điện thế sinh học

CHƯƠNG VI ĐIỆN THẾ SINH HỌCÝ tưởng về mối liên hệ chặt chẽ giữa dòng điện và các hoạt động sốngxuất hiện từ những năm 1731 khí Gray Anh và Nole Pháp khẳng định sự tồntại điện tích ở thực

CHƯƠNG VI ĐIỆN THẾ SINH HỌC

Ý tưởng về mối liên hệ chặt chẽ giữa dòng điện và các hoạt động sốngxuất hiện từ những năm 1731 khí Gray (Anh) và Nole (Pháp) khẳng định sự tồntại điện tích ở thực vật, động vật Đến 1751 Adanson đã phát hiện hiện tượngphát hiện ở các giống cá điện và Vels (1773) đã chứng minh sự phóng điện củaloài cá điện được truyền theo dây dẫn và bị ngất bởi vật cách điện

Đến 1791 Galvani (Ý) đã có những thí nghiệm nổi tiếng về hiện tượngđiện trên cơ đùi ếch Có thể xem Galvani là người đầu tiên phát hiện ra đặctrưng quan trọng của tế bào sống, đó là giữa chúng và môi trường bên ngoàiluôn luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế Cùng năm đó cuốn sách “Bàn vềcác điện động vật trong co cơ” Một năm sau Volta đã bác bỏ những phát minhtrên, giữa hai người đã xảy ra cuộc tranh luận sôi nổi và cuối cùng đã kết thúcthắng lợi đối với cả 2 người Volta tìm ra điện kim loại tức là pin Volta cònGanvani tìm ra nguồn điện sinh học tức chân Ganvani

Hơn trăm năm sau con người vẫn chưa hiểu rõ cơ chế của hiện tượng điện sinhvật, chỉ trong vài chục năm gần đây nhờ sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhờ cácmáy ghi đo điện chính xác, các thiết bị điện tử hiện đại, nhờ sự áp dụng có hiệu quảcác phương pháp đồng vị phóng xạ, kính hiển vi điện tử, hoá tế bào con người mớiphát hiện được nhiều qui luật về hoạt động điện của tế bào

I Các loại điện thế trong hoá lý

1.Điện thế điện cực

Khi nhúng một thanh kim loại vào nước nguyên chất thì dưới tác dụng lôikéo của các phân tử nước phân cực, các ion kim loại tách ra khỏi bề mặt kimloại và đi vào dung dịch dưới dạng bị hydrat hoá

âm trên bề mặt kim loại làm cho ion dương kim loại không khuếch tán được xa

Me + e

Ion

bề mặt kim loại và tích tụ ở gần đó Một số ion dương bị hydrat hoá có nănglượng đủ lớn trong chuyển động nhiệt với vận tốc thẳng góc với bề mặt kim loại

có thể bị mật lớp vỏ hydrat và kết tủa trên thanh kim loại

Lúc này trạng thái cân bằng được thiết lập rất nhanh

Kim loại + Nước ion bị hydrat hoá + electron

( trong dung dịch ) (trên kim loại)

âm nên sẽ tích điện âm, trên ranh giới phân chia kim loại và dung dịch vẫn cómột lớp điện tích kép do đó sinh ra một bước nhảy thế

Ta có thể tính được điện thế của điện cực so với dung dịch qua biểu thức

+ Nếu µikl = µidd : các ion Mn+ không ra khỏi thanh kim loại cũng như vàothanh kim loại lúc này điện thế bằng không

+ Nếu µikl < µidd : các ion Mn+ sẽ từ dung dịch đi vào thanh kim loại, thanhkim loại tích điện dương và xung quanh điện cực tích điện âm

Nerts đã tính hiệu số điện thế giữa thanh kim loại và dung dịch dựa vào côngthẩm thấu cần thiết phải thực hiện khi tăng nồng độ của dung dịch lên 1 gam/molchất hoà tan, tức là thay đổi áp suất thẩm thấu từ P1 đến P2 ( biểu thức Nernst)

A = RTln

1

2 P

P

Trong đó A là công thẩm thấu Mặt khác ta có công của quá trình điện hoá để biến đổi nồng độ ion củadung dịch là EFZ bằng công thẩm thấu

P

⇒ E = RTFZ ln

1

2 P P

Có thể thay ASTT bằng nồng độ ( P = α CRT)

