Лекция: Биопотенциал как характеристика живой материи

ТЕМА: Биопотенциал как характеристика живой материи

Фундаментальным свойством живой ткани является способность находиться в состоянии неравновесной электрической поляризации, мерой которой служит биоэлектрический потенциал.

Биоэлектрические потенциалы или биопотенциалы - электрические потенциалы, возникающие в тканях и отдельных клетках живых организмов. Биопотенциалы являются важнейшими факторами процессов возбуждения и торможения клеток.

История исследования биоэлектрического потенциала началась в XVIII в. с изучения природы «удара», наносимого некоторыми рыбами, имеющими электрические органы. Так было получено первое научное обоснование существования «животного» электричества. В это же время итальянский анатом и физиолог Л. Гальвани (L.Galvani) приступил к исследованию биопотенциалов на других объектах. Научный спор между ним и физиком А. Вольта (A. Volta) о природе «животного электричества» завершился открытием нового принципа получения электрического тока с помощью гальванического элемента. В 1837 г. итальянский физик К. Матеуччи (C. Matteucci) в экспериментах на животных впервые выполнил прямые измерения биопотенциалов с помощью гальванометра. Э.Г. Дюбуа-Реймон (E.H. Du Bois-Reymond), немецкий физиолог, первым начавший систематическое изучение биоэлектрических потенциалов, в 1848 г. показал, что между внутренним содержимым клетки и окружающей ее жидкостью существует стандартная разность потенциалов - мембранный потенциал. Значение последнего в покое закономерно изменяется при возбуждении клетки. Дж. Бернштейн (J. Berenstein) впервые (1868 г.) проанализировал колебания потенциала, которые возникают при распространении возбуждения по нервному волокну и длятся тысячные доли секунды (потенциал действия). Русский биолог Н.Е. Введенский в 1883 г. использовал телефон для регистрации разрядов, сопровождающих нервные импульсы.

Применение в физиологических экспериментах электронно-усилительной техники и безынерционных осциллографов (1930-е -1940-е годы) связано с именами американских физиологов Дж. Н. Бишопа (G.H. Bishop) и Нобелевских лауреатов Дж. Эрлангера (J. Erlanger) и Г.С. Гассера (H.S. Gasser). Изучение биопотенциалов отдельных волокон и клеток стало возможным благодаря разработке методов введения в клетки измерительных микроэлектродов. Механизм регенерации биопотенциалов изучали на гигантских нервных волокнах кальмаров, оценивая их проницаемость для ионов Na⁺ и K⁺ в зависимости от мембранного потенциала. За расшифровку ионного механизма возникновения потенциала действия и разработку мембранной теории биопотенциалов (1947-1952 г.г.) английские физиологи А. Ходжкин (A.L. Hodgkin), А. Хаксли (A.F. Huxley) и Б. Кац (B. Katz) были удостоены Нобелевской премии. Результаты этих исследований составили научное обоснование применяемых в настоящее время электрофизиологических методов диагностики - электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии и др.

Д.Н. Насонов разработал фазовую теорию биоэлектрических потенциалов, основанную на представлении о протоплазме как о «фазе» по отношению к окружающей водной среде. Вследствие этого распределение носителей заряда между клетками и средой определяется растворимостью веществ в протоплазме, адсорбируемостью их на мицеллах и химическим связыванием с белковым субстратом.

Классическим объектом исследования ионной природы биопотенциалов являются крупные клетки водорослей. Еще в 1882 г. Дюбуа-Реймон установил с их помощью общность биоэлектрических явлений у животных и растений. Вначале объектами изучения были растения, обладающие ростовыми движениями. Затем индийский биофизик Дж. Боус (J.Ch. Bose) установил, что биопотенциалы и электрические ответы на раздражители присущи всем растениям. Сконструированные им чувствительные самопишущие гальванометры позволили зарегистрировать электрические реакции растений на физические и химические воздействия.

В начале 1990-х в МГУ изучали электрические свойства симпласта высших растений - ткани в виде слившихся клеток, не имеющей клеточных стенок. Исследование электрических «ответов» растений на механические и тепловые повреждения, регенерацию корня, стебля и листьев показало, что механизм распространения электрических сигналов по нервному волокну и симпласту одинаковы.

Электрическая поляризация обнаружена в большинстве биополимеров - белках, включая ферменты, полисахаридах, полинуклеатидах. Поляризация вызвана направленной ориентацией и неравномерным распределением в биополимерах диполей, примесей и дефектов, и кроме того - ионов, обеспечивающих собственную и примесную проводимость биополимеров, а также электронов и структурированной воды, связанной с макромолекулами.

