§ 15. Диффузионные и мембранные потенциалы. Природа биопотенциалов

Диффузионный потенциал. В гальванических цепях, состо­ящих из двух полуэлементов, которые различаются либо со­ставом растворов (как в элементе Якоби—Даниэля), либо концентрацией (концентрационные цепи), помимо потенциалов на границе электрод — раствор возникает дополнительный диффузионный потенциал на границе раствор — раствор. Этот потенциал обусловлен диффузией ионов через границу раз­дела и вызывает торможение более быстро движущихся и уско­рение более медленно движущихся ионов.

Например, в концентрационной цепи

Pt (H₂) I HCi I HCl I Pt (H₂)

а₃<а,

электродвижущая сила возникает в результате выравнивания концентраций соляной кислоты. Через границу между дву­мя растворами справа налево перемещаются ионы водорода и хлора. Поскольку подвижность ионов водорода намного боль­ше, чем хлора, они создают при своем перемещении фронт раствора, заряженный положительно, а «отставшие» хлорид-ионы заряжают раствор отрицательно. Таким образом, на границе двух растворов возникает потенциал, называемый" диффузионным, величина которого может быть рассчитана по уравнению Гендерсона:

где и — подвижность катионов; v — подвижность анионов.

Особенно велик диффузионный потенциал в растворах кис­лот и щелочей, поскольку ионы H₃O⁺ и ОН~ обладают высокой подвижностью. Значительно меньше величина e_d для раство­ра солей. Например, на границе OAM и 0,001 M растворов HCl диффузионный потенциал достигает 75 мВ, на границе таких же растворов NaCl он равен 25 мВ.

Потенциал 75 мВ соответствует разности значений рН ApH = 1,5, в то время как разность между рН растворов со­ставляет ДрН = 2. Из сказанного следует, что диффузионные потенциалы существенно осложняют измерение рН растворов. Как же устраняются ошибки измерений, связанные с возник­новением диффузионного потенциала? С этой целью для уста­новления контакта между растворами применяются электро­литические мостики, заполненные насыщенным раствором KCl. Ионы K⁺ и Cl^- обладают близкими величинами подвижностей

МемЕрана

©

е

В

®

!©

_{J° * і}

®пЄ0Ї

©Bp® 0 ©

Ч2>-

и перемещаются через границу растворов с одинаковой скоростью. При этом диф­фузионный потенциал или вообще не воз­никает, или имеет минимальное значение. В таких случаях говорят, что диффузи­онный потенциал элиминирован, и гра­ницу между двумя растворами изобра­жают двумя вертикальными чертами.

е

® ©

Рис. 27. Схема возник­новения мембранного потенциала.

В биологических объектах диффузи­онный потенциал, вероятно, может про­являться только при механическом по­вреждении клеток. Из места повреждения происходит диффузия ионов в неповреж­денные участки, в результате чего возни­кает диффузионный потенциал.

Мембранный потенциал. Близким по своей природе к диффузионному является мембранный по­тенциал. Если между двумя растворами имеется полупрони­цаемая перегородка, которая избирательно пропускает кати­оны и задерживает анионы, то по обе ее стороны накапливаются ионы противоположного знака, и одна сторона мембраны заря­жается положительно, а другая — отрицательно, т. е. возни­кает мембранный потенциал (рис. 27). Диффузия катионов через мембрану не будет бесконечной, поскольку катионы притягиваются к оставшимся по другую сторону мембраны анионам. На границе мембраны устанавливается равновесие между диффузией и электрическим полем, потенциал которого равен

nF CV

(111.39)

где C₁ и C₂— концентрация катионов по разные стороны мем­браны, причем С£> C₂, т. е. мембранный потенциал рассчи­тывается по уравнению Нернста для э. д. с. концентрацион­ной цепи.

Биопотенциалы. По современным представлениям, био­потенциалы по своей природе являются мембранными. Су­ществование «животного электричества» было открыто Л. Галь-вани почти 200 лет тому назад. В конце прошлого века В.Ост­вальд высказал предположение, что существует плазматиче­ская мембрана клеток, которая является той структурой, на которой возникают биопотенциалы. Несколько позже под влиянием В. Нернста Р. Е. Бернштейн разработал основы современной мембранной теории биоэлектрических потенциа­лов. Согласно Р. Е. Бернштейну, ключ к пониманию нервного

5* ' 131

импульса нужно искать в свойствах поверхностей мембраны клетки, в частности в ее избирательной и изменяющейся про­ницаемости для ионов окружающей среды.

