Биопотенциалы

БИОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИА́ЛЫ, электрические потенциалы в тканях и клетках (главным образом в клеточных мембранах) живых организмов. Связаны с процессами возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Исследования биоэлектрических потенциалов применяют с диагностическими целями (электрокардиография, электроэнцефалография и др.).

БИОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИА́ЛЫ (биопотенциалы), электрические потенциалы в тканях и клетках живых организмов. Обусловлены способностью клеток и тканей быть источниками электрического тока и выступать в качестве так называемых электрических проводников второго рода с неоднородной структурой (в отличие от металлов, являющихся электрическими проводниками первого рода с однородной структурой).

Опыты Гальвани

Приоритет в  открытии «животного электричества» принадлежит  итальянскому врачу и естествоиспытателю Л. Гальвани, описавшему в 1791 сокращение мышцы в ответ на приложение к ней или иннервирующему ее нерву особого пинцета, одна половина которого состояла из меди, а другая — из железа (впоследствии он получил название гальванического пинцета). Гальвани объяснял это явление способностью нерва и мышцы быть источниками электричества, пинцет же, по мнению Гальвани, играл роль проводника, замыкающего электрическую цепь. В подтверждение своей теории Гальвани приводил способность некоторых рыб (электрического ската, электрического угря) вырабатывать электричество и генерировать разряд, подобный молнии, которая была известна еще в далекой древности. На самом деле Гальвани открыл не «животное», а химическое электричество, так как концы его пинцета составили так называемую электрохимическую пару (подобно любой паре химически разнородных металлов, в месте контакта которых возникает электрохимический потенциал, см. Гальванический элемент). Таким образом, в опытах Гальвани источником электричества являлся именно сам пинцет, а не мышца или нерв. Этот факт был убедительно доказан современником Гальвани, выдающимся итальянским физиком А. Вольта. Научная дискуссия Гальвани и Вольта о существовании «животного электричества» («великий спор», по воспоминаниям современников), в конце 18 в. дала мощный толчок развитию физики электричества и электробиологии. Гальвани судил об электрических явлениях лишь косвенно — по сокращению лапки лягушки, его же ученик и последователь — Карло Маттеуччи, используя один из первых приборов для измерения электрического тока — струнный гальванометр, в 1837-1841 впервые прямо измерил электрические токи, возникающие и текущие в мышце лягушки. Эти опыты полностью подтвердили и реабилитировали идеи Гальвани о существовании биотоков и биопотенциалов.

Мембранная  теория биопотенциалов

Первые систематические  исследования природы биопотенциалов и токов в 19 веке принадлежат немецкому  электрофизиологу Э. Дюбуа-Реймону. Измеряя с помощью серебряных электродов разность потенциалов между поверхностью мышцы (где устанавливался один электрод) и ее внутренней средой (куда втыкался заостренный второй электрод), он впервые доказал, что в основе биопотенциалов лежит пространственное разделение положительных и отрицательных электрических зарядов между наружной и внутренней поверхностью мембраны любой клетки. В состоянии покоя наружная поверхность клетки всегда заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно, и такой трансмембранный «потенциал покоя» составляет порядка 0,05-0,09В. Физико-химическую природу потенциала покоя впервые удалось научно объяснить ученику Дюбуа-Реймона Ю. Бернштейну, разработавшему в 1903-1911«мембранную теорию биопотенциалов». Опираясь на данные физикохимии и коллоидной химии о движении ионов в растворах электролитов и через полупроницаемые органические пленки, а также данные об электролитическом составе цитоплазмы клетки и внеклеточных жидкостей, Бернштейн предположил, что мембрана клетки в состоянии покоя не пропускает органические анионы (которых много внутри клетки) и избирательно проницаема только для ионов калия, концентрация которых в клетке в 50-100 раз выше, чем в межклеточном пространстве. Ионы калия диффундируют через мембрану по концентрационному градиенту наружу, где они скапливаются и придают наружной стороне мембраны положительный заряд. Одновременно неспособные проходить вслед за калием наружу органические анионы — противоионы — скапливаются на внутренней поверхности мембраны и заряжают ее отрицательно. Такой потенциал покоя, возникающий по разные стороны мембраны, называют диффузионным. В 1930-1940-е мембранная теория Бернштейна подверглась ревизии. Было показано, что потенциал покоя обусловлен не только калиевым, но и отчасти натриевым и хлорным диффузионными потенциалами, и может быть описан с помощью уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца . В 1950-е был установлен новый важный факт, доказывающий, что сохранение стабильного уровня потенциала покоя клетки требует постоянного поддержания трансмембранных ионных градиентов калия, натрия и хлора. Как выяснилось, это происходит за счет работы специальных трансмембранных молекул — так называемых ионных насосов, трансмембранных сопряженных переносчиков ионов калия и натрия. Используя энергию АТФ, они постоянно выкачивают ионы натрия из клетки и закачивают ионы калия внутрь клетки, тем самым поддерживая постоянство трансмембранных ионных градиентов.

