Біоелектричні явища в живих тканинах

Під час збудження м'яза чи іншої тканини виникає різниця потенціалів між збудженою і незбудженою ділянками. Це виявляється в тому, що збу­джена ділянка має негативний, а незбуджена – позитивний потенціал.

Розрізняють струми спокою і струми дії. Перший виникає при пошкодженні тканини, а другий – під час збудження. Збуджена й пошкоджена ділянки будуть електронегативними порівняно з непошкодженою і незбудженою ділянками.

Для виявлення зазначеної різниці потенціалів користуються гальваномет­рами та неполяризовними електродами. До першої групи приладів належать дзеркальні та струнні гальванометри.

Неполяризовні електроди застосовують для усунення явищ поляризації при стиканні електрода з живою тканиною і при пропусканні електричного струму.

Про тваринну електрику здавна мали уявлення по тих ударах, або електрич­них розрядах, яких завдають електричні риби. Докладні дослідження тва­ринної електрики провів Гальвані, який помітив скорочення ніжок жаби, підвішених на мідному гачку, при доторканні їх до залізної решітки. Гальвані зробив висновок, що тканини жаби мають тваринну електрику.

Відомий фізик того часу А. Вольта доводив, що вданому разі джерелом електрорушійної сили є коло з двох металів, занурених в електроліт.

Гальвані та його послідовники показали, що таке саме явище спостері­гається і при доторканні до двох ділянок м'яза одним металом. Скорочення м'язів можливе і без застосування металів, коли нерв нервово-м'язового пре­парату накинути на пошкоджену і непошкоджену ділянки м'яза. Останнє по­яснюється тим, що джерелом електричного струму є різниця потенціалів пошкодженої і непошкодженої ділянок м'яза.

У 30-х роках XIX ст. наявність тваринної електрики довів Матеуччі, який в експерименті показав скорочення м'язового препарату при накиданні нерва цього препарату на другий м'яз, збуджений подразненнями електрич­ного струму (вторинне скорочення м'яза).

Непошкоджений м'яз, що перебуває в спокійному стані, при сполученні через неполяризовні електроди з гальванометром ніяких електричних явищ не покаже.

Потенціал спокою. Усі живі клітини мають різний електричний заряд на зовніш­ній і внутрішній поверхнях мембрани. Таким чином, мембрана поляризована. У стані спокою зовнішня поверхня має позитивний, а внутрішня – негативний заряд. Ця різниця потенціалів називає­ться мембранним потенціалом спокою (МПС) (близько 60-90 мв).

Мембранний потенціал спокою характеризується певними пара­метрами: 1) постійністю; 2) полярністю (зовнішня поверхня мем­брани позитивна, внутрішня – негативна); 3) величиною, що ви­ражається в мілівольтах (мВ).

Величина МПС залежить від концентрації іонів по обидва боки мембрани. Проникність мембрани для К+ майже в 100 раз більша, ніж для Nа+, тому основну роль у генерації мембранного потенціалу відіграє дифузія К⁺ - калієвий дифузійний потенціал. К⁺ дифундує з клітини, але завдяки негативному заряду в ній ці іони затримуються на зовнішній поверхні мембрани.

На величину МПС впливають невелика дифузія Nа+ в проти­лежному напрямку, наявність у клітині негативно заряджених біл­ків, аніонів фосфатів та інших речовин.

Істотну роль у механізмі генерації МПС грає також Nа+-К+ насос, що виводить із клітини три іони Nа+ на кожні два іони К.+, що вводяться в неї. Це ключовий процес, який створює іонну аси­метрію. Робота цього насосу залежить від метаболізму клітини і, зокрема, від його енергопостачання.

Таким чином, МПС формується завдяки різним механізмам, але основним серед них є дифузія К+. Підтримання МПС на певному рівні – один із основних показників стану відносного фізіологічного спокою клітини.

Зареєструвати мембранний потенціал можна за допомогою мікроелектродів, призначених для внутрішньоклітинного відведення біопотенціалів (мал. 2).

Струм спокою можна знайти, використовуючи більш простий методичний прийом. Один з електродів поміщають на непошкоджену поверхню нервового чи м'язового волокна, а інший – на ушкоджену ділянку. Електроди з'єднують з електровимірювальним приладом, що зареєструє різницю потенціалів або струм спокою між пошкодженим, зарядженим електронегативно, і неушкодженою, електропозитивною ділянкою тканини.

Мал. 2. Вимір мембранного потенціалу м'язового волокна (А) за допомогою внутрішньоклітинного мікроелектрода (схема). М – мікроелектрод; И – індиферентний електрод. Промінь на екрані осцилографа (Б) показує, що до проколу мікроелектродом мембрани різниця потенціалів М и И була дорівнює 0. У момент проколу (показаний стрілкою) виявлена різниця потенціалів, що свідчить про те, що внутрішня сторона мембрани заряджена електронегативно стосовно її зовнішньої поверхні.

Потенціал дії. Потенціал дії (ПД) —це короткочасні високоамплітудні зміни МПС, що виникають при збудженні. Основною причиною ПД є зміна проникності мембрани для іонів.