Потенциал покоя. Между внутренней и наруж­ной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов. Эта разность потенци­алов, измеренная в состоянии физиологического покоя клетки, называется потенциалом покоя. На основании большого экспериментального материала установлено, что цитоплазма в состоянии покоя клетки всегда имеет отрицательный потен­циал по отношению к потенциалу межклеточной жидкости. Потенциал покоя у разных клеток составляет от 50 до 100 мВ.

Причиной возникновения биопотенциалов является не­равномерное распределение ионов калия и натрия между со­держимым клетки и окружающей средой. Содержание ионов калия внутри клеток в 20—40 раз выше, чем в околоклеточной жидкости. Содержание ионов натрия, наоборот, в 10—20 раз выше в межклеточной жидкости, чем в клетке.

Возникновение потенциала покоя обусловлено в основном концентрационным градиентом ионов калия. Физико-хими­ческие исследования показали, что ионы калия внутри клеток находятся в свободном состоянии. Сопутствующими аниона­ми в клетке являются восновном анионы органических кислот— аспарагиновой, пировиноградной, уксусной и др. Анионов неор­ганических веществ внутри клетки очень мало.

В состоянии покоя клеточная мембрана проницаема в боль­шей степени для ионов K ⁺ - Они проникают через мембрану и заряжают ее внешнюю поверхность положительно, оставши­еся анионы заряжают внутреннюю поверхность клеточной мембраны отрицательно. Величину потенциала покоя можно определить по уравнению Нернста для концентрационной цепи:

RT [K⁺L

^{Eu = TXnwi' (Ш-40)}

где индексы п, к, в соответственно означают «покоя», «клетки», «внеклеточной жидкости».

Рассчитанная величина потенциала покоя во многих слу­чаях оказалась очень близкой к измеренной.

Механизм возникновения потенциала покоя был подтверж­ден опытами, в которых изменялась концентрация ионов ка­лия в окружающей клетку среде. При изменении наружной концентрации ионов калия закономерно изменялся и потен­циал покоя.

Однако многие клеточные мембраны в состоянии покоя частично проницаемы и для других ионов, например для

Ыа ⁺ иС1~. Поэтому для более точного определения потенциала покоя необходимо пользоваться уравнением Гольдмана:

Ib

¹K

Р_к+ [КЧ_К + ^_Na+ [Na+J_K + />_С1_ [Cl+

Р_к+ [К\ + Р_ш+ [Na⁺]_B + P_cl_ [Cl"],

(111.41)

где Рк.+, Pm+, Рс\ коэффициенты проницаемости мембраны

соответственно для ионов калия, натрия и хлора (для аксона кальмара в состоянии покоя их соотношение равно 1:0,04: : 0,45); [К⁺]_к, [Na⁺]_K, [СГ]_К — концентрации ионов внутри клетки; [К⁺]в, [Na⁺]_B, [СГ]_В — концентрации ионов вне клетки.

Потенциал действия. Такие клетки организма, как нервные, мышечные, железистые, способны находиться в состоянии возбуждения. Возбудимость — это ответ клетки на раздражение, проявляющийся через совокупность физи­ческих, электрических, физиологических изменений.

Современная теория возникновения потенциала действия основывается на экспериментальных данных, полученных методами внутриклеточного отведения потенциала, фикса­ции напряжения на мембране, радиоактивных изотопов, пер­фузии нервных волокон, электропроводимости и др. Напри­мер, исследование проводимости клеточных мембран показало, что в момент возбуждения она во много раз возрастает по сравне-нению с состоянием покоя. Этот факт можно объяснить увели­чением ИОННОЙ проницаемости мембран в момент возбуждения.

В настоящее время возникновение потенциала действия объ­ясняется увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия в момент возбуждения. Устремляясь в клетку, ионы натрия уменьшают мембранный потенциал, что, в свою оче­редь, еще больше усиливает проницаемость мембраны для ио­нов натрия, т. е. в первый момент возникновения потенциала действия, который называется деполяризацией, образуется положительная обратная связь между мембранным потенци­алом и проницаемостью ионов натрия. Уменьшение мембранно­го потенциала ниже критического уровня приводит к увели­чению проницаемости мембраны для ионов натрия, а увели­чение проницаемости сопровождается усилением их диффузии в клетку, что вызывает еще более значительную деполяриза­цию мемраны.