Открытие  потенциала действия

Важнейшим этапом в исследовании природы биопотенциалов в 20 в. стали работы электрофизиологов  А. Л. Ходжкина, А. Ф. Хаксли (Великобритания) и Дж. К. Эклса (Австралия) на гигантских аксонах кальмара. Используя новый метод фиксации мембранного потенциала с помощью электронной схемы с отрицательной обратной связью, они впервые прямо зарегистрировали трансмембранные ионные токи при возбуждении клетки. Было показано, что возбуждение сопровождается реверсией потенциала (перезарядкой мембраны): внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная — отрицательно. Причина перезарядки заключается в том, что в момент возбуждения мембрана клетки становится кратковременно проницаемой к ионам натрия, которые, быстро входя в клетку, перезаряжают мембрану. Ходжкин и Хаксли теоретически, в модельных экспериментах предсказали строение специальных ионных каналов, способных открываться и пропускать ионы натрия внутрь клетки лишь кратковременно и в строгой зависимости от величины потенциала на мембране. Предсказанные свойства молекул натриевых каналов были впоследствии подтверждены в прямых экспериментах. За раскрытие природы трансмембранных электрических процессов, происходящих в нервных и других клетках при возбуждении, Ходжкину, Хаксли и Эклсу в 1963 была присуждена Нобелевская премия. В 1960-1970 годы с помощью техники введения в клетки тонких стеклянных микроэлектродов (с диаметром кончика около 0,5 мкм) удалось обнаружить важную роль не только натриевых, но и кальциевых трансмембранных потоков при возбуждении и генерации потенциалов действия в нервных и мышечных клетках. В 1980-е годы в работах Э. Неера и Б. Сакмана был изобретен и впервые использован метод локального присасывания к мембране клетки с помощью стеклянной пипетки (с диаметром кончика в несколько микрон), позволивший регистрировать и анализировать ионные токи, текущие через отдельные ионные каналы.

Таким образом, только в 20 в. стало очевидным, что  «животное электричество», то есть всевозможные биопотенциалы и биотоки  обусловлены движением не электронов, а ионов (натрия, калия, кальция, хлора) через специальные сложно организованные ионные каналы в мембране, а также  обусловлены диффузией ионов  в межклеточной и внутриклеточной  средах, представляющих собой растворы электролитов.Наряду с потенциалом покоя и потенциалом действия в 1950-1960 годы были описаны синаптические потенциалы, возникающие в синапсах и предназначенные для передачи возбуждения от клетки к клетке

Биоэлектрические  потенциалы у растений

Биоэлектрические  потенциалы характерны не только для  животных, но и для растений. В 1950-х годах при помощи микроэлектродов, вводимых в клетку, у нитчатой водоросли нителлы были обнаружены такие же значения потенциалов покоя, как и у животных клеток — порядка 0,09-0,05 В. Было установлено, что электрические, механические, химические и другие раздражители умеренной интенсивности вызывают в местах своего приложения к органам растения (листу, корню и т. д.) изменения потенциалов, сходные с местными (подпороговыми) потенциалами у животных клеток. Обнаружены у растений и специальные потенциалы возбуждения, подобные потенциалам действия животных клеток. Наиболее приближаются к классическим потенциалам действия электрические потенциалы, возникающие при распространении волны возбуждения по органам растения. Так, типичные двухфазные токи действия длительностью 0,1-0,2 мс сопровождают быстрые движения насекомоядного растения дианова мухоловка, а также защитную двигательную реакцию складывания листьев у стыдливой мимозы (Mimosa pudica) в ответ на механическое или электрическое раздражение растения. Таким образом, биопотенциалы лежат в основе нормальной жизнедеятельности любой клетки и особенно важны для процессов возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Нарушения проводимости клеточных мембран могут приводить к серьезным патологиям организма (вплоть до смерти). Исследования биоэлектрических потенциалов применяют с диагностическими целями в электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии.