Розглянемо розвиток ПД на прикладі нервового волокна. Реє­струвати ПД можна при введенні одного з електродів у волокно або розташовуючи обидва електроди на його поверхні. Простежи­мо процес формування ПД при внутрішньоклітинному методі.

1. У стані спокою мембрана поляризована і МПС дорівнює 90 мВ.

2. Як тільки починається збудження, величина цього потенціалу зменшується (це зменшення називається деполяризацією). У ряді випадків потенціал боків мембрани змінюється на проти­лежний (так званий овершут). Це перша стадія ПД – деполяри­зація.

3. Стадія реполяризації, під час якої величина різниці потенціалів падає майже до початкового рівня. Ці дві фази є піком ПД.

4. Після піку спостерігаються слідові потенціали – слідова деполяризація та слідова гіперполяризація (гіперполяризація – збільшення різниці потенціалів між боками мембрани). Наприклад, було 90 мВ, а стає 100 мВ.

Розвивається ПД дуже швидко – за кілька мілісекунд. Пара­метри ПД: 1) змінний характер, бо змінюється напрямок руху струму; 2) величина, яка завдяки овершуту може перевищувати МПС; 3) час, протягом якого розвиваються ПД і окремі його ста­дії — деполяризація, реполяризація, слідова гіперполяризація.

Як формується ПД. У стані спокою «ворота» потенціалзалежних Nа+ каналів закриті. Закриті також «ворота» потенціалзалежних К+-каналів.

1. Під час фази деполяризації відбувається активізація Nа+ -каналів. При цьому змінюється конформаційний стан білків, що вхо­дять до складу «воріт». Ці «ворота» відкриваються, і проникність мембрани для Nа+ збільшується в кілька тисяч раз. Nа+ лавоподібно входить у волокно нерва. У цей час К+-канали відкриваються дуже повільно. Отже, у волокно надходить значно більше Nа+, ніж виводиться з нього К+.

2. Реполяризація характеризується закриттям Nа+-каналів. «Ворота» на внутрішній поверхні мембрани закриваються – спо­стерігається інактивація каналів під впливом електричних потен­ціалів. Інактивація відбувається повільніше, ніж активація. В цей час прискорюється активація К+-каналів і зростає дифузія К+ на­зовні.

Таким чином, деполяризація пов'язана переважно зі входом Nа+ у волокно, а реполяризація – з виходом із нього К+. Співвід­ношення між входом Nа+ і виходом К+ змінюється в процесі розвитку ПД: на початку ПД входить Nа+ в кілька тисяч раз більше, ніж виходить К+, а потім виходить більше К +, ніж вхо­дить Nа+.

Причиною слідових потенціалів є подальші зміни співвідношен­ня між цими двома процесами. Під час слідової гіперполяризації багато К+ каналів ще залишаються відкритими й К+ продовжує виходити назовні.

Умови, потрібні для виникнення ПД. ПД виникає лише за пев­них умов. Подразники, які діють на волокно, можуть бути різними. Незважаючи на те що підпороговий струм не зумовлює збу­дження, він усе ж таки деполяризує мембрану, і ця деполяриза­ція тим більша, чим вища його напруга.

Має значення й напрям струму: ПД виникає при замиканні струму лише тоді, коли катод міститься на зовнішній поверхні мембрани, а анод – у клітині чи волокні. При проходженні струму змінюється МП. Якщо на поверхні лежить катод, то розвивається деполяризація (збудливість підвищується), а якщо анод – гіперполяризація (збудливість знижується). Знання механізмів дії електричного струму на живі об'єкти конче потрібне для розробки методів фізіотерапії (діатермія, УВЧ, діафорез і ін.).

Потенціал дії можна зареєструвати двома способами: за допомогою електродів, прикладених до зовнішньої поверхні волокна (позаклітинне відведення), і за допомогою мікроелектрода, введеного усередину протоплазми (внутрішньоклітинне відведення).

При позаклітинному способі реєстрації струм дії має двохфазну структуру. Якщо прикласти електроди осцилографа до неушкодженої поверхні нервового чи м'язового волокна, різниця потенціалів не виявиться, тому що неушкоджена поверхня волокна заряджена електропозитивно. При нанесенні подразнення до області С виникає потенціал дії. Хвиля електронегативності в першу чергу досягне області електрода А, що супроводжується переміщенням променя на екрані осцилографа. У наступний момент хвиля електронегативності залишає область електрода А і поширюється в міжелектродній області. Різниця потенціалів між електродами А і В не реєструється і промінь на екрані осцилографа повертається у вихідне положення. При досягненні хвилею електронегативності області електрода В між електродами знову виникне різниця потенціалів, але протилежного знаку. У результаті появи різниці потенціалів зворотного знака промінь на екрані осцилографа відхилиться униз від нульового рівня. Однак збудження продовжує поширюватися і хвиля електронегативності залишає область електрода В. Різниця потенціалів між електродами А і В зникає, промінь на екрані осцилографа знову повертається у вихідне положення (мал. 3).