В начале 1960-х на стыке квантовой химии и молекулярной биологии возникла квантовая биохимия. Посредством квантовых расчетов она обеспечила переход от простейших представлений о составе, расположении и пространственной локализации атомов в органических молекулах к оценке распределения в них электронной плотности, энергетическим характеристикам, а затем к связи взаимодействия заряженных частиц и биологической функции органических соединений.

Терминология и основные закономерности изменения биоэлектрических потенциалов как фундаментальной характеристики живой материи кратко изложены ниже.

Потенциал покоя (U_r) - разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью, существующая у живых клеток в состоянии физиологического покоя. Он возникает из-за неодинаковой концентрации ионов K⁺, Na⁺ и Cl^- по обе стороны клеточной мембраны и ее неодинаковой проницаемости для этих ионов. У большинства клеток U_r создается диффузией ионов K⁺ из цитоплазмы наружу. В скелетных мышечных волокнах U_r поддерживается благодаря диффузии ионов Cl^- из наружной среды в цитоплазму. Диапазон измерения U_r в нервных и мышечных волокнах составляет 60-90 мВ. Внутренняя сторона мембраны обычно заряжена отрицательно относительно наружной. Прохождение через клеточную мембрану электрического тока и нестабильность ее ионной проницаемости вызывают изменения U_r.

Уменьшение U_r называется деполяризацией. Пассивная деполяризация возникает при прохождении через мембрану (из клетки) слабого тока, не вызывающего изменения ионной проницаемости мембраны. Активная деполяризация развивается при увеличении проницаемости мембраны для ионов Na⁺ или при ее снижении для ионов K⁺. Длительная деполяризация мембраны ведет к инактивации (инертности, пассивности) натриевых каналов и повышению калиевой проницаемости. В результате этого происходит снижение или полное исчезновение возбудимости клетки.

Увеличение U_r называют гиперполяризацией. Пассивная гиперполяризация имеет место, когда через мембрану проходит электрический ток из наружной среды в клетку, активная - при повышении проницаемости мембраны для ионов K⁺ и Cl^-. Локальная гиперполяризация мембраны происходит при активации ионных каналов физиологически активным веществом, которое выделяется из нервного окончания при его возбуждении. биоэлектрический потенциал живой материя диагностика

Потенциал действия (U_a) быстрое колебание (spike) мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных и мышечных клеток. Он появляется при достижении сигналом-раздражителем некоторого порогового значения, превышение которого не влияет на амплитуду и длительность U_a. Причина возникновения U_a - активация электровозбудимых ионных каналов. В нервных и скелетных мышечных волокнах восходящая фаза U_a связана с повышением проницаемости мембран для ионов Na⁺. Поток последних внутрь клетки по открытым каналам приводит к быстрой перезарядке клеточной мембраны. Ее внутренняя сторона, заряженная отрицательно при U_r, во время пика U_a приобретает положительный заряд. Следующие за достижением пика U_a инактивация Na⁺ каналов и активация K⁺ каналов приводят к падению U_a. Его восстановлению до исходной величины предшествуют следовые деполяризация или гиперполяризация мембраны. Длительность U_a составляет 0,1-3,0 мс в нервных и скелетных мышечных волокнах и 10-100 мс в клетках сердечной мышцы.

Рефрактерность - снижение возбудимости клеток, сопровождающее возникновение U_a. После достижения пика U_a возбудимость полностью исчезает (абсолютная рефрактерность). Падение U_a обусловливает восстановление возбудимости клеток до исходной величины в течение нескольких мс (относительная рефрактерность). Рефрактерность - один из факторов, определяющий максимальный ритм пульсации клетки. Лекарственные препараты, удлиняющие период относительной рефрактерности (антиаритмики) уменьшают частоту сердечных сокращений и устраняют нарушения ритма работы сердца.

Теоретические представления о механизмах возникновения и трансформации мембранного потенциала, основанные на простой модели двойного электрического слоя, постоянно развиваются. Усовершенствованные модели учитывают: неоднородность диэлектрических свойств по толщине мембраны; градиенты внутриклеточных электрических полей; влияние полей, индуцированных диполями пептидных связей в мембранных белках; наличие на поверхности клетки катионообменного слоя; параметры индуктивности мембраны. Разрабатываются подходы, позволяющие при расчетах биопотенциалов принимать во внимание метаболизм клеток, ионные потоки в клетку, из нее и за ее пределами, структурные изменения мембраны и цитоплазмы и др. Биоэлектрические потенциалы, спонтанно возникающие в живых организмах, обусловливают проявление последними биоэлектретного эффекта.

