ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МЕМБРАН БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

В последнее время усиленное внимание уделяется выявлению физических механизмов функционирования белковых и мембранных структур ввиду актуальности исследований в данной области [6, 2]. Объектами ряда исследований авторов явились ткани биологических объектов растительного происхождения, представляющих систему растительных клеток, межклеточного пространства и внутриклеточного пространства.

Как жидкость, разделяющая клетки, так и цитоплазма внутри клетки, хорошо проводят электрический ток. Плохо проводящий слой клеточной мембраны, разделяющий между собой клетки, формирует емкостные свойства системы. Электропроводность биологических объектов определяется присутствием в их объеме свободных носителей заряда: электронов и дырок, а также поляризацией физиологически активных молекул и клеток. Детальное изучение электрических свойств биологических сред может выявить определенные закономерности, позволяющие дифференцировать различные биологические объекты и производить оценку их свойств. Т.к. в клетках разных растительных веществ присутствуют различные ионы, обладающие разной подвижностью, разной способностью накапливаться по обе стороны мембраны и проникать через ее поры, очевидно, что должна наблюдаться дисперсия электрических свойств растительных тканей, результаты исследований которой и приводятся в данной работе.

Процедура измерений реализовалась следующим образом. На биологический объект, находящийся в состоянии равновесия, подается малое по амплитуде переменное напряжение [8]. Амплитуда напряжения выбирается таким образом, чтобы отклик на малое возмущение объекта являлся линейным, т.е. выполнялся принцип суперпозиции. Величина импеданса объекта биологического происхождения в наибольшей степени изменяется в диапазоне частот от 10-3 до 106 Гц. В процессе измерений регистрируются реальная и мнимая составляющие сигнала-отклика, которые соответствуют величине импеданса и фазового сдвига.

Для интерпретации результатов измерений импеданса структур была предложена эквивалентная схема (см. Рисунок 1) ткани биологического объекта, представляющего собой систему растительных клеток, заполненных клеточным соком, и межклеточного пространства. В нашей экспериментальной ситуации эквивалентом емкости двойного электрического слоя на границе раздела металлического измерительного электрода и межклеточной жидкости является элемент С1. Электрическое сопротивление этого слоя переменному току характеризуется элементом R1. Цепочка параллельно включенных активного сопротивления и емкости описывает систему растительных клеток. Емкость С2 обусловлена электрической емкостью мембран клеток, а сопротивление R2 – электрическим сопротивлением мембран и внутриклеточного пространства [7, 5].

1.   Действительная составляющая импеданса с увеличением частоты уменьшается. Для всех исследуемых тканей мнимая составляющая имеет выраженный максимум, частота максимума варьируется в зависимости от вида биологического объекта [4]. Процессы, происходящие       в структурах при данных условиях, носят релаксационный характер, и постоянная времени релаксации может быть определена из частотной зависимости.

2.    Частотная зависимость импеданса характеризует только живые клетки. В работе [3] было сделано предположение о том, что количество живых клеток должно влиять на величину импеданса. Оказалось, при кратковременной термической обработке продуктов, (порядка 30 с) наблюдается снижение как электрического сопротивления при низких частотах, так и величины фазового сдвига при высоких частотах. В случае длительной термической обработки (более 180 с), когда происходит разрушение всех клеток, характер изменения Z(f) и j(f) существенно меняется. Электрическое сопротивление значительно (на 20 – 35%) уменьшается, и во всем диапазоне частот фазовый сдвиг j(f) =0. На Рисунке 2 представлены частотные зависимости мнимой части комплексного сопротивления Im Z тканей картофеля при различных температурах. Видно, что с ростом температуры кривые Re Z (ω) монотонно смещаются вниз, величина сопротивления изменяется от R(275) = 3400 Ом до R (358) = 40 Ом. Максимум на зависимости Im Z (ω) вначале уменьшается по величине, а затем при Т = 358 К исчезает. При этом также происходит смещение максимума в область более высоких частот.

3.   Механическая деструкция также влияет на электрические свойства исследуемых структур. Из Рисунка 3 видно, что при механической деструкции клеток активное сопротивление ткани Re Z уменьшилось более чем в 7 раз, а на частотной зависимости реактивного сопротивления отсутствует максимум.

Таким образом, исследования частотной зависимости импеданса биологических тканей позволяют определить величину электрического сопротивления их мембран переменному току и энергию активации носителей заряда.

Список литературы

1.     Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика. – М.:Медицина. – 1983. – 272 с.

2.     Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с англ. – М.: Мир, 1997. – 624 с, ил.

3.     Голев И.М., Лесникова Э.П., Бобкина Е.Ю. Исследование плодоовощной продукции методом импедансной спектроскопии // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013, №12. С 31-34.

4.     Голев И.М., Санин В.Н. , Титов С.А., Коротков Л.Н. Электрическая эквивалентная схема биологических объектов растительного происхождения. // Вестник государственного ун-та инженерных технологий, 2014, №4, С.119-205

5.     Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические процессы в переменном токе // Успехи химии.- 1975, т. 44, вып.11. С. 1979 -1986.

6.     Молекулярная биология клетки: в 3-х томах. Т1. / Б. Альтбертс, А. Джонсон, Д. Дьюис и др. М.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013 . – 808 с.

7.     Седунов Б.И., Франк-Каменецкий Д.А. Диэлектрическая проницаемость биологических объектов/ Успехи физических наук, 1963, т. LXXIX, вып. 4, С. 617-639

8.     Электроаналитические методы. Теория и практика / Под. ред. Ф. Шольца; Пер. с анг. под ред. В.Н. Майстенко.- М.:БИНОМ, 2010. – 326 с.