77 Chương 5 DÒNG ĐIỆN VÀ SỰ SỐNG Các ghi chép cổ xưa của người Ai Cập và hiện nay, khoa học cũng xác nhận rằng, trong tự nhiên tồn tại một số loài sinh vật có khả năng phát ra điện Một số loài cá điện[.]
Chương DÒNG ĐIỆN VÀ SỰ SỐNG MỤC TIÊU Sau học xong chương này, sinh viên có thể: − Nắm vững chất loại điện sinh vật bản, phương pháp ghi đo, điều kiện thí nghiệm giai đoạn xuất − Nắm vững lý thuyết giải thích hình thành loại điện sinh vật mối quan hệ chúng Vận dụng tính giá trị điện màng số điều kiện cho trước − Trình bày thơng số đặc trưng q trình kích thích thần kinh Giải thích tượng dẫn truyền xung động thần kinh − Nắm vững ý nghĩa thông số điện trở, điện dẫn tế bào mơ Giải thích chế phân cực hệ thống sống ứng dụng thực tiễn − Vận dụng kiến thức học vào thực tế học tập, nghiên cứu Các ghi chép cổ xưa người Ai Cập nay, khoa học xác nhận rằng, tự nhiên tồn số lồi sinh vật có khả phát điện Một số lồi cá điện sinh xung điện lên đến 600V, với dòng điện vào khoảng hàng trăm mA Dòng điện sinh vật từ lâu đề tài hấp dẫn nhà khoa học Năm 1786, Dr Louis De Galvanie phát tồn chênh lệch điện tế bào sống mơi trường bên ngồi Tuy nhiên, kết thực nghiệm sau đóng khung việc mơ tả tượng khó khăn q trình nghiên cứu sau: − Tốc độ biến đổi tín hiệu đối tượng nghiên cứu thay đổi nhanh, giá trị đo thường nhỏ − Đối tượng nghiên cứu thường có kích thước nhỏ (kích thước tế bào) − Phương pháp nghiên cứu phải đảm bảo không thay đổi trạng thái sinh lý đối tượng nghiên cứu Với thành tựu nghiên cứu mô sống năm 1940 – 1950 phát triển phương tiện ghi đo có độ nhạy cao, xác Trong thập niên gần đây, người vận dụng phương pháp ghi đo đại đồng vị phóng xạ, động học phân tử, hiển vi điện tử,… để tìm chất dòng điện sinh học Hiện tượng điện sinh vật kỹ thuật liên quan lĩnh vực điện sinh học Các thông số trình điện sở chức phận sinh lý tổ chức sống Một nội dung nghiên cứu quan trọng điện Các nghiên cứu rằng, tính chất đặc trưng tế bào động vật chúng mơi trường bên ngồi ln ln tồn chênh lệch điện Như vậy, nghiên cứu điện sinh học cần thiết phải nghiên cứu loại điện sinh vật, kỹ thuật ghi đo, xây dựng lý thuyết phù hợp để giải thích hình thành loại điện mối quan hệ chúng Trên sở ứng dụng vào thực tế chẩn đoán điều trị Để hiểu chế điện sinh vật cần hiểu số hiệu điện có liên quan sở hình thành điện sinh vật 77 5.1 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ CƠ BẢN 5.1.1 Điện điện cực (electrode) Khi nhúng điện cực kim loại vào dung dịch điện phân bề mặt điện cực xuất lớp điện tích kép Như vậy, điện cực dung dịch điện phân hình thành điện gọi điện điện cực Khảo sát trường hợp phổ biến sử dụng điện cực bạc (Ag) dung dịch nitrat bạc (AgNO3) Gọi μiđc hoá học ion kim loại điện cực μidd hoá học ion dung dịch Ta xét trường hợp sau: − Nếu μiđc < μidd: Các ion bạc (Ag+) chuyển dịch vào điện cực Điện cực tích điện dương xung quanh có lớp ion NO3- bao bọc tạo thành lớp điện kép Các ion Ag+ chuyển động theo hướng thiết lập trạng thái cân điện hóa Khi đó, hiệu điện hoá học điện cực (đc) dung dịch (dd) xác định bằng: 𝑍𝐹𝜓 = 𝜇𝑖𝑑𝑑 − 𝜇𝑖đ𝑐 (5.1) Ψ điện điện cực dung dịch; Z hoá trị ion tự do; F Hằng số Faraday − Nếu μiđc > μidd: Ion Ag+ rời khỏi kim loại để vào dung dịch, đó, điện cực tích điện âm xung quanh có lớp ion Ag+ Hiện tượng chuyển dịch ion dừng lại đạt tới trạng thái cân điện hoá − Nếu μiđc = μidd: Trong trường hợp này, dịch chuyển ion vào điện cực cân bằng, điện khơng Để tính hiệu số điện điện hóa dung dịch điện ly ta dùng phương trình Nernts sau: 𝑈𝑖 = 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑙𝑛 𝑍𝐹 𝐶𝑑𝑑 (5.2) 𝑅 số khí; 𝑇 nhiệt độ tuyệt đối; 𝑈𝑖 hiệu điện xuất chênh lệch điện ion tạo thành; 𝐶đ𝑐 𝐶𝑑𝑑 nồng độ ion điện cực dung dịch Điện nồng độ Điện nồng độ trường hợp riêng điện điện cực Khi nhúng hai điện cực kim loại vào hai dung dịch điện phân chúng với nồng độ khác (C1 ≠ C2) Khi đạt trạng thái cân điện hóa, điện cực thiết lập giá trị điện định phần nghiên cứu Và lúc này, hai điện cực xuất hiệu điện xác định công thức sau: 𝑈𝑐 = 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑅𝑇 𝐶2 𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 𝐶1 𝑍𝐹 𝐶2 𝑍𝐹 𝐶1 (5.3) Trong đó: 𝐶1 𝐶2 nồng độ ion kim loại dung dịch Điện oxy hóa khử Là dạng điện điện cực, thể thường xảy loạt phản ứng oxi hóa khử Trong điều kiện định, phản ứng nguồn xuất 78 điện động Nếu hai điện