Chương 1 điện thế sinh vật

Bài giảng Điện tử Y sinh Nguyễn Văn Phòng Chương 1 ĐIỆN SINH VẬT Việc phát minh ra điện tích và dòng điện đã đem đến cho con người một nguồn năng lượng mới cùng những thiết bị, máy móc chính xác tinh vi, hiệu suất cao Ðiện đã và đang đóng góp một phần tích cực vào sự phát triển và sự tiến bộ của xã hội loài người Tác dụng của điện tích và các loại dòng điện lên cơ thể sống nói chung và con người nói riêng cũng đã được tìm hiểu từ lâu và có nhiều ứng dụng trong y học Sự phát sinh ra dòng điện là.

Chương 1: ĐIỆN SINH VẬT Việc phát minh điện tích dịng điện đem đến cho người nguồn lượng thiết bị, máy móc xác tinh vi, hiệu suất cao Ðiện đóng góp phần tích cực vào phát triển tiến xã hội loài người Tác dụng điện tích loại dịng điện lên thể sống nói chung người nói riêng tìm hiểu từ lâu có nhiều ứng dụng y học Sự phát sinh dòng điện số biểu phức tạp, đa dạng hoạt động sống Dòng điện "sống" phản ánh tính chất hóa-lý q trình trao đổi chất số quan trọng đáng tin cậy chức sinh lý thể sống Ngày kỹ thuật đại ghi điện sinh vật thể người giúp ích nhiều cho thầy thuốc việc xác định nguyên nhân nhiều loại bệnh đề xuất biện pháp điều trị thích hợp Trong chương ta khảo sát số vấn đề tượng điện sinh vật, tác dụng dòng điện lên thể sống ứng dụng chúng 1.1 CÁC LOẠI ÐIỆN THẾ SINH VẬT CƠ BẢN Ý tưởng mối liên hệ chặt chẽ dòng điện hoạt động sống lan truyền từ khoảng năm 1731 Gray (Anh) Nollet (Pháp) khẳng định tồn điện tích thực vật, động vật Tiếp theo vào năm 1751 Adanson nhận thấy tác dụng điện giống cá điện tương tự bình Leyden động vật người Walch (1773) chứng minh tính đồng tác dụng kể đồng thời cho thấy phóng điện loại cá điện, bình Leyden truyền theo dây dẫn bị ngắt vật cách điện Khởi đầu cho nghiên cứu dịng điện sinh học (dịng điện sống) thí nghiệm tiếng bác sĩ người Ý Galvani (1791) Ông người tìm đặc trưng quan trọng tế bào sống: Giữa tế bào sống môi trường bên ngồi ln tồn chênh lệch điện Ðo loại tế bào khác nhau, chênh lệch điện vào khoảng 0,1V, riêng loại cá điện sinh xung điện (các hiệu điện xuất gián đoạn theo thời gian) khoảng 600V, 100mA Tuy sau nhiều nhà bác học khác quan tâm nghiên cứu, đến 100 năm sau, người chưa hiểu rõ chế tượng điện sinh vật Trong vài chục năm gần đây, nhờ máy ghi đo điện xác, máy phát xung điện thiết bị điện tử đại, nhờ áp dụng có hiệu phương pháp đồng vị phóng xạ, kính hiển vi điện tử, hóa học tế bào.v.v phát nhiều quy luật hoạt động điện tế bào 1.1.1 Ðiện nghỉ Kết thí nghiệm phát điện nghỉ mơ tả hình 4.1 cho thấy: · Khi điện cực đặt bề mặt sợi thần kinh khơng có chênh lệch điện Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng TO · Khi chọc điện cực qua màng vào sâu tế bào, điện cực đặt bề mặt sợi thần kinh hai đầu điện cực xuất hiệu điện · Khi điện cực chọc xun qua màng, khơng có chênh lệch điện Như phần bên tế bào mơi trường bên ngồi ln tồn hiệu điện Sự chênh lệch điện gọi điện nghỉ hay điện tĩnh