Тема 8. Электромагнитные явления в биологических системах.

Природа биопотенциалов и способы их описания.

Все процессы жизнедеятельности организмов сопровождаются появлением в клетках и тканях электродвижущих сил. Электрические явления играют большую роль в важнейших физиологических процессах: возбуждение клеток и проведение возбуждения по клеткам.

1. Диффузионные потенциалы возникают на границе раздела двух жидких сред в результате различной подвижности ионов. Диффузионная разность потенциалов максимальна в тот момент, когда скорости диффузии становятся равными, и рассчитывается по формуле:

.

Здесь - подвижность катионов; - подвижность анионов; - универсальная газовая постоянная; - абсолютная температура; - валентность ионов; - число Фарадея; - активная концентрация в области откуда идет диффузия; - активная концентрация в области куда идет диффузия.

2. Мембранный потенциал возникает на границе раздела двух жидких сред за счет избирательной проницаемости мембраны. Величина мембранного потенциала определяется по уравнению Нернста

3. Фазовый потенциал возникает на границе раздела двух несмешивающихся фаз (например, раствор электролита в воде и какое-нибудь масло) в результате различной растворимости анионов и катионов в неводной фазе. Если, например, катионы растворимы в неводной фазе, то они активнее перейдут в нее и зарядят ее положительно относительно водной фазы. Фазовый потенциал наблюдается при механическом повреждении мембраны.

Равенство Доннана.

При выводе уравнений, описывающих распределение ионов между клеткой и окружающей средой, выполняется условие электронейтральности: равенство суммарной концентрации анионов (в основном и ионов макромолекул ) и катионов как внутри клетки

,

так и снаружи клетки

.

Здесь число отрицательных зарядов на каждой белковой молекуле.

В межклеточной жидкости содержание катионов значительно выше, чем ионов макромолекул . Поэтому

- равенство Доннана

Потенциал покоя

Экспериментально установлено, что цитоплазма в состоянии покоя всегда имеет отрицательный потенциал, а окружающая среда - положительный. Причиной возникновения потенциалов, как в покое, так и при возбуждении, является неравномерное распределение ионов, в основном натрия и калия, по обе стороны мембраны. Разность потенциалов между клеткой и окружающей средой, измеренная в состоянии физиологического покоя, называется потенциалом покоя

У разных клеток потенциал покоя имеет величину от до Основной вклад в потенциал покоя вносят ионы и . Ионов переносится очень мало. Поэтому на внешней поверхности сосредотачивается положительный заряд, а на внутренней поверхности – отрицательный. Потенциал покоя определяется тремя диффузионными потоками и вычисляется учетом по формуле

.

Потенциал действия.

Все клетки возбудимых тканей (нервная, мышечная, железистая) под действием различных раздражителей достаточной силы способны переходить в возбужденное состояние. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния мембраны.

Опыт показывает, что возбужденный участок становится электроотрицательным по отношению к невозбужденному участку. Следовательно, на возбужденном участке происходит перераспределение ионов. При возбуждении это перераспределение кратковременно и концентрации восстанавливаются после снятия возбуждения, а разность потенциалов между клеткой и окружающей средой становится равной исходной, т.е. потенциалу покоя. Зависимость изменения потенциала между клеткой и окружающей средой от времени при возбуждении показана на рис. 8.1.

- потенциал покоя; мембранный потенциал при возбуждении;

- общее изменение разности потенциалов.

Общее изменение разности потенциалов между клеткой и окружающей средой, при пороговом и сверхпорогоговом возбуждении клетки, называется потенциалом действия.

Рис. 8.1.

М еханизм возникновения потенциала действия. При возбуждении проницаемость мембраны увеличивается только для ионов в 500 раз.

Рис. 8.3

Это приводит к увеличению диффузии ионов из окружающей среды в клетку, что приводит к изменению потенциала мембраны (рис. 8.3, б). Эта фаза называется деполяризацией. Затем начинается другая фаза – реполяризация, заключающаяся в следующем. Диффузия ионов внутрь клетки нарушает равновесие концентраций в клетке. В связи с этим повышается проницаемость мембраны для ионов , начинается диффузия ионов из клетки в окружающую среду (рис.8.3, в). В результате происходит реполяризация мембраны и восстановление потенциала покоя. Проницаемость мембраны для ионов и падает до исходной величины. В некоторых случаях регистрируется так называемый следовой потенциал, как на рис.8.2. Он вызван тем, что после окончания возбуждения проницаемость мембраны для ионов и остается повышенной.

Таким образом, формирование потенциала действия обусловлено двумя потоками через мембрану: поток внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а противоположный поток обусловливает восстановление потенциала. Потоки эти приблизительно равны по величине, но сдвинуты по времени.