4.4. Дифузійні та мембранний потенціали, їхнє біологічне значення. Рівняння Нернста.

Дифузійні потенціали

Стрибок потенціалів у гальванічних елементах може виникати не лише на поверхні розділу електрод - розчин, але і на межі розділу розчин - роз­чин (двох електродних розчинів, розділених напівпроникною перегород­кою). Цей потенціал виникає за рахунок різної швидкості руху різних за природою іонів через межу розділу і називається дифузійним потенціалом. Виникнення такого потенціалу можна розглянути на прикладі наступного концентраційного ланцюга

Рt(Н₂) | НСІ(α₁) | (НС1(α₂) | Рt(Н₂), φ₁ φ_д φ₂

в якому електрорушійна сила виникає за рахунок вирівнювання концен­трації НС1 у напівелементах. Припустимо, що α₁ > α₂. В такому ланцюгу виникають дві електродні різниці потенціалів φ₁ φ₂ один дифузійний потенціал φ_д. Перші два потенціали виникають за рахунок різниці активностей НС1 в лівому і правому напівелементах і величина їх Розраховується за рівнянням

RT α₂

E = φ₂ - φ_{1 =} ------- ln ------ ;

z F α₁

Дифузійний потенціал φ_д, виникає таким чином.

Через межу розділу між двома розчинами справа наліво переміщуються іони гідроксонію Н₃О⁺ і хлору Сl^- , прагнучи зрівняти концентрацію в обох осередках. Перехід НС1 із разчину з більшою концентрацією в розчин з меншою концентрацією здійснюється дифузією іонів - катіона Н₃О⁺ і аніона С^l- . Але іон Н₃О⁺ є більш рухливим, ніж іон Сl^- . Тому із самого початку іони Н₃О⁺ дифундують через поверхню розділу в більшій кількості, ніж іони Сl^- . Внаслідок цього виникає стрибок потенціалу, більш розведений розчин, куди перемістилися іони гідрогену, заряджається позитивно, а "відстаючі" іони хлору надають більш концентрованому розчину від'ємний заряд. Таким чином, на межі розділу двох розчинів виникає дифузійний потенціал, величина якого може бути розрахована за рівнянням Гендерсона:

l_K - l_a RT α₁

φ_д = --------- ^. ------ ln -----

l_K + l_a z F α₂

де l_K - рухливість катіона, l_а - рухливість аніона, z-величина заряду іона, F- стала Фарадея, α – активність іонів.

Останнє співвідношення показує, що дифузійний потенціал тим біль­ший, чим більша різниця концентрацій (активностей іонів) розчинів і чим більша різниця в рухливостях іонів.

Величина дифузійних потенціалів, коли в напівелементах містяться розчини солей, не перевищує 3-5 мВ. Але у випадках, коли в напів­елементах містяться розчини кислот і лугів, дифузійний потенціал стає значно більшим (порядку 25-75 мВ). Це пояснюється тим, що іони Н₃О⁺ і ОН^- мають значно більшу рухливість, ніж всі інші іони. З цього випливає, що при потенціометричних вимірах рН середовища дифузійні потенціали можуть вносити похибки.

З метою зменшення впливу дифузійного потенціалу на виміри, між розчинами різних концентрацій вміщують насичений розчин КCl. Сполу­чення електродних розчинів за допомогою проміжного розчину здійснюється через сифон, наповнений агар-агаром, настояним на концентрованому розчині однієї з вказаних солей. Оскільки рухливість іонів калію і хлору

приблизно однакова l_к+ =73,5^.10^-4 м/с^.В і l_Cl- =76,4- 10^-4 м /с_.В, то

дифузійний потенціал або зовсім не виникає, або має мінімальне значення.

В живих організмах дифузійний потенціал може виникати у випадках механічного пошкодження оболонок клітин. При цьому порушується вибірковість їх проникності і електроліти починають дифундувати з пошкоджених клітин у непошкоджені, що є причиною виникнення так званого потенціалу пошкодження, який може досягати величин порядку 30—40 мВ. Причому пошкоджена тканина заряджається від' ємно по відно­шенню до непошкодженої.

Мембранні потенціали. Потенціал дії.

Дифузійний потенціал може значно зрости, якщо розчини електролітів різних концентрацій розділити спеціальною мембраною, яка є проник­ною тільки для іонів одного певного знака У більшості випадків виник­нення мембранного потенціалу пов'язано з тим, що пори мембрани не відповідають розмірам іонів певного знака. В тканинах рослинних і тваринних організмів навіть в середині одної клітини виникають мем­бранні і дифузійні потенціали, які обумовлені хімічною і морфологічною неоднорідністю внутрішньоклітинного вмісту. Наявність різниці концен­трацій іонів (с₁ і с₂) по обидва боки мембрани клітини приво­дить до виникнення мембранного потенціалу (рис. 6.13). Для окре­мого проникаючого іона X різ­ниця потенціалів на мембрані мо­же бути розрахована за рівнянням Нернста

RT c₁ RT [ X]_зовн.

