Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012
Электрогенез биомембран
Электрические потенциалы биомембран
Мембранный потенциал
Одной из важнейших функций биологической мембраны является генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции.
В медицине на исследовании электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Воздействие на клеточные суспензии внешними электрическими импульсами является основой таких биотехнологических методов, как электропорация и электропермеабилизация биомембран.
В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов двух типов
1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим;
2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.
Биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы.
Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями мембраны
В дальнейшем величину ∆φМ будем обозначать просто как φM. Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:
✵ разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного измерения потенциалов;
✵ созданием специальных усилителей биопотенциалов;
✵ выбором удачных объектов 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. Гигантские, в сравнении с позвоночными, размеры аксона имеют большое физиологическое значение - этим обеспечивается быстрая передача нервного импульса по нервному волокну.
При изучении электрогенеза биомембран гигантский аксон кальмара послужил хорошим модельным объектом для исследования биопотенциалов.
В гигантский аксон кальмара можно ввести сквозь мембрану микроэлектрод, не нанеся аксону значительных повреждений. На рисунке 88 представлена схема измерения внутриклеточного потенциала микроэлектродным методом.
Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (рисунок 88 (3)). Металлический электрод такой толщины пластичен и не может проколоть клеточную мембрану, кроме того, он поляризуется. Для исключения поляризации электрода используются неполяризующиеся электроды, например серебряная проволока, покрытая солью AgCl, помещённая в раствор KCl или NaCl (желатинизированный агар-агаром), заполняющий микроэлектрод.
Рисунок 88 - Схема измерения внутриклеточного потенциала: 1 - каломельные электроды сравнения; 2 - клетка; 3 - стеклянный микроэлектрод
Второй электрод - электрод сравнения - располагается в растворе у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство (mV - мили- вольтметр) измеряет мембранный потенциал φМ.
Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопотенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на клетках нормальных размеров; нервных волокнах других животных, клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других.