Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 18. Биоэлектрогенез, его основные условия. Механизм возникновения потенциала покоя

18. Биоэлектрогенез, его основные условия. Механизм возникновения потенциала покоя. Уравнения Нернста и Гольдмана. Понятие об измерении потенциала покоя (микроэлектродная техника).

Все клетки организма имеют электрический заряд: цитоплазма заряжена  отрицательно  по отношению к межклеточной жидкости. Соответственно, между цитоплазмой и межклеточной средой имеется  разность потенциа лов. Обычно потенциал межклеточной жидкости принимают за ноль, поэтому потенциал клетки (точнее - цитоплазмы) считают отрицательным.

Электрический заряд клеток возникает и поддерживается за счёт деятельности мембран . Свойство клеток создавать на мембране разность потенциалов называют биоэлектрогенезом.

Различают три основных проявления биоэлектрогенеза:

1) Наличие во всех клетках  постоянной разности потенциалов по отношению к межклеточной среде. Эту разность потенциалов называют  потенциалом покоя . (ПП). Величина потенциала покоя составляет (в разных типах клеток) от 30 до 90 милливольт. На мембранах митохондрий величина ПП может достигать 200 мВ; это имеет большое значение для синтеза АТФ (при меньшем потенциале на мембране синтез АТФ не идёт).

2) Возникновение в нервных и мышечных клетках при внешнем воздействии очень кратковременного изменения (сдвига) потенциала, величина которого  не зависит от интенсивности воздействия . Такой сдвиг потенциала называют  потенциалом действия (ПД). Величина ПД может доходить до 100 - 150 милливольт.

3) Возникновение в ответ на воздействие различных внешних факторов кратковременного сдвига потенциала, величина которого тем больше,чем больше интенсивность раздражителя .Такой сдвиг называют  градуальным потенциалом  (от слова "градус" - степень,  лат ).Кроме того, некоторые животные (в основном, рыбы) могут генерировать кратковременные импульсы потенциала величиной до нескольких сотен вольт. Этот вариант мы далее рассматривать не будем.

 Измерение биопотенциалов. Понятие о микроэлектродной технике .

Для измерения потенциала покоя один электрод  обязательно надо ввести внутрь клетки, в цитоплазму. Однако, металлические электроды  повреждают  клетку; кроме того, на границе металла с клеточным содержимым возникает дополнительная разность потенциалов, искажающая результаты измерений. Поэтому получение достоверных данных ранее было связано со значительными трудностями; некоторые крупные физиологи даже вообще сомневались в существовании ПП. Эти трудности были преодолены появлением  микроэлектродов .

Микроэлектрод представляет собой тонкую стеклянную трубочку с оттянутым кончиком; диаметр этого кончика порядка одного микрометра (0,001 мм). Для того, чтобы электрод проводил ток, его заполняют раствором KCl. В цитоплазме много ионов калия и хлора, поэтому внедрение кончика электрода в клетку не меняет заметно ионный состав цитоплазмы;

механическое повреждение мембраны таким тонким электродом тоже незначительно. Поэтому с помощью микроэлектродной техники можно получать достаточно точные результаты.

Ввиду малости биопотенциалов электрод подключают к усилителю;усиленную разность потенциалов подают на электронный осциллограф или самописец.

Для измерения и записи потенциалов действия можно использовать электроды, наложенные на поверхность нервного или мышечного волокна (тоже с усилителем), но более точные и надёжные результаты всё-таки получаются с использованием микроэлектродов.

Потенциал покоя

 Концентрационный элемент Нернста. Диффузионный потенциал (ПП)

Постоянная разность потенциалов, аналогичная ПП живой клетки, может возникать и в неживых системах, например - двух растворах какого-либо электролита, разделённых пористой мембраной . При этом необходимо выполнение двух условий:

1. Мембрана должна иметь разную проницаемость для положительных ионов  (катионов) и  для отрицательных ионов  (анионов). Подобные мембраны называются  полупроницаемыми . Обычно проницаемость таких мембран для катионов много больше, чем для анионов . (р кат >> р ан ).

2.  Концентрация растворённой соли по обе стороны от мембраны должна быть  разной .

