Вопросы для самопроверки

1. Где в клетке протекают биосинтетические процессы?

2. Что из себя представляет клеточная мембрана?

3. Приведите схемотическое изображение плазматической мембраны.

4. Какова роль липидов?

5. Из чего состоят липиды?

6. Перечислите органеллы клеток.

7. Перечислите основные функции клеток и клеточных мембран.

8. Чем определяется предельное разрешение оптического микроскопа?

9. Каковы недостатки электронной микроскопии?

10. В чем сущность метода «замораживание – скол – травление»?

11. Принцип рентгеноструктурного анализа.

12. Каков принцип работы поляризатора?

13. Сформулируйте закон Брюггера.

14. Запишите уравнение Малюса.

15. Чем определяется орбитальный магнитный момент?

16. В чем сущность эффекта Зеемана?

17. Чем определяется частота прецессии ядер и от чего она зависит?

18. Каковы виды пассивного транспорта? Приведите вывод уравнения Фика.

19. Активный транспорт веществ. В чем сущность калиево-натриевого насоса?

29. Виды искусственных мембран. Их строение.

Тесты текущего контроля

1. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны включает в себя:

1. Белковый слой, полисахариды и поверхностные липиды;

2. Липидный монослой и холестерин;

3. Липидный бислой, белки, микрофиламенты.

2. Толщина биологической мембраны:

1. 10 нм

2. 0,1мкм

3. 10мкм

4. 10А°

3. Фазовый переход липидного бислоя мембран из жидко-кристаллического состояния в гель сопровождается:

1. Уменьшением мембраны;

2. Толщина мембраны не меняется;

3. Утолщение мембраны.

4. Липидная часть биологической мембраны находится в следующем физическом состоянии:

1. Жидком аморфном;

2. Жидкокристаллическом;

3. Твёрдом кристаллическом.

5.Удельная электроёмкость мембраны аксона:

1. 0,5·10^-4 Ф/м²

2. 0,5·10^-2 Ф/м²

3. 0,5·10^-2 Ф/см²

4. 0,5·10^-12 Ф/м²

Задачи для самопроверки

1. При диффузии 5 мкг калия из аксонов кальмара во внеклеточную среду совершается работа 1,16 мДж. Определить концентрацию ионов калия в аксоне, если во внешней среде она равна 8 мм/л. Температура тела кальмара 10 ºС.

2. Для изучения структуры и функции биологических мембран используют модели – искусственные фосфолипидные мембраны, состоящие из биомолекулярного слоя – фосфолипидов. Толщина искусственной мембраны достигает около 6 нм. Найдите электроемкость 1 см² такой мембраны, считая ее ε_r = 3. Сравните полученную электроемкость с аналогичной характеристикой конденсатора, расстояние между пластинами которого 1 мм.

Лекция 5. Электрические явления в клетках и тканях

Электрические явления в клетках и тканях играют огромную роль в жизнедеятельности организма. Они выполняют важнейшие физиологические процессы - возбуждают клетки и проводят возбуждение по клеткам и тканям.

Возникающие в живых клетках и тканях биопотенциалы тесно связаны с метаболическими процессами, происходящими в организме, они характеризуют физиологическое состояние организма и являются одним из чувствительных показателей происходящих изменений в клетках и тканях, норме и патологии.

5.1. Виды биопотенциалов. Их природа. Понятие двойного электрического слоя. Дзета-потенциал

Возникновение биопотенциалов связано с концетрационными градиентами, которые обусловлены несимметричным, неравномерным распределением ионов.

Хорошо теоретически разработана и экспериментально подтверждена мембранная теория Л. Бернштейна (1902 г.). В дальнейшем эта теория была развита в трудах М. Ходжкина, который в основу положил роль ионных градиентов в возникновении биопотенциалов и распределения их между клеткой и средой.

Были выдвинуты ряд других теорий, в частности фазовая, которая полностью не была подтверждена экспериментально. В последнее время на смену фазовой пришла полиэлектролитная теория. Согласно этой теории основой цитоплазмы служит полиэлекролитный гель сетчатой структуры с фиксированными на ней отрицательными зарядами.

При возбуждении полиэлектролитные структуры утрачивают избирательность, что вызывает диффузию натрия в клетку, а затем калия из клетки в окружающую среду.

