Физико-химические механизмы поляризационных явлений в живых клетках и

Механизм поляризационных явлений связан с наличием на поверхности клеток полупроницаемой мембраны. В основе мембранной теории лежит представление о том, что большая часть электролитов в протоплазме находится в свободном состоянии. Согласно этой теории клеточная мембрана в норме является непроницаемой для ряда ионов, например для ионов натрия, а ионы калия пропускает только в одном направлении - внутрь клетки. Возникновение поляризации объясняется следующим образом. При действии внешнего электрического поля ионы в клетках движутся соответственно их зарядам. Постепенно разноименно заряженные ионы концентрируются у противоположных участков внутренней поверхности клеточной мембраны, поскольку последняя непроницаема для этих ионов. Внутри клетки образуется поляризационное поле, противостоящее внешнему полю. Как только поляризация компенсирует напряженность внешнего поля, перемещение ионов прекращается, т.е. поляризация достигнет максимума. Соответственно заряду, накопленному на внутренней стенке мембраны, с наружной стороны ее индуцируются ионы противоположного знака. При этом получается конденсатор, в котором мембрана служит диэлектриком.

Сторонники этой концепции емкость клетки рассматривают как емкость мембраны, а сопротивление клетки, по их мнению, определяется поверхностной проводимостью мембраны, т.е. проводимостью мембраны.

По мере накопления практических данных стали появляться возражения против этой концепции. Прежде всего трудности возникли при объяснении структурных особенностей мембраны, которая должна односторонне пропускать калий и не пропускать натрий. Непосредственные опыты, проведенные с радиоактивным натрием, показали, что он свободно проникает в неповрежденные клетки. Кроме того, если бы единственным поляризационным элементом клеток действительно являлась мембрана, то тогда имела бы место пропорциональность между изменением емкости и Омического сопротивления. Но многочисленные исследования показали, что при действии раздражающих факторов изменения этих величин непропорциональны.

При исследовании электрических параметров гемолизированных эритроцитов было обнаружено, что поляризационные свойства их долгое время не изменяются. Объяснить это тем, что остаться неповрежденной клеточная мембрана, очевидно, нельзя, т.к. при этом наблюдается выход из клеток крупных молекул гемоглобина. Поэтому есть основания утверждать, что наряду с поляризацией на поверхности клеток, поляризация возникает также и во всем объеме. В пользу этого говорят, в частности, известные опыты Блинкса (L.Blinks), проведенные на крупных клетках водорослей.

Опыты показали, что при изменении электропроводности внутри клеток электродами получаются величины такого же порядка, как и при положении электродов снаружи.

Для живых объектов характерно высокое сопротивление. Поэтому, естественно искать аналогию электрических свойств живых объектов с электрическими свойствами диэлектриков. Теория поляризации диэлектриков разработана Вагнером. В ее основу положена гипотеза Максвелла о слоистой структуре диэлектриков.

Разберем схему возникновения поляризации в гетерогенной системе, состоящей из двух слоев с разной электрической проводимостью.

Проводимость 1-го слоя (λ₁), меньше проводимости II-го слоя (λ₂), диэлектрические константы слоев соответственно будут ε₁ и ε ₂, причем ε ₁ > ε ₂.

При включении тока плотность заряда распределится соответственно диэлектрическим константам слоев в данном случае плотность тока во II-м слое (σ₁), будет больше:

ε ₂ σ₂₌ ε₁σ_1.

Количество ионов одноименного знака, уходящих из слоя с большей проводимостью, будет больше количества ионов, уходящих в слой с меньшей проводимостью. Вследствие этого у границы раздела слоев диэлектрика начнет накапливаться заряд, т.е. появиться вторичная Э.Д.С. обратного знака. Появление заряда на границе раздела вызовет изменение поля в слоях, а это вызовет, в свою очередь изменение токов: во II-м слое ток будет уменьшаться со временем, а в 1-ом увеличиваться.

Период собственных колебаний электромагнитного поля, при котором происходит максимальное поглощение мощности, вычисленный для полярных молекул, а именно для молекул белков и молекул воды при комнатной температуре равен:
- для белков - ω_m =6*10^-7 с^-1 (λ = 0,8 - 8m )

- для молекул воды - ω_m = 2,8 *10^-12 с^-1 (λ = 0,3m )

Вследствие неоднородности живых тканей изменение их электрических параметров наблюдается как в области дециметровых - метровых волн (резонанс белковых молекул), так и в области сантиметровых волн (резонанс молекул воды).

Обобщение диэлектрических свойств тканей приводит к суммарной частотной характеристике, из которой следует, что при диэлектрических

измерениях можно различать 3 области дисперсии: α , β , γ - дисперсии.

1. α-дисперсия - занимает область низких частот звукового диапазона. При таких частотах трудно получить точные значения ε , т.к. эксперимент сильно затруднен из-за поляризации электродов. В этой области дисперсии приобретает решающее значение эффект поверхностной поляризации частиц.

Это убедительно показывает, что наблюдаемая дисперсия обусловлена не свойствами самой мембраны, а свойствами поверхности частиц. По мере увеличения частоты полная поверхностная проводимость увеличивается.

2. β-дисперсия - занимает широкую область частот, в которой существует зависимость дисперсии от вида объекта. Вплоть до частот порядка 10⁶ -10⁷Гц дисперсия в большой мере определяется поверхностной поляризацией. На это дисперсионное явление насаливается дисперсия, связанная с поляризационными свойствами молекул. Очевидно, что Максимум потерь в области частот 10⁴Гц обусловлен молекулярными свойствами высокополимерных соединений протоплазмы, а Максимум потерь в области более высоких частот - свойствами веществ с меньшими молекулами.

3. γ-дисперсия - лежащая в диапазоне сантиметровых волн, - характер

дисперсии при ν выше 1000mГц удовлетворительно объясняется полярными свойствами молекул свободной воды. Дисперсия диэлектрической проницаемости (ε) тканей с малым содержанием воды (жировая ткань, костная ткань) обуславливается, в основном, их структурой. В микроволновом диапазоне частот диэлектрические параметры таких тканей практически частотно независимы.