Глава 7 биоэлектрические потенциалы

Все процессы жизнедеятельности организмов сопро­вождаются появлением в клетках и тканях электродви­жущих сил. Электрические явления играют большую роль в важнейших физиологических процессах: возбуждении клеток и проведении возбуждения по клеткам. Благодаря непосредственной связи биопотенциалов с метаболическими процессами и физологическим состоя­нием клеток они являются чувствительным и точно из­меримым показателем различных изменений в клетках и норме и при патологии. Для более эффективного и

167

плодотворного использования электрофизиологических методов в медицине необходимо выяснение механизмов возникновения биоэлектрических потенциалов.

ДИФФУЗИОННЫЕ, МЕМБРАННЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Для возникновения биопотенциалов решающее значение имеют потенциалы, обусловленные несимметричным, неравномерным распределением ионов. К таким потенциалам могут быть отнесены диффузионные, мембранные и фазовые.

Диффузионные потенциалы возникают на границе раздела двух жидких сред в результате различной подвижности ионов. Допустим, имеется сосуд с раствором соляной кислоты, разделенный пористой перегородкой

(рис. 28, А). Пусть в левой половине сосуда концентра­ция соляной кислоты будет выше, чем в правой. Тогда ионы водорода и хлора будут диффундировать из левой половины сосуда в правую по градиенту концентрации. Скорости диффузии ионов будут определяться их подвижностями. Подвижность иона водорода равна 315 см² Ом^-1 * г-экв, а подвижность иона хлора — 65,5. В результате большей подвижности ионы водорода при диффузии будут намного опережать ионы хлора. А так как ионы водорода имеют положительный заряд, а ионы хлора — отрицательный, то в правой половине сосуда возникнет положительный заряд, а в левой — отрица­тельный.

Возникающая диффузионная разность потенциалов приводит к торможению более «быстрых» ионов и ускорению более «медленных», поскольку силы возникающего электрического поля направлены против сил диффузий. Диффузионная разность потенциалов достигает максимального значения в тот момент, когда скорости диффузии ионов становятся равными. Диффузионная разность потенциалов Е находится из уравнения Гендерсона:

(1)

где U— подвижность катиона; V — подвижность аниона; R. — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; п — валентность ионов; Р — число Фарадея; а₁— актив-

168

Рис. 28. Схема возникновения диффузионного (А) и мембранного (Б)

потенциалов.

Стрелки — направление диффузии ионов; кружки — наличие фиксированных

зарядов на мембране.

ность ионов в области, откуда идет диффузия; а₂ — ак­тивность ионов в области, куда идет диффузия.

Под активностью ионов понимают их активную кон­центрацию. Активность ионов всегда меньше их абсо­лютной концентрации, что обусловлено взаимодействием ионов друг с другом, а также их взаимодействием с электрически заряженными группами других молекул. Активность выражается произведением коэффициента активности f, определяемым эмпирически, на абсолют­ную концентрацию С ионов:

(2)

Как следует из уравнения (1), диффузионная раз­ность потенциалов зависит от разности в подвижностях катиона и аниона и от отношения активностей ионов в измеряемых участках. Очевидно, что при одинаковой подвижности катионами аниона, а также при отсутствии концентрационного градиента диффузионный потенциал будет равен нулю.

В биологическом объекте наиболее отчетливо диф­фузионный потенциал может проявляться, вероятно, только при механическом повреждении клеток. Из места повреждения происходит диффузия ионов в неповрежденные участки и возникает диффузионный потенциал, который суммируется при измерении демаркационного потенциала с потенциалом покоя клетки.

169

Частным видом диффузионного потенциала можно считать мембранный потенциал. Допустим, пористую перегородку в сосуде, которая пропускала и катионы, и анионы, заменили полупроницаемой мембраной, пропус­кающей только катионы (рис. 28, Б). Такой мембраной может быть мембрана с большой концентрацией фикси­рованных отрицательных зарядов — катионообменная мембрана. В таком случае подвижность ионов хлора в мембране равна нулю и в правую часть сосуда диф­фундируют только ионы водорода. Диффузия ионов во­дорода не будет бесконечным процессом, поскольку они испытывают притяжение к оставшимся по другую сто­рону мембраны ионам хлора. После установления равно­весия между силами диффузии и силами электрического поля на мембране возникает двойной электрический слой и диффузия ионов прекращается. Если V=0, то уравнение (1) превращается в уравнение Нернста, с помощью которого вычисляется мембранная разность потенциалов:

(3)

где обозначения те же, что и в уравнении (1). Как сле­дует из уравнения (3), мембранный потенциал зависит от температуры и от величины концентрационного гра­диента диффундирующих через мембрану ионов.

