ĆWICZENIA FIZJOLOGIA

•                      Właściwości błon biologicznych oraz sposoby transportu przez błony biologiczne

•                      Pojęcie pobudliwości

•                      Geneza potencjału spoczynkowego i czynnościowego komórek

•                      Wpływ różnych czynników na pobudliwość tkanek

HOMEOSTAZA

Płyn zewnątrzkomórkowy i wewnątrzkomórkowy różnią się od siebie składem. Procesy i mechanizmy, które utrzymują stałość składu każdego z płynów noszą nazwę mechanizmów homeostatycznych.

PŁYN ZEWNĄTRZKOMÓRKOWY (ECF) – jego skład to osocze krwi i płyn tkankowy. Stałość składu płynu zewnątrzkomórkowego jest zapewniona przez współdziałanie układów krążenia, oddechowego, pokarmowego, wewnątrzwydzielniczego i nerwowego.

PŁYN WEWNĄTRZKOMÓRKOWY (ICF) – stałość jego składu jest utrzymywana dzięki błonie komórkowej, przez którą odbywa się wymiana pomiędzy ECF i ICF za pośrednictwem mechanizmów dyfuzji, osmozy, transportu aktywnego i transportu pęcherzykowego. 

BŁONA KOMÓRKOWA (1)

Komórkę otacza błona komórkowa zbudowana z lipidów i białek.

LIPIDY (głównie fosfolipidy, cholesterol i glikolipidy) – są związkami amfipatycznymi, tj. cząsteczkami asymetrycznymi strukturalnie z jednym końcem silnie polarnym (hydrofilnym), oraz drugim niepolarnym (hydrofobowym) zbudowanym z węglowodorów.

W roztworze wodnym cząsteczki lipidów ustawiają się naprzeciw siebie w taki sposób, że tworzą warstwę podwójną

•                      Hydrofilne końce cząsteczek  lipidów ustawiają się w kierunku ICF i ECF

•                      Końce hydrofobowe ustawiają się naprzeciw siebie, tworząc wewnętrzną część podwójnej warstwy lipidowej  

•                       

BŁONA KOMÓRKOWA (2)

Budowa błony komórkowej przedstawiana jest jako płynna struktura mozaikowa. Według tego modelu białka błonowe są zanurzone w podwójnej, płynnej warstwie lipidowej.

Białka uczestniczą w wielu procesach fizjologicznych zachodzących w błonie komórkowej.

•                      Białka integralne (przechodzące przez błonę) stanowią rusztowanie, na którym rozpięta jest podwójna warstwa lipidów. Po za tym budują:

•                      Kanały, przez które mogą przechodzić małe rozpuszczalne w wodzie substancje

•                      Nośniki przenoszące różne substancje przez błony czynnie lub biernie

•                      Pompy, które przenoszą jony przez błony w procesach transportu czynnego

•                      Receptory, których pobudzenie (związanie przekaźnika chemicznego) wywołuje reakcje komórki

•                      Białka błonowe wewnętrzne – występują tylko po wewnętrznej stronie warstwy lipidowej, służą głównie jako enzymy pobudzające lub hamujące procesy metaboliczne zachodzące w komórce.

•                      Białka zewnętrzne są związane z polarną, hydrofilną częścią cząsteczek lipidów lub z białkami integralnymi

TRANSPORT PRZEZ BŁONĘ KOMÓRKOWĄ (1)

DYFUZJA PROSTA – jest to proces bierny (nie wymagający nakładu energii z zewnątrz) w wyniku którego elektrycznie obojętne składniki roztworu przemieszczają się zgodnie z gradientem stężeń (z obszaru o większym stężeniu do obszaru o mniejszym stężeniu). Takie właściwości mają cząstki O2, CO2, kwasy tłuszczowe, steroidy i rozpuszczalniki organiczne (alkohole, etery).

