Биоэлектрохимия

БИОЭЛЕКТРОХИМИЯ

Нескородова П.А.,

студент направления подготовки «Химические технологии»,

ОБПОУ «Курский электромеханический техникум»

Научный руководитель – Кривенко А.А., преподаватель,

ОБПОУ «Курский электромеханический техникум»

Зарождение биоэлектрохимии принято датировать 1791годом - годом опубликования Гальвани знаменитого "Трактата о силах электричества при мышечном движении". Там было описано, как, приводя в контакт с препаратом нервномышечной ткани два разных металла, он наблюдал сокращение мышцы лягушки. Гальвани предположил, что сокращение мышц вызвано «животным электричеством» (биоэлектричеством), причем нервное волокно играло роль проводника; последний в соединении с металлическими электродами замыкал цепь и способствовал разряду мышцы, эквивалентной лейденской банке. Физик Вольта заинтересовался опытами Гальвани и воспроизвел их. В ходе экспериментов он установил, что источником электричества был именно контакт разнородных металлов с раствором электролита, которым насыщена мышечная ткань. Так был открыт источник тока, названный впоследствии гальваническим элементом.

В 1797 году Гальвани описал явление сокращения мышцы без включения в систему разнородных металлов. Тем не менее, этот эксперимент уже не мог преодолеть скепсис ученого мира- победа в полемике осталась тогда за Вольтой. Только в середине ХIХ века наступила эра полной реабилитации биоэлектричества. Выяснилось, что существует целый класс возбудимых клеток, которые обладают способностью генерировать электрические поля и локальные токи, имеющие важнейшее функциональное значение. Было известно, что нервные волокна служат каналами передачи информации от головного мозга к мышцам. Однако вопрос о носителе информации оставался долгое время открытым, пока торжество гальванизма не привело к решению проблемы -"язык" этот по природе своей оказался электрическим.

Электрический сигнал, который является переносчиком
информации, представляет собой не что иное как скачок потенциала (биоэлектрический потенциал) на мембране нервной клетки, изменяющийся в ответ на стимул по определенному закону. Этот отклик является результатом разделения зарядов на мембране - ионы натрия при этом поступают
внутрь клетки, ионы калия – наружу. Важное значение для выяснения механизмов генерации биоэлектрических потенциалов имело использование гигантских нервных волокон головоногих моллюсков, главным образом кальмара. Диаметр этих волокон в 50 – 100 раз больше, чем у позвоночных животных, он достигает 0,5–1 мм, что позволяет вводить внутрь волокна микроэлектроды, инъекции различных веществ в протоплазму и т. д.

Вершиной исследований механизма генерации потенциалов в нервных волокнах и клетках являются работы английских физиологов А. Ходжкина и Э. Хаксли. Они по праву считаются основоположниками современной мембранной теории возбуждения (1947–1952 г.г.). Эта теория получила всеобщее признание, а ее авторы удостоены Нобелевской премии (1963г.). Первым исследователем отечественной биоэлектрохимии, который начал систематически изучать свойства мембран нервных волокон, является Заслуженный деятель науки РФ, почетный член Российской Академии естественных наук, лауреат Государственной премии, доктор медицинских наук Ходоров Борис Израилевич (17.01.1922 – 5.07.2014 г.). Им собран обширный и ценный материал по действию состава физиологического раствора на деятельность этих структур. Ряд важных особенностей нервного волокна удалось выяснить с помощью математического моделирования процессов, протекающих на мембранах нервных волокон. Термин «биоэлектрохимия» получил официальное признание в 1971 г.

Биоэлектрохимия изучает:

- тончайшие, деликатнейшие процессы в живых организмах — в клетках, мембранах, нервных волокнах и нейронах;

- электрохимические закономерности, лежащие в основе биологических процессов (в частности, передачи информации по нервным волокнам, преобразования энергии, фотосинтеза, рецепции, взаимодействия и слияния клеток);
- воздействие внешних электрических полей на биологические системы.

В 1977 году в Институте электрохимии в Москве была создана лаборатория биоэлектрохимии, позднее преобразованная в отдел. Заведующим лабораторией биоэлектрохимии был член-корреспондент РАН, профессор Юрий Александрович Чизмаджев.

Основные направления исследований:

- липид/белковые мембранные наноструктуры, ответственные за слияние, деление и транспорт:

- механизм вирусного инфицирования (роль М1-белка в процессе выхода генетического материала в цитоплазму);

- деление мембранной нанотрубки в модельных и клеточных системах (эндоцитоз);
- молекулярный механизм действия Na/K-ATФазы.

Аденозинтрифосфатазы

(АТФ-азы) - группа ферментов класса гидролаз, катализирующих отщепление от аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) одного или двух остатков фосфорной кислоты с освобождением энергии, используемой в процессах мышечного сокращения, транспорта веществ через мембраны, биосинтеза различных соединений.

Важнейшие результаты исследований:

1) Теория возбудимых сред: решена задача о скорости распространения нервного импульса по гладкому однородному волокну; рассмотрены более сложные задачи: миелинизированное волокно, геометрически неоднородное и ветвящееся волокно, взаимодействие импульсов, распространяющихся по соседним волокнам; разработаны методы описания распространения возбуждений в нейронных сетях.

2) Мембранный транспорт: механизм переноса ионов Na⁺ и K⁺ через соответствующие каналы (модели на основе липидных бислоёв (БЛМ), содержащих комплексоны типа валиномицина и грамицидина; теория подвижных переносчиков (валиномицин + K⁺ ) и однорядного транспорта (грамицидин + K+).