Ðiện nghỉ có hai đặc điểm sau: · Mặt màng tế bào sống ln có điện âm so với mặt ngồi, tức điện nghỉ có chiều khơng đổi · Ðiện nghỉ có độ lớn biến đổi chậm theo thời gian Nếu sử dụng kỹ thuật ghi đo tốt trì để độ lớn điện nghỉ không đổi nhiều thí nghiệm; giá trị điện nghỉ nhỏ hoạt động chức tế bào bắt đầu giảm Ðể đo điện nghỉ bắt buộc phải chọc hai điện cực qua màng tế bào, làm cho màng tổn thương nhiều Vì điện ghi thực chất điện xuất tế bào bị tổn thương Ðể giảm tổn thương tới mức tối thiểu, điện cực dùng để chọc qua màng phải có kích thước nhỏ (ta gọi vi điện cực) cho hiệu điện ghi xem điện nghỉ Hình 4.2 mơ tả loại vi điện cực kiểu Linh Giêra, chế tạo thủy tinh, đường kính từ 0,1 đến 0,5 Các điện kế (Vol kế) để ghi điện nghỉ phải có điện trở lớn dòng điện qua chúng đủ nhỏ, không gây nên tượng phân cực đáng kể Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng Hình 4.3 mơ tả thiết bị đo điện nghỉ Ðiện nghỉ đo vôn kế điện tử có điện trở lối vào lớn Người ta sử dụng vi điện cực chọc qua màng tế bào nghiên cứu điện cực không phân cực đặt dung dịch KCl Ðiện cực tiếp xúc với mơi trường bên ngồi tế bào nghiên cứu (dung dịch muối dùng để nuôi tế bào thường dung dịch Ringer) qua cầu thạch aga 1.1.2 Ðiện hoạt động Khi tế bào bị kích thích, dấu điện tích hai phía màng tế bào đảo ngược hẳn so với lúc nghỉ, điện mặt trở nên âm mặt Lúc xuất điện hoạt động Có thể ghi điện hoạt động hai phương pháp a Phƣơng pháp hai pha Hai điện cực ghi đặt bề mặt sợi thần kinh hai vị trí (1) (2) Một điện kế nhạy G nối với điện cực (hình 4.4a) Theo quan điểm cổ điển, có tác nhân kích thích vào sợi dây thần kinh (xung điện, chất hóa học ) có sóng hưng phấn mang điện âm truyện dọc theo sợi thần kinh Như thay đổi dấu diện tích điểm đặt điện cực tương ứng với lan truyền sóng hưng phấn so với điện cực xác định dạng điện hoạt động Khi sóng hưng phấn đạt tới điểm đặt điện cực thứ nhất, mặt màng điểm trở nên âm xuất dịng điện theo hướng từ điện cực thứ hai đến điện cực thứ Thiết bị ghi ghi lại dao động dịng điện phía (hình 4.4b) Liền sau hưng phấn bao trùm hai vùng điện cực vùng điện cực thứ hai trở thành âm hiệu điện hai điện cực Bút ghi trở giá trị ban đầu (hình 4.4c) Tiếp tục lan truyền, sóng hưng phấn rời vị trí (1) cịn vị trí (2) vị trí (2) lại trở nên âm so với vị trí (1), dó dịng điện mạch hướng từ điện cực thứ tới điện cực thứ hai tức ngược chiều so với dịng điện lúc trước (hình 4.4d) Khi sóng hưng phấn hoàn toàn rời khỏi vùng đặt điện cực ghi đo, trạng thái nghỉ ngơi ban đầu phục hồi hiệu điện hai điện cực lại (hình 4.4e) Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng T b.Phƣơng pháp pha Trong phương pháp này, có điện cực lớn đặt vị trí (2) điện cực thứ hai vi điện cực cắm xun qua màng vị trí (3)(hình 4.5) Khi chưa kích thích, vi điện cực điện cực lớn có hiệu điện thế, điện nghỉ thần kinh (khoảng -80mV) Khi kích thích thần kinh vị trí (1), sóng hưng phấn lan truyền