Если перейти от натуральных логарифмов к деся­тичным и подставить в уравнение (3) значения постоян­ных R и F, то при 20°С получим:

(4)

Уравнением (4) обычно пользуются для практических расчетов мембранного потенциала; оно показывает, что при изменении отношения активностей ионов в 10 раз потенциал изменяется на 58 мВ.

В соответствии с современными представлениями, по­тенциалы покоя, повреждения и действия являются по своей природе мембранными потенциалами.

Так же как и мембранные, известную аналогию с диффузионными потенциалами имеют и фазовые потен­циалы. Фазовые потенциалы возникают на границе раз­дела двух несмешивающихся фаз (например, раствор электролита в воде и какое-либо масло) в результате

170

различной растворимости катионов и анионов в неводной фазе. Если, например, катионы лучше, чем анионы, ра­створяются в неводной фазе, то они интенсивнее диф­фундируют в нее и заряжают ее положительно по отно­шению к водной фазе.

Поскольку цитоплазма клеток (представляет собой многофазную микрогетерогенную систему, то на поверх­ностях раздела фаз могут возникать фазовые потенциа­лы небольшой величины. Величину фазовых потенциа­лов находят из уравнения (1).

^{ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ}

Хорошо теоретически разработана и подтверждена блестящими экспериментами мембранная теория биопо­тенциалов. Мембранная теория была выдвинута еще в 1902 г. Бернштейном. Однако только в 50-х годах эта теория была по настоящему развита и экспериментально обоснована Ходжкиным, которому принадлежат основ­ные идеи и теории о роли ионных градиентов в возник­новении биопотенциалов и о механизме распределения ионов между клеткой и средой.

Сущность этой теории заключается в том, что по­тенциал покоя и потенциал действия являются по своей природе мембранными потенциалами, — обусловленными полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и

средой, которое поддерживается механизмами активного

переноса, локализованными в самой мембране. Ниже основные представления мембранной теории будут рас­смотрены более подробно.

Согласно фазовой теории биопотенциалов (Д. Н. На­сонов, В. Я. Александров, А. С. Трошин, 1944), цито­плазма представляет собой единую, несмешивающуюся с водой фазу. Ионы в цитоплазме находятся на 80 — 90% в связанном состоянии (в основном с белками), поэтому в невозбужденных и неповрежденных клетках разность электрических потенциалов отсутствует. При возбуждении или повреждении клеток ионы освобождаются от белковоионных комплексов цитоплазмы и

_{диффундируют в окружающую среду. За счет диффузии}

^{ионов и возникают потенциалы действия и повреждения.}

Однако впоследствии эта теория не получила экспе­риментального подтверждения. Во-первых, было пока-

₁₇₁

зано, что ионы в клетках находятся в свободном состоя­нии (по крайней мере, их основная часть). Во-вторых, с помощью микроэлектродной техники были зарегистриро­ваны потенциалы клеток в состоянии покоя, которые фазовой теорией не признавались. Кроме того, имеется еще ряд фактических и теоретических возражений про­тив фазовой теории, поэтому в настоящее время в целом она мало кем признается, хотя отдельные ее положения имеют значение для объяснения определенных биоэлек­трических явлений.

В последнее время на смену фазовой пришла полиэлектролитная теория, которая объясняет потенциал покоя и потенциал действий свойствами молекул поли­электролитов в клетке. Полиэлектролитными считаются молекулы с большим количеством фиксированных за­рядов, которые обусловлены концевыми и боковыми диссоциирующими группами (СООН и NH₂). К полиэлектролитным можно отнести белковые молекулы (см. гла­ву 8). Согласно этой теории, основой цитоплазмы служит комплексный полиэлектролитный гель сетчатой структу­ры с фиксированными на ней отрицательными зарядами, который способен избирательно накапливать калий в ионном виде. При возбуждении полиэлектролитные структуры временно утрачивают избирательность к ио­нам калия, что вызывает вначале диффузию натрия в клетку, а затем — калия из клетки в окружающую среду. Диффузия ионов и служит причиной возникновения и исчезновения деполяризации клетки.

Опыты Курелла и других авторов подтверждают, что потенциал покоя существует в нативной клетке, а не возникает в результате повреждения. Однако предпола­гаемый им механизм поглощений ионов калия клеткой за счет избирательной сорбции полиэлектролитами, а также изменение этой избирательности при возбуждении вызывают сомнения. Возможно, что наличие полиэлектро­литов в цитоплазме является одним из факторов, опре­деляющих наличие некоторого количества связанных ионов калия в клетке.