Základy fyziologie

Základy fyziologie
X31ZLE Základy lékařské elektroniky
Jan Havlík | Katedra teorie obvodů | [email protected]
Rádio
Víte, telegraf je v podstatě jen velmi dlouhý kocour.
V New Yourku ho zataháte za ocas a jeho hlava v Los
Angeles zamňouká. Rozumíte tomu?
A rádio funguje úplně stejně: tady vyšlete signál a tam ho
přijmou. Jediný rozdíl je v tom, že k tomu nepotřebujete
žádného kocoura.
Albert Einstein
Fyziologie
• lékařský vědní obor
– Jan Evangelista Purkyně (1787 – 1869)
• z hlediska lékařských diagnostických (nebo
terapeutických) metod nás často zajímají elektrické
vlastnosti živých organismů na úrovni
– organismu jako celku,
– funkčního systému (kardiovaskulárního, nervového atd.),
– jednotlivých orgánů (srdce, mozku atd.),
– tkání (nervové, svalové atd.),
– a buněk
Elektrofyziologie
• specializovaný vědní obor zabývající se studiem
elektrických dějů v živých organismech
• dráždivé tkáně vykazují schopnost reagovat na vnější
podnět – elektrický, chemický nebo fyzikální (světelný,
mechanický, tepelný apod.)
• podstatou elektrických projevů buňky je změna
koncentrací iontů na buněčné membráně
Membránové napětí (potenciál)
• rozdílná koncentrace iontů vně a uvnitř buňky vede ke
vzniku membránového napětí
kde
je potenciál na vnitřní straně membrány,
je potenciál na vnější straně membrány
• činností buněčné membrány a sodíko-draslíkové
pumpy dochází ke změně koncentrace iontů,
především K+, Na+ a Cl-, uvnitř a vně buňky
• klidová membránová napětí živočišných buněk se
pohybují v rozmezí asi -30 – -100 mV
Nernstova rovnice
kde
je rovnovážné napětí iontu X,
je molární plynová konstanta,
je termodynamická teplota,
je valence iontu X,
je Faradayova konstanta,
je koncentrace iontu X uvnitř buňky,
je koncentrace iontu X vně buňky
… a co z toho?
• různá koncentrace nábojů na obou stranách
membrány vyvolává potenciálový rozdíl na membráně
• funguje to i opačně – napětí přivedené na membránu
může pumpovat ionty z jedné strany na druhou
• napětí na membráně je přímo úměrné termodynamické
teplotě
• napětí na membráně je závislé na podílu koncentrací
(nikoli třeba na rozdílu apod.) a je přímo úměrné
logaritmu tohoto podílu
Rovnovážná napětí
• pro kationty draslíku K+
• pro kationty sodíku Na+
• pro anionty chloru Cl-
•
pozn.: koncentrace byly naměřeny na kosterním svalu žáby při teplotě 20 °C
Membránové napětí ještě jednou
• membránové napětí nelze získat prostým součtem
napětí pro jednotlivé ionty – proč?
• Goldmanova rovnice
kde
je membránové napětí tvořené ionty
K+, Na+ a Clje propustnost membrány pro ionty X
Klidový potenciál
• klidový potenciál kosterního svalu žáby
Akční potenciál
• při podráždění buňky může dojít k dočasné změně
jejího membránového napětí, vzniká tzv. akční
potenciál
• spouštěcím mechanismem je změna membránového
napětí na tzv. prahovou úroveň (např. u nervové buňky
to představuje vzrůst napětí z -70 mV na asi -55 mV)
• ke vzrůstu napětí může dojít z různých příčin, např.
lokálními proudy, přítomností neurotransmitteru,
elektrostimulací
Akční potenciál nervové buňky
• spouštěn vzrůstem napětí na asi -55 mV
• čtyři fáze
– depolarizace,
– transpolarizace,
– repolarizace,
– hyperpolarizace a obnovení klidového stavu
• po spuštění akčního potenciálu buňka není schopná
reagovat na další podněty, je tzv. absolutně refrakterní
• po alespoň částečné repolarizaci se buňka stává tzv.
relativně refrakterní, je schopná reagovat na další
podněty
Akční potenciál nervové buňky
http://en.wikipedia.org
Akční potenciál nervové buňky
http://www.answers.com
Akční potenciál buňky srdečního svalu
• oproti akčnímu potenciálu nervové buňky má výrazně
pomalejší průběh
• pět fází
– depolarizace,
– transpolarizace,
– plató
– repolarizace,
– hyperpolarizace a obnovení klidového stavu
• velmi pomalá repolarizace trvá i více než 200 ms
Akční potenciál buňky srdečního svalu
Bronzino, J. D.: Biomedical Engineering Fundamentals. CRC Press, 2006.
Akční potenciál buňky sinového uzlu
• buňky sinového uzlu (pacemaker, SA node) jsou
zvláštní buňky srdečního svalu, které jsou schopné
vytvářet periodicky akční potenciál, aniž by potřebovaly
ke spuštění vnější podněty
http://www.texashearthinstitute.org
Akční potenciál buněk sinového uzlu
http://www.asus.net.pl
Šíření vzruchu srdeční svalovinou
http://www.bmi2.bmt.tue.nl
Literatura
1. Penhaker, M a kol.: Lékařské diagnostické přístroje –
– učební texty. VŠB TU Ostrava, 2004.
2. Bronzino, J. D.: Biomedical Engineering
Fundamentals. CRC Press, 2006.
3. Trojan, S. a kol.: Lékařská fyziologie. Grada, 2003.
4. Silbernagl, S., Despopoulos, A.: Atlas fyziologie
člověka. Grada, 2004.
5. Obdržálek, J.: Nernstova rovnice srozumitelně.
http://utf.mff.cuni.cz/~jobdr/download/NERNST.pdf
[28. 9. 2008]