2.3.8. Биоэлектрические потенциалы

Биоэлектрический потенциал – это разность потенциалов между двумя точками живой ткани, определяющая ее биоэлектрическую активность.

Потенциал покоя – это разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой в нормально функционирующей клетке.

Через мембрану проходят потоки разных ионов. Основной вклад в суммарный поток вносят ионы натрия (Na⁺), калия (К⁺) и хлора (Cl^–) Суммарная плотность потока этих ионов с учетом знаков:

J = J_Na+ + J_K+ – J_Cl– .

В стационарном состоянии J = 0.

Для потока различных ионов электрический мембранный потенциал (потенциал покоя) равен

(2.3.50)

Здесь квадратными скобками []_i и []_o обозначены концентрации ионов, соответственно, внутри и вне клетки; Р – проницаемости мембраны для данного вида иона; F – постоянная Фарадея; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура в Кельвинах.

Выражение (2.3.50) носит название уравнения Гольдмана–Ходжкина–Катца. При температуре 30С потенциал покоя составляет _М = – 59,7 мВ.

Из (2.3.50) можно получить уравнение для равновесного состояния. При этом следует пренебречь проницаемостями мембраны для всех ионов, кроме ионов одного вида. Тогда имеем уравнение Нернста:

_М = – (RT/FZ)ln([C_i]/[C_o]), (2.3.51)

где [C_i] – концентрация ионов внутри клетки, [C_o] – концентрация ионов вне клетки, Z – валентность иона.

Эту разность потенциалов называют равновесным мембранным потенциалом.

Пример 19. Определить равновесный мембранный потенциал на мембране, если отношение концентраций калия внутри и снаружи равно 100 при температуре 30С.

Дано: [C_i]/[C_o] = 100,

Т = 273С + 30С = 303 К,

R = 8,31 Дж/мольК,

F = 96000 Кл/моль.

Найти: _М.

Решение. Равновесный мембранный потенциал определим с помощью уравнения Нернста (2.3.51):

_М = – (RT/FZ)ln([C_i]/[C_o]) = – (8,31303/96000) ln(100) = – 121 мВ.

Пример 20. Потенциал покоя клетки при температуре 25С равен – 60 мВ. Определить концентрацию ионов калия снаружи клетки, если внутри она равна 400 мМ.

Дано: Т = 273С + 25С = 298 К,

_М = – 60 мВ = – 6010^–3 В,

[C_i] = 400 мМ,

R = 8,31 Дж/мольК,

F = 96000 Кл/моль.

Найти: [C_o].

Решение. Используем уравнение Нернста (2.3.51), откуда выразим концентрацию ионов калия снаружи клетки:

_М = – (RT/FZ)ln([C_i]/[C_o])  [C_o] = [C_i]/exp(–_МF/RT) = 39 мМ.

Ответ: 39 мМ.

3. Магнетизм и электромагнетизм. Электромагнитные колебания

Для успешного тестирования по курсу «Магнетизм и электромагнетизм. Электромагнитные колебания» необходимо знать следующие законы, определения и формулы:

1. Магнитное поле, линии магнитной индукции, вектор магнитной индукции (в том числе, как находить его направление в заданной точке магнитного поля).

2. Принцип суперпозиции магнитного поля (формулировка и математическая запись).

3. Силы Ампера и Лоренца (формулы, правила левой и правой руки).

4. Магнитное поле в веществе, вектор намагниченности, магнитная проницаемость.

5. Магнетики (диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, их свойства). Энергия магнитного поля.

6. Электромагнитная индукция.

7. Закон Фарадея, правило Ленца.

8. Самоиндукция, индуктивность, взаимная индукция.

9. Электромагнитные колебания: свободные электромагнитные колебания, апериодический разряд конденсатора. Зарядка конденсатора. Электрический импульс и импульсный ток. Элементы реабилитологии. Импульсная электротерапия.

10. Импульсный сигнал и его параметры. Импульсный ток.

11. Переменный ток. Сопротивление в цепи переменного тока (импеданс). Импеданс тканей организма. Частотная зависимость импеданса и возможность ее использования для определения жизнеспособности биологических тканей и органов. Эквивалентная электрическая схема тканей организма. Физические основы реографии и ее применение.

12. Ток смещения, электромагнитное поле. Уравнения Максвелла. Плотность электромагнитной энергии. Плотность потока энергии. Вектор Пойнтинга.

13. Электромагнитные волны: волновое уравнение, скорость электромагнитной волны в веществе, показатель преломления.

14. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине. Влияние электромагнитных волн различного диапазона на человека.