Биоэлектрлік потенциалдар теориясы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 7 бет
Таңдаулыға:

Биоэлектрлік потенциалдар теориясы.

Биоэлектрлік потенциалдар деп жануарлардың, адамдардың тканінде, клеткаларында пайда болатын потенциалдар айырмасын айтамыз. Биоэлектрлік потенциалдар өсімдіктерде де пайда болады. Тірі организмдегі потенциалдар айырмасының қалай пайда болатынын түсіну үшін еретінділердегі патенциалдардың қалай пайда болатынын қарастыра кетейік.

Ерітінділерде пайда болатын патенциалдар электронды және ионды болып екіге бөлінеді. Айталық, еретіндіге мыс және мырыш (цинк) салынған екен десек. Мыс еріген кезде бос электронды және ионды бөліп шығарып, өзі оң зарядталса, мырыш ол электрондарды қабылдайды да теріс зарядталады. Сөйтіп, ерітіндіде потенциалдар айырымы пайда болады. Ерітінділердегі иондардың әсерінен пайда болатын потенциалдарды ион типті потенциалдар деп атайды. Ион типті потенциалдар диффузиялық , мембраналық және фазааралық болып үшке бөлінеді.

Диффузиялық потенциалдар концентрациялары: әр түрлі екі ерітіндінің шекарасында байқалады. Айталық, бір ыдысқа әр түрлі концентрациялы екі ерітінді құйылған делік. Анығырақ болу үшін тұз қышқылын алайық (HCl - соляная кислота) . Осыдан екі түрлі концентрация жасайық та, оларды ортасы қалқамен бөлінген бір ыдысқа құялық. Сонда иондар концентрациясы жоғары ерітіндіден концентрациясы төмен ерітіндіге қарай қозғала бастайды. Иондар диффузиясының жылдамдығы олардың қозғалғыштығына тікелей байланысты болады. Хлор ионының қозғалғыштығы - 65, 5 см² · Омˉ¹ Г - экв, ал сутегі ионының қозғалғыштығы -315 см² · Омˉ¹ Г - экв. Сутегі ионы хлор ионына қарағанда тезірек қозғалады екен.

Олай болса, оң зарядталған сутегі ионы ыдысты бөліп тұрған қалқаның бір жағына жиналады да, теріс зарядталған хлор ионы қалқаның екінші жағына жиналады. Сөйтіп, қалқаның бір жағы оң зарядталған иондардан, екінші жағы теріс зарядталған иондардан тұрады. Сөйтіп диффузиялық потенциалдар айырмасы пайда болады (79-сурет) . Ол Гендерсон формуласымен анықталады:

Eдиф·= Uк-Uа . RT ln С1

Uк+Uа ZF С2

Мұндағы Uк, Uа - катион мен анионның қозғалғыштығы (см²/B), Т - Кельвин шкаласындағы температура, R - универсал газ тұрақтысы, С1, С2 - сұйық концентрациясы, иондар валенттілігі.

Натурал логарифмді (ln) ондық логарифммен (log) ауыстырып ерітінді температурасы Т=290 К деп алсақ (ол Цельсий шкаласында t=17ºС тең), онда Гендерсон формуласы мынандай ықшам түрге енеді:

Eдиф·= Uк-Uа 0, 058 log С1

Uк+Uа С2

формуладан көріп отырғанымыздай, электролит концентрациялары және иондардың қозғалғыштығы белгілі болса, онда оп-оңай диффузиялық потенциалдар айырмасын тауып алуға мүмкіндік бар екен.

Енді ыдыстағы қалқаның орнына мембрана орналастырайық. Мембрана өзі арқылы әр түрлі иондарды түрліше өткізіп тұрады. Айталық, мембрана сутегі ионын өзі арқылы өткізіп жіберсе, ал хлор иондарын өткізбейді делік (80-сурет) . Сонда мембранананың оң жағы оң зарядталады да, сол жағы теріс зарядталады.

Сонда хлор иондарының қозғалғыштығы И а =0 болады да, (1) формула мына түрге енеді:

E‗ RT ln С1

ZF С2

формула Нерист теңдеуі деп аталады.

Енді мысал келтірейік. Клеткалардың цитоплазмасында және сыртқы ортада негізінен калий (К¯) натрий (Na‾), хлор (Cl‾) иондары және аминқышқыл аниондары (R‾) жүреді. Айталық, клетканың ішінде калий, хлор және аминқышқыл аниондары, ал клетканың сыртында калий (К¯), хлор (Cl‾) иондары бар екен делік. Калий және хлор иондары мембрананың ішкі және сыртқы жағына еркін өтіп жүретін болса, аминқышқыл иондары клетканың ішінде қалып қояды. Мембрананың ішкі және сыртқы жағындағы иондардың концентрациясының көбейтіндісі біріне-бірі тең болады да, оны Доннан тепе-теңдігі деп атайды, яғни:

[Ki‾] · [Cli‾] = [Kс‾] · [Clс‾] немесе [Ki‾] ‗ [Clс‾]

[Kс‾] [Cli‾]

Мұндағы Ki‾, Cli‾ ― мембрананың ішіндегі калий және хлор иондары, ал Kс‾, Clс‾ ― мембрананың сыртындағы калий және хлор иондары. Сонда Нернст теңдеуі былайша өрнектеледі:

Eм‗ RT ln [Ki‾] ‗ RT ln [Clс‾]

ZF [Kс‾] ZF [Cli‾]

Есептеулерге қарағанда иттің бұлшық етінің мембраналық потенциялы Е=1-3мВ (милливольт), құс қанатының бұлшық етінің мембраналық потенциялы 80-90 мВ, ал құрбақаның құйымшақ жүйкесінің мембраналық потенциялы 20-30 мВ.

