Биоэлектрические потенциалы. Мембранный потенциал

Одной из наиболее характерных черт всего живого является наличие разности потенциалов между различными частями одной системы (органы, ткани, клетки, ядра, митохондрии и т. д.). Клетку, окруженную межклеточной средой, можно рассматривать как двух- или многокомпонентную систему, состоящую из различных смесей растворов - электролитов, полиэлектролитов. Если растворы электролитов разных концентраций, то возникает скачок потенциала на границе раздела растворов за счет разной скорости диффузии катионов и анионов, который называется диффузионным потенциалом. Если растворы электролитов разных концентраций разделены мембраной, проницаемой только для ионов одного знака, то диффузионный потенциал может достигать большой величины. В этом случае он носит название мембранного потенциала. Мембрана покоящейся клетки проницаема только для ионов калия, но не для ионов натрия и хлора. Полупроницаемые свойства мембраны при этом обусловливают возникновение так называемого потенциала покоя.

При структурных изменениях в самой клетке или составе внеклеточной среды происходит возбуждение мембраны, ведущее к изменению ее проницаемости, что способствует появлению новой разности потенциалов. Этот потенциал называют потенциалом действия. При этом наблюдается значительное увеличение потока ионов Na⁺через мембрану в клетку за счет уменьшения сопротивления мембраны по отношению к этим ионам. Однако проницаемость мембраны по отношению к ионам Cl^–не изменяется. Поэтому и возникает двойной электрический слой, т. е. скачок потенциала.

В живых организмах большое значение имеют окислительно-восстановительные системы. Весь путь биологического окисления сопровождается изменением потенциала от –0,324 В до +0,82 В. Этот потенциал изменяется постепенно при переходе электронов от одного переносчика к другому.

Таким образом, биологическое окисление основывается на переносе атома водорода от окисляемого вещества (например, от углеводов) к кислороду (электроны при этом присоединяются к атому кислорода и образовавшиеся ионы кислорода с ионами водорода образуют воду). Примером такой реакции может служить работа дыхательной цепи митохондрий. Одной из стадий этой цепи является перенос электронов цитохромами (электрон-транспортными белками). Атом железа в каждом из цитохромов существует в окисленной (Fe³⁺) и восстановленной (Fe²⁺) формах. Цитохромы образуют цитохромоксидазу (дыхательный фермент), которая может переносить электроны непосредственно на молекулярный кислород.

В результате работы дыхательной цепи выделяется энергия, достаточная для образования первичных макроэргических продуктов (т. е. веществ, имеющих связи богатые энергией), затем происходит сопряжение процессов окисления и фосфорилирования, т. е. образование АТФ. На каждую пару электронов, передающихся по дыхательной цепи, синтезируются три молекулы АТФ. Таким образом, 99 % энергии организм получает за счет протекания последовательных окислительно-восстановительных реакций, в результате которых происходит превращение химической энергии в биохимическую.

Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе методик проведения анализов в медико-биологических исследованиях (определение содержания сахара в крови, содержание аскорбиновой кислоты, определение качества дезинфицирующих средств и др.). Многие лекарственные препараты могут быть окислителями (Н₂О₂, KMnO₄) и восстановителями (аскорбиновая кислота).

Регистрация биотоков используется в медицинской диагностике. Так, метод исследования физиологического состояния сердца путем регистрации электрических потенциалов, возникающих при работе сердечной мышцы называется электрокардиографией, а метод исследования деятельности головного мозга, основанный на регистрации потенциалов, возникающих в нервных клетках – электроэнцефалографией.