95 phân bố không đồng đều các ion ở trạng thái cân bằng Donnan. Hiệu điện thế đó được gọi là hiệu điện thế màng (Um). Theo thí dụ trên ta thấy, khi cân bằng diễn ra thì phương trình cân bằng Gibbs -Donnan cho ta: [Na + ] 1 [Cl - ] 1 = [Na + ] 2 [Cl - ] 2 Có thể viết lại theo tỷ số nồng độ ion như sau: 1 2 2 1 ][ ][ ][ ][ + + − − = Na Na Cl Cl (5.20) Lúc đó, phương trình hiệu số điện thế điện hoá của Nernst được viết lại cho hiệu điện thế màng là: 2 1 1 2 ][ ][ ln ][ ][ ln − − + + == Cl Cl ZF RT Na Na ZF RT U m (5.21) III. Điện thế tĩnh. Trong cơ thể động vật, trên các tế bào, mô sống thường xuất hiện và tồn tại nhiều loại điện thế khác nhau. Các loại điện thế này có cùng nguồn gốc như nhau nhưng tuỳ theo nguyên nhân xuất hiện, phương pháp đo đạc và điều kiện thí nghiệm mà ta có thể phân chia ra thành nhiều loại có tên gọi khác nhau. Đó là các loại điện thế cơ bản như điện thế nghỉ, điện thế tổn thương, điện thế hoạt động, điện thế tại chỗ. Điện thế tĩnh hay còn gọi là điện thế nghỉ. Đó là điện thế đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của đối tượng sinh vật. Nói cách khác, điện thế này cũng đặc trưng cho tính chất điện của hệ thống sống ở trạng thái trao đổi chất bình thường. Điện thế tĩnh chính là hiệu điện thế bình thường tồn tại ở hai phía màng, được xác định bằng cách ghi đo sự chênh lệch hiệu thế giữa tế bào chất và dịch ngoại bào. Có thể tiến hành thí nghiệm như dưới đây. 1. Thí nghiệm. Để khảo sát sự biến đổi dòng điện và đo hiệu điện thế màng của một tế bào (mô sống hay một sợi thần kinh ) nào đó, thông thường ta hay sử dụng phương pháp ghi đo vi điện cực nội bào. Thí nghiệm được tiến hành như hình 5.4 (a,b,c) dưới đây: 96 Hình 5.4: Ghi đo điện thế nghỉ. ( a ( b ( c a) Đặt hai điện cực phía ngoài màng sinh học. b) Đặt một điện cực bên ngoài và một vi điện cực xuyên qua màng. c) Cắm hai vi điện cực xuyên qua màng. Ghi đo bằng cách đặt hai điện cực trên bề mặt sợi thần kinh, ta thấy kim điện kế ở đồng hồ đo dòng điện không lệch khỏi điểm không. Điều đó chứng tỏ không có sự chênh lệch điện thế giữa chúng (hình 5.4a). Nếu đặt một điện cực ở phía bên ngoài màng và một vi điện cực cắm xuyên qua màng, ta thấy giữa hai điện cực này có xuất hiện một hiệu điện thế (hình 5.4b). Còn khi chọc cả hai vi điện cực xuyên qua màng thì ta cũng thấy kim điện kế vẫn chỉ giá trị không. Điều đó chứng tỏ giữa hai điện cực không có một sự chênh lệch điện thế nào. (Hình 5.4c). Kết quả thí nghiệm trên cho thấy: Giữa mặt ngoài tế bào không bị tổn thương và môi trường bên ngoài không có sự chênh lệch điện thế. Ngược lại giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một hiệu điện thế nào đó. Sự chênh lệch điện thế này được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh của màng (Resting membrane potential). 2. Đặc điểm. Điện thế nghỉ có hai đặc điểm như sau: - Mặt trong tế bào sống luôn luôn có giá trị điện thế âm so với mặt bên ngoài. Nói cách khác chiều điện thế nghỉ là không đổi. - Bình thường điện thế nghỉ có giá trị điện thế biến đổi rất chậm theo thời gian. Bằng các phương pháp và kỷ thuật ghi đo tốt, ta có thể duy trì dòng điện này trong một thời gian dài. Độ lớn điện thế giảm chậm theo thời gian. Giá trị này chỉ giảm đi khi chức năng của tế bào, hay của sợi cơ bắt đầu xuất hiện. 97 3.Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế nghỉ. Điện thế nghỉ đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của hệ thống sống. Nếu thay đổi trạng thái sinh lý sẽ liên quan đến trạng thái chức năng của hệ. Do đó bất kỳ yếu tố nào làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình thường của nó cũng đều ảnh hưởng đến điện thế nghỉ của hệ, chẳng hạn như: - Dưới tác dụng của dòng điện bên ngoài. - Giá trị điện thế bị thay đổi khi làm thay đổi thành phần ion của môi trường. - Sự tác động của một số độc tố lên hệ thống sống cũng làm biến đổi nhanh điện thế màng. - Khi thay đổi lượng oxy trong môi trường cũng sẽ liên quan đến quá trình hô hấp của mô, cơ , do đó sẽ làm ảnh hưởng đến điện thế nghỉ. - Ở các loại tế bào khác nhau thì điện thế nghỉ cũng có giá trị khác nhau. Giá trị này thay đổi trong khoảng từ -10mV đến -100mV. Sự chênh lệch điện thế tồn tại giữa các phần khác nhau trong một hệ sinh vật cũng là một trong những yếu tố đặc trưng cho cơ thể sống. IV. Điện thế tổn thương. Điện thế tổn thương là hiệu điện thế xuất hiện do sự chênh lệch điện thế giữa vùng bị tổn thương và vùng không bị tổn thương. Sự tổn thương xảy ra có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau (như dưới tác động cơ học, nhiệt, điện, hoặc hoá học ) đều làm xuất hiện sự chênh lệch điện thế. Loại điện thế này có cùng dạng như nhau trên các đối tượng sinh vật. Đặc trưng cơ bản của điện thế tổn thương là: - Giá trị của hiệu điện thế giảm dần và biến đổi chậm theo thời gian. - Điện thế tổn thương phụ thuộc nhiều vào điều kiện khảo sát và phương pháp ghi đo. - Độ lớn điện thế bị ảnh hưởng nhiều tuỳ thuộc vào điều kiện sinh lý của các đối tượng nghiên cứu. 1. Đối tượng động vật. Thực nghiệm cho thấy rằng, ở trạng thái sinh lý bình thường thì các thành phần ion ở mặt trong màng tế bào (mô, cơ ) và phía bên ngoài có sự phân bố ổn định. Còn giữa các vị trí khác nhau ở môi trường bên ngoài không bị tổn thương so với môi trường xung quanh sẽ không có sự 98 chênh lệch nào về điện thế. Nói cách khác, ở trạng thái sinh lý bình thường ta thấy có sự phân bố điện tích ban đầu ở hai phía màng sinh học. Nếu khi các tế bào (mô) bị tổn thương, sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển chất, mà cụ thể là sự trao đổi các chất qua màng tế bào. Nói tóm lại, sự tổn thương đối tượng sống mà cụ thể như tế bào (mô, cơ, ) đã làm thay đổi trạng thái chức năng của tế bào hay sẽ làm thay đổi trạng thái sinh lý bình thường của các đối tượng nghiên cứu. 2. Đối tượng thực vật. Khảo sát tính chất điện trên đối tượng thực vật cũng cho thấy có nhiều điểm tương tự như ở động vật, đó là: - Có sự chênh lệch điện thế giữa vùng bị tổn thương và vùng không bị tổn thương. - Điện thế tổn thương có giá trị âm. - Điện thế này tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. - Giá trị điện thế giảm nhanh theo thời gian và tuỳ thuộc vào điều kiện thí nghiệm, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các vùng khảo sát. - Khả năng xuất hiện điện thế này chỉ khu trú tại vùng bị thương tổn. 3. Các yếu tố ảnh hưởng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, các yếu tố nào làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình thường của tế bào và mô đều làm thay đổi giá trị điện thế tổn thương như: - Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. - Thay đổi thành phần môi trường, nhất là đối với Oxy liên quan nhiều trong quá trình trao đổi chất. - Sự tác động của các trường lực điện bên ngoài (điện trường, từ trường ) liên quan đến sự chuyển dịch của các ion qua màng. - Sự tác động của các độc tố vào môi trường có liên quan đến sự thay đổi điều kiện sinh lý bình thường. V. Điện thế hoạt động. Điện thế hoạt động là sự dao động nhanh của điện thế màng. Dao động điện màng xuất hiện trong các tế bào thần kinh, cơ, và một số tế bào khác khi có sóng hưng phấn truyền qua. Do đó dòng điện làm xuất hiện điện thế này còn được gọi là dòng điện hưng phấn. Tất cả tế bào sống đều có đặc tính dễ bị kích thích, tức là có khả năng chuyển từ điều kiện sinh lý bình thường ở trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt hoá. Dưới ảnh hưởng 99 của tác nhân kích thích nào đó, tế bào sẽ dễ dàng bị thay đổi tính chất hoá lý của màng. Khi có sóng hưng phấn truyền đến, dấu hiệu điện tích ở hai phía màng tế bào bị đảo ngược hẳn lại so với giá trị điện thế nghỉ lúc ban đầu. Hiệu điện thế này xuất hiện là do có sự chênh lệch về giá trị điện thế giữa hai phía của màng. Lúc này giá trị của điện thế ở mặt bên ngoài sẽ âm hơn so với điện thế mặt bên trong của nó. Để xác định điện thế hoạt động, thông thường ta sử dụng các kỹ thuật ghi đo vi điện cực nội bào. Có thể tiến hành khảo sát sự xuất hiện điện thế hoạt động bằng hai phương pháp như dưới đây: 1. Phương pháp 2 pha. Có thể tiến hành khảo sát trên sợi thần kinh được kích thích tại ví trí (1), hai điện cực đặt tại hai vị trí (2) và (3) trên mặt sợi thần kinh. Theo dõi sự biến đổi giá trị điện thế của chúng qua một điện kế G nhạy nối giữa hai điện cực như hình (5.5): Hình 5.5: Ghi đo điện thế hoạt động hai pha a) Kích thích tại vị trí (1). b) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (2). c) Sóng hưng phấn nằm giữa vị trí (2) và (3). d) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (3). (a) (1) ( 2) (3) U = 0 ( b) ( 1) ( 2) (3) U = 60V (c) (1) (2) (3) U = 0 ( d) ( 1) ( 2) (3) U = - 60V 100 Nếu dùng một tác nhân nào đó kích thích sợi thần kinh tại vị trí (1); thì theo quan niệm cổ điển sẽ có một sóng hưng phấn mang điện tích âm truyền dọc theo sợi thần kinh. - Khi sóng kích thích lan truyền đến vị trí (2) thì giữa hai điện cưc đặt tại vị trí (2) và (3) sẽ xuất hiện một giá trị hiệu điện thế U nào đó, khoảng 60 mV (hình 5.5b) - Sóng kích thích lan dần về vị trí (3) thì hiệu điện thế này giảm dần và tiến gần đến giá trị điện áp bằng không (U = O mV) khi sóng hưng phấn ở trong vùng giữa vị trí (2) và (3). Khi sóng kích thích tiến tới vị trí (3) thì hiệu điện thế giữa hai cực biến đổi về phía điện thế âm (hình 5.5c). - Khi sóng kích thích truyền đến vị trí (3) thì điện thế âm này đạt giá trị điện áp tới hạn (U th ) (U th = -60 mV) như hình 5.5d. - Khi sóng rời khỏi vị trí (3) thì hiệu điện thế giữa hai điện cực trở về lại giá trị U bằng không như ban đầu. Theo dõi đặc tuyến biến đổi theo thời gian ta được dạng điện thế hoạt động như (hình 5.6): U b U d U 0 t Hình 5.6: Đặc tuyến biến đổi của điện thế hoạt động hai pha theo thời gian 2. Phương pháp một pha. * Phương pháp ghi đo. Phương pháp một pha là phương pháp ghi đo điện thế hoạt động bằng cách dùng một điện cực đặt tại vị trí (2) và một vi điện cực khác cắm xuyên qua màng đặt ở vị trí (3). Sau đó kích thích tại vị trí (1) và khảo sát sóng hưng phấn kích thích truyền dọc theo đối tượng nghiên cứu (tế bào, sợi cơ, ) như (hình 5.7): 101 ( a) (1) (2) ( 3) U = - 60V ( c) ( 1) ( 2) ( 3) U = - 60V ( b) ( 1) ( 2) (3) U = 0 Hình 5.7: Sơ đồ ghi đo điện thế hoạt động một pha trên sợi thần kinh. a) Kích thích tại 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, giữa điện cực (2) và vi điện cực (3), có xuất hiện một sự chênh lệch điện thế, đó là điện thế nghỉ của sợi thần kinh. Điện thế này có giá trị khoảng - 60mV đến - 100mV. - Khi kích thích tại vị trí (1), sóng hưng phấn lan truyền đến vị trí (2) thì hiệu điện thế này tăng dần lên từ giá trị điện thế âm đến giá trị không. Hiệu thế này tăng nhanh và đạt tới giá trị cao nhất tại điện thế không (U = 0) khi sóng hưng phấn đến vị trí (2) (hình 5.7b). - Khi sóng hưng phấn truyền từ vị trí (2) đến (3) thì hiệu điện thế hoạt động một pha giảm trở lại về điện thế nghỉ như lúc đầu (-80mV) Vậy điện thế hoạt động một pha chính là sự biến đổi nhanh chóng của điện thế ngh ỉ dưới tác dụng của một tác nhân kích thích nào đó. Dạng điện