Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

жидкость - жидкость, можно, если соприкасающиеся растворы разделить мембраной с избирательной проницаемостью (полу­ проницаемой). Такая мембрана способна избирательно пропус­ кать те или иные ионы и молекулы, в результате чего возника­ ет мембранный потенциал - <рм.

Мембранным потенциалом называется потенциал, воз­ никающий между сторонами мембраны с избирательной проницаемостью, разделяющей два раствора различного со­ става.

Величину мембранного потенциала можно определить, со­ ставив гальваническую цепь, в которой в растворы, разделен­ ные мембраной с избирательной проницаемостью, опущены два электрода сравнения:

ЭДС такой гальванической цепи характеризует величину мем­ бранного потенциала.

Мембранный потенциал зависит от отношения активностей ио­ нов в растворах, разделенных мембраной, и от свойств мембраны. Мембраны характеризуются проницаемостью, т. е. способностью пропускать определенные виды ионов, которые являются потенциалопределяющими в возникновении данного мембранного потен­ циала. Проницаемость мембраны для разных ионов X и Y харак­ теризуется коэффициентами проницаемости Р(Х) и P(Y). Рассчи­ тать значение мембранного потенциала для мембраны, проницае­ мой для двух видов ионов, можно по следующему уравнению:

Для живых клеток, особенно для клеток нервной системы, важное значение имеет различие в концентрациях ионов К+ и Na+ внутри и снаружи клетки, поэтому эти ионы являются потенциалопределяющими для клеток нервной системы:

666

Через клеточную мембрану ионы К+ и Na+ самопроизвольно передвигаются по ионным каналам в соответствии с градиентом концентраций. В состоянии покоя в мембране в основном откры­ ты каналы для прохождения ионов К+ и практически закрыты натриевые каналы. При возбуждении - наоборот: открыты глав­ ным образом каналы для ионов Na+ и почти полностью закрыты для ионов К+. Таким образом, проницаемость клеточной мембра­ ны для ионов К + и Na+ зависит от ее состояния: покой или воз­ буждение - и характеризуется различным отношением коэффи­ циентов проницаемости для этих ионов P(K+)/P(Na+).

Избирательная проницаемость клеточной мембраны и раз­ ница в активности ионов Na+ и К+ по обе стороны от нее при­ водят к установлению мембранного потенциала (рис. 25.6).

В покое ионы К+ из внутриклеточного раствора, где их кон­ центрация в 20 раз выше, чем снаружи, переходят через клеточ­ ную мембрану в наружный раствор. При этом наружная поверх­ ность мембраны заряжается положительно за счет перешедших ионов К+, а внутренняя поверхность - отрицательно за счет из­ бытка органических анионов, оставшихся внутри клетки. Таким образом, возникает мембранный потенциал покоя фпок, препятст­ вующий дальнейшему выходу ионов К+ из внутриклеточного в наружный раствор и установлению равновесия в их движении.

Потенциалом покоя называется мембранный потен­ циал, возникающий между внутренней и наружной сто­ ронами клеточной мембраны, находящейся в невозбуж­ денном состоянии.

Определить потенциал покоя можно с помощью двух микро­ электродов сравнения, вводимых внутрь клетки и в наружный раствор. Измеренное значение фпок для различных клеток ле­ жит в пределах от -7 0 до -9 0 мВ. Знак минус говорит о том, что внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно.

Учитывая активности ионов Na+ и К+ внутри клетки и сна­ ружи, а также отношение коэффициентов проницаемости мем­ браны для этих ионов, вычислим потенциал покоя:

RT Л а нар(к + ) j g f r + aHap(Na+)

2 ,3

Расчетное значение фпок хорошо согласуется с эксперименталь­ но измеряемым.

При раздражении клетки химическим, электрическим или механическим воздействием она переходит в возбужденное со­ стояние, при этом проницаемость ее мембраны для ионов Na+ становится значительно выше, чем для К+. Поэтому ионы Na+ из

667

наружного раствора, где их концентрация в 9 раз выше, чем внутри клетки, устремляются через клеточную мембрану во внутренний раствор. Ионы Na+ переносят положительный заряд с наружной поверхности мембраны и перезаряжают ее внутрен­ нюю поверхность, меняя знак заряда с на "+ " и вызывая быструю деполяризацию мембраны (рис. 25.6). При этом на ко­ роткое время (< 1 0 -3 с) мембранный потенциал становится рав­ ным примерно +40 -г +60 мВ, что полностью согласуется с экс­ периментальными и расчетными данными. После прекращения возбуждения мембрана вновь становится проницаемой для ио­ нов К+ и непроницаемой для Na+. Ионы К+ опять выходят из клетки в соответствии с градиентом концентрации, унося с со­ бой положительный заряд до тех пор, пока на мембране не вос­ становится потенциал покоя, т. е. не произойдет реполяризация мембраны.

