Биопотенциалы.

Измерение биопотенциалов является объективным, универсальным точным показателем течения физиологических функций различных органов.

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ.

Все процессы жизнедеятельности органов 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 ( БП ) с метаболическими процессами и физиологическим состоянием клеток они являются чувствительным и точно измеримым показателем различных изменений в клетках в норме и при патологии. Для более эффективного использования измерения БП в медицине необходимо выяснение механизмов их возникновения.

Диффузионные, мембранные и фазовые потенциалы.

Для возникновения БП 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. Диффузионная разность потенциалов может быть найдена из уравнения Гендерсона: Е = [ (U - V) RT ln ( a1/a2 ) ] / ( U + V ) ZF,

где U - подвижность катиона V - подвижность аниона R - газовая постоянная T - абсолютная температура Z - валентность ионов F - число Фарадея a1 - активность ионов в области, откуда идет диффузия a2 - активность ионов в области, куда идет дифффузия.

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: a = f C

Частным случаем диффузионного потенциала является мембранный потенциал. Он возникает при наличии пористой перегородки ( в клетке - мембрана ), которая избирательно пропускает катионы и анионы, например, пропускающей только катионы. Это приводит к возникновению разности потенциалов, которую можно найти из формулы:

E = (RT / ZF ) ln (a1/ a2 ) - она называется уравнением Нернста. Если перейти от натуральных логарифмов к десятичным и подставить значения постоянных, то при 20 С получим: E = 58 lg ( a1 / a2 ) ] / Z [mB] - это уравнение обычно используют при практическом расчете мембранных потенциалов.

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

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. Величину фазовых потенциалов можно определить из уравнения Гендерсона.

Потенциал покоя. Природа потенциала покоя.

Между внутренней и наружной поверхностями кле­точной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов. Разность потенциалов, измеренная между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны в состоянии физиологического покоя клетки, на­зывается потенциалом покоя. Потенциал покоя клетки можно измерить с помощью стеклянного микроэлектрода, введенного непосредственно в цитоплазму второй электрод при этом находится во внеклеточной жидкости. Кончик микроэлектрода, имеющего внутри канал, заполненный концентрированным раствором КС1, может иметь диаметр всего в долю микрона. При введении микроэлектрода мембрана клетки охватывает его кончик и ее повреждения практически не происходит

На основании большого экспериментального материа­ла было установлено, что цитоплазма в состоянии покоя клеток всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к потенциалу межклеточной жидкости. Потенциал покоя у разных клеток имеет величину от 50 до 100 мВ. Согласно современным взглядам, потенциал покоя по своей природе является мембранным потенциалом. Наличие мембраны приводит к возникновению потенциалов клеток, как в покое, так и при возбуждении. Причина их возникновения - неравномерное распределение ионов калия и натрия между содержимым клеток и межклеточной средой. Концентрация ионов калия внутри клеток в 20—40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости. Напротив, концентрация натрия в межклеточной жидкости в 10—20 раз выше, чем внутри клеток. Такое неравномерное распределение ионов обусловлено активным переносом ионов—работой натрий-калиевого насоса.

Как было установлено, возникновение потенциала покоя обусловлено в основном наличием концентрацион­ного градиента ионов калия. Эта точка зрения базируется на том, что ионы калия внутри клетки находятся в свободном состоянии, т. е. не связаны с другими ионами и молекулами и могут свободно диффундировать.

Согласно теории Ходжкина, Хаксли, Катца, клеточ­ная мeмбpaнa в cocтoянии покоя проницаема в основ­ном только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по концентрационному градиенту через клеточную мембрану в окружающую жидкость; анионы не могут проникать через мембрану и остаются на ее внутренней стороне. Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы, остающиеся на внутренней поверхности мембраны,—отрицательный, то внешняя, поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внутренняя отрицательно. Понятно, что диффузия продолжается только до того момента, пока не установится равновесие между силами возникающего электрического поля и силами диффузии.

Если принять, что потенциал покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина Е может быть найдена из уравнения Нернста:

Е = (RT/ z F)ln[K.]i / [К.]е (1)

где [K.]i и [К.]е—активность ионов калия внутри и снаружи клетки, z  валентность.