phía vị trí (2): hiệu điện hai điện cực tăng từ -80mV đạt tới giá trị sóng tới vị trí (2) Khi sóng hưng phấn truyền từ (2) tới (3) hiệu điện điện cực lại giảm từ giá trị giá trị điện nghỉ lúc ban đầu (-80mV) Như điện hoạt động biến đổi nhanh chóng điện nghỉ tác dụng tác nhân kích thích Gần đây, nhờ dao động ký điện tử nhạy ghi tỷ mỉ xác điện hoạt động phương pháp pha: đỉnh điện hoạt động có dạng gai nhọn, đỉnh không dừng lại giá trị 0, mà tiếp tục vượt sang phía có giá trị dương (Hình 4.6) Ðo sợi trục khổng lồ thần kinh cá mực người ta thấy điện nghi có giá trị khoảng 60mV, phần đỉnh điện hoạt động nhô khỏi giá trị khoảng 50mV Trên hình 4.6 dựa vào biến đổi điện hai phía màng chia điện hoạt động làm nhiều giai đoạn sau: · Giai đoạn khử cực (đoạn AA') ứng với lúc hiệu điện hai phía màng biến đổi từ giá trị điện nghỉ đến giá trị · Giai đoạn khử cực (gai nhọn A'BB') ứng với hiệu điện hai phía màng vượt giá trị Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng · Giai đoạn phân cực lại (đoạn B'C) ứng với lúc hiệu điện phía màng từ giá trị trở giá trị điện nghỉ · Giai đoạn phân cực (đoạn CD) ứng với lúc hiệu điện phía màng có giá trị âm giá trị điện nghỉ Chính điện hoạt động đảm bảo cho trình dẫn truyền hưng phấn dọc theo sợi thần kinh Các kết thực nghiệm sau cho thấy điện hoạt động có khả lan truyền: - Ðiện hoạt động ghi chậm so với thời điểm kích thích sợi thần kinh ta đặt điện cực xa vị trí kích thích - Thời gian điện hoạt động lớn hai điện cực đặt xa Trong điều kiện sinh lý không thay đổi tốc độ lan truyền điện hoạt động sợi thần kinh không đổi Ðối với sợi thần kinh có đường kính nhau, tốc độ lan truyền sợi có bao mlin lớn sợi khơng có bao mlin Q trình lan truyền khơng làm thay đổi dạng biên độ điện hoạt động Cơ chế trình lan truyền điện hoạt động giải thích sau: Ta biết trạng thái kích thích, dấu điện tích hai phía màng bị đảo ngược so với lúc nghỉ ngơi Giả sử màng tế bào bị kích thích vị trí B lúc dấu điện tích mặt màng B (+) màng (-), xuất dịng chỗ có chiều hình 4.7a sợi thần kinh khơng có bao mlin Chính dịng điện chỗ làm giảm giá trị hiệu điện phía màng vùng lân cận với vùng kích thích Tại vùng A hiệu điện giảm tới giá trị ngưỡng, điện hoạt động xuất tức vùng A chuyển sang trạng thái hưng phấn lại xuất dòng điện chỗ vùng A vùng lân cận Cứ sóng hưng phấn lan truyền dọc theo sợi thần kinh Vùng C bị hưng phấn trước vùng B, có tác động dịng điện chổ, chuyển sang trạng thái hưng phấn A, vùng C giai đoạn trơ Khác với trên, trình lan truyền sợi thần kinh có bao myêlin xảy theo lối nhảy cóc từ eo Ranvier sang eo Ranvier khác dòng điện chỗ xuất eo (hình 4.7b), mà tốc độ lan truyền nhanh so với sợi khơng có bao myêlin 1.2 CƠ CHẾ CỦA HIỆN TƢỢNG ÐIỆN SINH VẬT Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng Vì thể sinh vật coi hệ thống chứa dung dịch điện ly, nên tìm hiểu chế hoạt động điện tế bào người ta nghĩ đến vài trò ion dung dịch Cuối kỷ trước 19, Dubois Reymond Hermann so sánh dấu hiệu điện sinh vật với lượng ion chứa trong tế bào Sau Nernst, Lazarev, Hodgkin, Huxley, Katz nghiên cứu tượng sâu Cần nhấn mạnh chừng tế bào cịn sống, cịn có chênh lệch nồng độ ion tế bào môi trường bên ngồi Thí dụ, nồng độ ion K+ sợi lớn khơng gian bên ngồi tế bào chừng 40 lần, nồng độ ion Na+ ngược lại Ở mơi trường bên ngồi nhiều sợi khoảng 10 lần Do để tìm hiểu chế tượng điện sinh vật, trước hết cần khảo sát xuất hiệu điện hai phía màng có dung dịch điện ly nồng độ khác 1.2.1 Các loại hiệu điện TOP a Hiệu điện khuếch tán Hiệu điện xuất ranh giới dung dịch điện ly có nồng độ khác cation (ion dương đến cathod) anion (ion âm đến anod) chứa dung dịch có độ linh động khác Cịn độ linh động anion cation nhau, ví dụ trường hợp K+ Cl-, khơng xuất hiệu điện khuếch tán Ðộ lớn hiệu điện khuếch tán lính cơng thức sau: U RT u   u  C1 ln ZF u   u  C Trong đó: R số khí lý tưởng (R=8,3145J/mol.oK); F số Faraday 96500 C; T nhiệt độ tuyệt đối dung dịch; Z hóa trị ion điện ly; u+ độ linh động cation; u- độ linh động anion; C1, C2 nồng độ dung dịch Các ion Kali, Natri, Hydro, Clo, Canxi, OH NH4 giữ vai trị việc tạo nên điện khuếch tán tế bào mơ Những ion khác giữ vai trị khơng đáng kể Khi mặt ngồi tế bào bị huỷ hoại, hai dung dịch tế bào tiếp giáp Các dung dịch khác thành phần nồng độ ion Vì thế, dung dịch xuất hiệu điện khuếch tán b Hiệu điện nồng độ Nhúng hai điện cực làm thứ kim loại vào hai dung dịch có nồng độ ion kim loại khác Sau đạt trạng thái cân bằng, điện cực xuất điện mà độ lớn phụ thuộc vào tỷ số nồng độ ion kim loại điện cực dung dịch Vì nồng độ ion kim loại hai dung dịch khác nên giá trị điện cực khác, chúng xuất hiệu điện Uc, gọi hiệu điện nồng độ UC  RT C đc RT C đc RT C ln  ln  ln ZF C1 ZF C1 ZF C1 Trong đó: R: số khí lý tưởng; T nhiệt độ tuyệt đối; Z: hóa trị kim loại; Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng F số Faraday (F = 96500 C); C1, C2 nồng độ ion kim loại dung dịch (l) (2); Cđc nồng độ ion kim loại điện cực Như vậy, hiệu điện nồng độ xác định tỉ số nồng độ ion kim loại hai dung dịch Ở điều kiện bình thường 25oC (T=298oK) lấy giá trị R=8,3145J/mol.oK, F=96500 C UC  26 C ln ( mV ) Z C1 c Hiệu điện màng cân Donnan Một nguyên nhân tạo phân bố khơng đồng ion có mặt màng bán thấm Tùy thuộc vào kích thước lỗ màng, điện tích màng tính thấm chọn lọc màng, chúng thấm với ion mà khơng thấm với ion khác Chính mà xuất hiệu điện màng, giá trị điện màng phụ thuộc đặc tính mức độ thấm chọn lọc màng, kích thước điện tích ion độ linh động chúng Ví dụ: Màng protein mơi trường kiềm tích điện âm thấm chọn lọc cation không thấm anion Ở tổ chức sống nồng độ dung dịch điện ly, hợp chất chúng với chất hữu cơ, tính thấm màng ln thay đổi việc đánh giá, giá trị điện màng phức tạp nhiều Một quy luật phân bố ion hai phía màng có tính thấm chọn lọc quy luật cân R Donnan Xét hệ gồm hai phần, ngăn cách màng