Điện thế sinh vật docx

ĐIỆN THẾ NGHỈĐinh nghĩa: Ở trạng thái bình thường trạng thái nghỉ giữa 2 phía của màng tế bào luôn tồn tại một hiệu điện thế - gọi là điện thế nghỉ điện thế tĩnh Đặc điểm: • Mặt trong củ

Đ IỆN THẾ SINH VẬT

DCQ I, 2010

CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT CƠ BẢN

MỤC TIÊU:

1 Kể được tên các loại điện thế sinh vật cơ bản

2 Đặc điểm của điện thế nghỉ và điện thế họat động

3 Mô tả được sự xuất hiện của điện thế họat động

4 Mô tả được quá trình lan truyền điện thế hoạt động (xung thần

kinh) dọc theo sợi thần kinh

5 Trình bày được cấu tạo của tế bào thần kinh (neuron)

6 Cấu tạo synap và quá trình dẫn truyền qua synap

7 Hiểu được cơ chế dẫn truyền thần kinh – cơ

8 Ghi, đo điện sinh vật

Mở đầu

Hiện tượng điện sinh vật mới được chú ý vào khoảng thế kỷ 18

• Năm 1731, Gray (Anh) và Nollet (Pháp) khẳng định sự tồn tại các điệntích ở thực vật và động vật

• 1751, Adanson nhận thấy tác dụng của dòng điện ở các giống cá điện

• 1791, BS Galvani (Ý) bắt đầu những nghiên cứu về dòng điện sống

Bằng những thí nghiệm của mình, ông đã phát hiện ra đặc trưng quantrọng của tế bào sống:

Gi
a t bào sng và môi trưng xung quanh

luôn tn ti s chênh l ch đi n th

CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT CƠ BẢN

Dòng điện “sống”- hay dòng điện sinh học – có liên quan chặt chẽ với các hoạt động sống, các chức năng sinh lý của cơ thể, phản ánh tính chất hóa lý của quá trình trao đổi chất
là 1 chỉ số quan trọng đáng tin cậy về chức năng sinh lý của cơ thể sống.

Ghi được điện sinh học
xác định rõ nguyên nhân của bệnh
điềutrị hiệu quả

3 loại điện thế cơ bản:

1. Đi n th ngh

3 Đi n th tn thương

Thí nghiệm phát hiện điện thế nghỉ.

1 Khi 2 điện cực đặt trên bề mặt của sợi thần kinh: không có sự chênhlệch về điện thế

2 Một điện cực ở ngoài, một điện cực xuyên màng: Xuất hiện hiệu

điện thế giữa 2 điện cực

3 Cả 2 điện cực xuyên qua màng: không có sự chênh lệch điện thế

1 ĐIỆN THẾ NGHỈ

Đinh nghĩa: Ở trạng thái bình thường (trạng thái nghỉ) giữa 2 phía của màng tế bào luôn tồn tại một hiệu điện thế - gọi là điện thế nghỉ (điện thế tĩnh)

Đặc điểm:

• Mặt trong của màng luôn có điện thế âm hơn so với mặt ngoài

• Độ lớn của điện thế nghỉ biến đổi rất chậm theo thời gian và đại diện cho khả năng hoạt động chức năng của tế bào.

Ngoài

2 ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Định nghĩa: Là điện thế xuất hiện giữa 2 phía của màng tế bào khi tế bào nhận kích thích đ t ngưng.

Đặc điểm:

• Mặt trong màng tế bào tích điện dương so với mặt ngoài

• Xuất hiện trong thời gian ngắn và biến đổi nhanh chóng theo 4 giaiđoạn

• Có khả năng lan truyền, trong điều kiện sinh lý không đổi, tốc độ lantruyền là 1 hằng số

• Hình dạng và biên độ được giữ nguyên trong quá trình lan truyền

4 giai đoạn phát triển của điện thế hoạt động

B

B’

