Краткое содержание реферата по электропроводности клеток. Чем определяется электропроводность
 Скачать 40.81 Kb.
|
|
Живой организм с точки зрения электрохимии можно рассматривать как систему, состоящую из клеток и межклеточного пространства, заполненных растворами электролитов. Большое влияние на электрическую проводимость биологических сред оказывают меж- и внутриклеточные мембраны, особенно при использовании постоянного тока. В этом случае на мембранах под действием постоянного электрического поля за счет перераспределения ионов возникает нарастающая до некоторого предела электродвижущая сила (ЭДС) противоположного направления, что уменьшает электрическую проводимость системы в целом. В связи с этим в медико-биологических исследованиях измерения, как правило, проводят при переменном токе с частотой более 1 кГц. В соответствии с законами электрической проводимости лучше проводят ток биожидкости и ткани небольшой плотности, содержащие много воды и высокоподвижных ионов. Это кровь, лимфа, желудочный сок, моча, спинномозговая жидкость, мышцы, подкожная клетчатка. Низкая электрическая проводимость у нервной ткани, жира, кожи и костной ткани. Чем определяется электропроводность Электропроводность живых тканей определяется концентрацией ионов и их подвижностью, которые весьма неодинаковы в различных тканях, в связи с чем биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. В межклеточной жидкости с максимальным содержанием ионов удельная электропроводность достаточно высока и составляет 1 См • м-1. Напротив, в цитозоле, содержащем органеллы и крупные белковые молекулы, она понижается до 0,003 См • м-1. Удельная электропроводность плазмолеммы и внутриклеточных мембран еще ниже (1-3) • 10-5 См • м-1. Удельная электропроводность целых органов и тканей существенно меньше, чем составляющих их сред. Ее наибольшие величины (0,6-2,0 См • м-1) имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, моча, спинномозговая жидкость), а также мышечная ткань (0,2 См • м-1). Напротив, удельная электропроводность костной, жировой, нервной ткани, а в особенности грубоволокнистой соединительной ткани и зубной эмали чрезвычайно низкая (10-3-10-6 См • м-1). Электропроводность кожи зависит от толщины состояния дериватов и содержания воды. Сухая кожа является плохим проводником электрического тока, тогда как влажная хорошо проводит его. В связи с тем, что постоянный ток распространяется по пути наименьшего сопротивления, то состояние электропроводности тканей и тесно с ней связанная поляризация существенно сказываются на происходящих в организме изменениях при гальванизации, лекарственном электрофорезе и других электротерапевтических методах. Электропроводность клеток и тканей для цепи постоянного тока. Электрическая поляризация. Виды электрической поляризации При приложении постоянной разности потенциалов к тканям организма в них наблюдается два явления: 1) Постоянный электрический ток в проводящих тканях; 2) Различные виды поляризации (электронной деформации, ионной поляризации, дипольноориентационная поляризация, микроструктурной поляризации, электролитическая поляризация, поверхностная поляризация) в диэлектрических тканях. Величина тока в тканях определяется по закону Ома для участка цепи, однако для электролитов, а, следовательно, и биообъектов, закон имеет своеобразный вид: I =  , где U – приложенное к участку ткани напряжение, R – активное сопротивление этого участка,  - ЭДС поляризации, которая возникает в результате поляризационных явлений как на электродах, так и внутри ткани на полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегородках. Все рассмотренные явления поляризации в той или иной степени присущи биологическим объектам. При приложении внешнего поля в тканях индуцируется противоположно направленное поле за счет поляризационных явлений, которое уменьшается внешнее поле и обуславливает высокое удельное сопротивление тканей постоянному току. Электропроводность клеток и тканей для цепи переменного тока. Импеданс клеток и тканей Значительно более сложный характер носит электропроводность клеток и тканей для переменного тока. При приложении к биологическому объекту переменного напряжения, в нём также возникает электрический ток и поляризационные явления. Электрическую модель биологического тока для переменного тока можно представить в виде двух сопротивлений: активного, определяемого по формуле  ; ёмкостного  ; индуктивное сопротивление равно нулю. Общее сопротивление в цепи переменного тока называется импедансом Z и определяется по формуле: при последовательном соединении  при параллельном соединении   Импеданс ткани изменяется с частотой. Это явление называют дисперсией. Величина импеданса определяется сопротивлением самой ткани, а также зависит от соотношения частоты или периода приложенного напряжения и времени релаксации: 1) если Т/4 > τ (Т/4 – время возрастания приложенного напряжения от 0 до max, τ – время релаксации), проводимость объекта и диэлектрическая проницаемость с частотой не меняется; 2) если Т/4 < τ, то поляризация не успевает достигнуть максимального значения, поэтому при этих условиях в