Лекц. 4. Потенциал покоя

1.

Лекция:
Электродиффузионная теория транспорта ионов через
мембраны. Решение уравнения электродиффузии
Нернста-Планка. Потенциал покоя. Проницаемость и
проводимость. Вольтамперные характеристики.
Соотношение Уссинга-Теорелла.

2. Генерация и распространение биоэлектрических потенциалов - важнейшее физическое явление в живых клетках и тканях, которое лежит

в основе: возбудимости клеток; регуляции внутриклеточных
процессов;
работы
нервной
системы;
регуляции
мышечного
сокращения.
Для возникновения биопотенциалов решающее значение имеют потенциалы, обусловленные
несимметричным, неравномерным распределением ионов
Диффузионный
потенциал
возникает на границе
раздела двух жидких
сред
в
результате
различной подвижности
ионов
Мембранный
потенциал
возникает на границе
раздела
полупроницаемой
мембраны,имеющей
фиксированный
отрицательный заряд
Фазовый
потенциал
возникает на границе
раздела
двух
несмешивающихся
фаз
Электродный
потенциал
возникает в
результате диффузии
ионов из электрода в
раствор электролита

3. При неодинаковых подвижностях ионов разного вида в жидкости (или в мембране) возникает диффузионная разность потенциалов,

которая в отличие от разностей потенциалов в
равновесных системах зависит не только от ионных концентраций в соприкасающихся растворах,
но и от кинетического параметра — подвижности ионов. Существует два основных подхода к
описанию прямого прохождения заряженных частиц:
Дискретный
Непрерывный
В дискретном подходе предполагают, что
частица преодолевает мембрану с помощью
нескольких дискретных перескоков через
активационные барьеры приводящих к
ионизации и возбуждению атомов, а также
энергетическим потерям частицы.
Основные аспекты дискретного описания:
ионизационное торможение; кулоновское
взаимодействие; потери энергии и пробег;
удельные
потери
энергии
(тормозная
способность); зависимость от энергии;
различия по типам частиц.
Непрерывный
подход
основан
на
представлении об электродиффузии частиц в
однородной мембране.
Непрерывный
подход,
основанный
на
электродиффузионной модели, наиболее
оправдан для описания транспорта ионов через
искусственные липидные мембраны.

4.

Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:
1) разработкой микроэлектродного метода внутри клеточного
измерения потенциалов;
2) созданием специальных усилителей биопотенциалов;
3) выбором удачного объекта исследования крупных
клеток и среди них гигантского аксона кальмара.
Диаметр аксона кальмара достигает 0,5 мм, что в
100 - 1000 больше, чем диаметр аксонов позвоночных
животных, в том числе человека.
Микроэлектродный метод дал возможность измерить
биопотенциал не только на гигантском аксоне кальмара,
но и на клетке нормальны размеров: нервные волокна
животных, клетки скелетных мышц. Стеклянный
микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с
очень тонким кончиком. Второй электрод - электрод сравнения располагается в растворе у наружной поверхности клетки
Регистрирующее устройство , содержащее усилитель
постоянного тока, измеряет мембранный потенциал.

5. Решение уравнения электродиффузии Нернста—Планка.

В электродиффузионной модели мембрану рассматривают как непрерывную гомогенную среду, в
которой происходит диффузия точечных
невзаимодействующих частиц. Суммарный поток
произвольного вида ионов j, движущихся пассивно и независимо в такой гомогенной среде
пропорционален концентрации ионов, их подвижности и действующей на ион силе. Общее
транспортное уравнение имеет вид: поток = концентрация х действующая сила х подвижность.
уравнение Нернста-Планка
Первый член описывает свободную диффузию (диффузионный компонент общего потока), второй
выражает миграцию ионов в электрическом поле (миграционный компонент).
Для решения данного уравнения вводится допущение о постоянстве одного из градиентов в мембране
или допущение об электронейтральности мембраны.
В подходе Планка—Гендерсона к решению электродиффузионного уравнения учитывается
допущение о электронейтральности не только для объема фаз, разделенных мембраной, но и для самой
мембраны.
Предполагают, что концентрации катионов и анионов одинаковы. В стационарном состоянии сумма
переносимых катионов равна сумме переносимых анионов.

6.

Для бинарного(двойной, состоящий из двух частей)
электролита содержащего одновалентный катион и
одновалентный анион, условие равенства потоков имеет вид:
где