•                      Ruch cząsteczek ustaje po wyrównaniu się ich stężenia w roztworze (równowaga dyfuzyjna)

•                      Prawo dyfuzji Ficka – określa szybkość dyfuzji przez błonę jako funkcję gradientu stężeń:

Przepływ = - [(D • A)/x] (Cw – Cz)

D – współczynnik dyfuzji (cm2/s)

A – powierzchnia, przez którą zachodzi dyfuzja (cm2)

x – droga, na której zachodzi dyfuzja (cm)

Cw i Cz – stężenie substancji dyfundującej po stronie wewnętrznej i zewnętrznej błony

Prawo Ficka może być również wyrażone wzorem:

Przepływ = - P • A • (Cw – Cz)

P – współczynnik przepuszczalności (cm/s) i jest równy D/x

TRANSPORT PRZEZ BŁONĘ KOMÓRKOWĄ (2)

DYFUZJA UŁATWIONA (WSPOMAGANA) – polega na transporcie za pomocą nośników. Proces ten umożliwia przechodzenie przez błonę cząstek, które ze względu na wielkość nie mogą przechodzić przez kanały błonowe na drodze dyfuzji prostej (wiele jonów i substancji odżywczych).

Dyfuzja wspomagana nie wymaga nakładu energii!

•                      Za pomocą dyfuzji wspomaganej odbywa się transport glukozy przez błonę krwinek czerwonych i mięśni szkieletowych

TRANSPORT PRZEZ BŁONĘ KOMÓRKOWĄ (4)

TRANSPORT CZYNNY (AKTYWNY)

•                      PIERWOTNY – wykorzystuje energię pochodzącą  bezpośrednio z rozkładu ATP do transportu substancji wbrew gradientowi stężeń.

•                      Pompa sodowo-potasowa (Na+-K+-ATP-aza); pompa wykorzystuje cząsteczkę ATP-azy błony komórkowej jako nośnik. Działa na zasadzie antyportu.

ü                    Pompa wapniowa (Ca+2) w siateczce sarkoplazmatycznej komórek mięśniowych, warunkująca utrzymanie stężenia jonów Ca+2 poniżej 0,1μmol/l

ü                    Pompa potasowo-wodorowa (K+-H+) komórek błony śluzowej żołądka, umożliwiająca wydzielanie jonów H+ do światła żołądka

TRANSPORT PRZEZ BŁONĘ KOMÓRKOWĄ (5)

TRANSPORT CZYNNY (AKTYWNY)

•                      WTÓRNY – wykorzystuje energię zgromadzoną pod postacią przezbłonowego gradientu stężenia jonów sodowych do transportu substancji wbrew gradientowi ich stężeń

•                      Glukoza i aminokwasy są reabsorbowane z kanalików bliższych nerek i wchłaniane ze światła jelita z wykorzystaniem transportu wtórnie aktywnego zależnego od jonów Na+

•                      Jony wapnia są usuwane z cytoplazmy kardiomiocytów i innych komórek mięśniowych na drodze transportu wtórnie aktywnego  zwanego wymiennikiem Na+-Ca2+. Wymiennik sodowo-wapniowy zużywa energię zmagazynowaną w trzech jonach sodowych do przetransportowania jednego jonu wapnia na zewnątrz komórki. Jest to mechanizm wspomagający skurcz mięśnia.

•                      Jony H+ powstające w komórce na skutek procesów metabolicznych są usuwane na zewnątrz komórki na drodze transportu wtórnie aktywnego zależnego od jonów sodowych. Ten mechanizm jest istotny dla utrzymania normalnego pH wnętrza komórki, a także dla reabsorpcji dwuwęglanów z kanalików bliższych nerek.

Potencjał spoczynkowy błony komórkowej

POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY – różnica napięcia między obu stronami błony plazmatycznej niepobudzonej komórki pobudliwej. Potencjały spoczynkowe mają wartości ujemne.

Powstawanie tego potencjału jest spowodowane przepływem jonów potasu, zgodnie z gradientem ich stężenia z wnętrza, na zewnątrz komórki. Powoduje to pozostanie niewielkiego nadmiaru jonów ujemnych po wewnętrznej stronie błony.

