest w stanie refrakcji względnej. Tylko bodźce silniejsze od progowego są w stanie wywołać kolejny impuls

• Bodziec progowy - każdy najsłabszy czynnik depolaryzacyjny, będący w stanie wywołać potencjał czynnościowy

• Bodziec słabszy nie wywołujący potencjał czynnościowego nazywa się podprogowym. W wyniku sumowania się w czasie lub przestrzeni pojedynczych bodźców podprogowych może dojść do wywołania potencjału czynnościowego

• Każdy z bodźców nadprogowych wywołuje potencjał czynnościowy - prawo „wszystko albo nic”

Przewodzenie impulsów

• Fala depolaryzacyjna przemieszcza się w komórce nerwowej w kierunku od wzgórka aksonu do zakończenia aksonu (drzewka końcowe)

• Rozprzestrzenianie się potencjału czynnościowego polega na powstawaniu lokalnych prądów jonowych prowadzących do depolaryzacji włókna przed i za miejscem do którego dotarł potencjał czynnościowy Na⁺, jako skutek ruchu jonów sodu do wnętrza aksonu odciągane są one z odcinka sąsiednich powodując ich depolaryzację

• W zależności od rodzaju włókien przewodzenie może mieć charakter ciągły lub skokowy

• Prędkość przewodzenia wzdłuż włókien wynosi od 1 m/s do 100 m/s i zależy od:
  - średnicy włókna
  - wielkości napływu prądu jonów sodu
  - występowania osłonki mielinowej

Przewodzenie impulsów w synapsach

• Synapsy są miejscem komunikowania się dwóch neuronów ze sobą

• W budowie typowej synapsy wyróżniamy:
  - błonę presynaptyczną
  - szczelinę synaptyczną (15-40 nm)
  - błonę postsynaptyczną

• Przewodzenie impulsów w synapsie odbywa się na drodze wydzielania do szczeliny przez błonę presynaptyczną związków chemicznych - mediatorów

• Mediatory powodują zmianę polaryzacji błony postsynaptycznej, a następnie są wychwytywane i usuwane przez receptory błony presynaptycznej lub degradowane przez enzymy

• Mediatory występujące w synapsach:
  - acetylocholina
  - noradrenalina
  - dopamina
  - serotonina
  - kwas gammma - aminomasłowy

Biofizyka tkanki mięśniowej

Organizmy żywe od bakterii po człowieka zdolne są do przystosowywania się do zmian w środowisku, uciekając od niebezpieczeństwa lub kierując się w stronę pożywienia. Za ruch odpowiedzialne są białka zdolne przekształcać energię chemiczną zgromadzoną w ATP w energię kinetyczną - ruch.

Budowa mięśni prążkowanych

• Mięśnie szkieletowe zbudowane są z wydłużonych, o ktałcie cylindra, wielojądrzastych komórek (miocytów)

• Ich średnica wynosi od 10 do 100 µm, natomiast długość do 30 cm.

• Komórka mięśniowa otoczona jest błoną (sarkolemmą)

• Wnętrze komórki wypełnia protoplazma (sarkoplazma) w której znajdują się kurczliwe włókienka (miofibryle)

• Na obwodzie włókna mięśniowego znajdują się jądra komórkowe

Miofibryle

• Stanowią 80% masy włókna

• Zbudowane są z białka

• Poprzegradzane są sarkoplazmą - 20% masy włókna

• Włókienka mięśniowe nie są jednolite, w ich budowie można wyróżnić poprzeczne, powtarzające się prążki - sarkomery, będące jednostką funkcjonalną mięśni

Sarkomery

• Długość sarkomeru w stanie spoczynku wynosi 2,5 µm

• W budowie wyróżniamy miofilamenty grube zbudowane z miozyny oraz miofilaminy cienkie zbudowane z białka aktyny

• Włókienka aktyny położone peryferyjnie jednym końcem przymocowane są do dysku Z ograniczającego sarkomer, a drugi wolny koniec wślizguje się między miofilamenty miozynowe

Miozyna

• W budowie można wyróżnić podłużną część składającą się z dwóch zwiniętych łańcuchów α (alfa) oraz główki mającej charakter globularny

• Dwie głowy tworzą mostek poprzeczny, będący miejscem styku z miafilamentami aktynowymi

• Na głowie znajdują się miejsca wiązania z ATP

• Główki skierowane są w stronę linii Z natomiast ogonki w stronę linii H

Aktyna

• Stanowi 10% spośród białek występujących w komórkach

• Występuje w postaci monomer oraz polimerycznej jako podwójna spirala

• W jej spiralę wpleciony jest białkowy kompleks toroponina - tropomiozyna zbudowany z podjednostek Troponiny I, Troponiny T i Troponiny C wiążącej wapń

Ślizgowa teoria skurczu mięśnia

• Grube filamenty zbudowane są z białka miozyny, każda jej cząstka to cienki pręcik z kolistą główka.