cực làm từ kim loại trơ, platin vàng, nhúng vào hai dung dịch chứa FeCl2 FeCl3, nồng độ muối dung dịch lớn dung dịch khác Giữa điện cực có dịng điện qua Phản ứng làm xuất suất điện động 𝐶𝐹𝑒 2+ > 𝐶𝐹𝑒 3+ 𝐶𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝐹𝑒 2+ Hình 5-1 Sơ đồ mơ tả thí nghiệm xác định điện oxy hóa – khử − Nếu 𝐶𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝐹𝑒 2+ phản ứng Fe3+ + e- → Fe2+ cần chất cho electron − Nếu 𝐶𝐹𝑒 2+ > 𝐶𝐹𝑒 3+ phản ứng Fe2+ - e- → Fe3+ cần chất nhận electron − Nếu nối hai mạch có dịng điện chạy từ 2→1 điện cực âm, thừa electron Hiệu điện U hai điện cực mạch oxi hóa khử: 𝑈= 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]1 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]2 𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ]1 𝐹𝑍 [𝐹𝑒 2+ ]2 hay là: [𝐹𝑒 3+ ]1 [𝐹𝑒 3+ ]2 𝑅𝑇 𝑈= (𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 ) [𝐹𝑒 2+ ]1 [𝐹𝑒 2+ ]2 𝑍𝐹 (5.4) Điện điện cực đặc trưng biểu thức: 𝑉= 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ] 𝑙𝑛 + 𝑉0 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ] (5.5) [𝑂𝑥 ] + 𝑉0 [𝐾ℎ] (5.6) hay 𝑉 = 0,058𝑙𝑛 với V0 điện điện cực điều kiện tiêu chuẩn 5.1.2 Điện ion Điện ion xuất phân bố không đồng ion âm ion dương ranh giới Lớp điện kép hình thành khơng phải ranh giới điện cực dung dịch mà dung dịch Điện khuếch tán Đặt màng phân cách hai dung dịch điện ly có nồng độ khác ion có độ linh động khác Thực nghiệm cho thấy rằng, mặt phân cách xuất hiệu điện Giá trị hiệu điện xác định công thức sau: 𝑈𝐾𝑇 = 𝑅𝑇 𝑢+ − 𝑢− 𝐶2 𝑙𝑛 𝑍𝐹 𝑢+ + 𝑢− 𝐶1 79 (5.7) 𝑢+ 𝑢− độ linh động ion dương ion âm 𝑈𝐾𝑇 hiệu điện khuếch tán, hình thành nên khuếch tán loại ion với độ linh động khác Khi độ linh động cation anion hiệu điện khuếch tán khơng có phân bố đồng trở lại ion hiệu điện Điện màng cân Gibbs - Donnan Cân Gibbs - Donnan Khi có hai pha phân cách với màng bán thấm cho dung mơi ion có kích thước bé qua ion có kích thước lớn khơng thể qua Khi đó, hai pha có phân bố trở lại ion thiết lập nên trạng thái cân gọi cân Gibbs – Donnan Điện màng Giá trị điện khuếch tán phụ thuộc vào độ linh động ion chuyển dịch chênh lệch nồng độ ion Trong trường hợp sử dụng màng bán thấm ngăn cách hai pha màng bán thấm yếu tố tác động lớn đến độ linh động chênh lệch nồng độ ion pha, ảnh hưởng lên độ lớn điện khuếch tán Nói cách khác, tùy theo tính chất hóa học, kích thước siêu lỗ điện tích màng mà màng thấm khơng thấm ion khác nhau, từ làm xuất điện màng Điện màng phụ thuộc vào: − Tính thấm chọn lọc màng; − Kích thước, điện tích độ linh động ion hệ Phần I Trạng thái cuối Cl- K+ K+ R- C1 C1 C2 C2 Cl- K+ C1-x C1-x Màng Trạng thái đầu Phần II K+ Cl- R- C2 + x x C2 Hình 5-2 Sự phân bố ion trình thiết lập trạng thái cân Gibbs - 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 ion K+ Cl- Sau thời gian, trạng thái cân động thiết lập hai phía màng có chênh lệch nồng độ ion khả khuếch tán qua màng [𝐾 + ]1 < [𝐾 + ]2 [𝐶𝑙 − ]1 > [𝐶𝑙 − ]2 Do chênh lệch nồng độ hai phía màng xuất hiệu điện màng Um 80 [𝐾 + ]1 𝑅𝑇 [𝐾 + ]1 𝑈𝑚 = 𝑙𝑛 = 0,058𝑙𝑛 + [𝐾 ]2 𝑍𝐹 [𝐾 + ]2 [𝐾+ ] [𝐶𝑙 − ] Khi trạng thái cân Donnan thiết lập [𝐾+ ]1 = [𝐶𝑙−]2, nên: 𝑈𝑚 = 𝑅𝑇 [𝐾 + ]1 𝑅𝑇 [𝐶𝑙 − ]2 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐾 + ]2 𝑍𝐹 [𝐶𝑙 − ]1 (5.8) 5.2 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT Từ kết thực nghiệm tiếng Dr Louis De Galvanie chứng minh đặc trưng quan trọng tế bào sống, chúng mơi trường bên ngồi ln tồn chênh lệch điện Tùy theo nguyên nhân xuất hiện, phương pháp đo đạc điều kiện thí nghiệm, phân chia thành nhiều loại điện khác Về là: điện nghỉ, điện tổn thương, điện hoạt động 5.2.1 Điện tĩnh Điện tĩnh hay gọi điện nghỉ, điện đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường đối tượng sinh vật Điện tĩnh phát phương pháp ghi đo Thí nghiệm Phương pháp sử dụng nguyên tắc hoạt động máy ghi đo điện Trong trường hợp sử dụng phương pháp ghi đo vi điện cực Thí nghiệm tiến hành sau: (a) (b) (c) Hình 5-3 Ghi đo điện nghỉ a) Đặt hai vi điện cực phía ngồi màng b) Đặt vi điện cực bên vi điện cực xuyên qua màng c) Cắm hai vi điện cực xuyên qua màng Khi đặt hai điện cực bề mặt sợi thần kinh, kim điện kế đồng hồ đo dòng điện khơng lệch khỏi điểm khơng Chứng tỏ khơng có chênh lệch điện Khi đặt điện cực phía bên ngồi màng vi điện cực cắm xuyên qua màng, hai điện cực xuất hiệu điện