БІОФІЗИКА РОСЛИН - Ю. І. Посудін - 2004

І. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РОСЛИННИХ КЛІТИН ТА ТКАНИН

4. ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РОСЛИН

4.2. ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КЛІТИНИ

Розглянемо сферичну рослинну клітину та оцінимо результуючий електричний заряд, що утворює типову різницю потенціалів на мембрані. Величина електричного заряду сфери q пов'язана з ємністю сфери С та різницею потенціалів Δφ на обкладинках сферичного конденсатора співвідношенням:

Припустимо, що результуючі заряди, густина яких n, рівномірно розподілені у просторі клітини. З урахуванням того, що заряд усередині сфери q = (4/3)nF (тут коефіцієнт F = 96487 Кл/моль), ємність сфери С = 4πr²С_s, де r - радіус сфери, С_s - ємність одиниці площі поверхні сфери, можна написати вираз для різниці потенціалів для випадку сферичного конденсатора:

Це рівняння визначає різницю потенціалів між центром сфери та її зовнішньою поверхнею. Але у внутрішньому водному середовищі клітини заряди не є рівномірно розподіленими: вони відштовхують один одного і збираються на внутрішній поверхні сфери. Таким чином, різниця потенціалів у дійсності припадає на обмежуючу поверхню сфери, тобто мембрану.

Електричні властивості біологічних мембран характеризуються такими параметрами: ємність (на одиницю площі) С_s = 0,5-1,3 мкФ·см²; опір (на одиницю площі) R_s = 10²-10⁵ Oм·см^-2. Обговоримо основні пасивні електричні властивості клітинних мембран, які обумовлені структурними особливостями. По-перше, ліпідний шар є непроникним для іонів, через що він спроможний розділяти заряди і виконувати функції ємності. По-друге, ліпідний шар оснащений іонними каналами, через які можуть проходити неорганічні іони. Перенос електричних зарядів через мембрану можна уявити у вигляді еквівалентного електричного ланцюга, який складається з паралельно з’єднаних конденсатора С_M і опору R_M. Функції конденсатора виконує ліпідний бішар, а опір є аналогом провідності, обумовленої іонними каналами.

Нехай сферична Клітина діаметром 30 мкм має трансмембранну різницю потенціалів -100 мВ (типове для багатьох клітин значення). Припускаючи, що ємність клітинної мембрани С_s = 1 мкФ·см²(або 10^-6 Кл·В^-1·см^-2), обчислимо середню густину електричних зарядів у клітині, яка відповідає цій різниці потенціалів:

Від'ємний знак свідчить, що усередині клітини більше аніонів, ніж катіонів. Нагадаємо, що загальна концентрація іонів у рослинних клітинах становить 0,1 моль.

Контрольні запитання

1. Охарактеризувати види транспорту речовини крізь мембрани.

2. Що таке дифузійна та осмотична рівновага?

3. Пояснити фізичні принципи утворення хімічного та електричного градієнтів.

4. Що описує рівняння Нернста?

5. Що називають потенціалом спокою, потенціалом дії?

6. Пояснити основні Методи вимірювання мембранних потенціалів.