Ta có E = RTFZ ln

1

2 C C

F : hằng số Faraday

Z : hoá trị của ion

Muốn đo hiệu số điện thế cần so sánh hiệu số điện thế của điện cực nghiêncứu với điện thế của điện cực nào khác Thông thường người ta dùng điện cựchydro làm điện cực tiêu chuẩn

a.Điện thế nồng độ

Nhúng hai điện cực làm bằng cùng một thứ kim loại vào 2 dung dịch cónồng độ ion kim loại đó khác nhau Sau khi đạt trạng thái cân bằng, ở mỗi điệncực sẽ xuất hiện một điện thế mà độ lớn phụ thuộc vào tỷ số nồng độ ion kimloại trong điện cực và trong dung dịch Vì nồng độ ion kim loại trong hai dungdịch khác nhau (C2 khác C1) nên giá trị điện thế ở mỗi cực một khác, giữachúng xuất hiện một hiệu điện thế Uc, gọi là hiệu thế nồng độ

Uc(vôn) = RTFZln

1

âc C

C

- RTFZln

2

âc C

C

= RTFZ ln

1

2 C C

Trong đó :

R : hằng số khí lý tưởng

T : Nhiệt độ tuyệt đối

Z : Hoá trị của kim loại

F : Số Faraday

C1, C2 : nồng độ ion kim loại trong 2 dung dịch (1) và (2)

Cđc : Nồng độ ion trong điện cực

Ví dụ : Ở nhiệt độ 200C (T = 2930K), R = 8,31erg/mol độ, F = 96.500 thì

Uc = 0,058Z lg

1

2 C

C

(Vôn)

b.Điện thế oxy hoá khử

Có thể xem là một dạng của điện thế điện cực, nhưng ở trường hợp này làđiện cực trơ ( điện cực trơ là điện cực không chuyển ion của nó vào dung dịch,

ví dụ Platin, vàng )

Xét hiện tượng khi nhúng một điện cực trơ vào dung dịch chứa một cặpoxy hoá - khử nào đó Nếu dạng oxy hoá hoạt động mạnh hơn dạng khử thìdạng oxy hoá sẽ đến điện cực lấy electron và biến thành dạng khử

Điện cực trơ lúc này sẽ tích điện dương và dung dịch sẽ tích điện âm

Ví dụ : Nếu nhúng điện cực Platin vào dung dịch chứa đồng thời FeCl3 vàFeCl2 thì ion Fe3+ sẽ đến lấy electron

Fe3+ + e Fe2+

Thanh Platin sẽ tích điện dương ion dung dịch sẽ tích điện âm vì dư ion Cl-.Điện tích dương trên điện cực Platin sẽ ngăn cản không cho ion Fe3+ lấyelectron; mặt khác lại có thể lấy được electron của ion Fe2+ kết quả là cân bằng

Fe3+ + e Fe2+

sẽ được thiết lập rất nhanh

Nói chung khi nhúng một điện cực trơ vào dung dịch chứa một cặp oxyhoá khử nào đó sẽ thiết lập cân bằng

Vị trí của cân bằng phụ thuộc vào bản chất của cặp oxy hoá khử, của dungmôi, tỷ số nồng độ của dạng oxy hoá và dạng khử và vào nhiệt độ

C Fe++ > C Fe+++ C Fe+++ > C Fe++

C1++ > C1+++ C2+++ > C2++

Nhúng thanh platin vào 2 bình (1) và (2)

-Ở bình 1 C Fe++ > C Fe+++ thì phản ứng sẽ xảy ra theo chiều

Fe++ + ne Fe+++

thanh platin sẽ nhận electron và tích điện âm còn dung dịch tích điện dương.-Ở bình 2 C Fe+++ > C Fe++ thì phản ứng sẽ diễn ra theo chiều

1 C

C

- RTFZ ln +

+ +

2

2 C C

Hay Uoxh = RTFZ(ln +

+ +

1

1 C

C

+ +

2

2 C

C

)Điện thế ở mỗi điện cực có thể đặc trưng bằng biểu thức

Uđc = RTFZ ln +

+ +

1

1 C

a.Điện thế khuếch tán

Hiệu điện thế này xuất hiện ở ranh giới của các dung dịch điện ly có nồng

độ khác nhau nếu các cation và anion chứa trong dung dịch này có độ linh độngkhác nhau Còn nếu độ linh động của anion và cation như nhau (ví dụ K+ và Cl-)thì không xuất hiện điện thế khuếch tán

Độ lớn của hiệu điện thế khuếch tán được tính bằng công thức sưu :

U = RTFZ.uu uu-

-+

− +

+

ln

2

1 C C

Trong đó :

R : hằng số khí lý tưởng

F : Số Faraday (96.500 culông)