Khi hai vi điện cực xuyên qua màng kim điện kế giá trị khơng, hai điện cực khơng có chênh lệch điện 81 Như vậy, phần bên tế bào mơi trường bên ngồi ln ln tồn hiệu điện Sự chênh lệch điện gọi điện nghỉ hay điện tĩnh màng (resting membrane potential) Đặc điểm Điện nghỉ có hai đặc điểm sau: − Mặt tế bào sống ln ln có giá trị điện âm so với mặt bên ngoài, tức chiều điện nghỉ không đổi − Điện nghỉ có giá trị biến đổi chậm theo thời gian Các yếu tố ảnh hưởng Điện nghỉ đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường hệ thống sống, yếu tố làm ảnh hưởng đến trình trao đổi chất bình thường ảnh hưởng đến điện tĩnh hệ: − Dưới tác dụng dịng điện bên ngồi − Thay đổi thành phần ion môi trường − Sự tác động số độc tố lên hệ thống sống − Khi thay đổi lượng oxy môi trường − Ở loại tế bào khác giá trị điện nghỉ đo khác nhau, thay đổi khoảng từ -10mV đến -100mV Sự chênh lệch điện tồn phần khác hệ sinh vật yếu tố đặc trưng cho thể sống 5.2.2 Điện hoạt động Tất tế bào sống có đặc tính dễ bị kích thích, tức có khả chuyển từ điều kiện sinh lý trạng thái bình thường sang trạng thái hoạt hố Dưới ảnh hưởng tác nhân kích thích đó, tế bào dễ dàng bị thay đổi tính chất hố lý màng Một tượng đặc biệt diễn hoạt động sống tế bào, dao động điện Dao động điện màng xuất tế bào thần kinh, cơ, số tế bào khác có sóng hưng phấn truyền qua Khi có sóng hưng phấn truyền đến, dao động điện xuất dạng đảo cực điện màng, giá trị điện mặt bên trở nên âm so với điện mặt bên Hiệu điện xuất trường hợp gọi điện hoạt động Để xác định điện hoạt động, thông thường ta sử dụng kỹ thuật ghi đo vi điện cực nội bào hai phương pháp sau: Phương pháp hai pha Tiến hành khảo sát sợi thần kinh kích thích ví trí (1), hai điện cực đặt hai vị trí (2) (3) Theo dõi biến đổi giá trị điện qua điện kế G nhạy nối hai điện cực 82 Nếu dùng tác nhân kích thích sợi thần kinh vị trí (1); theo quan niệm cổ điển có sóng hưng phấn truyền dọc theo sợi thần kinh U = 60mV U=0 U=0 U = - 60mV Hình 4-4 Ghi đo điện hoạt động hai pha a) Kích thích vị trí (1); b) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (2) c) Sóng hưng phấn nằm vị trí (2) (3) d) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (3) − Khi sóng kích thích lan truyền đến vị trí (2) hai điện cưc đặt vị trí (2) (3) xuất giá trị hiệu điện U đó, khoảng 60mV − Khi sóng kích thích lan truyền vị trí (3) hiệu điện giảm dần, tiến giá trị khơng (U = mV) sau chuyển giá trị âm − Khi sóng kích thích truyền đến vị trí (3) điện âm đạt giá trị điện áp tới hạn (Uth) (Uth = -60 mV) − Khi sóng rời khỏi vị trí (3) hiệu điện hai điện cực trở lại giá trị U khơng ban đầu Hình 5.5 Đặc tuyến biến đổi điện Phương pháp pha hoạt động hai pha theo thời gian Phương pháp pha phương pháp ghi đo điện hoạt động cách đặt điện cực đặt vị trí (2) vi điện cực khác cắm xuyên qua màng vị trí (3) Sau kích thích vị trí (1) khảo sát sóng hưng phấn kích thích truyền dọc theo đối tượng nghiên cứu 83 U = -60mV U=0 U = -60mV Hình 5-6 Sơ đồ ghi đo điện hoạt động pha sợi thần kinh a) Kích thích vị trí (1) b) Sóng kích thích truyền đến vị trí (2) c) Sóng kích thích truyền đến vị trí (3) − Khi chưa kích thích, vi điện cực (2) vi điện cực (3), xuất chênh lệch điện thế, điện nghỉ sợi thần kinh Điện có giá trị khoảng - 60mV đến - 100mV − Khi kích thích vị trí (1), sóng hưng phấn lan truyền đến vị trí (2), giá trị điện tăng dần đến không Hiệu tăng nhanh đạt tới giá trị cao U = sóng hưng phấn đến vị trí (2) − Khi sóng hưng phấn truyền từ vị trí (2) đến (3) hiệu điện hoạt động giảm điện nghỉ lúc đầu Các giai đoạn hình thành U (m - 40 -60 t a c b Hình 5-7 Đặc tuyến biến đổi điện hoạt động pha theo thời gian Khoảng vài thập niên trở lại đây, nhờ thiết bị ghi đo đại, điện hoạt động pha biểu diễn cách tỉ mỉ, xác Sự hình thành điện hoạt động chia làm nhiều giai đoạn biến đổi sau: − Giai đoạn khử cực (Depolarization): Hiệu điện hai phía màng biến đổi từ giá trị điện nghỉ đến điểm có điện không (U = mV) − Giai đoạn khử cực: Hiệu điện hai phía màng vượt giá trị điện không, tiếp tục biến đổi phía có điện dương − Giai đoạn phân cực lại (Repolarization): Hiệu điện hai phía màng giảm trở lại giá trị điện nghỉ 84 − Giai đoạn phân cực: Hiệu điện hai phía màng có giá trị âm điện nghỉ Nếu kích thích có cường độ đủ lớn ta nhận thấy rằng: − Trong thời gian xuất pha lên (nhánh lên) điện màng vượt giá trị điện khơng, ta thấy có đảo cực điện màng − Trong pha xuống (nhánh xuống), màng có phân cực lại Điện hoạt động pha phụ thuộc vào khoảng cách hai điện cực phụ thuộc nhiều vào tốc độ dẫn truyền hưng phấn mV 60 40 20 B Cắm vi điện cực A’ B’ -20 -40 D A -60 C Kích Hình 5-8 Các giai đoạn biến đổi điện hoạt động 5.2.3 Điện tổn thương Điện tổn thương hiệu điện xuất chênh lệch điện vùng bị tổn thương vùng khơng bị tổn thương Sự tổn thương xảy nhiều nguyên nhân khác (như tác động học, nhiệt, điện, hoá học ) làm xuất chênh lệch điện Đối tượng động vật Đặc trưng điện tổn thương đối tượng động vật là: − Giá trị hiệu điện giảm dần biến đổi chậm theo thời gian − Điện tổn thương phụ thuộc nhiều vào điều kiện khảo sát phương pháp ghi đo − Độ lớn điện bị ảnh hưởng nhiều tuỳ thuộc vào điều kiện sinh lý đối tượng nghiên cứu Không thể dựa số liệu giá trị tuyệt đối điện thể tổn thương để so sánh rút kết luận tính chất điện chúng Ảnh hưởng điều kiện sinh lý khó xác định tính chất tổn thương Đối tượng thực vật Khảo sát tính chất điện đối tượng thực vật cho thấy có nhiều điểm tương tự động vật, là: − Có chênh lệch điện vùng bị tổn thương vùng không bị tổn thương − Điện tổn thương có giá trị âm − Điện tồn khoảng thời gian ngắn − Giá trị điện giảm nhanh theo thời gian tuỳ thuộc vào điều kiện thí nghiệm, phụ thuộc vào khoảng cách vùng khảo sát − Khả xuất điện khu trú vùng bị thương tổn Các yếu tố ảnh hưởng Thực nghiệm chứng tỏ rằng, yếu tố làm ảnh hưởng đến trình trao đổi chất bình thường tế bào mô làm thay đổi giá trị điện tổn thương như: − Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường 85 − Thay đổi thành phần môi trường, Oxy liên quan nhiều trình trao đổi chất − Sự tác động trường lực điện bên (điện trường, từ trường ) liên quan đến chuyển dịch ion qua màng − Sự tác động độc tố vào môi trường có liên quan đến thay đổi điều kiện sinh lý bình thường 5.3 BẢN CHẤT VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THẾ SINH VẬT Để giải thích chế, chất nguồn gốc loại điện sinh vật, ta dựa vào số giả thuyết, lý thuyết ion loại điện trình bày phần Trên sở lý thuyết thực nghiệm ghi nhận được, “Lý thuyết ion màng” chấp nhận có sở vững 5.3.1 Nguồn gốc chất điện tĩnh Theo thuyết ion màng, trình hình thành điện sinh vật ion (đặc biệt ion Na+, K+, Cl-) dịch nội bào bên tế bào đóng vai trị định Theo đó, ta xác định giá trị điện tĩnh tương ứng với phân bố nồng độ ion hai phía màng trạng thái bình thường Thực nghiệm khảo sát phân bố ion ảnh hưởng đến hiệu điện màng mammalian sau: Bảng 5-1 Nồng độ số loại ion tế bào Mamalian Nồng độ ion dịch ngoại bào [ion]0 (μM/cm3) Na+ K+ H+ Khác ClHCO3Khác Điện 145 -5 3,8.10 120 27 Nồng độ ion dịch nội bào [ion]i (μM/cm3) Na+ K+ H+ ClHCO3A- [ion]0/[ion]i εm(mV) 12 155 13.10-5 12,1 1/39 1/3,4 66 -97 -32 155 30 3,7 -90 -32 -90 1/30 -90 Lý thuyết ion màng nhiều khoa học xây dựng nên Bernstein, Boyler Conwey, Goldmann Sau ta xem xét lý thuyết nhà khoa học này: Theo Bernstein Ông người cho rằng, điện tĩnh kết phân bố khơng ion hai phía màng tế bào Ở trạng thái tĩnh, màng tế bào không thấm ion Na+ Cl- mà thấm ion K+ Khi tượng trao đổi chất xảy ra, có phân bố không đồng ion hai bên màng dẫn đến hình thành điện tĩnh Điện tĩnh có giá trị khác tuỳ thuộc vào đối tượng nghiên cứu 86 Theo Boyler Conwey Hai ông phát triển thêm quan điểm Bernstein Quá trình vận chuyển chế hoạt động giống phân bố ion trạng thái cân Gibbs – Donnan, đó, màng tế bào thấm đồng thời ion K+ Cl- không thấm Na+ Khi cân Gibbs – Donnan điện tĩnh màng tế bào động vật xác định công thức: 𝑅𝑇 [𝐾 + ]0 𝑅𝑇 [𝐶𝑙 − ]𝑖 𝑈𝑠 = 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐾 + ]𝑖 𝑍𝐹 [𝐶𝑙 − ]0 (5.9) đó: [K+]0 [Cl-]0 nồng độ ion mơi trường bên ngồi tế bào; [K+]i [Cl-]i nồng độ ion phía bên tế bào Giả thuyết Goldmann − Màng tế bào có tính đồng cấu trúc điện trường tác dụng lên màng vị trí khơng đổi − Dung dịch điện ly dịch sinh vật coi dung dịch lý tưởng − Màng có tính chất bán thấm khơng phải hồn tồn tuyệt đối Mỗi ion có khả dịch chuyển qua màng khác nhau, đặc trưng đại lượng hệ số thấm (P) cho loại ion − Các ion Natri có tham gia vào trình hình thành nên điện tĩnh Do đó, cơng thức điện tĩnh Goldmann xác định lại sau: 𝑈𝑠 = 𝑅𝑇 𝑃𝑘 [𝐾 + ]0 + 𝑃𝑁𝑎 [𝑁𝑎+ ]0 + 𝑃𝐶𝑙 [𝐶𝑙 − ]𝑖 𝑙𝑛 𝐹 𝑃𝑘 [𝐾 + ]𝑖 + 𝑃𝑁𝑎 [𝑁𝑎+ ]𝑖 + 𝑃𝐶𝑙 [𝐶𝑙 − ]0 (5.10) đó: PK, PNa, PCl hệ số thấm ion K+, Na+ Cl- UM(mV) Kết thực nghiệm Tính theo Goldmann - 20 Tính theo Nernst - 40 - 60 - 80 - 100 - 120 mM/l 0,5 10 50 100 [K+]0 Hình 5-9 Giá trị điện tĩnh ếch theo phép đo 87 Vai trị Na+ q trình hình thành điện màng Những nghiên cứu phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu tiến hành gần cho thấy rằng: Màng tế bào thấm tốt ion K+, Cl- thấm ion Na+ (tốc độ dòng ion Natri vào khoảng 14.10-12 mol.cm-2.sec-1) Từ kết thực nghiệm, Hodgkin Keynes khẳng định cách chắn rằng: “Màng tế bào thấm ion Natri, khơng thể bỏ qua được” Tóm lại thuyết ion màng chiếm nhiều ưu việc giải thích chất hình thành điện tĩnh Kết đo từ thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với lý thuyết 5.3.2 Bản chất chế hình thành điện hoạt động Khi tế bào nhận kích thích làm thay đổi cấu hình màng, định hướng lưỡng cực điện, trạng thái liên kết nhóm tích điện, số chất cấu tạo nên màng làm biến đổi tính thấm màng ion Và với kích thích xuất điện hoạt động Lý thuyết ion màng tác giả đề xuất giải thích nguồn gốc chất điện hoạt động sau: Theo Bernstein Khi màng tế bào kích thích trở nên thấm hồn tồn với tất ion Khi tính thấm màng ion Na+ tăng, nhiều ion Na+ thấm vào bên màng, phía màng có giá trị điện dương so với giá trị điện nghỉ Giai đoạn gọi giai đoạn khử cực (depolarization) điện lúc gọi điện biến đổi (reversal potention) Sau khử cực xảy thời gian ngắn, tính thấm Na+ từ vào bị ức chế, bơm Na+ K+ xuất đưa ion Na+ quay trở lại Sự phân cực lúc giống phân bố ion lúc ban đầu, nên giai đoạn gọi giai đoạn phân cực lại + + + + + - + + + + + a) Trạng thái nghỉ + + + + ++ + + + + ++ b) Trạng thái khử cực + + + + + - + + + + ++ c) Trạng thái phân cực lại Hình 5-10 Sự phân bố điện tích giai đoạn điện hoạt động Theo Hodgkin Huxley Lý thuyết Bernstein khơng giải thích tượng điện hoạt động có giá trị lớn điện nghỉ, tức sau khử cực hoàn tồn điện tiếp tục tăng đạt giá trị lớn Hodgkin Huxley từ nghiên cứu thực nghiệm có mối quan hệ điện màng độ dẫn điện ion, điện dẫn ion thay đổi làm điện màng (Um) thay đổi Cụ thể tính thấm ion K+ xảy trễ kéo dài thời gian lâu so với gia tăng ion Na+, nên khảo sát điện hoạt động dựa thay đổi tỉ số độ thấm PNa/PK tỉ số độ dẫn điện δNa/δK 88 60 20 100 - 20 Tỷ số độ dẫn (Na/K) Điện hoạt động 10 - 40 Điện màng (mV) 40 - 60 - 80 - 100 0,1 Tỷ số độ dẫn (Na/K) 0,01 0,001 Độ thấm (mmol/cm2) 100 PNa 10 PK 0,1 0,01 0,001 0,5 1,5 ms Hình 5-11 Biến đổi độ dẫn Na+, K+ qua màng tế bào tương ứng với hình thành điện hoạt động (Theo Hodgkin Huxley) + Giai đoạn khử cực (Depolarization) Trong giai đoạn này, độ dẫn ion Na+ tăng lên hàng ngàn lần, gia tăng tạm thời thời gian ngắn (ms), độ dẫn ion K+ thay đổi không đáng kể, tỷ số độ dẫn lúc khoảng 30 Nói cách khác, tính thấm màng ion Na+ lớn nhiều so với ion K+ Vì điện màng giai đoạn xác định gần hoàn toàn khuyếch tán ion Na+ ion K+ Dựa vào cơng thức tính điện ion, ta được: 𝑈𝑁𝑎 𝑅𝑇 [𝑁𝑎+ ]0 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝑁𝑎+ ]𝑖 89 (5.11) Sự giảm điện nghỉ làm cho ion Na+ chuyển động theo hướng gradient nồng độ vào tế bào cách mạnh mẽ trước, lúc màng bị khử cực mạnh, giai đoạn khử cực màng + Giai đoạn phân cực lại (Repolarization) Tính thấm màng ion Na+ bị ức chế, cịn tính thấm màng ion K+ lại tăng lên Tính thấm K+ gia tăng trễ kéo dài lâu hơn, lượng ion K+ khuyếch tán từ tế bào qua màng theo hướng gradient nồng độ cách mạnh mẽ làm cho mặt tế bào có giá trị âm mặt bên Giai đoạn kết hợp với hoạt động bơm ion Na+ - K+ đưa màng trở điện nghỉ ban đầu Đồng thời với phát triển ion K+ lúc khuyếch tán qua màng cách hoàn toàn, làm cho màng có phân cực nhiều Do điện lúc có giá trị âm điện nghỉ bình thường Giai đoạn giai đoạn phân cực màng tế bào Dựa vào công thức Nernst để xác định giá trị điện hình thành giai đoạn phân cực lại (chủ yếu K+ tạo nên), ta được: 𝑅𝑇 [𝐾 + ]0 𝑈𝐾 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐾 + ]𝑖 (5.12) 5.3.3 Hạn chế lý thuyết ion màng vai trò ion Ca++ Những hạn chế lý thuyết ion màng − Lý thuyết ion màng không rõ chế thay đổi tính thấm màng ion Na K+ giai đoạn điện hoạt động − Chưa giải thích vai trị ion hóa trị II III hoạt động điện thần kinh − Lý thuyết ion màng cho rằng, tồn ion hai phía màng trạng thái tự khuếch tán qua màng Trong đó, thực nghiệm cho thấy có lượng K+ trạng thái liên kết khơng tham gia vào q trình tạo điện màng − Lý thuyết ion màng