некотором промежутке частот с увеличением частоты проводимость возрастает, а диэлектрическая проницаемость уменьшается; 3) если Т/4 << τ, то поляризационные явления практически не возникают, ε и ρ остаются неизменными. Общая картина частотной зависимости электрических параметров сохраняется для всех тканей. Некоторые индивидуальные особенности ее определяются размерами и формой клеток, величиной их проницаемости, соотношением между объемом клеток и межклеточных пространств, концентрацией свободных ионов в клетках, содержанием свободной воды и др. Изменение состояния клеток и тканей, их возбуждение, изменение интенсивности метаболизма и других функций клеток приводит к изменению электропроводности биологических систем. В этой связи изменение электропроводности используют для получения информации о функциональном состоянии биологических тканей, для выявления воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов при патологии или действии на организм различных факторов, для оценки кровенаполнения сосудов органов и тканей и др. Дисперсия электрических свойств тканей, обусловленная состоянием заряженных частиц, играет важную роль в действии на организм лечебных физических факторов, в особенности переменных токов, электромагнитных полей и их составляющих. Они определяют их проникающую способность, селективность и механизмы поглощения энергии факторов, первичные механизмы их действия на организм. Исследование биологических объектов с помощью постоянного и переменного электрического тока К пассивным электрическим свойствам биологических объектов относятся: сопротивление, электропроводимость, ёмкость, дипольная проницаемость. В норме и патологии эти параметры меняются и могут быть использованы для изучения структуры и физико-химического состояния биологического вещества. Эти свойства проявляются, если к исследуемому участку ткани приложить напряжение небольшой величины. Пассивные электрические свойства клеток и тканей изучают с помощью мостовых схем. Метод измерения пассивных свойств тканей для диагностических целей имеет преимущество в том, что используемые напряжения не вносят существенных изменений в физико-химические процессы, происходящие в биообъекте, и тем более не повреждают его. Известно, что пассивные электрические свойства отражают изменения физиологических состояний объекта при патологии, повреждениях, действиях физических факторов (температуры, облучения, давления) и др. Рассмотрим примеры использования этого метода в биологических и медицинских исследованиях: 1) на низких частотах измерение ёмкости и сопротивления клеточных мембран может служить мерой их проницаемости для различного вида ионов; 2) на начальной стадии воспаления происходит набухание клеток без изменения проницаемости их мембран, в это время уменьшается объём межклеточного пространства, а, следовательно, увеличивается активное сопротивление ткани. В более поздние сроки воспаления происходит увеличение проницаемости клеточных мембран и, как следствие, уменьшение ёмкости и активного сопротивления. Таким образом, изменение электрических параметров тканей может служить средством для диагностики воспалительных процессов; 3) Степень повреждения или отмирания ткани связана с дисперсией импеданса на низких частотах, чем больше повреждение, тем меньше дисперсия; 4) С помощью импедансометрии определяется кровенаполнение органов и тканей – при систоле сопротивление органа уменьшается, при диастоле увеличивается, т.к. кровь имеет меньшее сопротивление, чем клетки; 5)Определяют содержание свободных и связанных ионов в различных образованиях биологического объекта (определяют концентрацию свободных ионов в цитоплазме; исследуют количественно процессы связывания ионов молекулами белков или других орг. соединений; определяют степень гидратации белковых молекул). В медицине с лечебной целью широко применяется нагрев высокочастотными полями и токами, причем тепловой эффект при различных методах воздействия зависит от удельного сопротивления, относительной диэлектрической проницаемости, частоты и количественной характеристики действующего фактора. Использование в диагностике Электрическая проводимость большинства тканей и сред организма лежит в основе таких физиотерапевтических методов лечения, как ионофорез, электростимуляция, диатермия, ультравысокочастотная терапия и т. п. При ионофорезе лекарственные вещества вводятся в организм через неповрежденную кожу, сквозь поры потовых желез с помощью постоянного тока; в местах приложения электродов образуются кожные депо ионов, откуда лекарственный препарат постепенно перемещается к очагу поражения. В зависимости от заряда ионов лекарственных препаратов они вводятся с положительного или отрицательного электродов. Измерение электрического сопротивления кожи имеет большое практическое значение для клинической рефлексологии, так как позволяет объективно определять местонахождение биологически активных (акупунктурных) точек на нашем теле. В области акупунктуры (1-3 мм2) кожа имеет низкое электросопротивление (1-3 кОм), тогда как остальные участки кожи имеют электросопротивление 20-100 кОм. В совокупности