Образование мембранных потенциалов

В ходе эволюции у железистого эпителия, мышечной и нервной тканей появилось свойство возбудимости – способность реагировать на воздействие окружающей среды возбуждением. Внешним проявлением возбуждения является возникновение биоэлектрического потенциала.

Все ткани организма могут находиться в двух состояниях:

1. состоянии относительного физиологического покоя;

2. состоянии активности.

Наблюдается при раздражении ткани. Существует 2 вида активного состояния тканей: возбуждение и торможение. Возбуждение – это активный процесс, представляющий собой ответную реакцию ткани на раздражение и характеризующийся повышением функций ткани. Возбуждение характеризуется двумя группами признаков: неспецифическими и специфическими.

Неспецифические признаки возникают у всех возбудимых тканей вне зависимости от их строения:

1. изменение проницаемости клеточных мембран

2. изменение заряда клеточных мембран,

3. повышение потребления кислорода

4. повышение температуры

5. усиление обменных процессов

Специфические признаки различаются у различных тканей:

1. мышечная ткань – сокращение

2. железистая ткань – выделение секрета

3. нервная ткань – генерация нервного импульса.

Процесс возбуждения связан с наличием в мембране электрически (для ионов кальция и хлора) и химически (для ионов натрия и калия) управляемых каналов, которые могут открываться в ответ на соответствующее раздражение клетки.

Мембранный потенциал, разность электрических потенциалов между растворами электролитов a и b, разделенных проницаемой мембраной m: D^a_bj = j^a - j^b. В частном случае, когда мембрана проницаема только для определенногоиона В^zв (z_B - зарядовое число), общего для растворов электролитов a и b, мембранный потенциал (иногда его называют потенциалом Нернста) рассчитывают по формуле:

где F -число Фарадея, R -газовая постоянная, Т -абсолютная температура, a_B ^b, a_B ^a - активности ионов. В растворах b и a, D^a_bj_B-стандартный потенциал распределения иона В, равный

где m^0,b_B, m^0,a_B-стандартные хим. потенциалы иона В в растворах b и a соответственно. В такой системе мембранный потенциал не зависит от толщины мембраны и ее структуры, механизма переноса иона и его подвижности.

В общем случае для мембран, проницаемых для одних сортов ионов и не проницаемых для других, при расчете мембранный потенциал требуется введение определенных приближений в зависимости от толщины мембраны, ее состава и строения, а также от механизма переноса. В случае мембран макроскопического размера полный мембранный потенциал слагается из трех компонентов: двух граничных потенциалов, локализованных в двойных электрических слоях на границе мембрана-раствор электролитов, и внутримембранного, локализованного в электронейтральном объеме мембраны. Кроме того, при пропускании электрического тока через мембрану внутри нее возникает падение напряжения. Обычно считается, что переход ионов через межфазную границу происходит быстро, так что их распределение равновесно; затруднен только перенос ионов через объем мембраны. Для системы, в которой в фазе a имеется бинарный электролит В⁺ А^-, присутствующий и в мембране, а мембрана содержит ион R с зарядовым числом z_R, не проникающий через межфазные границы, граничный потенциал определяется формулой Доннана и называется доннановским:

Здесь c ^m _R - концентрация ионов R в мембране, g _i - и Р_i -коэффициент активности и распределения ионов соответственно, определяемые соотношением

Средняя активность электролита средний коэф. активности , коэффициент распределения электролита

Таким образом, доннановский потенциал (2) состоит из так называемого потенциала распределения и члена, зависящего от концентрации непроникающего иона R; при малом значении c ^m _R он сводится к потенциалу распределения, а при большом - находится из выражения:

При этом концентрация противоионов А^- в мембране перестает зависеть от коэффициента распределения и межфазного потенциала и приближается к предельному значению c^m _A z_R c^m _R, a одноименно заряженные ионы почти полностью вытесняются из мембраны.

Граничный потенциал может возникнуть в результате реакций комплексообразования или электронообменной реакции между окислительно-восстановительными парами, содержащимися в растворе и в мембране. Если межфазная граница вообще не проницаема для заряженных частиц, граничный потенциал имеет электростатическую природу и возникает в результате адсорбции зарядов и диполей, а также вследствие заряжения границы от внеш. источника.

Внутримембранный потенциал имеет кинетическую природу и определяется переносом ионов через толщу мембраны. В простейшем случае при диффузионно-миграционном переносе бинарного электролита возникает т. наз. диффузионный потенциал (приближение Планка):

где u _А, u _B-подвижности ионов в мембране, c^m _BA(0), c^m _BA(d)-концентрации электролита в мембране у левой и правой межфазных границ соответственно. В случае биол. и бислойных липидных мембран, толщина которых настолько мала, что в них вообще не реализуется область электронейтральности, для нахождения внутримембранного потенциала используют предположение о постоянстве напряженности электрического поля (приближение Гольдмана):

Таким образом, мембранный потенциал в доннановском случае находят из выражения, слагаемые которого определены формулами (2) и (3) или (2) и (4):

Определение мембранного потенциала представляет интерес для ионометрии, для биологии и медицины в связи с распространенностью мембранных процессов в живых организмах и т.д.

Дата добавления: 2014-10-23