Таким образом, при возбуждении клеточной мембраны за (1-2) •10“3 с ее потенциал с отрицательного значения (« -8 0 мВ)

Рис. 25.6. Возникновение мембранных потенциалов покоя и действия

668

меняется на положительный (« +50 мВ), а затем вновь возвра­ щается к первоначальному значению.

Потенциалом действия называется амплитуда колебания П(деполяризация и реполяризация) мембранного потенциа­ ла, возникающая при возбуждении клеточной мембраны.

На рис. 25.6 схематично показано возникновение потенциа­ ла действия в клетке. Амплитуда колебания потенциала со­ ставляет примерно 120-140 мВ.

Потенциал действия, возникнув на одном участке клетки, вызывает возбуждение соседних участков и распространяется по всей поверхности мембраны со скоростью 1 - 1 1 0 м /с.

Количество ионов К+ и Na+, проходящих через мембрану во время генерации потенциала действия, составляет не более чем 1 • 1 0 “ 7 от количества этих ионов внутри клетки, но даже и при прохождении большого числа импульсов концентрации ио­ нов К+ и Na+ в растворах по обе стороны мембраны остаются практически постоянными. Это происходит потому, что в мем­ бране клетки действует Na+/K +-Hacoc. Он, используя энергию АТФ, выкачивает из клетки ионы Na+ и накачивает в нее ионы К+ (в соотношении 3 : 2) против градиента концентраций этих ионов (разд. 13.1.1).

Следует отметить, что в общем случае возникновение по­ тенциала покоя и генерация потенциала действия на мембранах различных клеток связаны с переходом через мембрану не толь­ ко ионов К+ и Na+, но также Са2+, С1~, Н+ и других ионов.

Изучение биомембран мышечных и секреторных клеток по­ казало, что у многих из них потенциал покоя возникает за счет перемещения ионов Na+, а потенциал действия имеет кальцие­ вую природу. В этом случае генерация потенциала действия происходит при возбуждении в результате открывания каль­ циевых каналов и перемещения ионов Са2+ внутрь клетки, что приводит к сокращению мышцы или к выбросу секрета.

Современные исследования биологических внутриклеточных мембран показали, что на них возникает протонный потенциал из-за различия в концентрациях ионов водорода в растворах, разделенных этими мембранами (разд. 9.3.4). Протонный потен­ циал при условии проницаемости внутриклеточной мембраны только для ионов Н+ можно вычислить по уравнению для рас­ чета мембранного потенциала, введя в него водородный показа­ тель pH = -1g а(Н+).

Установлено, что протонный потенциал может служить ис­ точником энергии для всех видов работ, характерных для жи­ вой системы: химической, осмотической, механической, - и ис­ точником теплоты.

669

Следует отметить, что работа клеток нарушается, если изменя­ ется ионная проницаемость клеточных мембран. Подобное может происходить, например, под действием некоторых ядов: в нервных клетках при возбуждении блокируются каналы для прохождения ионов Na+, и поэтому прекращается генерация и передача потен­ циала действия вдоль нервного волокна. Этим и объясняется ток­ сическое действие ядов на нервную систему организма (разд. 11.4).

Генерирование мембранного потенциала связано с работой серд­ ца, мозга, мышц. Электрические потенциалы, возникающие при деятельности сердца, можно регистрировать с помощью электро­ кардиографа на электрокардиограмме. ЭКГ - важнейшая харак­ теристика сердечной деятельности. Биоэлектрические потенциалы мозга регистрируются на электроэнцефалограмме, мышц - на электромиограмме, желудка - на электрогастрограмме и т. д.

Избирательная проницаемость мембран относительно опреде­ ленного вида ионов и зависимость мембранного потенциала от концентрации этих потенциалопределяющих ионов лежат в ос­ нове работы ионоселективных электродов. Эти электроды позво­ ляют измерять концентрацию данного потенциалопределяющего иона в исследуемой системе по величине возникающего мембран­ ного потенциала на электроде. Ионоселективные электроды ши­ роко используются в потенциометрии.

25.6.ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ

Всанитарно-клиническом анализе и при биологических ис­ следованиях для определения активности (концентрации) ионов

врастворах и физиологических системах широко используется метод потенциометрии.