акупунктурные точки составляют систему прямой и обратной связи наших органов с окружающей средой. Поэтому рефлексология использует их и в диагностических, и в терапевтических целях, оказывая на эти точки различные воздействия (иглоукалывание, электропунктура, облучение лазером). Знание и понимание основных закономерностей электрической проводимости клеток и тканей необходимо для того, чтобы освоить соответствующие разделы таких курсов, как физиология человека, патофизиология, физиотерапия, общая и коммунальная гигиена. Значение Изучение электропроводящих свойств тканей и органов живых организмов имеет большое значение для понимания особенностей их строения и функционирования в норме и патологии. Так, удельная электрическая проводимость мочи в норме лежит в пределах 1,6-2,3 См/м. При заболеваниях почек (нефрит, нефросклероз, гломерулонефрит) электрическая проводимость может уменьшаться до 0,9-1,4 См/м, что связано с уменьшением концентрации NaCl и увеличением содержания белка. При диабете электрическая проводимость мочи также понижена до 0,9-1,4 См/м из-за повышенного содержания сахара, являющегося неэлектролитом. Электрическая проводимость желудочного сока зависит главным образом от содержания в нем свободной соляной кислоты. В норме удельная электрическая проводимость желудочного сока составляет 1,0-1,25 См/м. Значения свыше 1,25 См/м указывает на гиперкислотность, в пределах 0,8-1,0 - на гипокислотность, а менее 0,8 - свидетельствуют о бескислотности. Показано, что при воспалительных процессах электрическая проводимость клеток сначала уменьшается вследствие набухания клеток и увеличения клеточного объема, затем увеличивается в связи с ростом проницаемости мембран. Электрическая проводимость крови изменяется в процессе свертывания. При появлении в крови фибрина и затем кровяного сгустка электрическая проводимость падает до тех пор, пока не начинаются ретракция и фибринолиз, сопровождающиеся выделением сыворотки из сгустка, его растворением и некоторым увеличением электрической проводимости крови. На определении электрической проводимости крови основано изучение кровенаполнения органов и сосудов. Электрическая проводимость цельной крови меньше, чем других клеточных жидкостей, поэтому при наполнении сосудов кровью их электрическое сопротивление повышается. Метод изучения кровообращения в печени, сердце, почках, кровотока в сосудах на основе кондуктометрических измерений получил название реографии. Значение электрохимических явлений для медицины Электрохимия представляет собой раздел физической химии, изучающий превращение химической энергии в электрическую, и наоборот. Электрохимические явления, протекающие в человеческом организме, представляют чрезвычайно интересную и еще недостаточно исследованную область. Известно, что движение скелетных мышц, сокращение сердца, возбуждение и торможение клеток центральной нервной системы, распространение импульсов по нервам сопровождаются электрическими явлениями. Возникают электрические потенциалы, «токи действия», которые можно обнаружить и измерить специальной аппаратурой. Широко используются приборы, которые записывают эти токи в целях диагностики некоторых заболеваний сердца, головного мозга и мышц - электрокардиографы, электроэнцефалографы и электромиографы. Биологические ткани и жидкости содержат значительное количество электролитов и обладают довольно высокой электропроводностью. Основываясь на этом, в физиотерапии успешно применяют ионофорез, т.е. введение лекарств в виде ионов с поверхности кожи и слизистых, к которым прикладывают соответствующие электроды. Метод измерения импеданса нашел широкое применение при изучении процессов, протекающих в живых тканях при изменении их физиологического состояния, при патологических состояниях, при действии повреждающих факторов: температуры, излучения, ультразвука и т.д. При патологических процессах в тканях происходит изменение их электрических свойств: увеличивается проницаемость мембран и, как следствие, увеличиваются ионные потоки и, следовательно, ослабляется эффект поляризации границ раздела. Это приводит к падению сопротивления и емкости на низких частотах. На высоких частотах поляризация границ раздела практически отсутствует, поэтому высокочастотное сопротивление существенным образом не меняется. Таким образом, при действии повреждающих факторов и при отмирании ткани дисперсия ее электрических параметров снижается. При полной гибели ткани дисперсия отсутствует. Изучение зависимости Z (ν) используется для оценки и прогнозирования жизнеспособности ткани. Метод электропроводности применяется и для оценки кровенаполнения органов. При увеличении наполнения органа кровью во время систолы сердца его сопротивление уменьшается, так как кровь обладает меньшим удельным сопротивлением, чем клетки. При диастоле сердца сопротивление органа увеличивается. Диагностический метод регистрации изменений сопротивления органов, обусловленный изменением кровенаполнения, называется реографией. С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцефалография), сердца (реокардиография), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. |