bán thấm, phần I có dung dịch KCl, phần II có dung dịch muối protein Kali màng thấm K+ CṬ (hình4.8) Sau thời gian, trạng thái cân động thiết lập hai phía màng có chênh lệch nồng độ ion có khả khuếch tán qua màng [K+]I < [K+]II [Cl- ]I > [Cl- ]II Do chênh lệch nồng độ này, phía màng xuất hiệu điện nồng độ UC Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng UC  RT [ K  ]1 26 [ K  ]1 ln  ln (mV ) ZF [ K  ] [ K  ]2 [ K  ]1 [Cl  ] Vì (từ điều kiện cân động hệ),  [ K  ] [Cl  ]1 đó: U C  26 [ K  ]1 26 [Cl  ]2 ln  ln (mV ) [ K  ]2 [Cl  ]1 1.3 Lý thuyết ion màng tƣợng điện sinh vật T Theo lý thuyết ion màng, trình hình thành điện sinh vật, ion dịch bào môi trường tế bào (đặc biệt ion K+, Na+ ) màng tế bào có vai trị định Cho tới lý thuyết có nhiều ưu điểm việc giải thích tượng điện sinh vật 1.3.1 Lý thuyết ion màng điện nghỉ Bernstein người đưa lý thuyết ion màng điện sinh vật, theo Bernstein trạng thái tĩnh màng thấm K+ không thấm Ion Na+ anion liên kết với ion K+ Vì nồng độ ion K+ tế bào lớn màng nhiều nên ion K+ không ngừng khuếch tán qua màng Trong lực hút tĩnh điện anion cation giữ chúng lại màng làm cho màng bị phân cực cách bền vững Như phân bố khơng đồng ion tính thấm chọn lọc màng nguyên nhân tạo điện nghỉ Bảng 4.1 Nồng độ ion đối tượng nghiên cứu khác tạo điện thêm nghỉ (Na+, K+, Cl) Ðối tượng nghiên Nồng độ dịch Nồng độ môi trường Tỉ số Nồng độ dịch cứu bào (mM) (mM) bào Nồng độ Thần kinh ếch Na 37 K 110 Cl 26 Na 110 K 2,6 Cl 77 môi trướng Na+ K+ Cl0,340 42 0,048 Cơ ếch 15 125 1,2 110 2,6 77 0,140 48 0,016 Tim chuột cống 13 140 1,2 150 4,0 120 0,087 35 0,010 Cơ vân chó 12 140 1,2 150 4,0 120 0,080 35 0,010 + + - + + - Quan điểm Bernstein Boyle Conley phát triển: trạng thái tĩnh, ba ion phân bố phía màng tế bào giống phân bố ion trường hợp cân Donnan Ðiện nghĩ U xác định tỷ số nồng độ ion K+ (hoặc ion Cl-) có khả khuếch tán qua màng bên tế bào Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng   26 [ K ]trong 26 [Cl ]ngoài U  ln  ln (mV ) [ K  ]ngoài [Cl  ]trong Bằng thực nghiệm Boyle Convey chứng minh nồng độ ion K+ mơi trường ngồi có giá trị từ 13 đến 300 mg/lít, ion Cl- K+ phân bố hai phía màng theo qui luật cân Donnan [ K  ]trong [ K  ]ngoài  [Cl  ]ngoài [Cl  ]trong Tuy nhiên giả thuyết bị bác bỏ hoàn toàn nhờ kỹ thuật đánh dấu phóng xạ người ta phát ion Na+ xâm nhập qua màng vào tế bào Mặc đù Deen nhận xét cách sâu sắc rằng: Cho dù màng tế bào có thấm ion Na+, qui luật cân Donnan ứng dụng cho trình phân bố ion Na+, K+, Cl- hai phía màng giả thiết ion Na+ có khả vận chuyển ngược chiều građiêng nồng độ để lọt tế bào với tốc độ tốc độ dòng ion Na+ vào tế bào Ý kiến Deen, đặc biệt giả thuyết khả vận chuyển ion Na+ tế bào nhiều thực nghiệm xác minh Deen với Boyle, Convey xem góp phần quan trọng trình tìm hiểu chất điện nghỉ Những nghiên cứu phương pháp đánh dấu phóng xạ ghi đo điện nghỉ cho thấy muốn tính giá trị điện cần đưa thêm vào