Z : Hoá trị ion điện ly

u+ : độ linh động của cation

u- : độ linh động của anion

C1, C2 : nồng độ của các dung dịch + Điện thế khuếch tán phụ thuộc vào độ linh động của các ion và phụthuộc vào nồng độ ban đầu của dung dịch Điện thế khuếch tán tồn tại khônglâu, nó tồn tại đến khi sự phân bố các ion âm và dương đồng đều trong dungdịch

+Các ion K, Natri, hydro, Clo, Canxi, OH và NH3 giữ vai trò chính trongviệc tạo nên hiệu điện thế khuếch tán ở tế bào và mô Khi mặt ngoài của màng

tế bào bị huỷ hoại, hai dung dịch trong và ngoài tế bào tiếp giáp nhau, các dungdịch này rất khác nhau về thành phần và nồng độ các ion Vì thế giữa các dungdịch này xuất hiện điện thế khuếch tán

b Điện thế màng và cân bằng Đô nan

Khi có hai pha tiếp xúc nhau, một số thành phần ion không thể chuyểndịch từ pha này đến pha khác tạo thành sự cân bằng đặc biệt gọi là cân bằngDonan Sự phân cách của các pha có thể do có màng thấm dung môi và các ionnhưng không thấm với các ion có kích thước lớn

ra sự phân bố không đồng đều của các ion ( tăng sự chênh lệch độ linh động)

Tuỳ theo tính chất hoá học, kích thước của siêu lỗ và điện tích của màng

mà màng có thể cho hoặc không cho các ion khác nhau thấm qua Nhờ tính thấm củamàng mà trong hệ xuất hiện điện thế Người ta gọi điện thế này là điện thế màng.Điện thế của màng phụ thuộc vào :

-Tính thấm chọn lọc của màng;

-Kích thước, điện tích và độ linh động của các ion trong hệ

Xét hệ gồm 2 phần, ngăn cách nhau bởi một màng bán thấm, ở phần I códung dịch KCl, phần II có dung dịch muối protein của Kali và màng chỉ thấmđối với K+ và Cl- Sau một thời gian khi trạng thái cân bằng động được thiết lậpthì ở 2 phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ các ion có khả năng khuếchtán qua màng

+ K

K

= 0,058 lg[ ]

[ ]2

1 +

+ K K

Do hệ đã đạt cân bằng động nên [ ]

[ ]2

1 +

+ K

K

= [ ] [ ]1

2

−

− Cl Cl

Do đó Uc = Um = 0,058 lg[ ]

[ ]2

1 +

+ K

II.Các loại điện thế sinh vật

Trong tế bào mô và các cơ quan luôn xuất hiện và tồn tại các loại điện thếkhác nhau Các loại điện thế này có cùng nguồn gốc và cơ chế hoá lý, song tuỳtheo nguyên nhân xuất hiện mà chia chúng làm 3 nhóm: điện thế tĩnh (điện thếgradien trao đổi chất), điện thế tổn thương và điện thế hoạt động

1.Điện thế tổn thương

*Điện thế tổn thương của các đối tượng động vật

Điện thế tổn thương xuất hiện ở bất kỳ tế bào sống nào giữa vùng bị tổnthương và vùng không bị tổn thương Nguyên nhân tổn thương có thể là cơ học(cắt ép), nhiệt (bỏng, đốt, làm lạnh), hoá học (axít và kiềm)

-Đặc điểm của dòng điện tổn thương là cố định về hướng

-Giá trị điện thế giảm chậm theo thời gian

-Giá trị điện thế còn phụ thuộc vào điều kiện vật lý và phương pháp xác định

Vì vậy không thể dựa trên số liệu về giá trị tuyệt đối của điện thế tổn thương

để so sánh hoặc rút ra một kết luận cụ thể nào về tính chất điện của chúng

Ảnh hưởng của các điều kiện sinh lý rất khó xác định tính chất của sự tổnthương Mỗi đối tượng với từng vết thương gây phản ứng khác nhau

Thay đổi trạng thái sinh lý liên quan đến trạng thái chức năng của mô Chứcnăng của mô bị phá huỷ khi cường độ trao đổi chất bị giảm đột ngột, bị đói hoặc bịtổn thương Nghiên cứu mô, cơ tách rời tức là chính chúng đã chuyển sang trạngthái sinh lý khác nhau

*Điện thế tổn thương của các đối tượng thực vật.

