Електропровідність клітин і тканин

 

 

 

 

ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

 

Електропровідність клітин і тканин.

 

 

 

 

 

1. Електропровідність  клітин і тканин для          постійного струму.

2. Поляризація. Види  поляризації.

3. Електричні властивості  тканин організму

4. Використання постійного  струму з  лікувальною метою. Гальванізація і  електрофорез.

5. Проходження змінного  струму через  біологічні об’єкти

6. Біофізичні основи  реографії

7. Дія електричного  стуму на живі організми. 

 

План

 

 

 

 

Електропровідність клітин і тканин.

 

Величина електропровідності живих  тканин і органів несе велику  інформацію про фізіологічний  стан в нормі і патології, про  вплив на нього, лікарських препаратів, температури, ультразвуку і іонізуючого  випромінювання. Електропровідність  є мірою проникності мембран , визначає активність іонів у  клітинах. Крім того як постійний  струм так і змінний використовується  в медицині, як з лікувальною  так і з діагностичною метою.

 

 

 

 

1. Електропровідність клітин і  тканин для постійного струму. 

 

Кров, цитоплазма та різні тканинні  рідини – це розчини електролітів. Наприклад, у плазмі крові міститься 0,32 кухонної солі. Можна було б стверджувати, що такі системи містять багато вільних іонів і внаслідок цього мають велику питому електропровідність. Проте, проведені дослідження показали, що опір цитоплазми, живих клітин і деяких тканин великий. Це можна пояснити тим, що на електричні параметри клітин впливають властивості їх мембран (діелектрик), а властивості тканин зумовлені не лише властивостями електролітів, але й іншими речовинами, які входять до складу тканини: жирами, вуглеводами, іншими органічними речовинами з властивостями діелектриків та напівпровідників. З цієї причини електропровідність різних тканин суттєво відрізняється. Найкраще проводять струм спинномозкова рідина, кров, лімфа, дещо гірше – м’язи, печінка, серцевий м’яз, легенева тканина і найгірше жирова, кісткова тканини та шкіра

 

 

 

 

Складними є електричні властивості  клітин. Питомий опір цитоплазми  лежить у межах від 0,1 до 300 Ом  м (для більшості клітин ссавців приблизно 1 – 3 Ом  м).

Клітинна мембрана – це діелектрик, питомий опір 1 см   якого для  різних клітин знаходиться у  межах від 103 до 104 Ом  м.

Якщо прикласти електроди до  ділянки тіла, то струм проходить  через шкіру, жирову, м’язеву тканини, через кровоносні та лімфатичні  судини, вибираючи ті ділянки, де  менший опір (кровоносні і лімфатичних  судини, міжклітинна рідина, волокна  нервових стовбурів та ін. ). Тому  на основі таких вимірювань  важко говорити про опір однієї  тканини. Поляризаційні явища також  мають значний вплив на процес  проходження струму через живі  об’єкти.

Позитивно та негативно зарядженні  іони, рухаючись в електричному  полі у протилежних напрямках, накопичуються біля клітинних  мембран (рис. 4.1)

 

2

 

 

 

 

РИС. 4.1. Поляризація клітинної мембрани.

Клітинна мембрана має діелектричні  властивості, тому така система  протилежних за знаком зарядів, розділених діелектриком, нагадує  своєрідний конденсатор, ємність  якого

 

(4.1) 

 

де q – заряд поверхні мембрани,

     -- різниця потенціалів між протилежними поверхнями мембрани.

Діелектричні властивості біологічних  об’єктів визначаються структурними  компонентами та явищами поляризації.

Якщо до живої тканини прикласти  постійну різницю потенціалів, то  виявляється, що сила струму змінюється  в часі, при сталій напрузі.

 

 

 

 

Сила струму за певний час  змінюється в сотні разів, а  через деякий час встановлюється  на сталому рівні. Це пов’язано  з виникненням е. р. с., поляризації  під час проходження постійного  струму через біологічну систему. Ця електрорушійна сила є функцією  часу і зменшує прикладену  напругу. Закон Ома для біологічних  систем запишеться у вигляді:

 

(4.2) 

 

 

де E(t) – е. р. с., поляризації.

Змінна величина струму з  часом наведена на рис. 4.2

 

 

 

 

 

Рис.4.2 Зміна струму під час  проходження через тканини за  сталої різниці потенціалів.

 

Е(t) пов’язана з діелектричними  ємнісними властивостями живих  об’єктів, зумовленими поляризацією.