Это является причиной деполяризации клетки, то есть изменения её заряда. Все эти процессы способствуют возникновению биопотенциалов, к которым относятся:

1) диффузионные потенциалы;

2) фазовые потенциалы;

3) электродинамический и дзета-потенциал;

4) потенциал покоя;

5) мембранные потенциалы;

6) потенциал действия.

Диффузионные потенциалы возникают на границе раздела двух жидких сред в результате разлившей подвижности ионов. Их разность потенциалов находится из уравнения Гендерсона:

, (5.1)

где ω - подвижность катиона, м²/(В·с);

V - подвижность аниона, м²/(В·с);

R=8,31 Дж/(моль·с) - газовая постоянная;

а₁ - активность ионов в области, откуда идет диффузия;

а₂ - активность ионов в области, куда идёт диффузия;

Т - абсолютна температура, К;

F=9600 Кл - число Фарадея.

Под активностью ионов понимают их концентрацию. Активность ионов всегда меньше их концентрации

a=fc, (5.2)

где f - коэффициент активности;

с - абсолютная концентрация.

Таким образом, диффузионная разность потенциалов зависит от разностей в подвижностях катиона и аниона и от отношения активностей ионов в измеряемых участках. При одинаковой подвижности катионов и анионов и при отсутствии концентрационного градиента диффузный потенциал U_д=0.

В биологических объектах диффузионный потенциал более отчетливо наблюдается при повреждении клеток.

Фазовые потенциалы возникают на границе раздела двух несмешивающихся фаз (например, раствор электролита в воде и какое-либо масло) в результате различной растворимости катионов и анионов в неводной фазе.

Поскольку цитоплазма клеток представляет собой многофазную микрогетерогенную систему, то на поверхности раздела фаз могут возникать фазовые потенциалы небольшой величины. Величину фазового потенциала можно определить из уравнения (5.1).

Электродинамический и дзета-потенциал. Поверхностный электрический заряд. Известно, что электрические заряды на поверхности коллоидных частиц или на поверхности клеток могут возникать в результате двух процессов:

1) диссоциации ионных групп;

2) адсорбции ионов дисперсионной среды на поверхности дисперсной фазы, которая сама не способна образовывать ионы.

Возникновение поверхностного заряда за счет ионизации может, например, происходить в белках и зависит от наличия кислотных и щелочных группировок, благодаря которым белки представляют собой биполярные ионы. В кислых растворах белок играет роль катиона.

В результате ионизации одни ионы (противоионы) уходят в дисперсную среду, а другие (потенциалообразующие ионы) остаются фиксированными на поверхности, содержащей данные молекулы белка. Поверхность, содержащая белки, будет иметь заряд того знака, который имеют потенциалообразующие фиксированные ионы, а дисперсионная среда будет иметь заряд, создаваемый противоионами. Такая, в целом нейтральная, система ионов называется двойным электрическим слоем.

Кровь - коллоидная система, и компенсация поверхностного электрического заряда форменных элементов должна осуществляться распределением ионов вокруг клеток крови, то есть последние имеют двойной электрический слой. Распределение противоионов в диффузной части двойного электрического слоя клеток крови зависит от природы их среды, концентрации электролита. Впервые теорию двойного электрического слоя взвешенных частиц разработал К. Гельмгольц. Двойной электрический слой, по К. Гельмгольцу, представляет собой конденсатор, обкладки которого состоят из ионов противоположного знака. Ионы, как одного, так и другого знака, прочно и неподвижно фиксированы, и поэтому двойной слой имеет постоянную структуру.

Представление Гельмгольца справедливо только для разбавленных растворов и представляет собой частный случай более общей теории, которая в дальнейшем была развита в трудах М. Гуи, О. Штерна (1936 г.), А.Н. Фрумкина (1952 г.) и др.