chưa giải thích rõ vai trị màng q trình hình thành điện màng + Vai trò ion Ca++ hoạt động điện tế bào Một số thực nghiệm cho thấy ion Ca++ tham gia vào khử cực màng số loại tế bào như: tế bào trơn, tim, nơron thần kinh số động vật có xương sống Cụ thể: − Khi tế bào bị kích thích, kênh dẫn “nhanh” cho dịng ion Na+ vào tế bào, sau kênh dẫn “chậm” tiếp tục cho ion Na+ Ca++ vào tế bào hoàn thành giai đoạn khử cực − Sự có mặt nhóm lực khác ion thấm kênh cho ion qua ion khác lại Mặt khác, ion Ca++ có tham gia vào cấu trúc lớp tế bào, tế bào bị kích thích, lượng ion Ca++ màng giảm đi, tính dẫn điện tính thấm màng thay đổi Cụ thể: − Dịng ion hóa trị I thay vị trí ion Ca++ mối liên kết phân tử cạnh bị kích thích làm liên kết bị đứt, khoảng cách đại phân tử tăng lên, cấu trúc màng trở nên lỏng lẻo − Tỷ số ion hóa trị I II tăng lên, hay số lượng hạt mang điện đến màng tăng lên Do đó, tính thấm màng với ion hóa trị I tăng lên, điện trở màng giảm xuống điện hoạt động xuất 90 − Khi khơng cịn kích thích, nhóm ion hóa trị I nhường vị trí lại cho ion Ca++ mạng lại có cấu trúc lúc nghỉ 5.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ KÍCH THÍCH CƠ VÀ THẦN KINH Khi kích thích tác dụng yếu tố lý hóa khác cơ, nhiệt, điện, hóa … sợi thần kinh sợi chuyển lên trạng thái kích thích hay cịn gọi trạng thái hưng phấn Trạng thái đặc trưng xuất lan truyền điện hoạt động dây thần kinh thực phản ứng trả lời Quá trình bao gồm hai chế: − Cơ chế tiếp nhận kích thích thụ quan − Cơ chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền não xử lý phát tín hiệu thực phản ứng trả lời Chức chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, sóng hưng phấn, dẫn truyền sóng noron thực Phản ứng trả lời quan, mơ, tế bào dễ nhận biết Trong hệ sinh vật, tính nhận kích thích chuyển lên trạng thái hưng phấn đặc trưng sinh vật từ đơn bào tới đa bào để thích nghi với thay đổi môi trường sống 5.4.1 Nguồn kích thích thời gian kích thích Nguồn kích thích hay tín hiệu kích thích đa dạng, chủ yếu tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất ) tín hiệu hóa học (hcmơn, mùi, vị ) Tuy nhiên, độ nhạy cảm tế bào loại kích thích khác Thực nghiệm cho thấy rằng, thần kinh nhạy cảm kích thích điện “Một sợi mà màng có điện trở 1M bắt đầu có phản ứng chịu tác dụng điện lượng q có độ lớn 10-10C.” Các kích thích tác dụng trực tiếp lên tế bào sợi thần kinh tác dụng gián tiếp thông qua yếu tố trung gian Chúng đặc trưng cường độ hay biên độ kích thích thời gian kích thích tồn Từ dẫn đến số khái niệm sau: − − − Ngưỡng thời gian C: khoảng thời gian ngắn kích thích tồn để gây nên hưng phấn tế bào Một kích thích I có cường độ lớn đến đâu thời gian C tồn nhỏ C khơng gây nên trạng thái ưng phấn hay thần kinh Ngưỡng kích thích b (reobase): cường độ nhỏ mà xung kích thích phải đạt để gây nên trạng thái hưng phấn hay thần kinh Một kích thích có cường độ nhỏ b dù thời gian tồn có 2b dài khơng gây nên trạng b thái kích thích hay thần kinh t Cronacxi Thời trị (Cronacxi): khoảng thời gian Hình 5-12 Mối quan hệ cường độ ngắn mà xung điện có cường độ gấp hai lầm ngưỡng kích kích (2b) cần thời gian kích thích phải kéo dài để gây nên hưng phấn hay thần kinh 91 5.4.2 Đáp ứng kích thích Đáp ứng lại kích thích xuất hưng phấn sợi hay thần kinh Quá trình đáp ứng tuân theo định luật “tất không” Điểm định luật điện hoạt động xuất cường độ kích thích lớn ngưỡng kích thích biên độ điện hoạt động xuất kích thích với cường độ khác có giá trị Khi nghiên cứu khả phản ứng thần kinh tác dụng kích thích, người ta nhận thấy số tượng: Hợp kích thích Là trường hợp hai kích thích ngưỡng gây nên trạng thái hưng phấn bào Hiện tượng xảy hai điều kiện sau thỏa mãn: − Hai kích thích ngưỡng tác dụng vào vị trí tế bào cách khoảng thời gian đủ ngắn (cộng tác dụng theo thời gian) − Hai kích thích ngưỡng đồng thời tác dụng vào hai vị trí đủ gần tế bào (cộng tác dụng khơng gian) Thời gian ủ Đặc tính thần kinh bị kích thích chúng không phản ứng mà sau thời gian Khoảng thời gian tính từ thời điểm nhận xung kích thích thời điểm bắt đầu xuất điện hoạt động gọi thời gian ủ Mỗi loại tế bào có thời gian ủ khác Năm 1953, Tasaki tiến hành thí nghiệm tơ thần kinh cô lập, chứng minh thời gian ủ phụ thuộc vào cường độ kích thích I sau: 𝑘 𝐼 = (1 + ) 𝑏 𝜏 (5.13) Trong k b số đặc trưng cho trạng thái tơ thần kinh với b ngưỡng kích