 

 

 

 

Поляризацією називається процес  зміщення зв’язаних електричних  зарядів під дією зовнішнього  електричного поля в результаті  цього утворюється електрорушійна  сила, яка напрямлена проти зовнішнього  поля.

Ступінь поляризації діелектрика  характеризується вектором поляризації 

 

2. Поляризація. Види поляризації. 

 

                                         , який дорівнює відношенню векторної суми дипольних моментів, які входять в об’єм речовини, до об’єму:

 

(4.3) 

 

де n – число молекул або атомів  в об’ємі речовини.

У відсутності поляризації 

 

.

 

 

 

 

                                                                                  , напрям якого протилежний зовнішньому полю Е_^о. Модуль напруженості результуючого поля в діелектрику дорівнює

 

  називається діелектричною проникністю діелектрика і вказує на послаблення електричного поля в речовині порівняно з вакуумом.

 

Зв’язані заряди утворюють електричне  поле 

 

(4.4) 

 

Відношення Е_⁰ до

 

(4.5) 

 

де Ео – напруженість однорідного  поля у вакуумі, Е – напруженість  поля у речовині.

 

 

 

 

Виділяють такі види поляризації:

Речовини, молекули яких мають  симетричну структуру, тобто при  відсутності зовнішнього поля, центри  “тяжіння” позитивних та негативних  зарядів збігаються і дипольний  момент молекули Р рівний нулю, є діелектриками. Під впливом  зовнішнього електричного поля  заряди таких неполярних молекул  зміщуються у протилежні сторони, і молекула набуває дипольного  моменту. Тобто індукується дипольний  момент за рахунок деформації  електронних орбіт. Така поляризація  називається електронною або  деформаційною. До таких молекул  належить О2, Н2.

 

 

 

 

Для ізотропного діелектрика  вектор поляризації пропорційний  напруженості зовнішнього поля  і співпадає з нею за напрямком:

 

(4.7) 

 

Коефіцієнт  - називається поляризованістю атома або молекули, який залежить від будови речовини і температури.

Час виникнення поляризації  після миттєвого накладання зовнішнього  електричного поля називається  часом релаксації . Час релаксації електронної поляризації:

 

 

 

 

 

Другу групу діелектриків  становлять  речовини, молекули яких мають  асиметричну будову. Тобто центри  “тяжіння” позитивних і негативних  зарядів не збігаються. Молекули  цих діелектриків називають дипольними. У відсутності зовнішнього поля  дипольні моменти полярних молекул  внаслідок теплового руху орієнтовані  в просторі хаотично. Якщо ж  цей діелектрик помістити в  зовнішнє поле, то сили цього  поля орієнтують диполі вздовж  поля. Така поляризація діелектриків  називається орієнтаційною або  дипольною. До таких діелектриків  відноситься Н_²О, спирти, аміак. Дипольна поляризація притаманна білкам, а також високомолекулярним сполукам в результаті дисоціації іоноген них груп, які мають дипольні моменти. З ростом температури дипольна поляризація зменшується (підсилюється хаотичний рух молекул). Час релаксації дипольної поляризації

 

 

.

 

 

 

 

Третій вид поляризації  -- іонна  поляризація властива речовинам, молекулами яких мають іонну  будову (NaCl). Якщо кристал помістити  в електричне поле, то відбувається  деяка деформація кристалічної  гратки або відносне зміщення  підграток, що і зумовлює виникнення  дипольних моментів. Іонна поляризація. Якщо кристалічний діелектрик  типу NaCl, що має іонні кристалічні  решітки, помістити в зовнішнє  електричне поле, то позитивні  іони кристалічної решітки зміщуються  вздовж напряму поля, а негативні  – в протилежний бік.

Іонні кристали здатні поляризуватися  також при відсутності електричного  поля за рахунок деформації (кварц, сегнетова сіль і ін.).

Це явище називається п’єзоелектричним  ефектом(п’єзоефект).

Має місці і обернений п’єзоефект. При накладанні змінного електричного  поля кристал змінює свої лінійні  розміри – деформується, і утворюються  ультразвукові хвилі.Час релаксації  іонної поляризації 

 

 

.