công thức hệ số thấm màng tế bào ion K+, Na+ Cl- Theo Goldman, nếu: · Màng tế bào có tính chất đồng điện trường không đổi · Dung dịch điện ly coi lý tưởng, nghĩa khơng có yếu tố ngăn cản ion đến tiếp xúc với điện cực · Chỉ có ion hóa trị tham gia vào hình thành điện nghỉ · Mơi trường hai phía màng tế bào rộng vơ tận Khi điện nghỉ tính theo cơng thức sau:   _ RT PK [ K ]trong  PNa [ Na ]trong  PCl [Cl ]ngoài U ln F PK [ K  ]ngoài  PNa [ Na  ]ngồi  PCl [Cl _ ]trong Trong PK, PNa, PCl hệ số thấm màng ion K+, Na+, Cl- Các giá trị điện nghĩ tính từ phương trình Goldman tương đối phù hợp với giá trị thu từ thực nghiệm 1.3.2 Lý thuyết ion màng điện hoạt động Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phịng Bernstein giải thích xuất điện hoạt động sau: Khi tế bào trạng thái hưng phấn màng tế bào thấm tất loại ion Vì vậy, điện nghỉ; tạo kết phân bố không đồng ion hai phía màng Dịng anion từ tế bào làm cho giá trị điện nghỉ phía màng biến đổi từ giá trị điện nghỉ xuống giá trị điện hoạt động điện nghỉ giá trị Giả thiết Bernstein tồn Hodgkin, Huxley (1938), Cole Curtis (1939) phát giá trị điện hoạt động lớn giá trị điện nghỉ, tức sau khử cực màng hoàn toàn, điện hoạt động tiếp tục tăng đạt tới giá trị Sau Cơle Cơtis cho tính thấm màng thay đổi phụ thuộc vào trạng thái tế bào giải thích kết thí nghiệm Hodgkin Huxley mà Bernstein chưa giải thích được: Khi tế bào trạng thái hưng phấn tính thấm màng ion Na+ tăng lên, dịng ion Na+ từ ngồi vào tế bào lớn dòng ion K+ từ tế bào ngoài, phân cực màng bị đảo ngược so với lúc nghỉ ngơi kết điện hoạt động lớn điện nghỉ giá trị Tế bào trở lại trạng thái với phân bố ion lúc đầu (nghỉ ngơi) nhờ trình dịch chuyển ion ngược chiều gradien điện hóa nhờ lượng trình trao đổi chất Nhiều kết thực nghiệm chứng minh vai trò ion Na+ thay đổi tính thấm màng q trình hình thành điện hoạt động Thí nghiệm Hodgkin (1949) giảm nồng độ Na+ mơi trường xung quanh tế bào đỉnh tương ứng điện hoạt động giảm Khi môi trường xung quanh khơng có ion Na+ đỉnh điện hoạt động (phần gai nhọn nhô lên giá trị 0) tức điện hoạt động điện nghỉ giá trị Thí nghiệm tương tự với ion K+, Ca++, Cl- hồn tồn khơng cho kết đặc trưng Do kết luận chắn vai trị ion Na+ q trình khử cực màng tế bào bị kích thích Phương pháp cố định điện thế: Bản chất phương pháp thông qua vi điện cực đặt tế bào điện cực bên màng người ta đặt điện áp khử cực có giá trị ổn định nhờ khuếch đại có mối liên hệ ngược (hồi tiếp) Ðồng thời thông qua hệ điện cực khác ta thu nhận ghi lại dòng điện xuất trường hợp thí nghiệm Nhờ phương pháp Hodgkin, Katz Huxley (1952) giải thích rõ chế điện hoạt động Kết thực nghiệm tóm tắt sau: · Nếu khử cực màng mức độ thấp (điện áp khử cực cố định khoảng 10-15mV) thấy xuất dòng điện vận chuyển ion từ tế bào · Nếu khử cực màng mức độ cao (điện áp từ 20-100mV) giai đoạn đầu khoảng 2-3 ms xuất dòng ion vào tế bào Sau dịng ion lại đổi chiều tế bào Màng bị khử