C

D

4 giai đoạn phát triển của điện thế hoạt động

1 Khử cực (AA’): ứ ng với hiệu điện thế ở 2 phía của màng biến đổi

từ giá trị điện thế nghỉ tới 0

2 Quá khử cực (A’BB’): hiệu điện thế 2 phía của màng vượt quá giá trị 0

t

mV

KíchThíchA

D

3 Phân cực lại (B’C): hiệu điện thế màng biến

đổ i từ giá trị 0 về điện thế nghỉ

4 Quá phân cực (CD): hiệu điện thế màng có

giá trị âm hơn điện thế nghỉ

Điện thế hoạt động đảm bảo cho quá trình dẫn

truyền hưng phấn thần kinh dọc theo sợi thần

kinh

Điện thế hoạt động có thể lan truyền

Hướng lan truyền của điện thế hoạt động

3 ĐIỆN THẾ TỔN THƯƠNG

Điện thế tổn thương xuất hiện ở bất kỳ tế bào sống nào giữa vùng bị tổn thương và vùng không bị tổn thương

Đặc điểm:

• Cố định về hướng

• Vùng bị tổn thương luôn có điện tích âm so với vùng

không bị tổn thương (ở thực vật giá trị này vào khoảng

20-120 mV).

• Giá trị điện thế giảm chậm theo thời gian

Cơ cánh của một số côn trùng

Cơ dép của ếch

Cơ vân ống dẫn nước tiểu của chó Dây thần kinh có myelin của ếch

80 –90 mV

40 – 80 mV

1 – 3 mV

20 – 30 mvGiá trị điện thế tổn thương ở một số mơ và cơ quan

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế tổn thương

•Ảnh hưởng của oxy: trong điều kiện thíếu oxy – giá trị điện thế tổn thươnggiảm

•Các loại gây độc: ức chế điện thế tổn thương

•Nhiệt độ: khi tăng hay giảm nhiệt độ thì giá trị của điện thế tổn thương cũngtăng hay giảm theo

CƠ CHẾ CỦA HIỆN TƯỢNG ĐIỆN SINH VẬT

trường bên ngòai

tồn tại các gradient hóa

lý khác nhau – là nguyên

nhân xuất hiện điện thế

sinh vật.

CÁC LOẠI HIỆU ĐIỆN THẾ

Hiệu điện thế này xuất hiện ở ranh giới của các dung dịch điện lycó nồng độ khác nhau, thêm vào đó, các cation và anion chứatrong các dung dịch này có độ linh động khác nhau

(Các ion K + , Na + , H + , Cl - , Ca 2+ , OH - , và NH 4 giữ vai trị chính trong việc tạo nên điện thế khuếch tán ở tế bào và mơ.)

u

u u

R – hằng số khí lý tưởng F – hằng số Faraday (96500 Culơng)

T – nhiệt độ tuyệt đối Z – Hố trị của ion điện ly

2 Hiệu điện thế nồng độ

• Xuất hiện khi nhúng 2 điện cực làm bằng cùng 1 thứ kim loại vào 2

dung dịch có nồng độ khác nhau của ion kim loại đó

• Sau khi đạt trạng thái cân bằng, ở mỗi điện cực sẽ xuất hiện 1 điện

thế

• Độ lớn của điện thế sẽ phụ thuộc vào tỷ số nồng độ của ion kim loại

trong điện cực và trong dung dịch

1

2 2

1

ln ln

ln )

(

C

C ZF

RT C

C ZF

RT C

C ZF

RT V

C

C Z

• Kích thước và điện tích của ion

• Độ linh động của ion

Cân bằng Donan

Quy luật phân bố các ion ở 2 phía của màng

Xét hệ gồm 2 phần, ngăn các nhau bởi 1 màng bán thấm Phần 1 có dung dịch KCl, phần 2 có dung dịch muối protein của Kali Màng chỉ thấm đối vớiion K+ và Cl- Sau 1 thời gian, khi trạng thái cân bằng động được thiết lập, ở

2 phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ ion có khả năng khuếch tánqua màng

Ở trạng thái cân bằng, hiệu điện thế nồng độ của K+ giữa 2 phía màng:

[ ] [ ]

[ ] [ ] K ngoai

trong K

K

K ZF

RT U

[ ] [ ]trong

[ ] [ ]trong

ngoai

ngoai

trong C

Cl

Cl K

>

>

Lý thuyết ion màng về sự hình thành điện thế nghỉ

Nồng độ các ion tạo điện thế nghỉ ở những đối tượng nghiên cứu khác nhau

Bernstein là người đầu tiên đưa ra lý thuyết ion màng về điện thế sinh

vật Theo đó, chính sự phân bố không đồng đều các ion do tính thấm chọnlọc của màng là nguyên nhân gây ra điện thế nghỉ

Theo Bernstein, ở trạng thái tĩnh, màng chỉ thấm với K + mà không thấm với Na + , Cl - ,

và Lc hút tĩnh đi n đã giữ các ion lại ở màng và làm cho màng bị phân cực 1 cách

bền vững.