Электрические поля в медицине. Биопотенциалы характеризуют выполнение клеточными мембранами двух противоположных функций: барьерной, обеспечивающей защиту клетки от чужеродных веществ, и транспортной, которая способствует поступлению в клетку веществ, необходимых для ее жизнедеятельности. Опыт применения в медицине электрических полей свидетельствует, что направленное регулирование этих функций биопотенциалов помогает в диагностике заболеваний, доставке лекарств в больные органы, физиотерапевтическом лечении и др.

Методы диагностики заболеваний, основанные на регистрации биопотенциалов, разработаны для большой группы органов, обладающих мощным биопотенциалом. В теории биополя органы моделируют в виде трехмерных анизотропных проводников со специфичным распределением биопотенциалов. Каждый орган характеризуется присущим только ему удельным электрическим сопротивлением, областям нулевого потенциала и точек с высокими (1-10 мВ) абсолютными значениями отрицательного и положительного биопотенциалов.

Самым известным и популярным способом биополевой диагностики является электрокардиография - метод функционального исследования сердца, основанной на регистрации кинетических зависимостей его биопотенциалов. Электрокардиограмму, т.е. кинетическую кривую разности потенциалов электрического поля сердца при его сокращениях, снимают с помощью специальных приборов. Электрокардиоскоп фиксирует показатели активности сердца с помощью электронно-лучевой трубки. Электрокардиофон преобразует биопотенциалы сердца в звуковые сигналы. Для диагностики нарушений ритма и проводимости сердца, выявления дефектов межпредсердной и межжелудочковой перегородок используют более изощренные методы. Интракардиальная электрография регистрирует зависимость биопотенциалов сердца от времени с помощью электродов, размещенных в стенках его полостей. Внутриполостная электрограмма сердца - кинетическая кривая электрического поля сердца, регистрируемая с помощью электродов, которые вводят в полости сердца по кровеносным сосудам.

Разработана обширная группа методов диагностики функционального состояния головного мозга. Методом электроэнцефалографии осуществляют графическую запись биопотенциалов мозга во времени. С помощью электроэнцефалоскопии биопотенциалы разных участков мозга фиксируют на экране осциллоскопа в виде совокупности точек, изменяющих свою яркость и размеры. Электроэнцефалофония основана на преобразовании инфразвуковых колебаний биопотенциалов в колебания звуковой частоты. В ходе хирургических операций применяют электрокортикографию - метод исследования коры полушарий головного мозга путем регистрации ее биопотенциалов с помощью электродов, которые фиксируют на определенных участках коры. Методом электросубкортикографии регистрируют биопотенциалы подкорковых структур головного мозга с помощью введенных в них электродов.

Состояние нервной системы диагностируют методом электронейрографии, регистрирующим изменения во времени потенциалов действия (U_a) периферических нервов.

Для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта разработаны следующие методы. Электрогастрография предназначена для исследования моторной деятельности желудка путем регистрации его биопотенциалов во времени. Электроинтестинография - аналогичный метод диагностики кишечника. Биопотенциалы различных отделов желудочно-кишечного тракта идентифицируют по частоте их колебаний (0,1-0,3 - для тонкой и 0,015-0,030 Гц - для толстой кишок).

В офтальмологии методы регистрации биопотенциалов используют для исследования нистагмов - непроизвольных ритмических двухфазных (с быстрой и медленной фазами) движений глазного яблока. Электронистагмография - метод исследования нистагма на основе графической регистрации биопотенциалов глазного яблока. Методом электроокулографии изучают биопотенциалы глазодвигательных мышц и наружных слоев сетчатки. Электроретинография позволяет регистрировать биопотенциалы сетчатки, возникающие при световом раздражении глаза.

Функциональная диагностика мышечной системы в настоящее время невозможна без электромиографии - метода графической регистрации биопотенциалов скелетных мышц. С помощью кинетических зависимостей биопотенциалов - миограмм - измеряют время и амплитуды колебаний потенциалов, оценивая активность мышц. Электромиомастикациография - одновременная графическая регистрация биопотенциалов жевательных мышц и движений нижней челюсти.