араласпайтын екі сұйықтық шек арасында потенциалдар пайда болады. Клетканың цитоплазмасын көп фазалы микрогетерогенді жүйке деп қарастыратын болсақ, онда фазалар шекарасында потенциалдар айырмасы пайда болады. Оны фазааралық потенциалдар деп атайды. Бұл потенциалдардың шамасы Гендерсон формуласымен анықталады.

Биопотенциалдардың қолданылуы

Организмде әр түрлі клеткалар, тканьдер қызмет атқарады. Олардың электр активтілігі электр өрісінің пайда болуына мүмкіндік жасайды. Оны жоғарыдағы әдіспен өлшейді. Осы патенциалдар айырмасының уақыт бойынша өзгеруін электрограмма дейді. Бұл электрограмманы дененің қай органның шығарып тұруына байланысты әр түрлі атайды. Жүректің биопатенциалдарының уақыт бойынша өзгеруін электрокардиограмма (ЭКГ), бұлшық ет биопотенциалының уақыт бойынша өзгеруін электромиограмма (ЭМГ), ал ми қабығының биопотенциалының уақыт бойынша өзгеруін электроэнцефалограмма (ЭЭГ) делінеді.

Жүректегі электр құбылыстарын дәйекті түрде осы ғасырдың басында В. Эйнтговен, А. Ф. Самойлов зерттей бастады.

Жүректі электр өткізгіш ортада орналасқан электрлік диполь деп қарастыруға болады (84-сурет) . Адам немесе жануар жүрегінің биопотенциалын жазып алу үшін жүректі үшбұрыштың ортасында орналасқан деп қарастыру керек (85-сурет) . Оң қол, сол қол және сол аяқ үшбұрыштың үш төбесі екен делік. Бұл үшбұрышпен бірдей қашықтықта үшбұрыштың ішінде жүрек орналасқан деп қарастырамыз. Сонда оң қол мен сол қол арасындағы потенциалдар айырмасын I-тарам (отведение) деп, оң қол мен сол аяқ арасындағы потенциалдар айырмасын II-тарам, ал сол қол мен сол аяқ арасындағы потенциалдар айырмасын III-тарам деп атайды (86, 87-сурет) . Бұны алғаш рет ұсынған Эйнтговен болатын. Жүрек диапольге ұқсас десек, онда оның электр моментін Р деп белгілейміз. Ал физиологияда бұл теминді «жүректің электр қозғаушы күшінің векторы» деп атайды. Жүрек-дипольдің электр қозғаушы күші векторының I тарамға проекциясы U1, екінші тарамға - Uп, үшіншіге - Uш-деп белгілесік, онда U1: Uп: Uш =Р1:Pп:Рш - қатынасын оңай тауып алар едік.

Жүрек - дипольдің электр моменті уақыт бойынша байланысы өрнектеледі. Міне осыны электрокардиограмма деп атайды (88- сурет) . Электрокардиограмманы жазып алып, жүректің жұмысын тексеруге болады. Бұл медицина мен ветеринарияда кеңінен қолданылады. Жүрек бір рет соққанда жазып алынатын максимумдар мен минимумдар (Р, Q, R, S, T) медицинада тістер деп атайды (89-сурет) . Электро-кардиограмманы жазып алатын құрылғыны электрокардиограф деп атайды. Кардиографияның стерео және векторкардиография деген түрлері кеңінен қолданылады. Электрокардиограф жүрек қызметін қисық сызықпен, арасында интервалвалы бар толқын түрінде қағазға түсіреді. Осы сызықтарды пайдалана отырып, жүректің қызметін анықтайды. Соңғы кездері стерое- және векторкардиография деген түрлері кеңінен қолданылуда.

Ми қабаты нейрондарының әсер потенциалдарын жазып алумен электроэнцефалография айналысады.

Биоэлектрлік потенциалдарды өлшеу әдістері

Біз жоғарыда жануарлар клеткасында биоэлектрлік потенциалдардың пайда болатын байқадық. Енді осы потенциалдарды қалай өлшеуге болады деген заңды сұрақ туады. Клетканың ішкі және сыртқы беттеріндегі потенциалдарды өлшеу үшін өте нәзік әдіс қажет. Потенциалдарды өлшеу үшін микроэлектродтық әдіс деген қолданылады. Шыныдан жасалған диаметрі 0, 5―1 мкм (микрометр) (10‾ м) пипетканың іші хлорлы калий (KCl) ерітіндісімен толтырылады. Клетканың ішінде калий иондары болатын ерітінді алынады. Екінші жағынан бұл ерітінді электродтың өз патенциялын өте аз мөлшерде туғызады. Пипетканың ұшының диаметрі 0, 5 мкм болса, онда оның өзкедергісі 10-30 мОм болады. Алайда бұл патенциал тірі тканьнің потенциалдар айырмасын дәл өлшеуге онша көп кедергі жасамайды. Микроэлектродты жануарлар тканіне енгізу микроманипулятордың (мысалы ММ-1) пайдаланылады (82-сурет) . Бұл микроманипулятор үш шприцтен тұрады. Оның біреуіне (1) микроэлектрод жалғанады. (3) винт макровинт деп аталады. (2) винт арқылы микроэлектрод жайлап денеге енгізіледі. Екінші электрод клетканың сыртқы бетіне жапсырылады (83-сурет) . Сөйтіп дененің іші мен сыртындағы потенциалдар ацырымы өлшенеді.