• Środkowa część filamentu jest gładka, a części boczne pokryte wystającymi główkami. Cienkie fi lamenty to białka aktyny i tropomiozyny.

• Tworzą długie cienkie części układające się w nitki leżące w rowkach między podwójną spiralną cząstek aktyny i troponiny.

• Współdziałanie filamentów grubych i cienkich polega na cyklicznym wytwarzaniu i zrywaniu mostków poprzecznych między nimi.

• Główki miozyny przyczepiają się do fi lamentów cienkich pod kątem, potem ulegają zmianom konformacyjnym w wyniku których mostki te obracają się do innego położenia kątowego, wciągając cienkie filamenty między grube.

• Mostek poprzeczny po drugiej stronie gładkiego odcinka miozyny obraca się w przeciwnym kierunku wciągając leżące naprzeciw nich końce fi lamentów cienkich i skracając mięsień ATP.

Sprzężenie elektromechaniczne

• pobudzenie motoneuronu  

• pobudzenie dociera do jednostki motorycznej 

• uwalnianie ACh do przestrzeni synaptycznej 

• depolaryzacja sarkolemy, a także kanalików T i L pod wpływem ACh 

• uwolnienie jonów Ca²⁺ z pęcherzyków końcowych (kanaliki L) 

• jony Ca²⁺ łączą się z troponiną C, co odblokowuje na nici aktyny miejsca uchwytu mostków poprzecznych miozyny 

• przyłączenie mostków poprzecznych do aktyny, a także rozkład ATP (energia) 

• przesunięcie nitek aktyny między nitki miozyny 

Skurcz mięśnia

Zmiana długości lub napięcia mięśnia, wywierająca siłę mechaniczną na miejsca przyczepu mięśnia lub wokół narządu otoczonego przez mięsień okrężny (np. mięsień okrężny ust). Poruszanie się organizmu możliwe jest dzięki synchronizowanemu skurczowi różnych grup mięśniowych.

W przypadku mięśni szkieletowych skurcz jest efektem potencjałów powstałych w mózgu w korze ruchowej. Skurcz mięśni gładkich oraz mięśnia sercowego odbywa się bez udziału woli, jednak niższe elementy ośrodkowego układu nerwowego wywierają znaczny wpływ na powstawanie i modyfikację siły skurczu.

Rodzaje skurczów mięśnia:

• izotoniczny - gdy zmienia się długość mięśnia przy stałym poziomie napięcia mięśniowego (wynikiem skurczu jest ruch)

• izometryczny - wzrasta napięcie mięśnia przy stałej długości (wynikiem nie jest ruch ale utrzymanie części ciała w stałym położeniu np. odkręcanie mocno przykręconych śrub, stanie, trzymanie ciężarów); skurcz ten nazywany jest także skurczem izotermicznym, ze względu na utrzymanie ciepłoty ciała (dreszcze)

• auksotoniczny - zmiana długości i napięcia mięśni (np. przy chodzeniu, bieganiu).

• tężcowy - jeżeli impulsy docierają w czasie krótszym niż zdąży nastąpić rozkurcz mięśnia np. skurcze mięśni żwaczy (szczękościsk), skurcz mięśni twarzy (uśmiech sardoniczny), napadowe skurcze tężcowe mięśni karku.

• tężcowy niezupełny - jeżeli impulsy docierają do mięśnia w czasie dłuższym niż skurcz - kiedy mięsień zaczyna się już rozkurczać. Jest to fizjologiczny typ skurczu i takimi skurczami działają wszystkie mięśnie człowieka przez większość czasu.

• tężcowy zupełny

• pojedynczy - wywołany przez pojedynczy impuls nerwowy lub elektryczny, trwa od kilku do kilkudziesięciu milisekund. Po skurczu następuje rozkurcz mięśnia. Odstępy między impulsami są duże, większe niż czas trwania całego pojedynczego skurczu.

Zmęczenie mięśnia

Jeśli mięsień zmuszony jest do bardzo szybkiej pracy i znacznego wysiłki, może się zdarzyć , że ilość tlenu dostarczonego przez krew okaże się niewystarczająca dla normalnego spalania. Powstający wówczas szkodliwy związek chemiczny zwany kwasem mlekowym powoduje zmęczenie mięśnia, który wskutek tego przestaje się kurczyć. Ma tu również wpływ zmęczenia układu nerwowego, kierującego pracą mięśni.

Zmęczony mięsień musi dopóty wypoczywać dopóki stan równowagi odbywających się w nim poprzednio procesów chemicznych nie zostanie przywrócony.

WIADOMOŚCI Z ĆWICZEŃ Z TEGO WYKŁADU W CZĘŚCI POWTARZAJĄ SIĘ Z WYKŁADU Z FIZJOLOGII Z DN. 23.10.2010!

---