Sau này, quan điểm của Bernstein đã được Boyle và Convey phát triển như sau:

Ở trạng thái tĩnh, bộ ba các ion Na + , K + , Cl - được phân bố tại 2 phía của

màng giống như cân bằng Donan

K

ngoài Cl

trong Na

trong K

Cl P

Na P

K P

Cl P

Na P

K P

F

RT

− +

+

+ +

+

+

Với các điều kiện:

Màng tế bào có tính chất đồng nhất và điện trường ở đó không đổi.

Dung dịch điện ly được coi là lý tưởng

Chỉ có các ion hoá trị 1 tham gia vào việc hình thành điện thế nghỉ

Môi trường ở 2 phía của màng rộng vô tận.

Theo Goldman:

Lý thuyết ion màng về sự hình thành điện thế hoạt động

• Khi tế bào bị kích thích, màng tế bào thấm tất cả các ion
không còn điện thế nghỉ (Bernstein)

• Theo Cole và Curtis:

- Đầu tiên, tính thấm của màng đối với Na+ tăng
dòng các ion Na+ đi vào trong tế bào rất lớn

sự phân cực của màng bị đảo ngược.

- Tiếp theo, tính thấm của màng với

K+ tăng
dòng các ion K+ từ ra khỏi

tế bào
tái phân cực màng

- Sau giai đoạn hưng phấn, tế bào trở

lại trạng thái nghỉ ngơi là nhờ quá

trình dịch chuyển các ion ngược chiều

gradient điện hoá

nhờ năng lượng của

quá trình trao đổi chất.

mV

KíchThíchA

D

Hạn chế của thuyết ion màng

• Chưa giải thích được vai trò của các ion hóa trị 2 và 3, mặc dù thựcnghiệm cho thấy Ca+ cũng tham gia vào hoạt động điện của tế bào

• Điện thế hoạt động có bản chất “Natri-Canxi” với các kênh dẫn “nhanh”

và “chậm”

• Ca+ tham gia vào cấu trúc lớp ngoài màng tế bào
có mối liên hệ

giữa nồng độ Ca+ và tính dẫn điện cũng như tính thấm của màng

Tuy nhiên, thuyết ion màng cũng còn nhiều hạn chế trong việc giải thích hiện

tượng điện sinh vật.

• Chưa nêu rõ theo cơ chế nào tính thấm của màng thay đổi đối với cácion trong các giai đoạn của điện thế hoạt động

SỰ DẪN TRUYẾN XUNG ĐỘNG THẦN KINH

1 Neuron – đơn vị cấu trúc cơ bản của hệ thần kinh

Việc truyền thông tin từ

bộ phận này sang bộ

phận khác của hệ thần

kinh, giữa hệ thần kinh

với các bộ phân khác

nhau của cơ thể đều

được thực hiện thông

qua các neuron

CẤU TRÚC CỦA NEURON

2 Điện thế màng ở tế bào thần kinh

• Các chức phận cơ bản của tế bào thần kinh – hưng phấn và

dẫn truyền – có liên quan đến điện thế màng.

1. Đ iện thế màng tĩnh (# -70 mV)

Vai trị của các kênh protein màng trong việc tạo nên điện thế

tĩnh của màng tế bào thần kinh:

Ở trạng thái nghỉ, các ion K+ cĩ thể tự do qua lại các lỗ nhỏ của màng, trong khi Na+ hầu như khơng qua được Một cơ chế trao đổi chất đặcbiệt – bơm Kali- Natri ATPase đẩy các ion Na+ ra ngồi tế bào, đồngthời bơm các ion Kali từ ngồi tế bào vào trong (theo hướng ngược

2 Cơ chế phát sinh điện thế hoạt động (xung thần kinh)

2 Kênh K + : có cổng nằm ở phía trong màng Sau khi mở kênh Na+, tính

thấm của màng đối với K+ thay đổi bằng cách mở kênh K+, cho phép các

ion K+ ra ngoài màng (theo gradient nồng độ)