φ₁= -------- ln ------ = ------ ln ---------

z F c₂ z F [ X]_внутр.

де індекси вказують на внутрішню і зовнішню області клітини.

Як відомо, нервова клітина живих організмів складається з тіла клітини та одного довгого відростка діаметром 10 ^-7 10^{- 5} м, який називається ак­соном. Клітина та аксон, що відходить від неї, оточені мембраною. Мембрани нервових клітин у стані спокою (незбудженому) приблизно у 100 разів більш проникні для іонів К⁺, ніж для Na⁺. Це означає, що між внутрішньою і зовнішньою сторонами клітинної стінки виникла різниця потенціалів у -75 мВ. Хоча клітинні мембрани у стані спокою приблизно у двічі більш проникні для іонів Сl^-, ніж для іонів К⁺, іони Сl^- відіграють другорядну роль у генерації мембранного потенціалу. На відміну від іонів К⁺ і Na⁺, іони Сl^- не накачуються крізь мембрану проти градієнта концентрації. Крім того, від'ємно заряджена внутрішня поверхня клітинної стінки відштовхує аніони, що приводить до низької концентрації іонів Сl^- у середині клітин. Таким чином, мембранний потенціал майже повністю визначається іонами К⁺.

Якщо нервову клітину збудити електрично, хімічно чи механічно, то клітинна мембрана стає більш проникною для іонів Nа⁺, ніж К⁺ (Р_{Na +} /Р_K+ ≈12). Це означає, що іони натрію почнуть рухатися всередину клітини, викликаючи зміну мембранного потенціалу. Таким чином, про­тягом дуже короткого часу (біля 1O^-4 с) мембранний потенціал міняє свій знак і величину від -75 мВ до +50 мВ. Зміна знака заряду при русі іонів Nа⁺ всередину клітини деполяризує мембрану. Зразу після цих змін мембрана знов стає проникною для іонів K⁺ і непроникною для іонів Nа⁺. При рівновазі, (після того, як надлишок іонів Nа⁺ був "відкачаний" назовні з клітини) мембранний потенціал повертається до свого початкового зна­чення. Раптова зміна мембранного потенціалу (підвищення і падіння) називається потенціалом дії. Такий приблизно механізм передачі збуд­ження у нервових клітинах. В залежності від довжини аксона і інших факторів, швидкість передачі потенціала дії складає від 30 до 150 м/с. Як тільки потенціал дії видаляється з точки збудження клітини, мембрана в цій точці знову готова для збудження.

Потенціал дії розповсюджується по аксону до тих пір, поки не досягне синоптичного сполучення (області контакту між нервовими клітинами), або нервово-м'язового контакту. Прибуття потенціалу дії у синапсис запускає виділення нейротрансміттера, який являє собою невелику молекулу, що здатна проникати крізь мембрану. Такою молекулою може бути ацетил­холін, який з сінаптичних бульбашок дифундує до постсинаптичної мембра­ни, викликаючи в ній зміни проникності. Проникність мембрани для іонів К⁺ і Nа⁺ під дією ацетилхоліну різко зростає, що приводить до виникнення великого потоку іонів натрію всередину клітини і потоку іонів калію у зво­ротному напрямку. .Спрямований всередину потік іонів Nа⁺ знову деполя­ризує постсинаптичну мембрану і запускає потенціал дії у сусідньому ак­соні. В решті-решт ацетилхолін гідролізується ферментом ацетилхолін-естеразою з утворенням оцтової кислоти і холіна:

O

║║

H₃C – C – O - CH₂ – CH₂ – N – (CH₃)₃ + H₂O 

Ацетилхолін

O

 HO - CH₂ - CH₂ - N - (CH₃)₃ + H+ + H₃C

холін O

ацетат

Аналогічним шляхом потенціал дії, який генерується нервовою кліти­ною, може бути переданий в м'язову тканину. Наприклад, перед кожним ударом серця виникає великий потенціал дії, який створює певний струм. За допомогою електродів, розміщених на грудній клітці і підключених до самописця можна фіксувати потенціали дії. Такий запис потенціалів дії на­зивається електрокардіограмою (ЕКГ), і має велике значення для діагнос­тики захворювань серця.

Таким чином, мембранні та дифузійні потенціали виникають у клі­тинних та тваринних організмах і приводять до утворення різних біопо­тенціалів та біострумів.