Потенциометрией называется физико-химический метод анализа, позволяющий определять активности ( концен­ трации) ионов на основании измерения ЭДС гальваниче­ ской цепи, состоящей из электрода сравнения и элек­ трода определения, опущенных в исследуемый раствор.

Электродом сравнения называется электрод, потен­ «циал которого практически постоянен, легко воспроиз­

водим и не зависит от протекания побочных реакций.

Общепринятым электродом сравнения является стандартный во­ дородный электрод, потенциал которого условно принят за ноль при любой температуре (разд. 25.2). Однако этот электрод срав­ нения неудобен в работе, поэтому на практике в качестве элек­ трода сравнения обычно используют хлорсеребряный электрод (разд. 25.6.1).

Электродом определения называется электрод, потен­ циал которого зависит от активности ( концентрации) анализируемых ионов и практически не зависит от со­ держания других ионов в растворе.

670

Электродами определения являются ионоселективные электро­ ды (разд. 25.6.2), среди которых наибольшее применение нахо­ дят стеклянные электроды.

При потенциометрических измерениях гальваническая цепь такова:

Из этой схемы видно, что результат потенциометрических из­ мерений, т. е. значение ЭДС, зависит прежде всего от работы электрода сравнения и электрода определения. Рассмотрим уст­ ройство и работу этих электродов.

25.6.1. ХЛОРСЕРЕБРЯНЫЙ ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ

Хлорсеребряный электрод (рис. 25.7) состоит из серебряной проволоки, покрытой слоем малорастворимой соли AgCl, опущен­ ной в раствор КС1 определенной концентрации (обычно насыщен­ ный раствор КС1) и солевого мостика, соединяющего этот раствор с исследуемым раствором. Электрохимическая цепь хлорсеребряного электрода записывается так: Ag |AgCl, КС1(нас).

В хлорсеребряном электроде на межфазной границе проте­ кает следующая реакция:

A gC l(T ) + е~ A g(T ) + С Г

Так как активность твердых веществ AgCl и Ag постоянна, то потенциал хлорсеребряного электрода зависит только от актив­ ности ионов СГ в растворе. Если активность ионов СГ поддер­ живать постоянной, то и потенциал хлорсеребряного электрода будет постоянной величиной. Проще всего поддерживать посто­ янной активность ионов хлора в растворе, используя насыщен­ ный раствор КС1, в котором а(СГ) = const. В этом случае по­ тенциал хлорсеребряного электрода по отношению к стандарт­ ному водородному электроду

671

анионом хлора с образованием осадка AgCl:

В случае катода в системе происходит растворение осадка AgCl и восстановление катионов A g+:

Потенциал хлорсеребряного электрода постоянен, легко воспроизводим и практически не зависит от протекания побоч­ ных реакций.

До недавнего времени в качестве электрода сравнения ши­ роко использовался каломельный электрод Hg |Hg2Cl2, С1“ , ко­ торый устроен аналогично хлорсеребряному электроду. На по­ верхность ртути нанесен слой малорастворимой соли Н^2С12 (каломель). Над поверхностью каломели находится насыщен­ ный раствор КС1, который определяет растворимость Hg2Cl2, а следовательно, и концентрацию ионов Hg|+ в системе. При этих условиях потенциал каломельного электрода постоянен и равен 0,241 В. В настоящее время каломельный электрод ста­ раются не использовать из-за высокой токсичности ртути и ее солей.

25.6.2. ИОНО- И МОЛЕКУЛЯРНОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Для измерения концентрации биологически активных ио­ нов: Н+, Na+, К+, N H 4, Са2+, NO3 и других, а также различных веществ в биологических системах используют электроды опре­ деления, которые называют также индикаторными электродами. Потенциалы этих электродов зависят в основном от концентра­ ции определяемого иона или вещества. Электродами определения прежде всего являются ионоселективные электроды, действие которых основано на возникновении мембранного потенциала на мембране с селективной чувствительностью к данному иону.