Thứ tự hoạt động của các kênh ion trong việc phát

sinh điện thế hoạt động:

1 Kênh Na: có cổng ở phía ngoài

màng Cổng kênh được mở dưới tác

dụng của sự thay đổi điện thế Bình

thường, cổng đóng, ngăn không cho

ion Na+ vào trong tế bào theo gradient

nồng độ

Khi có kích thích, cổng kênh mở cho 1

lượng lớn Na+ vào trong màng
phía

trong màng tạm thời tích điện dương

Tính thấm đối với Na chỉ tăng trong vài

ms, sau đó cổng Na+ đóng lại

Ion Natri

3 Bơm Kali-Natri ATPase: bắt đầu hoạt động,

bơm Na+ ra ngoài

và K+ vào trong (ngược chiều gradien nồng độ)

để đưa tế bào trở về trạng thái nghỉ ban đầu,

Hoạt động của bơm Na-K-ATPase

1 Kênh Na mở, Na đi vàotrong tế bào

2 Kênh Kali mở, Kali đi rangoài tế bào

3 Kênh Na đóng lại, Na ngừng đi vào trong tế

bào

4 K tiếp tục đi ra ngoài, màng tế bào trở về trạngthái nghỉ

5 Kênh Kali đóng,

3 Quy luật “tất cả hoặc

không”

• Chỉ có những kích

thích đạt ngưỡng khử cực màng tế bào mới dẫn đến việc hình thành điện thế

hoạt động (xung thần kinh)

• Trong thời gian phát triển điện thế hoạt động

màng tế bào không đáp ứng với những kích thích mới-

trạng thái trơ

• Thuộc tính trơ đảm bảo cho việc dẫn truyền xung thần kinh theo một chiều nhất định.

DẪN TRUYỀN HƯNG PHẤN THEO SỢI THẦN KINH

• Xung thần kinh có đặc tính lan truyền dọc theo sợi thần kinh

Biên độ của xung thần kinh ở trong sợi thần kinh vào khoảng 120mV

(cao hơn mức ngưỡng khử cực của màng 5-6 lần) – có ý nghĩa với vậntốc và độ tin cậy của sự dẫn truyền hưng phấn

• Trong quá trình lan truyền, biên độ

của xung thần kinh không giảm

2 Cơ chế dẫn truyền xung thần kinh.

Giữa vùng hưng phấn và vùng không hưng

phấn bên cạnh phát sinh dòng điện cục bộ

kéo theo sự khử cực của vùng bên cạnh

tính thấm với các ion tăng lên
xuất

hiện điện thế hoạt động

DẪN TRUYỀN HƯNG PHẤN THẦN KINH -CƠ

1 Cấu tạo của Synap (hay vùng tiếp giáp thần kinh –cơ)

Cấu trúc synape thần kinh - cơ

Các nghiên cứu cho thấy:

Trước khi tới cơ, sợi trục thần kinh đã mất lớp vỏ meylin bên ngoài

Nhánh tận cùng xòe rộng để tăng tiếp xúc với tế bào cơ.

1 synap bao gồm: Đĩa trước synap: có chứa

các nang đường kính 20-50 A0

Khe synap: rộng khoảng

10-100nm

Đĩa sau synap: dày, có các cấu trúc

hình que, giúp tế bào cơ dìm sau trong dịch bào
tăng diện tích tiếp xúc

2 Điện thế Synap:

Tồn tại ở synap,

đóng vai trò quan

trọng trong việc dẫn truyền hưng phấn từ thần kinh xuống cơ

3 Cơ chế dẫn truyền hưng phấn từ thần kinh đến cơ qua synap

Thuyết dẫn truyền trực tiếp (vật lý)

Synap có tác dụng như một diot, chỉ cho điện thế hoạt động truyền theo 1 chiều xác định từ thần kinh xuống cơ với tốc độ lan truyền chậm hơn trêncác sợi trục thần kinh

Giả thuyết: - có các mạch “sơn” (shunt) ở khe synap, có điện trở rất thấp

- có các cầu nối nhỏ để truyền điện thế xuống tế bào cơ

- màng tế bào có những lỗ hổng lớn, ở đó có điện trở thấp

Thuyết dẫn truyền gián tiếp (hoá học)