Ở thế kỷ 19 người ta đã thấy đối tượng thực vật cũng tạo điện thế, tính chấtđiện của thực vật cũng giống động vật

+Vùng bị tổn thương đều có điện tích âm so với vùng không bị tổn thương.(Nó có giá trị khoảng 20-120mV)

+Điện thế tổn thương giảm nhanh, sau đó biến mất và đảo cực Điện thế tổnthương tồn tại trong một thời gian ngắn vì các mô thực vật cấu tạo từ các tế bào cókích thước nhỏ, dạng cầu dễ bị tổn thương nặng và tử vong sớm Hiện tượng đảocực là do sản phẩm tạo thành khi mô bị chết gây nên Vì nếu gây tổn thương lại thìđiện thế tổn thương lại như cũ

+Điện thế tổn thương mang tính chất cục bộ : khi đốt vào vùng nhỏ của lá,nếu xác định điện thế tổn thương của càng xa nơi bị tổn thương Ett càng nhỏ

* Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế tổn thương

a.Ảnh hưởng của oxy Hình thành điện thế tổn thương liên quan đến hiệntượng hô hấp của mô, trong điều kiện thiếu oxy giá trị điện thế tổn thương giảmdần

b.Các loại gây độc Các loại gây độc đều ức chế điện thế tổn thương Các cơquan tách ra ở trạng thái gần chết.

c.Anh hưởng của nhiệt độ Khi tăng hay giảm nhiệt độ thì điện thế tổn thươngcũng tăng hoặc giảm theo

Đối với các đối tượng thực vật, điện thế tổn thương phụ thuộc vào vị trí, mức

độ tổn thương, nhiệt độ, tác dụng hoá học, quá trình trao đổi chất trong hệ

Tóm lại, bản chất của hiện tượng điện hệ động vật và thực vật có nguồn gốchoá lý giống nhau

Bảng 6.1: Giá trị điện thế tổn thương của một số cơ quan và mô

2 Điện thế tĩnh

*Điện thế tĩnh hay còn gọi là điện thế gradien trao đổi chất xuất hiện giữa

các vùng trong tế bào có mức độ trao đổi chất khác nhau Các gradien trao đổichất có bản chất khác nhau Như sự chênh lệch về cường độ hô hấp, sự khácbiệt về chức năng, sự khác nhau về mức độ hấp thụ ánh sáng ở mô lá cây, traođổi chất khác nhau ở vùng sinh trưởng hoặc vùng thoái hoá.v.v

-Trong mọi trường hợp vùng có cường độ trao đổi chất mạnh có điện tích

âm so với vùng xung quanh

-Điện thế tĩnh có giá trị cố định Đối với những đối tượng khác nhau giá trịđiện thế tĩnh khác nhau thay đổi từ 0,1mV đến 100 mV

-Điện thế tĩnh đặc trưng cho tính chất điện của hệ khi hệ ở trạng thái traođổi chất bình thường

Khi dùng vi điện cực cắm vào tế bào, một số tác giả cho rằng đó là điệnthế tổn thương (do các vi điện cực gây tổn thương) Một số tác giả khác chorằng đó là điện thế tĩnh, vì nó cố định theo thời gian và sự tổn thương do điệncực không lớn lắm

Sự tồn tại điện thế giữa các phần của một hệ thống là đặc điểm đặc trưngnhất của cơ thể sống Tế bào và mô là hệ đa pha, bao gồm các dung dịch chấtđiện phân, giữa các pha trong hệ có thể xuất hiện các thế điện động cố định.Điện thế tĩnh của thực vật cũng tương đối cố định vì sự phát triển các thànhphần trong hệ, cường độ trao đổi chất mang tính chất đơn giản

Ngay từ thế kỷ 19 người ta đã phát hiện thấy dòng điện đi lên từ rễ, thân,cành lá Một loài thực vật Mimosa pudica, điện thế giữa cành và cuống lá là 5 -

20 mV Điện thế tĩnh xuất hiện giữa phần rễ và phần trên của cây có lẽ chủ yếuliên quan tới quá trình chuyển động của nước, muối khoáng và các chất hữu cơ

Dòng điện xuất hiện trong quá trình quang hợp cũng thuộc điện thếgradien trao đổi chất Điện thế quá trình quang hợp rất dễ xác định ở những lá

có quá trình phân bố không đồng đều clorofil Cắm 1 điện cực vào vùng xanh(có clorofil), 1 điện cực cắm vào vùng không có sắc tố Nếu để lá trong bóng tối

E

∆ không đáng kể Nếu đưa ra sáng ∆ E= 50 -100mV Điện thế quang hợp giữavùng che tối và phần chiếu sáng trên một lá có giá trị ∆ E= 50 -100mV

*Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế tĩnh: Điện thế tĩnh đặc trưng cho trạng

thái sinh lý bình thường của hệ sinh vật Bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến quátrình trao đổi chất bình thường của hệ thì đều ảnh hưởng đến điện thế tĩnh