thích Giai đoạn trơ Thực nghiệm cho thấy rằng, sau bị kích thích, khoảng thời gian xác định kể từ sau thời gian ủ đến thời điểm đỉnh âm điện hoạt động dù có tác dụng vào sợi thần kinh xung điện cường độ mạnh tới đâu không tạo hưng phấn sợi thần kinh Thời gian ứng với giai đoạn trơ tuyệt đối sợi thần kinh 5.4.3 Sự dẫn truyền xung động thần kinh Sự dẫn truyền sợi thần kinh Thực nghiệm Hodgkin Katz chứng minh dòng điện hưng phấn xuất dây thần kinh bị kích thích có chất ion Hai ơng rõ K+ có vai trị việc trì điện tĩnh cịn Na+ lại có vai trị việc hình thành nên điện hoạt động (tức sóng hưng phấn) Tùy thuộc vào chất dây thần kinh có myelin bao bọc hay khơng, đường kính sợi trục, chức noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác 92 Bảng 5-2 Kiểu sợi thần kinh tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn dây thần kinh Kiểu sợi Alpha Beta Gamma Denta B C Đường kính sợi () 10 – 20 – 15 4–8 2,5 – 1–3 0,3 – 1,5 Tốc độ truyền (m/s) Biến nhiệt Đẳng nhiệt (20oC) (37oC) 20 – 40 60 – 120 15 – 30 40 – 90 – 15 30 – 45 5–9 15 – 25 2–6 3–5 0,3 – 0,8 0,5 – Chức Sợi vận động Sợi thụ cảm (sờ mó) Sợi hướng tâm từ Sợi thụ cảm da (nóng, lạnh) Sợi tiền hạch dinh dưỡng Sợi hậu hạch giao cảm Đối với dây thần kinh khơng có myelin bao bọc Mơi trường ngồi Vị trí đóng (solenoidal) + + + + + + + + − − − − − − − + + + + + + + + − − − − − − − − + + + + + + + − − − − − − − − Vùng hoạt động Sợi trục − − − − − − − − + + + + + + + − − − − − − − − + + + + + + + + − − − − − − − + + + + + + + + Vùng điện tĩnh Tái phân cực Hướng truyền hưng phấn Khử đảo cực màng Hình 5-13 Sự dẫn truyền hưng phấn sợi thần kinh khơng bao myelin Khi kích thích vùng màng phân cực đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng xung quanh trạng thái tĩnh Tại vùng hưng phấn xuất dòng điện hưng phấn kích thích vùng lân cận tạo dịng điện hưng phấn giống dòng điện hưng phấn phát sinh vùng bị kích thích Sự xuất dịng điện hưng phấn sau bị kích thích lan truyền suốt chiều dài dây thần kinh cách liên tục Vì vậy, tốc độ dẫn truyền dòng điện hưng phấn dây thần kinh khơng có myelin bao bọc thường chậm tiêu hao nhiều lượng Đối với dây thần kinh có myelin bao bọc Do myelin chất cách điện tốt nên noron tiếp xúc với mơi trường ngồi qua eo Ranvier Noron tiếp nhận kích thích qua eo Ranvier dòng điện hưng phấn bị suy giảm truyền điện bên qua eo Ranvier Khi bị kích thích xuất xung điện hoạt động điện cực kích thích (cực âm) ký hiệu Vo Do bị tiêu hao phần lượng điện để thắng điện trở bào tương sợi trục bị rò điện qua màng noron nên giá trị điện hoạt động bị giảm dần Độ giảm giá trị điện phụ thuộc vào điện trở bào tương (Rm) điện trở màng noron (Rt) sau: − Điện trở bào tương nhỏ điện trở màng noron lớn điện hoạt động bị giảm 93 − Ngược lại, điện trở bào tương lớn điện trở màng noron nhỏ điện hoạt động bị giảm nhiều Các nhà khoa học xác định giá trị điện hoạt động sau phát sinh Vo, truyền theo sợi trục thần kinh quãng đường x có giá trị Vx tính theo cơng thức: 𝑉𝑥 = 𝑉0 −𝑥 𝑅 √ 𝑚 𝑒 𝑅𝑡 (5.14) Rm điện trở màng noron tỷ lệ thuận với điện trở riêng 1cm2 màng (kí hiệu rm) tỷ lệ nghịch với bán kính sợi trục thần kinh (kí hiệu r) 𝑅𝑚 = 𝑟𝑚 2𝜋𝑟 (5.15) Rt điện trở bào tương tỷ lệ thuận với điện trở riêng 1cm3 bào tương (kí hiệu rt) tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r2) 𝑅𝑡 = 𝑟𝑡 𝜋𝑟 (5.16) Các nhà khoa học tính động vật thuộc lớp thú, sợi trục dây thần kinh có myelin bao bọc có bán kính r = 15μm, rm = 5000Ω/cm2 rt = 50Ω/cm3, điện hoạt động Vo truyền 1mm (là khoảng cách eo Ranvier) cịn lại giá trị Vx tính theo cơng thức: 𝑉𝑥 = 0,5 𝑉0 (5.17) Như vậy, điện cực kích thích đặt eo Ranvier thứ (Ranvier 1) làm phát sinh điện hoạt động Vo = 100mV truyền đến eo Ranvier thứ hai (Ranvier 2) theo cơng thức (4.17) cịn 50mV Thực nghiệm xác định eo Ranvier có ngưỡng kích thích điện 20mV Do đó, dịng điện hưng phấn phát sinh eo Ranvier truyền đến eo Ranvier kích thích eo Ranvier phát sinh điện hoạt động có giá trị 100mV Cứ lặp lại vậy, dòng điện hưng phấn hay xung điện hoạt động có độ lớn 100mV truyền theo noron cảm giác hệ thần kinh trung ương để phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mơ hay quan thực phản ứng trả lời Bao Myelin Nút hoạt động Không gian Periaxonal Sợi trục − + Tế bào Schwann Nút Ranvier Hình 5-14 Sự dẫn truyền hưng phấn sợi thần kinh có bao myelin 94 Do màng