Гуи М. отметил, что противоионы не находятся в фиксированном состоянии, а пребывают в неупорядоченном тепловом движении. Помимо этого, противоионы подвергаются притяжению потенциалообразующимися ионами, находящимися на поверхности частицы. В результате взаимодействия этих двух сил - теплового движения и электрического притяжения - устанавливается равновесие, при котором плотность распределения ионов около поверхности частиц может убывать с увеличением расстояния от поверхности твердой фазы по закону распределения Больцмана. На структуру двойного электрического слоя коллоидных частиц оказывает влияние не только общая ионная сила раствора, но и другие свойства ионов суспензирующей среды, к которым следует отнести размер ионов, деформируемость их, степень гидратации, адсорбционную способность и др. Путем изменения рН среды или введения в систему поливалентных или легко деформируемых одновалентных ионов можно вызвать не только сжатие двойного электрического слоя частицы, но и изменить знак ее заряда.

Существует ряд мнений о природе электрического заряда клеток крови, но все они противоречивы. Кудряшов В.А считает, что электрический заряд на поверхности клеток и биосубстратов является следствием поверхностной адсорбции ионов. В результате ионизации противоионы уходят в дисперсионную среду, а потенциалообразующие ионы останутся фиксированными на поверхности дисперсной фазы клетки, обусловливая знак его потенциала. Однако Чижевский А.Л. доказал, что только 0,023% от всего количества отрицательных ионов плазмы принимает участие в образовании электрического заряда форменных элементов крови, а ионы натрия и калия являются ведущими в образовании их двойного электрического слоя и величины поверхностного потенциала.

Зееман Л. (1972 г.) считает, что основными факторами возникновения поверхностного электрического заряда клеток крови являются карбоксильные группировки нейраминовой кислоты. Поверхностный заряд клеток крови обусловливается степенью диссоциации кислотных или основных групп клеточной мембраны. В генезисе поверхностного потенциала принимают участие аминокислоты, а также фосфатные группировки фосфолипидов (С. Мериш, 1972 г.). Банган И. (1958 г.) полагает, что главная роль в определении эритроцитного заряда принадлежит кефалину, у которого остатки фосфорной кислоты обращены к наружной, а основные группы - ко внутренней стороне мембраны. Этим объясняется высокая плотность электрическою заряда эритроцитов. Аугер С. (1965 г.) показал, что снижение электрофоретической подвижности эритроцитов связано не с изменением поверхностной структуры эритроцитов, а с адсорбцией на их поверхности белковых молекул. В частности, С. Пироски с соавторами (1972 г.) считают, что эритроциты, нагруженные глобулинами, несут на себе более низкий электрический заряд. По расчетам С.С. Харамоненко, А.А. Ракитянской (1974 г.), максимальное количество адсорбированных на эритроците молекул равно примерно 1·10^-1. Учитывая площадь эритроцитов, они делают вывод, что глобулины полностью экранируют находящиеся на эритроците элементарные электрические заряды. Вместе с тем, Н.И. Губанов считает, что заряд эритроцитов обусловлен диссоциацией кислотных групп молекул фосфолипидов (кефалина) на поверхности эритроцитов и не связан с процессами адсорбции белков и ионов. Приведенные данные позволяют сделать заключение, что происхождение заряда эритроцитов является многофакторным, и до настоящего времени нет удовлетворительного объяснения этого явления.

В создании поверхностного заряда тромбоцитов принимают участие фосфатные группировки фосфолипидов. Горин м. (1939 г.) считает, что клетку можно представить в виде заряженного электрошара, который при микроэлектрофорезе перемещается в однородном электрическом поле со скоростью

(5.3)

где r₁ - радиус противоиона, Н·м;

- вязкость среды, Па·с;

- время, с.

A. Инер (1956 г.) при большом радиусе клетки и малой толщине ее двойного электрического слоя рассчитывают поверхностный электрический заряд по формуле

, (5.4)

где k=5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴) – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура, К;

Е - напряженность электрического поля, В/м.

Для симметричных электролитов уравнение (5.4) принимает вид:

(5.5)

, (5.6)

где - дзета-потенциал, мВ;

е=1,6·10^-19, Кл – заряд электрона;

z - валентность.

Все данные уравнения связывают электрофоретическую подвижность форменных элементов крови с величиной их поверхностного заряда и с дзета-потенциалом. По мнению Э.П. Беликовой (1969 г.), дзета-потенциал - это потенциал между адсорбированными на поверхности клетки крови полиионами и их противоионной атмосферой.

Чижевский А.Л. (1973 г.) считал, что дзета-потенциал – это электрический потенциал на границе раздела двух фаз – поверхности клетки крови и ее плазмы.

