Дифузійний та мембраннй потенціали, їх біологічне значення

У гальванічних колах крім потенціалів на межі електрод ‒ розчин виникає додатковий потенціал на межі розчин ‒ розчин. Цей потенціал називають дифузійним. Причиною його виникнення є різна швидкість руху катіонів та аніонів солі.

Виникнення дифузійного потенціалу призводить до гальмування руху швидких та прискорення руху повільніших йонів, Величину дифузійного потенціалу обчислюють за рівнянням Гендерсона:

j = ∙ lg

де ‒ рухливості катіонів і аніонів.

Максимальну величину дифузійний потенціал має в розчинах кислот та лугів, оскільки у йонів Н₃О⁺ і ОН^‒ найбільша рухливість. Значно менша величина j в розчинах солей. Наприклад, на межі поділу 0,1 і 0,001 М розчинів НС1 дифузійний потенціал досягає величини 75 мВ, а на межі розчинів NaCl тих самих концентрацій ‒ 25 мВ.

Дифузійний потенціал виникає не тільки на межі поділу розчинів різної концентрації, а й у таких гальванічних колах, де контактують розчини з однаковою активністю йонів, але з різними за швидкістю руху катіонами чи аніонами.

Дифузійний потенціал суттєво ускладнює електрохімічні вимірювання, тому його зменшують. Для цього між розчинами різних концентрацій вміщують проміжний розчин будь-якої солі, швидкість руху обох іонів якої приблизно однакова, наприклад, розчини КС1, NH₄C1 тощо.

З’єднання електродних розчинів здійснюють сольовим містком, заповненим концентрованим розчином однієї із вказаних солей з додаванням агар-агару для збільшення вʼязкості.

Близьким за своєю природою до дифузійного є мембранний потенціал. Якщо між двома розчинами є мембрана, яка вибірково пропускає катіони і затримує аніони, то по обидві її сторони накопичуються йони протилежного знаку і одна з них заряджається позитивно, а інша ‒ негативно, тобто виникає мембранний потенціал j_м. Дифузія катіонів крізь мембрану не є нескінченною, оскільки їх притягують аніони, що залишилися по інший бік мембрани. На мембрані встановлюється рівновага між швидкістю дифузії та її електричним полем, потенціал якого визначають за рівнянням Нернста для ЕРС концентраційного кола:

j_м = 0,059lg

де С ₁ та С ₂ ‒ активності іонів по різні боки мембрани, причому С ₁ > С ₂.

Мембранні та дифузійні потенціали виникають у клітинах рослинних та тваринних організмів і призводять до утворення різних біопотенціалів та біострумів. Мембранний потенціал може існувати без змін тривалий час.

Як відомо, нервова клітина людини складається з тіла клітини та одного довгого відростка діаметром 10^‒5…10^‒7 м, який називають аксоном. Клітина та аксон, що відходить від неї, оточені мембраною, тому концентрація йонів усередині клітини відрізняється від концентрації тих самих йонів у зовнішньому середовищі. Ионний склад нервової клітини та середовища наведений у табл. 2.

Табл. 2. Йонний склад нервової тканини

Різна концентрація йонів по обидві сторони мембрани нервової клітини призводить до встановлення мембранного потенціалу, який вираховують за рівнянням Гольдмана:

j_м = =

де Р ‒ проникність мембрани для відповідних іонів.

Мембрани нервових клітин, що перебувають у спокої, приблизно у 100 разів більш проникні для йонів K⁺, ніж для йонів Na⁺. Виходячи з даних, наведених у табл. 2, за температури 310 К одержимо величину мембранного потенціалу:

j_м = = ‒0,075 В = ‒75 мВ.

Це означає, що між внутрішньою та зовнішньою сторонами клітинної мембрани виникає різниця потенціалів, що дорівнює 75 мВ. Цю величину, виміряну у стані фізіологічного спокою клітини, називають потенціалом спокою. Потенціал спокою у різних клітин становить 50…100 мВ. Встановлено, що цитоплазма клітини в стані спокою завжди має від’ємний потенціал відносно потенціалу міжклітинної рідини.

Якщо нервову тканину збуджувати електрично, хімічно або механічно, то мембрана клітини стає більш проникною для йонів Na⁺, ніж для йонів K⁺ (P Na⁺/ Р K⁺) ~ 12. Йони Na⁺ починають проникати всередину клітини, що призводить до зміни мембранного потенціалу j_м, який становить:

j_м = = 0,05 В = 50 мВ.

Таким чином, упродовж короткого проміжку часу (приблизно 10^‒4с) мембранний потенціал змінюється від ‒75 до +50 мВ. Таке раптове підвищення та падіння мембранного потенціалу називають потенціалом дії. Залежно від довжини аксона та інших чинників швидкість, з якою відбувається передача потенціалу дії, становить 30-150 м/с. Як тільки потенціал дії віддаляється від точки збудження клітини, мембрана знову стає готовою до збудження. Це можливе тому, що за один потенціал дії аксон поглинає 3∙10^‒11 ‒ 4∙10^‒11 моль йонів Nа⁺ на 1 см² поверхні волокна і віддає таку ж саму кількість йонів K⁺, що не вносить суттєвих змін в іонне середовище аксона. Тому натрій-калієвий механізм здатний генерувати кілька сотень тисяч потенціалів дії.

Потенціали дії створюють струм (біопотенціали та біоструми), тому два електроди, прикладені до різних ділянок тіла, реєструють різницю потенціалів. Це покладено в основу електрокардіографічних, електроенцефалографічних, електроміографічних методів діагностики.