Биоэлектричество

Биопотенциалы. Луиджи Гальвани 1791 г. в эксперименте показал, что живые ткани содержат «животное электричество», его научный оппонент, физик Вольта показал, что это электричество от разнородных металлов, он создал первый источник постоянного тока, который носит название гальванический элемент.

Виды биопотенциалов:

1. Биопотенциал покоя (мембранный).

2. Биопотенциал действия (возбуждения).

1. Биопотенциал покоя — это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны клетки в покое. Наружная поверхность мембраны клетки имеет положительный заряд, а внутренняя имеет отрицательный заряд. Биопотенциал покоя регистрируется внутриклеточным методом, т.е. с помощью микроэлектродов, один из которых вводится внутрь клетки. В эксперименте биопотенциал покоя можно зарегистрировать между повреждённым и неповреждённым участком ткани. Поврежденный участок является моделью внутренней поверхности мембраны клетки.

Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через М. б. Главным их отличием является то, что активный транспорт сопровождается затратами химической энергии, гл. обр. за счет гидролиза АТФ, а пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется в результате диффузии веществ по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Пассивный транспорт осуществляется путем простой или облегченной (с участием переносчиков) диффузии через липидный бислой (многие яды, лекарственные препараты, кислород и углекислый газ, сахара, аминокислоты и азотистые основания), а также через заполненные водой поры и каналы (вода и ионы). В М. б. различного происхождения обнаружены системы активного транспорта ионов натрия, калия, кальция, водорода и др. Наиболее изучен натриевый насос - система, перекачивающая натрий из клетки и калий в клетку против электрохимического градиента. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса - Na+ -К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. Система активного транспорта кальция имеет много общего с натриевым насосом, но в этом случае его основным компонентом является фермент кальций-зависимая АТФ-аза. Механизмы транспорта различных веществ, воды и ионов через клеточные мембраны действуют и в случае их транспорта не через одиночную мембрану, а через слой клеток, напр, через эпителий ряда органов (кишечник, почка, легкие). В условиях функционирования клетки, как правило, трудно вычленить в чистом виде тот или иной механизм транспорта. Обычно имеет место их различная комбинация. Путем активного транспорта в сочетании с пассивным осуществляются такие процессы, как всасывание Сахаров из просвета кишечника клетками эпителия, транспорт воды и ионов натрия в почечных канальцах и др. Эффективность этих процессов очень высока.

Уравнение Нернста — уравнение связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

, где R— универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);

T— абсолютная температура;

F — число Фарадея, равное 96485,35 Кл/моль;

n— число молей электронов, участвующих в процессе;

и активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции. Если в формулу Нернста подставить числовые значения констант R и F и перейти от натуральных логарифмов к десятичным, то при T = 298K получим:

Уравнение Голдмана-Ходжкина - одна из концептуальных физико-химических моделей, описывающих механизмы существования электромагнитных явлений в живой ткани. Непосредственным источником электромагнитной энергии в любой клетке организма является динамический концентрационный элемент, образованный цитоплазматической мембраной и растворами ионов, которые неравновесно распределены между цитоплазмой и межклеточной жидкостью. Цитоплазматическая мембрана обладает неодинаковой проницаемостью для катионов и анионов и может изменяться в зависимости от разных причин. Процессы электрогенеза, протекающие на мембране являются стохастическими процессами.Математической моделью, аналогичной модели Нернста, но описывающей механизмы электрогенеза с учетом наличия многих электролитов, является модель Гольдмана-Ходжкина-Катца: ЭДС=(RT:F)·ln((pК1CК1e+pК2CК2e+…+pA1CA1i…):(pК1CК1i+pК2CК2i+…+pA1CA1e…)). Здесь, как и в модели Нернста: R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура растворов, F - число Фарадея, CK1 - концентрация катиона 1 (например, калия), CK2 - концентрация катиона 2 (например, натрия), CA1 - концентрация аниона 1 (например, хлора), pK - проницаемость мембраны для катиона, pA - проницаемость мембраны для аниона, индексы при символах CK1,…, CA1: i - на внутренней поверхности мембраны, e - на наружной поверхности мембраны.

Потенциа́л де́йствия, разновидность биопотенциала, возникающего на мембране электровозбудимых клеток в ответ на раздражение электрическим полем, химическим или другим стимулом. При этом мембрана возбудимой клетки способна увеличивать свою проницаемость к ионам натрия, калия, кальция.Генерация потенциала действия имеет двухфазную циклическую природу. В первой фазе возбуждения происходит реверсия (изменение знака) электрического заряда на мембране — потенциал сдвигается от обычно имеющегося в покое уровня порядка -50 — -90 мВ, до +20 — +40 мВ. Во второй фазе происходит восстановление исходного состояния мембраны, то есть и заряд, и потенциал на мембране быстро возвращаются к исходным значениям, характерным для состояния покоя клетки.Уникальным свойством потенциала действия является тот факт, что, возникая в одной точке на мембране возбудимой клетки, он способен без затухания в виде бегущей волны распространяться по всей поверхности клетки, включая ее отростки. Потенциал действия, распространяющийся от тела нервной клетки по ее длинному отростку — аксону — носит название нервного импульса.Потенциал действия и колебания потенциала покоя лежат в основе возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Изменения амплитуды и длительности потенциала действия могут носить как функциональный, так и патологический характер. Исследования суммарных потенциалов действия клеток и органов применяют с диагностическими целями (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография).