•                      Depolaryzacja – wzrost zewnątrzkomórkowego stężenia jonów potasu, przesunięcie wartości potencjału w kierunku wartości dodatnich

•                      Repolaryzacja - spadek zewnątrzkomórkowego stężenia jonów potasu, przesunięcie wartości potencjału w kierunku wartości ujemnych, powodując hiperpolaryzację (tzn. potencjał staje się ‘bardziej ujemny’)

POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY – jest przejściową zmianą potencjału błony związaną z przekazywaniem informacji, np. w układzie nerwowym. Komórki elektrycznie pobudliwe (neurony, komórki mięśniowe) wytwarzają potencjał czynnościowy w wyniku zmiany potencjału błonowego (tzn. w wyniku przepływu prądu do lub z komórki)

Pompa sodowo-potasowa

Pompa sodowo-potasowa (Na+-K+-ATP-aza); pompa wykorzystuje cząsteczkę ATP-azy błony komórkowej jako nośnik. Działa na zasadzie antyportu.

ü                    Zadaniem pompy jest utrzymanie wysokiego stężenia jonów potasowych i niskiego stężenia jonów sodowych w płynie wewnątrzkomórkowym

ü                    Na jeden cykl pracy pompy zużywana jest jedna cząsteczka ATP, której energia pozwala na przetransportowanie trzech jonów sodowych na zewnątrz komórki oraz dwóch jonów potasu do wnętrza komórki

Optymalna praca pompy sodowo-potasowej wymaga:

ü                    Stałego dopływu do komórek tlenu i substancji energetycznych (glukozy)

ü                    Stałej resyntezy ATP z ADP i fosforanu w procesie oddychania komórkowego

ü                    Stałego odprowadzenia z komórek ostatecznego produktu rozpadu substancji energetycznych – dwutlenku węgla

ü                    Odpowiedniego stosunku kationów Na+ do K+ w płynie zewnątrzkomórkowym

ü                    Odpowiedniej temperatury dla procesów enzymatycznych wewnątrzkomórkowych 37°

POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY

Różne komórki pobudliwe organizmu wytwarzają potencjały czynnościowe o nieco odmiennym przebiegu. Wspólna cechą potencjałów czynnościowych różnych tkanek jest przepływ prądu przez swoiste kanały jonowe, otwierające się lub zamykające w odpowiedzi na zmiany w potencjale błony komórkowej.

•                      POTENCJAŁ PROGOWY – komórki pobudliwe ulegają szybkiej depolaryzacji po podwyższeniu ich potencjału do poziomu depolaryzacji krytycznej (tzn. potencjału progowego). Po osiągnięci potencjału progowego depolaryzacja zachodzi samoistnie.

„WSZYSTKO ALBO NIC” – potencjał czynnościowy jest odpowiedzią działającą na takiej właśnie zasadzie. Oznacza to, że bodziec odpowiednio silny, doprowadzający potencjał błonowy do potencjału progowego zawsze wyzwoli w danej komórce taki sam potencjał czynnościowy.

•                      Szybka faza depolaryzacji – faza po przekroczeniu potencjału progowego nosi nazwę depolaryzacji lub fazy narastania potencjału czynnościowego. Jest ona wywołana napływem jonów Na+ do komórki

•                      Nadstrzał (odwrócenie polaryzacji) – faza potencjału czynnościowego, w której potencjał błonowy jest dodatni

•                      Szybka faza repolaryzacji – ponowny spadek potencjału czynnościowego i powrót w kierunku potencjału spoczynkowego. Jest wywołany wypływem jonów K+ z komórki

•                      Hiperpolaryzacja następcza – w końcowej fazie potencjału czynnościowego potencjał błonowy staje się bardziej ujemny od potencjału spoczynkowego

Czynniki modyfikujące pobudliwość

•                      Zmiany stężenia jonów K+ i Ca2+ w płynie zewnątrzkomórkowym;

•                      Wzrost stężenia jonów K+ obniża gradient stężeń dla jonów K+ poprzez błonę pobudliwą, powodując obniżenie potencjału błonowego w kierunku potencjału progowego. Błona staje się bardziej pobudliwa i bodźce, już o mniejszej sile, mogą wywoływać potencjał progowy i prowadzić do potencjału czynnościowego.

•                      Obniżenie stężenia jonów K+ prowadzi do hiperpolaryzacji błony i zmniejszenia jej wrażliwości

•                      Obniżenie stężenia jonów Ca2+ podnosi pobudliwość, zarówno neuronów, jak i miocytów, na skutek zmniejszenia stopnia depolaryzacji, wymaganej do osiągnięcia potencjału progowego i wywołania potencjału czynnościowego (na skutek napływu jonów Na+)