Електричні властивості клітин, тканин і органів та деякі методи реєстрації медичної і біологічної інформації.
1. Біоелектричні потенціали.
2. Електропровідність біологічних тканин і рідин при постійному струмі.
3. Види поляризації.
4. Ланцюги змінного струму, що містять активний, ємнісний та індуктивний опори.
5. Проходження змінного електричного струму через біологічні об'єкти.
6. Дія електричного струму на живі організми.
7. Електричний диполь.
8. Фізичні та біофізичні основи електрокардіографії.
1. Біоелектричні потенціали.
Біопотенціалами називають різниці електричних потенціалів, що існують між різними частинами тіла.
Біологічні рідини, що циркулюють в тілах тварин і рослин, містять значну кількість носіїв заряду. Процеси обміну, що відбуваються в тканинах, призводять до перерозподілу зарядів і виникнення різниці потенціалів, званих біологічними.
Біопотенціали підрозділяються на біопотенціали спокою і біопотенціали дії.
Біопотенціали спокою
Клітинна мембрана неоднаково проникна для різних іонів, а саме:
1.В результаті дії К+ - Na+ насоса з клітки виводиться 3 іона Na+, а вводиться 2 іона К+.
2.В клітині містяться аніони хлору і аніони багатьох органічних кислот.
3.Через біомембрани негативні органічні іони не проходять і залишаються всередині клітини.
Ці фактори, створюють різницю потенціалів на мембрані, причому внутрішня частина клітини має негативний заряд, а зовнішня позитивний.
Основний внесок у створення і підтримку біопотенціала спокою вносять іони К+, Na+ і Сl–.
Проникність іонів істотно залежить від стану організму. В стані спокою при фізіологічних умовах співвідношення коефіцієнта проникності дорівнює:
РК: РNa: РCl = 1:0,04:0,45.
Отже, основний внесок у потенціал спокою вносять тільки іони калію і хлору.
Біопотенціали дії
При збудженні клітини різниця потенціалів між клітиною і навколишнім середовищем змінюється, виникає біопотенціал дії. Розглянемо причину, змінюючу різницю потенціалів. При порушенні клітини яким-небудь фізичним фактором (механічний, тепловий, електричний вплив) проникність клітинної мембрани для іонів натрію (РNa) різко зростає, в той час як проникність для іонів калію (РК) залишається незмінною. Причина полягає в тому, що в мембранах цих клітин існують натрієві канали, які відкриваються тільки при порушенні клітини. Кількість цих каналів в десятки разів більше, ніж калієвих каналів. Отже, при подразненні всередину клітини потрапляє потік позитивно заряджених іонів натрію, що значно зменшує різницю потенціалів по різні сторони мембрани, і в кінці кінців внутрішня поверхня мембрани заряджена позитивно.
Завдяки цьому величина потенціалу дії досягає 90-130 мВ і, звичайно, перевищує величину потенціалу спокою.
Натрієвий канал відкривається на проміжок часу від 0,5 до 1мс, після чого провідність для іонів натрію знову знижується, що призводить до відновлення потенціалу спокою в даному місці аксона. У той же час потенціал дії викликає роздратування в сусідній ділянці аксона, в якому описаний процес повторюється і імпульс потенціалу дії переміщається по аксону
Поширення збудження
Поширення потенціалу дії зумовлене виникненням локальних струмів, які циркулюють між збудженою і незбудженою ділянками клітини.
У стані спокою на зовнішній поверхні мембрани є надлишковий позитивний заряд, а на внутрішній — негативний (мал.. 1.1.). Під час збудження відбувається перезарядження мембрани, внаслідок чого між збудженою і незбудженою ділянками поверхні мембрани виникає різниця локальних потенціалів. Вона зумовлює появу між цими ділянками локальних струмів, які йдуть на поверхню від незбудженої ділянки до збудженої, а всередині клітини — навпаки.
Локальний струм подразнює наступні незбуджені ділянки, спричиняючи збільшення проникності мембрани. Потенціал спокою зменшується. Коли деполяризація сягає критичного значення, на цих ділянках виникає потенціал дії, а на ділянках, які були збудженими в цей час, відбувається реполяризація.
Знову збуджена ділянка набуває від'ємного заряду; виникаючий локальний струм подразнює наступну ділянку. Цей процес повторюється, і таким чином збудження поширюється клітиною.
У нервовій системі імпульси поширюються в одному напрямі, оскільки синапси мають однобічну провідність.
± + + + + + + + + + - - -
+ + + + + + + +
+ + + + +------------------- + + + + +
+ + + + + + + +
Мал. 1.1. Схема поширення збудження немієліновим нервовим волокном
Поширення збудження нервовими волокнами залежить від наявності чи відсутності в них мієлінових оболонок, які через 1...3 мм перериваються з утворенням перехоплень Ранв'є. Мієлін — ізолятор, тому локальні струми через мієлінові оболонки проходити не можуть, а циркулюють між перехопленнями Ранв'є. Якщо яке-небудь перехоплення блокується, то імпульс йде не через нього, а через наступне. Проте, якщо два перехоплення блоковані, наприклад, анестетиком, то імпульс далі не поширюється.
Електричні властивості біологічних систем.
Біологічні тканини й органи є утвореннями з різними електричними опорами, які можуть змінюватися при дії електричного струму. Тіло людини, як і будь-який живий організм, є гарним провідником електричного струму. Однак по провідності організм дуже неоднорідний, у ньому складним образом чергуються добре провідні ділянки (нервові тканини, біологічні рідини) і ділянки з низької провідності (шкіра, кісткова тканина, оболонки кліток). Це спричиняється труднощі виміру електричного опору живих біологічних тканин.
Кров, цитоплазма та різні тканинні рідини – це розчини електролітів. Наприклад, у плазмі крові міститься 0,32% кухонної солі. Можна було б стверджувати, що такі системи містять багато вільних іонів і завдяки цьому мають велику питому електропровідність. Проте результати досліджень свідчать, що опір цитоплазми, живих клітин і деяких тканин великий. Це можна пояснити тим, що на електричні параметри клітин впливають властивості їхніх мембран (діелектрик). Властивості ж тканин зумовлені властивостями не лише електролітів, а й інших речовин, які входять до складу тканини: жирів, вуглеводів, інших органічних речовин з властивостями діелектриків та напівпровідників. З цієї причини електропровідність різних тканин суттєво відрізняється.
У таблиці наведені середні значення питомого опору,а реальні можуть бути дещо більшими або меншими.
| Таблиця 1.1 Питомий опір деяких біологічних систем |
| Біологічна система | ρ, Ом∙м | Біологічна система | ρ, Ом∙м |
| Спинномозкова рідина | 5,5∙10-1 | Жирова тканина | |
| Сироватка крові | 7,1∙10-1 | Суха шкіра | 102 |
| М'язова тканина | 2,0 | Кістка без окістя | 106 |
| Печінка | Еритроцити | 106 | |
| Нервова тканина | — | — |
Складними є електричні властивості клітин. Питомий опір цитоплазми перебуває в межах від 0,1 до 300 Ом∙м (для більшості клітин ссавців — приблизно 1...3 Ом-м).
Клітинна мембрана — це діелектрик, питомий опір якого в різних клітинах коливається в межах від Ї03 до 10і Ом ∙м.