3.Điện thế hoạt động

*Điện thế hoạt động là dòng điện dao động âm của điện thế tĩnh hay dòng điện

hưng phấn khi có sóng hưng phấn chạy qua Ví dụ hiện tượng này xảy ra khi truyềnxung từ dây thần kinh tới cơ xương, cơ tim hoặc các cơ quan bài tiết tiêu hoá,v.v Khi tế bào bị kích thích, dấu điện tích ở hai phía của màng tế bào đảongược hẳn lại so với lúc nghỉ ngơi: điện thế mặt ngoài trở nên âm hơn so vớimặt trong Lúc đó xuất hiện hiệu điện thế hoạt động Có thể ghi điện thế hoạtđộng bằng hai phương pháp:

a.Phương pháp hai pha Hai điện cực ghi đều đặt trên bề mặt của một sợi

thần kinh tại hai vị trí (2) và (3) Một điện kế nhạy G nối với hai điện cực trên(hình vẽ 6.2)

Theo quan điểm cổ điển khi có một tác nhân kích thích vào sợi dây thầnkinh (xung điện, chất hoá học ) sẽ có một sóng hưng phấn mang điện thế âmtruyền dọc theo sợi dây thần kinh Như vậy sự thay đổi dấu điện tích ở điểm đặtđiện cực tương ứng với sự lan truyền của sóng hưng phấn so với các điện cực

đó sẽ xác định dạng của điện thế hoạt động

Khi sóng hưng phấn đến điểm đặt của điện cực 1 tại vị trí (2) thì giữa điệncực đặt vị trí (3) và điện cực đặt tại vị trí (2) xuất hiện một hiệu điện thế Ub(Ub=60 mV) hình 6b Liền ngay sau đó sóng hưng phấn sẽ bao trùm cả haivùng điện cực và vùng điện cực thứ hai cũng trở thành âm, do đó hiệu điện thếgiữa hai điện cực bằng 0 (hình 6c) Tiếp tục lan truyền, sóng hưng phấn sẽ rờikhỏi vị trí (2) chỉ còn ở vị trí (3) thì hiệu điện thế giữa hai điện cực có giá trị âm(Ud = -60 mV) (hình 6d) Hiệu điện thế giữa hai điện cực lại trở về giá trị 0 (U

= 0) khi sóng hưng phấn rời khỏi vị trí (3) (hình 6e)

Hình vẽ 6.2 : Sơ đồ đo điện thế hoạt động hai pha

b.Phương pháp một pha.Trong phương pháp này chỉ có một điện cực kích

thích lớn đặt ở vị trí (2), còn điện cực thứ hai là một vi điện cực cắm xuyên quamàng ở vị trí (3)

Khi chưa kích thích, giữa vi điện cực và điện cực lớn có một hiệu điệnthế, đó là điện thế tĩnh của thần kinh (điện thế này có giá trị khoảng - 80mV)(hình 6.3a) Khi kích thích thần kinh tại vị trí (1), sóng hưng phấn sẽ lan về phía

vị trí (2): hiệu điện thế giữa hai điện cực từ - 90mV tăng dần tới giá trị 0 khisóng tới vị trí (2) (hình 6.3b) Khi sóng hưng phấn truyền từ (2) tới (3), hiệuđiện thế giữa hai điện cực lại giảm từ giá trị 0 tới giá trị điện thế tĩnh ban đầu (-

80 mV) (hình6.3c)

Như vậy điện thế hoạt động chính là sự biến đổi nhanh chóng của điện thếtĩnh, dưới tác dụng của một tác nhân kích thích nào đó

Khoảng hơn chục năm nay, nhờ các dao động ký điện tử nhạy nên chúng

ta ghi được chính xác điện thế hoạt động bằng phương pháp một pha Đỉnh củađiện thế hoạt động có dạng nhọn, đỉnh này không dừng lại ở giá trị 0 mà tiếp tụcvượt sang vùng có giá trị dương (hình 6.3) Đo trên sợi trục khổng lồ của thầnkinh cá mực, một số tác giả đã thấy giá trị điện thế tĩnh khoảng -60 mV Phầnđỉnh nhô khỏi giá trị 0 khoảng 50 mV

Hình 6.4: Điện thế hoạt động của sợi trục khổng lồ dây thần kinh cá mực

Trên hình 6.4 dựa vào sự biến đổi điện thế ở hai phía của màng, chúng ta

có thể chia điện thế hoạt động làm nhiều giai đoạn như sau:

80 60 40 20 0

-60 -40 -20

mV

-80

Chọc 1 điện cực qua màng