cực mạnh dịng ion ngồi tế bào tăng Nếu mơi trường xung quanh tế bào khơng có muối Na+, người ta thấy dòng ion giai đoạn đầu Ðiều chứng tỏ màng bị khử cực tới mức độ điện trở màng giảm đi, tính thấm lại tăng lên lực gradien nồng độ làm cho ion Na+ dịch chuyên lớn lực điện trường điện áp khử cực cố định đặt màng Kết ion Na+ thấm qua màng vào tế bào theo gradien nồng độ · Nếu khử cực màng với điện áp có giá trị cân với lực gradien nồng độ ion Na+ tạo dòng điện giai đoạn đầu có dịng điện thứ hai xuất Bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ Hodgkin Huxley chứng minh dòng điện thứ hai dịng ion K+ theo chiều gradien nồng độ tế bào Từ kết giải thích xuất điện hoạt động sau: Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng Màng tế bào có tính thấm chọn lọc ion nên trạng thái tĩnh tạo hiệu điện tính theo phương trình Goldman (PK: PNa: PCl = : 0,04: 0,45) Khi tế bào trạng thái hưng phấn, tính thấm chọn lọc màng thay đổi (PK: PNa: PCl = 1: 20: 0,45) Cụ thể giai đoạn đầu điện hoạt động, tính thấm màng ion Na+ tăng vọt lên, sau tính thấm lại tăng chậm ion K+ Sự thay đổi không xảy lúc lệch pha (hình.4.9) Do thay đổi tính thấm, ion Na+ thấm qua màng vào tế bào, dòng điện ion tạo lớn màng tế bào bị khử cực mạnh Quá trình khử cực tiếp diễn hiệu điện màng vượt giá trị 0, tiến tới giá ta xấp xỉ với điện chênh lệch nồng độ ion Na+ phía màng Tiếp tính thấm màng ion Na+ lại bị ức chế, tính thấm lại tăng ion K+ Dịng ion K+ từ tế bào theo gradien nồng độ tăng cường làm cho điện tích phía màng ngày âm nhiều hơn, nghĩa màng bị phân cực lại Hiệu điện màng trở giá trị điện nghỉ chút, tượng q phân cực Hình 4.10 trình bày biến đổi dịng ion K+, Na+ trình tạo điện hoạt động Người ta tính 0.01s, thần kinh phản ứng với vài triệu xung điện đến kích thích, tế bào lượng ion K+ giảm đi, ion Na+ tăng lên đáng kể Ðể điều chỉnh Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng cho nồng độ ion hai phía màng tế bào có giá trị khơng đổi, sau lần kích thích thần kinh phải xảy trình vận chuyển K+ Na+ theo chiều ngược lại Ðó q trình vận chuyển tích cực, ngược chiều với građiên nồng độ mà nghiên cứu 1.3.3 Hạn chế thuyết ion màng tƣợng điện sinh vật Lý thuyết ion màng không rõ theo chế mà tính thấm màng thay đổi với ion Na+, K+ giai đoạn điện hoạt động Các nghiên cứu gần xác định màng tế bào có kênh dẫn riêng cho loại ion cấu tạo phân tử protein, việc đóng mở kênh phụ thuộc vào thay đổi điện màng Người ta cho thay đổi điện màng gây thay đổi tính chất màng ảnh hưởng đến định hướng nhóm tích điện phân bố lại đại phân tử protein màng đại phân tử protein tham gia vào thành phần cấu tạo nên kênh dẫn kết dẫn đến thay đổi tính thấm màng ion - Trong hoạt động điện thần kinh, lý thuyết ion màng chưa giải thích vai trị ion hóa trị hóa trị 3, có nhiều kết thực nghiệm khẳng định vai trò ion Ca2+ trình hình thành điện hoạt động - Thuyết ion màng thiếu sót cho ràng tồn ion phía màng