Движение постоянного электрического тока через живые объекты

Осмос

В растворе помимо молекул растворённого вещества присутствуют и молекулы растворителя. Что будет, если мембрана между отсеками будет непроницаема для молекул растворённого вещества, но будет пропускать молекулы растворителя?

Рассмотрим простую модель – два отсека, разделённые мембраной, способной пропускать молекулы растворителя, например, воды и непроницаемой для молекул растворённых веществ. Для наглядности в первом отсеке концентрация растворённого вещества высокая, а во втором низкая. Выделим в каждом отсеке одинаковые объёмы.

Если записать для каждого отсека электрохимический потенциал молекул растворителя, то сразу становится очевидным, что электрохимический потенциал молекул растворителя в первом отсеке меньше, чем во втором, а это означает, что молекулы растворителя будут двигаться из второго отсека в первый. В реальном эксперименте с осмометром это выглядит, как будто какая-то сила заставляет молекулы растворителя двигаться в сторону большей концентрации растворённого вещества. Это явление - движение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в сторону большей концентрации растворённого вещества называется осмосом, а сила, которая заставляет молекулы воды двигаться – это и есть осмотическое давление.

Осмотическое давление раствора зависит от количества растворенных ионов и температуры. В соответствии с уравнением Вант-Гоффа осмотическое давление (π) раствора прямо пропорционально концентрации (С) растворенного вещества и абсолютной температуре раствора (T):

π = iRTC,

где i - изотонический коэффициент, зависящий от степени диссоциации электролита и показывающий, во сколько раз увеличивается количество растворенных частиц при диссоциации молекул; для неэлектролитов i = l, для электролитов i > 1; R - газовая постоянная.

Активный транспорт - движение против градиента электрохимического потенциала, осуществляемое с затратой химической энергии за счёт гидролиза АТФ или переноса электрона по дыхательной цепи.

Выделяют первично-активный и вторично-активный транспорт.

Кальциевый насос	Натриевый насос	Протонная помпа

Рис. - Активный перенос ионов при работе транспортных АТФ-аз.

Транспорт называется первично-активным, если он осуществляется белками-переносчиками (они ещё называются ионными насосами), источником энергии для которых служат АТР, пирофосфат или субстраты, окисляемые в элек­трон-транспортных цепях митохондрий, хлоропластов.

Типичный пример первично-активного транспорта - активный транспорт ионов с помощью АТФ-аз.

Вторично-активным (сопряженным) транспортом называют процесс переноса ионов через мембрану против градиента его концентрации за счет энергии электро­химического градиента других ионов. Сопряженный транспорт может осуществлять­ся в режиме симпорта (оба иона переносятся через мембрану в одном направлении) или антипорта (ионы транспортируются в противоположных направлениях). Вторич­но-активный транспорт обеспечивает мембранный перенос моносахаридов, сахарозы, аминокислот, пептидов, анионов и ряда катионов. Для этой цели мембранные белки-переносчики чаще всего используют электрохимический градиент ионов водорода, со­здаваемый различными Н⁺-насосами.

Рис. - Сопряженный транспорт ионов и веществ через мембраны (Δφ - разность потенциалов, ΔрН - разность концентрации протонов)

Между пассивными и активными потоками в клетке существует взаимодействие, направленное на поддержание постоянства ионного состава клетки.

При блокировании энергетики клетки (пониженной температурой, ингибиторами, темнотой) интенсивность активного транспорта снижается, приток ионов из внешней среды уменьшается. Одновременно наблюдается возрастание электрического сопротивления мембраны в десятки раз. Это свидетельствует об уменьшении транспорта ионов по пассивным каналам, что предотвращает потерю ионов, находящихся в клетке.

Поставим эксперимент. Пропустим постоянный электрический ток через сопротивление и зарегистрируем изменение тока во времени. Мы получим кривую, показанную на рисунке 1 (1): ток через сопротивление R будет оставаться постоянным в течение времени.

I

I = const (1)

I = f(t) (2)

t

Рисунок 1 - Изменение силы тока при прохождении через обычный полупроводник (1) и через живую ткань (2)

Теперь поместим живую ткань в металлические электроды и пропустим через неё ток и будем измерять изменение его величины. Мы получим кривую (2): величина тока со временем будет уменьшаться.

Чтобы разобраться в причинах такого изменения тока, рассмотрим движение ионов в растворе.

До приложения тока наблюдается объёмная электронейтральность раствора – в единице объёма раствора содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. После приложения тока к электродам, опущенным в раствор, начинается поляризация: движение заряженных частиц к противоположно заряженному электроду и их разделение. Это приводит к образованию электродвижущей силы (ЭДС), направленной в противоположную сторону по отношению к приложенному напряжению. Эта сила называется ЭДС поляризации, и, учитывая её, уравнение закона Ома можно записать в виде:

где E(t) - ЭДС поляризации, меняющаяся со временем;

Ещё одной причиной изменения силы тока в растворах связано с тем, что некоторые металлы могут в растворе подвергаются электрохимическому окислению, при этом заряд переходит на электрод, и степень поляризации снижается. Поэтому в биологических исследованиях очень часто используют хлорсеребряные электроды, которые практически не поляризуются при слабых токах.

Но даже если использовать неполяризующиеся электроды, всё равно наблюдается поляризация – она обусловлена гетерогенностью живых тканей и, в первую очередь, наличием мембранных структур.

Высокая поляризационная ёмкость – характерное свойство живых, неповреждённых клеток.

Разрушение тканей резко усиливает ток через них. На этом основан способ определения морозоустойчивости.

Дата добавления: 2014-01-05