 

 

 

 

Макроструктурна поляризація виникає  під дією електричного поля  за наявності шарів з різною  електропровідністю. Під впливом  поля вільні іони рухаються  у провідному шарі до його  межі. А далі рух неможливий  внаслідок іншої електропровідності  сусіднього шару. В результаті  цього провідне середовище набуває  дипольного моменту. Наприклад, цитоплазма  клітини має малий опір внаслідок  великої концентрації вільних  іонів, а мембрана – великий  опір (мала проникність для іонів). Макроструктурна поляризація відіграє  основну роль у біологічних  об’єктах, тому діелектрична проникність  тканин набуває значних величин. Час релаксації макроструктурної  поляризації 

 

 

 

 

Поверхнева поляризація виникає  при накладанні на речовину, яка  має подвійний електричний шар, зовнішнього електричного поля. В результаті поляризації відбувається  перерозподіл на поверхні речовини  зарядів: іони дифузного шару  зміщуються в одну сторону, а  іони дисперсної фази – в  іншу сторону. Отже, в подвійному  шарі утворюється дипольний момент. Механізм поляризаційних явищ  клітин зв’язаний з наявністю  напівпроникних мембран для іонів. Під дією зовнішнього електричного  поля іони в клітинах рухаються  відповідно до їх зарядів. Різнойменні  іони концентруються на протилежних  ділянках внутрішньої поверхні  клітинної мембрани. В середині  мембрани утворюється поляризаційне  поле, яке напрямлене проти зовнішнього  електричного поля. На зовнішній  стороні мембрани індукуються  іони протилежного знаку. Час  релаксації поверхневої поляризації 

 

 

 

 

Електролітична поляризація. Розглянемо  процеси, які протікають на межі  поділу: метал – розчин електроліту. Наприклад, зануримо пластинку з  срібла в розчин AgNO . Якщо хімічний  потенціал іонів срібла в металі  менший, ніж у розчині, то частина  іонів із розчину перейде в  метал. На електроді встановиться  позитивний заряд. Перехід іонів  срібла з розчину на метал  зупиниться, тому що до металу  будуть притягуватися аніони NO -. На електроді утвориться подвійний  електричний шар. При електрохімічній  рівновазі хімічні потенціали  іонів у металі і в розчині  відрізняються на величину різниці  потенціалів.

 

3

 

3

 

 

 

 

3. Електричні властивості тканин організму 

 

Біологічні тканини по різному  проводять електричний струм. Основним  механізмом, який характеризує протікання  електричного струму в живих  організмах, є електрична провідність, яка обумовлена іонною провідністю. Електропровідність окремих ділянок  організму істотно залежить від  опору шкіри і підшкірних шарів. Опір шкіри визначається фізіологічним  станом, віком, товщиною, місцем вимірювання, температурою і вологістю шкіри. В організмі струм поширюється, в основному, кровоносними і лімфатичними  судинами, м’язами і нервовими  стовбурами.

Всі тканини, які містять воду, можуть бути поділені на три  групи:

рідкі тканини(кров, лімфа), які  містять водну суспензію клітин  і білкові молекули;

м’язові тканини і тканини  внутрішніх органів (серце, нирки, печінка  і ін.), які містять велику кількість  води;

тканини з малим вмістом води (жир, кістки).

Електричні параметри біологічних  тканин можна охарактеризувати  діелектричною проникністю   і питомою електричною провідністю .

 

 

 

 

Органічні речовини (білки, жири, вуглеводи  і ін.), з яких складаються живі  тканини, в чистому і сухому  вигляді є діелектриками. Значення  для деяких діелектриків приведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1

 

1,00058

 

Повітря

 

9

 

85

 

Кров

 

8

 

72

 

Білок яйця

 

7

 

81

 

Вода

 

6

 

26,3

 

Спирт етиловий

 

5

 

35

 

Нітробензол

 

4

 

2,2

 

Скипидар

 

3

 

2,2 –2,3

 

Поліетилен

 

2

 

6,12

 

Хлористий натрій кристалічний 

 

1

 

Діелектрична проникність  при 20 ^оС

 

№ п/п

 

 

 

 

Всі тканини і клітини обмиваються  рідинами (кров, лімфою), різними тканинними  рідинами, в склад яких, крім органічних  колоїдів входять розчини електролітів, які є в відносно непоганими  провідниками. Різні тканини в  організмі мають неоднакову електропровідність (таблиця 4.2).

Таблиця 4.2 – Питомий опір деяких  біологічних систем 

 

10⁶

 

Еритроцити 

 

9

 

10⁶

 

Кістки без надкістя

 

8

 

10²

 

Сухої шкіри

 

7

 

50

 

Жирової тканини

 

6

 

25

 

Нервової тканини

 

5

 

10

 

Печінка