trạng thái tự do, nghĩa khuếch tán qua màng Thực nghiệm chứng minh có lượng ion K+ định trạng thái liên kết chúng không tham gia vào trình tạo nên điện sinh vật Lý thuyết ion màng chưa ý đến vai trò màng: tế bào bị kích thích, màng xảy biến đổi cấu trúc, hình dạng phần tử cấu tạo nên màng 1.3.4 Vai trò ion Ca++ hoạt động điện tế bào Nhiều thực nghiệm cho thấy tham gia ion Ca++ vào hoạt động điện tế bào cụ thể ion Ca++ tham gia khử cực màng loại tế bào, kể sau bị kích thích: tế bào trơn, lim, nơron số loại động vật có xương sống Tính chất chung loại tế bào tồn kênh "Canxi" điện hoạt động có chất NatrṩCanxi Nhiều nhà nghiên cứu giả thiết màng tồn kênh dẫn "nhanh "chậm", tế bào bị kích thích kênh đẫn "nhanh" cho dịng ion Na+ vào tế bào hình thành giai đoạn đầu điện hoạt động, sau kênh dẫn chậm tiếp tục cho ion Na+, Ca++ qua hồn thành q trình khử cực Chính có mặt nhóm có lực khác ion thấm kênh mà kênh cho ion qua giữ ion khác lại - Bên cạnh người ta cho ion Ca++ có tham gia vào cấu trúc lớp ngồi màng tế bào Khi tế bào trạng thái kích thích, lượng ion Ca++ màng giảm đi, tính dẫn điện tính thấm màng tế bào thay đổi Ðể hiểu rõ điều cần nghiên cứu biến đổi cấu trúc protein phospholipid, đại phân tử mà ion Ca++ đến kết hợp, tế bào từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái hoạt động (hình 4.11) Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng Ở trạng thái nghỉ (hình 4.11a) cần lưu ý đến mối liên kết phân tử ion Ca++ gắn với điện tích âm thuộc đại phân tử cạnh Ở trạng thái kích thích ion Ca++ tách khỏi đại phân tử Dịng cation hóa trị 1, từ bên tế bào khuếch tán đến màng, tới vị trí mà ion Ca++ vừa rời khỏi, cation kết hợp với diện tích âm đại phân tử Như vị trí cation Ca++ thay cation hóa trị (Na+ hay K+) (hình 4.11b) kết là: · Liên kết phân tử bị đứt, khoảng cách đại phân tử protid hay lipid cấu tạo nên màng tăng lên, cấu trúc màng trở nên lỏng lẻo · Tỷ số ion hóa trị hóa trị tăng lên, nói khác số lượng hạt mang điện đến màng tăng lên Do tính thấm màng ion hóa trị tăng lên, điện trở màng giảm điện hoạt động xuất Sau điện hoạt động chấm dứt, tế bào không bị kích thích, cation hóa trị lại rời khỏi nhóm mang điện tích âm, nhường lại chỗ cho ion Ca++ màng lại có cấu trúc lúc nghỉ ngơi Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng ... K+ Cl0,340 42 0,048 Cơ ếch 15 12 5 1, 2 11 0 2,6 77 0 ,14 0 48 0, 016 Tim chuột cống 13 14 0 1, 2 15 0 4,0 12 0 0,087 35 0, 010 Cơ vân chó 12 14 0 1, 2 15 0 4,0 12 0 0,080 35 0, 010 + + - + + - Quan điểm Bernstein... 10 lần Do để tìm hiểu chế tượng điện sinh vật, trước hết cần khảo sát xuất hiệu điện hai phía màng có dung dịch điện ly nồng độ khác 1. 2 .1 Các loại hiệu điện TOP a Hiệu điện khuếch tán Hiệu điện. ..  ]1 đó: U C  26 [ K  ]1 26 [Cl  ]2 ln  ln (mV ) [ K  ]2 [Cl  ]1 1.3 Lý thuyết ion màng tƣợng điện sinh vật T Theo lý thuyết ion màng, trình hình thành điện sinh vật, ion dịch bào môi trường