672

вестной постоянной активностью определяемого иона (авн(Х*) =

= const). В этот раствор опущен внутренний электрод сравнения

спостоянным значением потенциала. В качестве внутреннего электрода обычно используют хлорсеребряный электрод. Кон­ такт этой системы с исследуемым раствором осуществляется через ионоселективную мембрану. На внутренней и наружной поверхностях данной мембраны возникают потенциалы фвн и Фнар, которые согласно известному уравнению Нернста прямо пропорциональны логарифму активности определяемого иона во

внутреннем и исследуемом растворах соответственно. Для изме­ рения возникающих мембранных потенциалов в исследуемый раствор опускают внешний хлорсеребряный электрод сравнения. Полученную гальваническую цепь измерительной системы мож­ но записать следующим образом:

Потенциал ионоселективного электрода определяется суммой потенциалов на каждой границе раздела: Ф = Ф1 + фвн + Фнар- П оскольку потенциалы фх и фвн постоянны, а значение фнар =

2,3RT lg а(Х*) прямо пропорционально логарифму активности zF

анализируемого иона X* в исследуемом растворе, то и ЭДС галь­ ванической цепи будет линейной функцией показателя актив­ ности этого иона в растворе, так как рХ* = -lg а(Х{). Таким об­ разом, измерив ЭДС гальванической цепи из ионоселективного электрода определения и электрода сравнения, опущенных в ис­ следуемый раствор, можно определять в нем эффективную кон­ центрацию анализируемого иона. ЭДС гальванической цепи оп­ ределяют с помощью иономера (рис. 25.9). Это высокочувстви­ тельный милливольтметр, шкала которого проградуирована в единицах рХ*. Иономер имеет разные диапазоны для грубых и точных измерений определяемых величин.

Все ионоселективные электроды в зависимости от агрегатного состояния мембран подразделяются на электроды с твердыми и жидкими мембранами. Наиболее широко используемым ионосе­ лективным электродом определения с твердой мембраной являет­ ся стеклянный электрод. Стеклянный электрод представляет со­ бой трубку, заканчивающуюся тонкостенной стеклянной мембра­ ной в виде шарика, чувствительной к определенному виду ионов. Внутри находится раствор, содержащий данный вид ионов, в

673

2 2 - 3 4 5 3

Рис. 25.9. Измерения с помощ ью иономера (прямая потенциометрия)

который опущен внутренний электрод сравнения, соединяемый с внешней цепью. Чаще всего используется стеклянный электрод, чувствительный к ионам Н+ и поэтому позволяющий определить pH раствора. В этом случае внутренним раствором является 0,1 М раствор НС1, а стеклянную мембрану (шарик) изготавливают из специального литийбарийсиликатного стекла (рис. 25.10).

Чтобы повысить чувствительность стеклянной мембраны к ионам Н+, стеклянный электрод после хранения необходи­ мо вымочить в разбавленном растворе НС1 и далее сохранять в дистиллированной воде. При вымачивании стеклянной мем­ браны в кислоте поверхность стекла гидратируется, ионы ще­ лочного металла в стекле обмениваются на ионы водорода Н+, находящиеся в растворе:

674

зависит в основном от активности ионов Н+ в исследуемом рас­ творе, так как внутренний раствор имеет постоянную активность ионов Н+. Для измерения этой разности потенциалов необходимо составить гальваническую систему из стеклянного электрода, со­ держащего обычно внутренний хлорсеребряный электрод, и внеш­ него электрода сравнения:

трохимической системы стеклянного электрода. Величина фнав согласно уравнению Нернста равна фнар = (2,3RT/F) lg а(Н+) = -2 •10“ 4 Т pH,

поэтому фСТекл = const + фнар = const - 2 •10~4 Т pH.

Таким образом, потенциал стеклянного электрода является функцией pH исследуемого раствора, и ЭДС гальванической це­ пи из стеклянного электрода и электрода сравнения тоже будет функцией pH исследуемого раствора:

Е = Фхл.сер - Фстекл = c o n s t + 2 •10~4 Т pH

Полученное выражение свидетельствует о линейной зависимости ЭДС гальванической цепи от pH исследуемого раствора. Так как постоянная величина, входящая в это выражение, неизвестна, то перед измерением pH с помощью конкретного стеклянного элек­ трода необходимо откалибровать этот электрод по стандартным буферным растворам с точно известным значением pH, коррек­ тируя показания шкалы pH-метра, являющегося, по сути, точ­ ным милливольтметром. Таким образом, pH-метры позволяют с помощью откалиброванного стеклянного электрода и электрода сравнения измерять pH исследуемого раствора непосредственно по шкале прибора.

Аналогично измерению pH с помощью стеклянных ионосе­ лективных электродов, мембрана которых изготовлена из опре­ деленного сорта стекла, селективного по отношению к ионам Na+, К+ или NH4 , можно определять концентрацию этих ионов непосредственно в биологических системах.

На основе мембраны из кристаллического фторида лантана созданы фторид-селективные электроды для определения кон­ центрации фторид-иона в молоке, моче и в зубной пасте.

Ионоселективные электроды с жидкой мембраной состоят из мелко­ пористой диафрагмы из стекла или пластмассы, пропитанной раствором

675

2 2 *