Tồn tại 1 chất hoá học làm trung gian cho quá trình dẫn truyền hưng phấnqua khe synap – Acetylcholine

Acetylcholine và sự dẫn truyền qua synap

THÔNG TIN RA

THÔNG TIN VÀO

ACETYLCHOLINE

THỤ THỂ

Các chất dẫn truyền xung động thần kinh từ sợi trục đi qua synáp rồi gắn vào các thụ thể ở sợi phân nhánh

3 Thuyết kết hợp 2 cơ chế trực tiếp và gián tiếp

• Theo thuyết này, phân tử Acetylcholine có tính phân cực Bình thường, chúng được dự trữ và nằm lộn xộn trong các nang Khi có kích thích, chúng được giải phóng ra khỏi nang và sắp xếp theo một chiều nhất

định dưới tác dụng của điện trường
đóng vai trò như những cầu nốigiúp lan truyền hưng phấn từ thần kinh xuống cơ qua khe synap

ĐẠI CƯƠNG VỀ KÍCH THÍCH THẦN KINH –CƠ.

Nguồn kích thích: cơ, nhiệt, điện, hoá

Với mỗi loại kích thích khác nhau, độ nhạy cảm của tế bào khác nhau

Cường độ kích thích: các tế bào khác

nhau đáp ứng với các kích thích có

cường độ khác nhau

Tơ cơ: 6.104 keV

Tơ thần kinh: 6 keV

Tế bào thị giác: 2 eV (# năng lượng của 1

photon ánh sáng)

1 eV = 1,6 x 10-19 J

I

tb

2b

c

Cronacxi

Các kích thích điện đặc trưng bằng 2 thông số:

1 Cường độ hay biên độ kích thích (I)

t

2 Quan hệ giữa cường độ và thời gian kích thích

Ngưỡng thời gian C: là khoảng thời gian ngắn nhất mà xung điện phải kéo

dài để có thể gây nên hưng phấn trên tế bào

Ở động vật có xương sống, C = vài µs.

Nếu thời gian kích thích < C
không có đáp ứng của tế bào

Ngưỡng kích thích b hay reobazo: là cường độ nhỏ nhất mà xung kích

thích phải đạt được để gây nên trạng thái hưng phấn trên cơ hay thần kinh

Cronacxi: là khoảng thời gian ngắn

nhất mà một xung điện có cường độ

bằng 2b cần phải kéo dài để gây

nên được hưng phấn trên thần kinh

hay cơ

I

tb

2b

c

Cronacxi

• Hợp các kích thích: Trường hợp 2 kích thích dưới ngưỡng có thể gây

nên trạng thái hưng phấn của tế bào

•Thời gian ủ và giai đoạn trơ:

Thời gian ủ: là khoảng thời gian (t) tính từ thời điểm nhận xung kíchthích cho tới thời điểm bắt đầu xuất hiện điện thế hoạt động Mỗi loại tếbào có thời gian ủ khác nhau

Giai đoạn trơ: sau khi bị kích thích, trong khoảng thời gian xác định kể từsau thời gian ủ đến thới điểm đỉnh âm của điện thế hoạt động, dù có tác

dụng vào thần kinh một xung điện mạnh đến đâu đi nữa thì không tạo nênhưng phấn mới
giai đoạn trơ tuyệt đối của thần kinh

b t

Ngưỡng kíchthích

I

t

a Giai đoạn trơ tuyệt đối: 2-3ms

b Giai đoạn trơ tương đối: 10-20ms

c Giai đoạn siêu bình thường: #15ms

d Giai đọan gần bình thường: # 70ms

NGUYÊN TẮC GHI ĐO ĐIỆN SINH VẬT

Khuyếch đại

-Đèn điện tử 3 cực-Transistor

Ghi và bảoquản tín hiệu

-Bộ ghi quang học-Bộ ghi cơ học (bútghi)

Tín hiệu điện

Yếu, không

quan sát được

... phát điện nghỉ.

1 Khi điện cực đặt bề mặt sợi thần kinh: khơng có chênhlệch điện

2 Một điện cực ngoài, điện cực xuyên màng: Xuất hiệu

điện điện cực

3 Cả điện cực... HIỆN TƯỢNG ĐIỆN SINH VẬT

trường bên ngòai

tồn gradient hóa

lý khác – nguyên

nhân xuất điện thế< /h3>

sinh vật.