Временные и амплитудные х-ки.Переходная и импульсная переходная характеристики называются временными характеристиками. Каждая из них является исчерпывающей характеристиками системы и любого ее звена при нулевых начальных условиях. По ним можно однозначно определить выходную величину при произвольном входном воздействии.импульсной переходной характеристике, которая описывает реакцию системы на единичное импульсное воздействие при нулевых начальных условиях, обозначают t. Амплитудная характеристика - зависимость амплитуды Авых сигнала на выходе устройства от амплитуды Авх на его входе. Обычно определяется при гармоническом входном сигнале и используется для оценки линейности устройств. При достаточно малом Aвх амплитудная характеристика большинства устройств линейна, а коэффициент передачи постоянен.

Возможность распространения нервных импульсов по нервным волокнам определяется их строением, напоминающим строение электрического кабеля, где роль проводника играют аксоны, а роль изолятора — миелиновая оболочка аксона, представляющая собой мембрану шванновской клетки, намотанную на аксон в несколько слоев. Основной компонент миелиновой оболочки — липопротеид миелин, обладающий свойствами диэлектрика. Скорость распространения нервных импульсов зависит как от диаметра нервных волокон (чем толще волокно, тем выше скорость), так и от степени их электрической изоляции, так как покрытые миелином волокна при прочих равных условиях быстрее проводят нервные импульсы. Миелиновая оболочка покрывает волокно не непрерывно по всей его длине, а образует подобие изолирующих керамических «муфт», плотно нанизанных на аксон, как на стержень электрического кабеля. Между соседними «муфтами» из миелина остаются лишь небольшие электрически неизолированные участки, через ,которые ионный ток может легко вытекать из аксона в наружную среду и обратно, раздражая мембрану и вызывая генерацию потенциала действия исключительно в неизолированных участках аксона, получивших название перехватов Ранвье. Нервный импульс распространяется по миелинизированному нервному волокну скачками — от одного перехвата Ранвье до следующего, что значительно повышает скорость распространения возбуждения от клетки к клетке. Скорость распространения нервного импульса по толстым миелинизированным волокнам (диаметром 10-20 микрон) у человека достигает 70-120 м/сек, а по самым тонким немиелинизированным нервным волокнам — на два порядка ниже (менее 2 м/сек).

Тканевые биоэлектрические потенциалы — электрические потенциалы, возникающие в живых клетках и тканях; показатель биоэлектрической активности, определяемой разностью электрических потенциалов между двумя точками живой ткани.виды Б. п. различных органов и тканей (рецепторные, секреторные, потенциалы сердца, головного мозга и др.) являются аналогами или производными мембранного потенциала (или потенциал покоя), потенциал действия, постсинаптические потенциалы.Исследование Б. п. имеет большое значение для понимания физико-химических и физиологических процессов в живых системах и применяется в клинике с диагностической целью (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и др.).Поскольку клетки или ткани организма имеют электрические полярности, они создают вокруг себя электрические поля.

электрограмма (электро- + греч. gramma запись) кривая, отражающая изменение во времени потенциалов электрического поля сердца, регистрируемая с помощью электродов, вводимых по кровеносным сосудам в полости сердца.Электрографический метод - метод регистрации и анализа биоэлектрических процессов человека и животных--нашел весьма широкое применение в клинической практике, физиологическом эксперименте, авиационной и космической медицине, исследованиях по физиологии труда и спорта. он позволяет получить ценную информацию о нормальной или патологической деятельности тканей, органов и систем. Большим достоинством электрографического метода при использовании в клинике является его безболезненность.

Механизмы распр. Возбуждения в тк.Современные представления о природе биоэлектрических явлений в тканях базируются на результатах работ Алана Ходжкина, Эндрью Хаксли, Бернарда Катца. Эти ученые в 40-50 годах нашего века модифицировали и экспериментально обосновали мембранно-ионную теорию Ю. Бернштейна. В настоящее время их взгляды о природе биоэлектрических явлений пользуются всеобщим признанием. Согласно их представлениям, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено различной концентрацией ионов Na+, K+, Ca2+ и Cl- внутри и вне клетки, а также различной проницаемостью для них клеточной мембраны. За разработку теории ионного механизма возбуждения эти авторы были удостоены звания лауреатов Нобелевской премии.