Строение  биологических мембран

Наиболее полно  строение биологических мембран  отражает жидкостно-мозаичная модель, первоначальный вариант которой  был предложен в 1972 г. Г. Николсоном и С. Сингером. Мембрана состоит из двух слоев амфипатических молекул липидов (билипидный слой, или бислой). Каждая такая молекула имеет две части - головку и хвост. Гидрофобные хвосты обращены друг к другу. Головки, напротив, гидрофильны и направлены кнаружи и внутрь клетки. В билипидный слой погружены молекулы белка. Молекулы липидов способны быстро диффундировать в боковом направлении в пределах одного монослоя и крайне редко переходят из одного монослоя в другой.

Билипидный слой ведет себя как жидкость, обладающая значительным поверхностным натяжением. Вследствие этого он образует замкнутые полости, которые не спадаются.

Некоторые белки  проходят через всю толщу мембраны, так что один конец молекулы обращен  в пространство по одну сторону мембраны, другой - по другую. Их называют интегральными (трансмембранными). Другие белки расположены так, что в околомембранное пространство обращен лишь один конец молекулы, второй же конец лежит во внутреннем или в наружном монослое мембраны. Такие белки называют внутренними или, соответственно, внешними (иногда те и другие называют полуинтегральными). Некоторые белки (обычно переносимые через мембрану и временно находящиеся в ней) могут лежать между фосфолипидными слоями.

Концы белковых молекул, обращенные в околомембранное пространство, могут связываться с различными веществами, находящимися в этом пространстве. Поэтому интегральные белки играют большую роль в организации трансмембранных процессов. С полуинтегральными белками всегда связаны молекулы, осуществляющие восприятие сигналов из среды (молекулярные рецепторы) или передачу сигналов от мембраны в среду. Многие белки обладают ферментативными свойствами.

МОДЕЛЬ  ЭЛЕКТРОГЕНЕЗА ЖИВЫХ  ТКАНЕЙ ГОЛЬДМАНА  [ Goldman's model of bioelectrogenesis, Goldman-Hodgkin-Katz equation ]

     Модель  электрогенеза живых тканей Голдмана, или модель Голдмана-Ходжкина-Катца, или уравнение Голдмана-Ходжкина-Катца - 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.

     Простейшей материальной физико-химической моделью, демонстрирующей механизмы электрогенеза в живых тканях является модель Нернста, а соответствующей простейшей математической моделью - уравнение Нернста. Эта простейшая модель рассматривает раствор только одной соли. Живые ткани содержат значительное число разных электролитов. 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.

     NB: Модель Голдмана, как и модель Нернста, основана на допущении, что мембрана обладает нерегулируемой проницаемостью для ионов, обусловленной размером пор мембраны. Авторы модели не делали допущений относительно сущности процессов на мембране. На основании того, что эта модель аналитическая (но не вероятностная), можно полагать, что авторы считали само собой разумеющимся, что процессы на мембране по своей сущности жестко детерминированы. Очевидно, что в действительности, процессы на мембране являются вероятностными. Полное их описание должно включать по крайней мере две функции: зависимость математического ожидания от концентраций и проводимостей как случайных переменных и зависимость дисперсии от тех же переменных. Помимо того, процессы на мембране не являются пассивными. Это активные управляемые процессы. В частности, движение ионов через плазмалемму клетки может осуществляться не только путем простой диффузии, но и путем активного транспорта (натриевый насос). Можно предположить, что те ученые, которые признают справедливость положений вероятностной методологии (Трифонов Е.В., 1978, …, 2011, …).Трифонов Е.В., 1978, …, 2002, ….), смогут первыми подтвердить эти новые идеи относительно вероятностной природы электрогенеза.