Благодаря наличию положительной обратной связи депо­ляризация мембраны при возбуждении происходит с ускоре-рением, и поток ионов натрия в клетку постоянно увеличива­ется. Скорость же потока ионов калия, направленного из клет­ки наружу, в первые моменты возбуждения остается прежней. Поток положительно заряженных ионов натрия внутрь клетки приводит к уменьшению отрицательного заряда мембраны на внутренней поверхности, а затем к ее перезарядке.

Возникающий положительный потенциал мембраны урав­новешивает градиент концентрации ионов натрия, и их пере­ход в клетку приостанавливается. Как уже говорилось, эта стадия возникновения потенциала действия называется депо­ляризацией. По данным А. Л. Ходжкина, для мембраны ак­сона кальмара проницаемость ионов в этот момент характери­зуется соотношением Р_к+ : P_Na+ : Pci- = 1 : 20 : 0,45. При сравнении его с аналогичным соотношением в состоянии по­коя (1 : 0,04 : 0,45) видно, что для ионов калия и хлора на первой стадии возбуждения проницаемость не изменилась, а для натрия увеличилась в 500 раз.

Величина мембранного потенциала при возбуждении — потенциал действия — определяется выражением

(Ш.42)

Потенциал действия достигает 90—130 мВ. Натриевый ме­ханизм возникновения этого потенциала подтверждается опы­тами по изучению измерений мембранных потенциалов с из­менением концентраций ионов натрия. Было показано, что десятикратному изменению концентраций ионов натрия со­ответствует изменение потенциала действия на 59 мВ.

Таким образом, на основе обобщения большого эксперимен­тального материала было установлено, что потенциалы дейст­вия возникают в результате избыточной по сравнению с состо­янием покоя диффузией ионов натрия из окружающей жидко­сти внутрь клетки.

Период деполяризации мембраны, связанный с усилением диффузии ионов натрия внутрь клетки, продолжается 10~⁴ с, вслед за этим усиливается поток ионов калия из клетки нару­жу, что приводит к уменьшению мембранного потенциала и ос­лаблению проницаемости мембраны для ионов натрия.

Второй этап возбуждения характеризуется тем, что поток ионов калия из клетки наружу возрастает, а встречный поток ионов натрия уменьшается. Это продолжается до тех пор, пока не произойдет восстановление потенциала мембраны /:о величины потенциала покоя. Диффузия ионов калия также па­дает до исходной величины. Эта фаза, в течение которой мем­бранный потенциал возвращается до уровня потенциала по­коя, называется реполяризацией.

Таким образом, формирование потенциала действия обус­ловлено двумя ионными потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а нро­

тивоположно направленный поток ионов калия обусловливает восста­новление исходного потенциала по­коя. Потоки приблизительно равны по величине, но сдвинуты во вре­мени. Благодаря этому сдвигу во времени и возможно появление по­тенциала действия (рис. 28).

Мембранная теория потенциала действия дает возможность подсчи­тать, какое количество ионов Na ⁺ проникает в клетку во время вос­ходящей фазы потенциала действия и какое количество ионов K⁺ выходит из клетки.

Теоретические расчеты и их экспериментальная проверка показали, что за один потенциал действия гигантский аксон кальмара поглощает 3 ■ Ю^-12—4 • Ю^-12 моль ионов Na⁺ на 1 см² поверхности волокна и теряет такое же количество ионов K⁺. Это количество не вносит существенных изменений в ион­ную среду аксоплазмы. Поэтому натрий-калиевый механизм способен генерировать несколько сотен тысяч потенциалов действия.

В периоды покоя концентрационные градиенты ионов калия и натрия восстанавливаются в результате работы натрий-ка­лиевого насоса, обеспечивающего перенос этих ионов против градиентов.

Благодаря регенеративным свойствам мембраны и тому, что величина потенциала действия определяется ионными гра­диентами, при возбуждении клеток наблюдается ответ по за­кону «все или ничего».

Исследования последних лет показали, что потенциал дей­ствия в некоторых клетках может возникать за счет диффузии ионов кальция.

В медицинской практике широко применяются электрокар^ диографические и энцефалографические методы диагностики, В основе этих методов лежит регистрация биопотенциалов. Глубокие знания о природе биопотенциалов помогают пра­вильной расшифровке электрокардиограмм и энцефалограмм.