noron có tính trơ nên màng noron khơng thể phát sinh xung điện hoạt động cách liên tục Thời gian trơ dài số lượng tối đa xung điện hoạt động màng noron phát sinh đơn vị thời gian ngược lại Vedenski đưa khái niệm tính linh hoạt chức để biểu thị khả hưng phấn tổ chức sống Noron có tính linh hoạt chức cao có khả truyền số lượng tối đa xung điện hoạt động đơn vị thời gian nhiều Ngược lại, số lượng tối đa xung điện hoạt động truyền đơn vị thời gian tính linh hoạt chức noron thấp Cơ chế bàn giao hưng phấn qua synapse Cấu tạo synapse Các vị trí tận sợi trục noron tiếp xúc với noron khác với tế bào gọi synapse Cấu trúc synapse gồm màng trước synapse, khe synapse màng sau synapse: − Cúc synapse phần phình to mút nhánh sợi trục noron trước Trong cúc synapse chứa thành phần quan trọng nhất, bóng synapse, có đường kính 0,02 - 0,03μm, nằm rải rác bào chất cúc synapse Bên chứa chất dẫn truyền thần kinh − Khe synapse không gian màng trước synapse màng sau synapse, rộng khoảng 150A0 synapse noron - noron, rộng khoảng 500A0 synapse noron - − Màng sau synapse có thụ quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất dẫn truyền Hình 5-15 Cấu trúc synapse Bàn giao hưng phấn qua synapse theo chế vật lý Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt qua màng trước synapse, khe synapse màng sau synapse Cả ba thành phần có điện trở 95 Theo Katz, sau dòng điện hưng phấn vượt qua ba điện trở thuộc cấu trúc synapse điện hoạt động từ giá trị ban đầu khoảng 120mV, đến màng sau synapse khoảng 0,01mV Thực nghiệm xác định, ngưỡng kích thích màng sau synapse để gây hưng phấn từ 20mV đến 40mV Số liệu Katz đưa không phù hợp với thực nghiệm Để giải thích chế truyền xung điện hoạt động qua synapse theo chế vật lý, nhà khoa học cho màng trước, màng sau khe synapse có cấu trúc đặc biệt nên có điện trở bé Do vậy, xung điện hoạt động dễ dàng vượt qua ba thành phần điện trở nên đến màng sau synapse giá trị điện hoạt động có bị giảm lớn 40mV Với giá trị vượt ngưỡng gây hưng phấn, kích thích màng sau synapse phát sinh xung điện hoạt động có giá trị 120mV tiếp tục truyền theo sợi trục noron sau Tuy nhiên, giả thiết ba thành phần cấu trúc synapse có điện trở nhỏ, thực nghiệm chưa xác định Bàn giao hưng phấn qua synapse theo chế hoá học Năm 1912 1921, Levi tiến hành thí nghiệm buộc hai tim lập vào ống thơng tim có chứa dung dịch sinh lý để hai tim thơng với Khi kích thích dây mê tẩu tim thứ tim đập chậm yếu, có ngừng đập Đồng thời tim thứ hai đập chậm yếu, có ngừng đập giống tim Nếu kích thích dây giao cảm tim thứ làm cho hai tim đập nhanh mạnh Levi xác định dây mê tẩu bị kích thích phát sinh chất acetylcholine có tác dụng kìm hãm, cịn dây giao cảm kích thích phát sinh chất adrenalin ếch, cịn noradrenalin người, có tác dụng thúc đẩy tăng nhịp đập tim Thí nghiệm Levi khẳng định kích thích, hưng phấn xuất với tham gia chất dẫn truyền, truyền từ tim thứ sang tim thứ hai Cúc synapse, noron trạng thái tĩnh, có tổng hợp acetylcholine từ acetate choline Acetylcholine sau tổng hợp tích lũy lại bóng synapse Khi dịng điện hưng phấn truyền đến cúc synapse gây tác dụng kích thích làm cho bóng synapse phóng thích acetylcholine vào khe synapse Acetylcholine làm thay đổi tính thấm màng sau synapse màng sau synapse nhạy cảm trước tác động acetylcholine Từ thay đổi tính thấm màng sau synapse dẫn đến phân cực đảo cực, phát sinh điện hoạt động có độ lớn giống xung điện hoạt động truyền đến màng trước synapse Nếu synapse noron - noron xung điện hoạt động phát sinh màng sau synapse, tiếp tục truyền theo sợi trục noron sau Đồng thời màng sau synapse giải phóng enzyme acetylcholinesterase để xúc tác cho phản ứng thủy phân acetylcholine thành acetate choline Một phân tử enzyme acetylcholinesterase 25oC, giây, thủy phân 300 ngàn phân tử acetylcholine Như vậy, phân tử enzyme cần 1/300.000 giây phân hủy xong phân tử acetylcholine nên giải phóng tồn chất acetylcholine cũ khe synapse, trước có xung điện hoạt động truyền tới, lại có đợt acetylcholine vào khe synapse Ngưỡng gây kích thích màng sau synapse acetylcholine cần nồng độ vô nhỏ từ 10-16 đến 10-15M Trong thể sống tồn synapse kích thích synapse ức chế: − Synapse kích thích giải phóng chất dẫn truyền làm kích thích màng sau synapse làm phát sinh xung điện hoạt động giống xung điện hoạt động truyền đến màng trước synapse 96 ... [