3) Термодинамика, механика и электростатика мембран: разработано два оригинальных метода - потенциодинамический (И.Г. Абидор) и компенсации второй гармоники тока (В.С. Соколов), позволившие изучать адсорбцию заряженных частиц, определять заряд любого монослоя, находить граничный потенциал, порождённый поверхностными диполями.

4) Мембрана в электрическом поле. Воздействие сильного электрического поля разрушает мембраны. Разрушение является следствием возникновения и развития липидных пор. Разработанная теория объяснила происхождение резкой зависимости времён жизни мембран от напряжения. Открыт т. н. обратимый пробой, когда в ответ на воздействие внешнего поля в мембране возникает огромное количество пор малого радиуса, но мембрана остаётся устойчивой, а поры залечиваются после снятия напряжения.

Теория электропорации получила признание во всём мире. Изучение пробоя клеточных мембран показало, что он является обратимым. Это открыло возможности для различных медицинских и биотехнологических приложений. В лаборатории налажен выпуск электропораторов (И.Г.Абидор и др.), которые использовались и у нас, и в других лабораториях страны (рис.1). Интересные приложения электропорации - это генная электротерапия, гидромезотерапия (в косметологии). Электропорация является мощной, высокоэффективной технологией для введения молекул (нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, красители) и вирусных частиц в широкий круг прокариотических и эукариотических клеток. Высокоинтенсивное электрическое поле делает мембраны временно проницаемыми, что позволяет поглощать молекулы из окружающей среды.

Рисунок 1. Электропоратор и пластиковые кюветы с алюминиевыми электродами, используемыми для электропорации

Электропоратор для трансформации бактерий, дрожжей и
других микроорганизмов, позволяет добиться гораздо более
высокой эффективности трансформации по сравнению со стандартными химическими методами. Электропораторы применяют для антивозрастной терапии кожи лица и тела, уменьшения жировых отложений, целлюлита, подготовки кожи к хирургическим операциям, химическим пилингам, микродермабразии и лазерной шлифовке, реабилитации. Давалос и Рубинский предложили использовать метод электропорации для лечения раковых опухолей. Гибель раковых клеток происходит в результате воздействия на них серии коротких мощных электрических импульсов, поступающих от небольших электродов, введенных в организм, или же размещенных на поверхности тела. Исследователи применили метод для уничтожения опухоли печени у крыс. При этом не были повреждены здоровые ткани и кровеносные сосуды, и не понадобилась химиотерапия. Исследования в области биоэлектрохимии позволяют повышать работоспособность, снимать усталость, повышать память человека. Перспективным является биологический топливный элемент, обеспечивающий работу протеза сердца. Биологический топливный элемент на базе ферментов, созданный Кайли Винсент и её коллегами из Оксфорда, во много раз более дешёвый, чем топливные элементы традиционной конструкции.

Британские учёные использовали два недорогих фермента: один, взятый от бактерии (фермент - гидрогеназа), а второй - от гриба (лакказа), которые способны выступать катализаторами тех же самых реакций. Каждый электрод покрыт одним из этих двух ферментов. Поскольку каждый фермент ускоряет именно свою реакцию, биологический топливный элемент не нуждается и в мембране, так как два компонента «горючего» - воздух и водород, в нём могут свободно смешиваться. В опытном образце - простой стеклянной колбе с двумя электродами, покрытыми ферментами, исследователи получали ток, просто подавая в аппарат воздух с небольшой (несколько процентов) примесью водорода. Важное значение имеет электролизный способ удаления из организма человека мочевины путем ее окисления в почечной диализной системе. Такой проект позволил создать первый портативный аппарат искусственной почки. В настоящее время пациентов подключают к больничным стационарным аппаратам «искусственная почка» (рис.2а). В результате они оказываются прикованными к постели на 4–12 часов 2–3 раза в неделю. Создан новый аппарат для гемодиализа (рис. 2, б). Он является переносным - хотя и достаточно громоздким - устройством с батарейным питанием, и рассчитан на 4–8 часов непрерывной работы.

Рисунок 2. Стационарный аппарат «искусственная почка» (а) и портативная искусственная почка (б)

Американские ученые Калифорнийского университета в Сан-Франциско разработали диализный аппарат ("искусственную почку"), который можно имплантировать в организм пациента (рис.3).

Рисунок 3. Диализный аппарат ("искусственная почка"), который можно имплантировать в организм пациента

Искусственная почка имеет размеры средней кружки. Принцип ее работы отличается от обычных диализных аппаратов. Помимо традиционных микрофильтров, очищающих кровь от токсинов, в ней есть биореактор с клетками почечных канальцев, выполняющими метаболические функции почек. Прибор не требует дополнительного питания - фильтрация в нем происходит за счет кровотока. В настоящее время разработаны и успешно применяются биосенсоры, способные, обнаруживать присутствие в контролируемой жидкости и определять концентрацию не только ионов, но и органических молекул, вирусов, микробов; современные портативные интеллектуальные сенсоры для автоматического проведения анализа крови.

Литература и источники:

1. Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия: учебник для хим. и хим.- технол. спец. вузов] / 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1984. – 519 с. 4. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. – М.: Энергоиздат, 1981. – 360 с.

2. Прикладная электрохимия / под ред. проф. Томилова А.П. – М.: Химия, 1984. – 520 с.

3. Биосенсоры: основы и приложения: Пер. с англ. / Под ред. Э Тернера, И. Карубе, Дж. Уилсона – М.: Мир, 1992. – 614 с.