Мал. 1 . Схема виникнення дифузійного потенціалу

Виникнення дифузійного потенціалу призводить до гальмування руху швидких та прискорення руху повільніших йонів. Величину дифузійного потенціалу обчислюють за рівнянням Гендерсона:

= * ln

де U- рухливість катіонів; V-рухливість аніонів.

Максимальну величину дифузійний потенціал має в розчинах кис­лот та лугів, оскільки у йонів Н₃О⁺ і ОН^- найбільша рухливість. Значно менша величина _dв розчинах солей. Наприклад, на межі поділу 0,1 і 0,001М розчинів НС1 дифузійний потенціал досягає величини 75 мВ, а на межі розчинів NaС1 тих самих концентрацій - 25 мВ.

Дифузійний потенціал виникає не тільки на межі поділу розчинів різної концентрації, а й у таких гальванічних колах, де контактують роз­чини з однаковою активністю йонів, але з різними за швидкістю руху катіонами чи аніонами.

Дифузійний потенціал суттєво ускладнює електрохімічні вимірю­вання, тому його зменшують. Для цього між розчинами різних концент­рацій вміщують проміжний розчин будь-якої солі, швидкість руху обох йонів якої приблизно однакова, наприклад, розчини КС1,NH₄СІ, NH₄N0₃ тощо. З'єднання електродних розчинів здійснюють сифоном (сольовим містком), заповненим агар-агаром, настояним на концентрованому роз­чині однієї із вказаних солей.

Близьким за своєю природою до дифузійного є мембранний по­тенціал. Якщо між двома розчинами є мембрана, яка вибірково про­пускає катіони і затримує аніони, то по обидві її сторони накопичуються йони протилежного знака і одна з них заряджається позитивно, а інша негативно, тобто виникає мембранний потенціал _м. Дифузія катіонів крізь мембрану не є нескінченною, оскільки їх притягують аніони, що залишилися по інший бік мембрани. На мембрані встановлюється рівно­вага між швидкістю дифузії та її електричним полем, потенціал якого визначають за рівнянням Нернста для ЕРС концентраційного кола:

_д =

де а_] та а₂- активності катіонів по різні боки мембрани, причому а₁ >a₂ Мембранні та дифузійні потенціали виникають у клітинах рослин­них та тваринних організмів і призводять до утворення різних біопотен­ціалів та біострумів. Мембранний потенціал може існувати без змін три­валий час.

Як відомо, нервова клітина людини складається з тіла клітини та одного довгого відростка діаметром 10^-5-10^{-7 м, який називають аксо­ном. Клітина та аксон, що відходить від неї, оточені мембраною, тому концентрація йонів усередині клітини відрізняється від концентрації тих самих йонів у зовнішньому середовищі. Йонний склад нервової клітини та середовища наведений у табл. 1.}

Йонний склад нервової клітини

Таблиця 1.

Мембрани нервових клітин, що перебувають у спокої, приблизно у 100 разів більш проникні для йонів К⁺, ніж для йонів Na⁺. Виходячи з даних, наведених у табл. 1, за температури 310 К одержимо величи­ну мембранного потенціалу -75 мВ.

Це означає, що між внутрішньою та зовнішньою сторонами клітин­ної мембрани виникає різниця потенціалів, що дорівнює 75 мВ. Цю вели­чину, виміряну у стані фізіологічного спокою клітини, називають потен­ціалом спокою. Потенціал спокою у різних клітин становить 50-100 мВ. Встановлено, що цитоплазма клітини в стані спокою завжди має від'ємний потенціал відносно потенціалу міжклітинної рідини.

Якщо нервову тканину збуджувати електрично, хімічно чи механічно, то мембрана клітини стає більш проникною для йонів Na⁺, ніж для йонів К⁺ .Йони Na⁺ починають проникати всередину клітини, що при­зводить до зміни мембранного потенціалу , який становитиме 50 мВ.

Таким чином, упродовж короткого проміжку часу (приблизно 10^-4с) мембранний потенціал змінюється від -75 до +50 мВ. Таке раптове підви­щення та падіння мембранного потенціалу називають потенціалом дії.

Залежно від довжини аксона та інших чинників швидкість, з якою відбувається передача потенціалу дії. становить 30-150 м/с. Як тільки потенціал дії віддаляється від точки збудження клітини, мембрана знову стає готовою до збудження. Це можливе тому, що за один потенціал дії аксон поглинає 3 ∙10^-11- 4 ∙10^-11 моль йонів Na⁺ на 1 см² поверхні волокна і віддає таку ж саму кількість йонів К⁺ , що не вносить суттєвих змін в йонне середовище аксона. Тому натрій-калієвий механізм здатний гене­рувати кілька сотень тисяч потенціалів дії.

Потенціали дії створюють струм (біопотенціали та біоструми), тому два електроди, прикладені до різних ділянок тіла, реєструють різницю потенціалів. Це покладено в основу електрокардіографічних, електроенцефалографічних, електроміографічних методів діагностики.