При перемещении в электрическом поле клеток крови с двойным электрическим слоем их поверхность смещений не совпадает с разделом твердой и жидкой фаз, а сдвигается в глубину последней. Скачок потенциала, который образуется на границе отрыва клетки с прочно фиксированным слоем ионов, по отношению к остальной массе жидкости был назван электрокинетическим или дзета-потенциалом (Харамоненко С.С., Ракитянская А.А., 1974 г.).

По современным представлениям о строении двойного электрического слоя крови, противоионы на поверхности клетки удерживаются силами специфической адсорбции. Этот слой поэтому называется адсорбционным. Противоионы адсорбционного слоя всегда перемещаются вместе с частицами дисперсной фазы. Остальная часть противоионов образует диффузионный слой, который может отставать от движения клетки с адсорбционным слоем в однородном электрическом поле. Полная разность потенциалов между дисперсной фазой и дисперсной средой называется электродинамическим потенциалом. Разность потенциалов между адсорбционным слоем и дисперсной средой и будет являться электрокинетическим, или дзета-потенциалом.

Д. Tэйлор (1978 г.), Г.И. Козинец, Г.Г. Иванов (1981 г.), М.П. Попов (1982 г.), Д.Н. Зюбан (1985 г.) подчеркивают особое значение электрокинетических явлений в циркуляции и стабильности суспензии крови. Показано, что стабильность коллоидной суспензии связана с дзета-потенциалом (Чижевский Л.Л. (1972 г.); Кузник Б.И. (1974 г.)). Этот потенциал форменных элементов расположен между 15…20 мВ (Соловьев Г.М., Радзивилов Г.Г. (1973 г.), Попов М.П., Зюбан Д.И., (1989 г) и др.).

Дзета-потенциал образуется в очень тонком слое жидкости, прилетающем к дисперсионной фазе, и при том в направлении, перпендикулярном к направлению движения фазы или среды. Его нельзя замерить при помощи микроэлектродов, поэтому его величину рассчитывают только косвенно, по скорости движения фаз в электрическом поле, используя формулу Эйншгейна-Смолуховского:

(5.7)

где ω - подвижность частицы или клетки;

- вязкость среды;

ε- диэлектрическая постоянная среды.

При расчетах дзета-потенциала, как правило, величину вязкости раствора (), диэлектрической проницаемости (ε) принимают за постоянную. По Weiss (1969 г.), С.Г. Харамоненко (1972 г.) и др., при 18 °С вязкость изотонического раствора равна 0,01 пуаз, относительная диэлектрическая проницаемость _s=81. Авторы предлагают рассчитывать дзета - потенциал по формуле

(5.8)

где ω – электрофоретическая подвижность клетки.

Мы не разделяем эту точку зрения, так как при различных патологических состояниях организма наблюдаются изменения реологических свойств кровотока. В широких пределах колеблется вязкость, нарушается диэлектрическое равновесие среды. Поэтому необходимо учитывать не только энергетическое состояние клетки, но и величину вязкости, а также диэлектрической проницаемости среды. Однако многие исследователи ставят знак равенства между данными двумя, разнородными по своей биофизической сущности, величинами.

Из-за отсутствия четкого понимания патогенеза тромбоза не существует и адекватного метода, позволяющего определить тенденцию крови к тромбообразованию.

Изменение функционального состояния тромбоцитов и эритроцитов играет большую роль в процессе тромбообразования. Это дало основание для дальнейшего тщательного изучения этих свойств. Одним из направлений в изучении функциональных свойств клеток крови является исследование их электрокинетических параметров - электрофоретической подвижности, дзета-потенциала, величины поверхностного электрического заряда. Снижение этих биофизических величин клеток крови ведет к повышению их агрегационных и адгезивных свойств. Запуск системы свертывания крови связывают с изменением величины дзета-потенциала, значения которого обусловлены сдвигами концентрации электролитов в крови.

В настоящее время определение электрофоретической подвижности (ЭФП) широко используется для характеристики функциональных свойств клеток крови, так как она является чувствительным тестом различных патологических состояний организма. В норме ЭФП эритроцитов человека равна ω=[1,300,50] м²/(В·с).