Первый пример такого рода был исследован В.Нернстом (концентрационный элемент Нернста). Нернст взял сосуд с растворами КCl разной концентрации, разделёнными полупроницаемой мембраной. Вследствие диффузии ионы К  и Сl  проходят через мембрану из раствора с более высокой концентрацией соли в  раствор  с  более низкой концентрацией . Однако,из-за различия в проницаемостях для катиона и аниона, за определённое время через мембрану проходит  гораздо больше ионов натрия, чем хлора .В результате, в растворе с низкой концентрацией возникнет избыток К ,и раствор будет приобретать положительный заряд, а в растворе с более высокой концентрацией останется больше Cl, и этот раствор получит отрицательный заряд . Так как эти заряды притягивают друг друга, то на мембране создаётся  двойной электрический слой  - по одну сторону скопятся положительные заряды (ионы К ), а по другую - отрицательные (ионы Cl ). Вследствие этого на мембране возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов создаёт в мембране электрическое поле , под воздействием которого начнётся движение ионов К через мембрану  от плюса к минусу , то есть навстречу диффузионному потоку . Это противодвижение К  будет тем сильнее, чем больше разность потенциалов между растворами. Легко понять, что в конце концов (на практике достаточно скоро) в системе установится  динамическое равновесие (или, другими словами, стационарное состояние ), и  разность потенциалов на мембране станет постоянной по величине. Такой постоянный потенциал называют диффузионным потенциалом.

Опыты Нернста с разными электролитами показали, что диффузионный

потенциал выражается формулой:

RT pk C1  + p a C 1

U = ----.ln----------------- 

(1)

Fz p k C2  + p a C2

где р к  и р а  - проницаемости мембраны для катиона и аниона,

С 1  и С 2  -концентрации растворов по обе стороны мембраны (С 1 < С2 ), F - число

Фарадея (заряд одного моля ионов = 96 500 Кл), z - валентность иона.Если, как это большей частью бывает, проницаемость для катиона многобольше, чем для аниона (р k  >> р a),  членами с множителем ра  можно пренебречь, и формула упрощается:

RT C 1

U = ----.ln---- (1")

Fz C 2

Формулу (1") нетрудно вывести и теоретически. Одним из условий стационарного состояния является равенство работ по переносу ионов в одну и другую сторону. Работа переноса под действием разности концентраций (в расчёте на один моль) равна RT.ln(C 1 /C 2 ), а работа переноса ионов под действием разности потенциалов равна q.U = Fz.U (тоже на 1

моль). Приравнивая эти выражения, получаем :

RTln(C 1 /C 2 ) =Fz.U ,

откуда сразу получается формула (1").

Механизм возникновения потенциала покоя

Нетрудно видеть, что в клетках имеются условия, при которых между клеткой и межклеточной средой должна возникать разность потенциалов :

1) мембраны клеток хорошо проницаемы для катионов (в первую очередь - калия), в то время как проницаемость мембран для анионов гораздо меньше;

2) концентрации большинства веществ в клетках и в межклеточной жидкости сильно различаются (сравните со сказанным на стр. ). Поэтому на мембранах клеток будет возникать двойной электрический слой ("минус" на внутренней стороне мембраны, "плюс" на наружной), и на мембране должна существовать постоянная разность потенциалов, которую и называют потенциалом покоя. Говорят, что мембрана в состоянии покоя  поляризована . 

Впервые гипотезу об аналогичной природе ПП клеток и диффузионного потенциала Нернста высказал в 1896 г. студент Военно-медицинской академии Ю.В.Чаговец. Сейчас эта точка зрения подтверждена многочисленными экспериментальными данными. Правда, между измеренными значениями ПП и вычисленными по формуле (1) имеются некоторые расхождения, но они объясняются двумя очевидными причинами. Во-первых, в клетках находится не один катион, а много (K , Na , Ca , Mg и др.). Это можно учесть, заменив формулу Нернста (1) на более сложную формулу, выеденную Гольдманом:

RT p k [K + ] e  + p Na [Na + ] e  +

p Cl .[Cl - ] i

U = ----.ln------------------------------------------------ (2)

Fz p k [K + ] i + p Na [Na + ] i  +

p Cl [Cl - ] e

где р k  - проницаемость мембраны для калия, р Na  -то же для натрия, р Cl  - то же для хлора; [К + ] e  - концентрация ионов калия вне клетки, [К + ]  i  - то же внутри клетки (аналогично для натрия и хлора); многоточием обозначены соответствующие члены для других ионов. Ионы хлора (и других анионов) идут в направлении, противоположном ионам калия и натрия, поэтому значки "е" и "i" для них поставлены в обратном порядке.

Расчёт по формуле Гольдмана даёт значительно лучшее совпадение с экспериментом, однако некоторые расхождения всё же остаются. Это объясняется тем, что что при выводе формулы (2) не рассматривалась работа активного транспорта. Учёт последнего позволяет добиться практически полного согласия с опытом.