Электропроводность клеток и тканей. Виды поляризации

  Биологические объекты представляют  собой гетерогенные структуры. Гетерогенность тканей в большой степени обусловлена наличием мембран. К ним относятся клеточные поверхностные мембраны, окружающие клеточные органоиды и образующие эндоплазматическую сеть. Если собственно цитоплазма клеток обладает малым сопротивлением в силу наличия в ней большого количества свободных ионов, то мембраны обладают очень большим сопротивлением (1000 Ом/см²) в результате их малой проницаемости для ионов. Макроструктурная поляризация происходит во всем объеме клеток, а не только на клеточной мембране, как считали раньше, поскольку гетерогенность структуры имеется во всем объеме клеток. За счет макроструктурной поляризации, которая играет основную роль в биологических объектах, диэлектрическая проницаемость тканей, измеренная в постоянном электрическом поле, достигает очень больших величин – до нескольких миллионов.

   Поверхностная поляризация происходит на поверхностях, имеющих двойной электрический слой. При наложении внешнего поля происходит перераспределение ионов диффузионной части двойного электрического слоя: частицы дисперсной фазы смещаются в одну сторону, а ионы диффузионного слоя – в другую. В результате этого частицы дисперсной фазы с противоионами диффузионного слоя превращаются в наведенные диполи. Время релаксации поверхностной поляризации лежит в пределах от 10^-3 до 1 с.

   Электролитическая поляризация возникает между электродами, опущенными в раствор электролита, при пропускании через них электрического тока. До протекания тока концентрация потенциалопределяющих ионов у обоих электродов была одинаковой, потенциалы электродов Е также были равны:

                                                                                                          (6)

где E₀ – нормальный потенциал электрода; R -  газовая постоянная; T – абсолютная температура; n – валентность ионов; F – число Фарадея; - активность потенциалопределяющих ионов в приэлектродной зоне.

  При наложении разности потенциалов  на электроды произойдет перераспределение потенциалопределяющих ионов в диффузионной части двойного электрического слоя: в области катода концентрация ионов (катионов) увеличится, а в области анода – уменьшится. Обозначим активности ионов в приэлектродной зоне катода и анода через ₁ и ₂ соответственно. Тогда собственные потенциалы катода E_k и анода E_α станут равны:

                                                                  (7)

   В процессе дальнейшего изменения концентрации ионов в приэлектродных слоях могут начаться электрохимические реакции на электродах: ионы будут переходить из раствора на один электрод, а с другого электрода уходить в раствор. Поляризация в этом случае будет протекать уже по другому закону. Однако и в этом случае между электродами будет существовать ЭДС поляризации, направленная против приложенной извне ЭДС.

    Таким образом, и в  случае электролитической поляризации  появление ЭДС поляризации обусловлено  смещением зарядов, которое в данном случае проявляется как изменение концентрации ионов в приэлектродной зоне. ЭДС электролитической поляризации можно обнаружить следующим способом: отключить источник тока и измерить  разность потенциалов между электродами приборами  с высоким входным сопротивлением. По существу в данном случае электролитическая ячейка представляет собой концентрационный элемент. Время релаксации электролитической поляризации измеряется величинами порядка 10^-4-10² с.

   Все описанные явления  поляризации в той или иной степени присущи биологическим объектам. При наложении внешней разности потенциалов в тканях возникает противоположно направленное электрическое поле, которое значительно уменьшает внешнее поле и обусловливает высокое удельное сопротивление тканей постоянному току (порядка 10⁶-10⁷ Ом*см). При этом вначале возникают те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксации.

  Все явления поляризации  могут описаны с помощью диэлектрической  проницаемости вещества. Диэлектрическая  проницаемость ε характеризует уменьшение величины электрического поля в веществе по сравнению с величиной электрического поля в вакууме. Если напряженность однородного поля, образуемого некоторыми зарядами, в вакууме равняется E₀, а напряженность поля, создаваемого этими же зарядами, в веществе – E, то

                                                                                                                             (8)

   Если, например, диэлектрическая  проницаемость воды равняется  80, то это значит, что напряженность поля между двумя пластинами, между которыми находится вода, в 80 раз меньше напряженности поля, создаваемого этими же зарядами в вакууме. И это уменьшение напряженности поля обусловлено дипольной поляризацией, вызванной вращением (ориентацией) полярных молекул воды в электрическом поле.

   Величина ε определяется как отношение емкости конденсатора С, между обкладками которого находится данное вещество, к емкости С₀ того же конденсатора в вакууме:        

                                                                                                                            (9)

Список использованной литературы

1. Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. Медицинская биофизика: Учебник.- М.: Медицина, 1978. – 336 с.
2. Рубин А. Б.Биофизика: В 2-х кн.: Учеб. для биол. спец. вузов. Кн. 2. – М.: Высш. шк., 1987.
3. Самойлов В. О. Медицинская биофизика: Учебник. – СПб.: СпецЛит, 2004.- 496 с.