thế hoạt động một pha biến đổi theo thời gian trong thí nghiệm trên một sợi thần kinh, được biểu diễn như (hình 5.8): 102 Hình 5.8: Đặc tuyến biến đổi của điện thế hoạt động một pha - 40 - 80 0 U(mV ) a b c t theo thời gian. * Các giai đoạn hình thành. Khoảng vài thập niên trở lại đây, nhờ các thiết bị ghi đo hiện đại, điện thế hoạt động một pha được biểu diễn một cách tỉ mỉ, chính xác hơn. Sự hình thành điện thế hoạt động được chia ra làm nhiều giai đoạn như (hình 5.9). Đo trên sợi thần trục khổng lồ của thần kinh cá mực, ta thấy điện thế nghỉ có giá trị khoảng -60mV phần đỉnh của điện thế hoạt động có giá trị khoảng 50mV. Hình 5.9: Các giai đoạn biến đổi của điện thế hoạt động - 20 - 40 - 60 - 80 6 0 4 0 2 0 O U (mV) A A ’ B B ’ C D Kêch thêch Càõm vi âiãûn cæûc 103 Điện thế hoạt động có các giai đoạn biến đổi là: + Giai đoạn khử cực (Depolarization), đoạn AA’. Lúc này hiệu điện thế ở hai phía màng biến đổi từ giá trị điện thế nghỉ (U nghỉ) đến điểm có điện thế bằng không (U = 0 mV) + Giai đoạn quá khử cực, đoạn A’BB’. Trong giai đoạn này hiệu điện thế ở hai phía màng vượt quá giá trị điện thế không, tiếp tục biến đổi về phía có điện thế dương. + Giai đoạn phân cực lại (Repolarization), đoạn B’C. Đó là giai đoạn mà hiệu điện thế ở hai phía màng giảm trở lại về giá trị điện thế nghỉ. + Giai đoạn quá phân cực, đoạn CD. Giai đoạn này ứng với lúc hiệu điện thế ở hai phía màng có giá trị âm hơn điện thế nghỉ. Nếu kích thích có cường độ đủ lớn ta nhận thấy rằng: - Trong thời gian xuất hiện pha lên (nhánh lên) điện thế màng vượt quá giá trị điện thế không, ta thấy có sự đảo cực của điện thế màng. - Trong pha xuống (nhánh xuống), màng có sự phân cực lại. Điện thế hoạt động ở pha này phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điện cực và phụ thuộc nhiều vào tốc độ dẫn truyền hưng phấn. Các nghiên cứu của Erlange và Gatse đã chứng minh rằng: -Điện thế hoạt động ghi được từ một thần kinh là tổng các điện thế lan truyền trên các sợi tơ cơ cấu tạo nên sợi trục thần kinh đó (hình 5.10) 0, 4 1, 2 2, 4 0 5 0 10 0 U (mV) t (ms) Hình 5.10: Điện thế hoạt động của tơ cơ và sợi thần kinh. Từ đặc tuyến trên, tác giả đã giải thích cho ta thấy rằng:-Có sự tương ứng giữa giá trị điện thế hoạt động ghi đo được trên sợi của thần kinh của 104 mèo (nét đứt) và điện thế hoạt động xuất hiện ghi đo được trên từng sọi tơ thần kinh tổng hợp nên sợi trục thần kinh đó (nét liền). VI. Bản chất của điện thế tĩnh và điện thế tổn thương. Để giải thích về cơ chế, bản chất và nguồn gốc của các loại điện thế sinh vật, ta dựa vào một số giả thuyết, các lý thuyết ion cũng như một số cách lý giải khác của các nhà khoa học: Có nhiều quan điểm khác nhau để giải thích về sự hình thành điện thế sinh học. Tuy nhiên lý thuyết mà đang được nhiều nhà khoa học chấp nhận và có cơ sở vững chắc hơn cả, đó là “Lý thuyết ion màng”. Theo thuyết này, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật thì các ion (đặc biệt là các ion Na + , K + , Cl - ) ở trong dịch nội bào và bên ngoài tế bào đóng vai trò quyết định. Cho đến nay lý thuyết này vẫn chiếm nhiều ưu thế trong việc giải thích hiện tượng điện sinh vật. Dựa vào lý thuyết trên, ta có thể giải thích về sự hình thành các loại điện thế sinh vật cơ bản. Trước khi giải thích cơ chế hình thành điện thế nghỉ và điện thế tổn thương, ta khảo sát sự phân bố các loại ion chính ảnh hưởng đến hiệu thế màng. Ở trạng thái bình thường, có thể xác định được giá trị điện thế tĩnh tương ứng với sự phân bố nồng độ ion ở hai phía màng. Chẳng hạn như sự phân bố ion trong tế bào “cơ Mamalian” như (bảng 5.1): Bảng 5.1: Nồng độ một số loại ion trong tế bào cơ Mamalian Nồng độ ion dịch ngoại bào [ion] 0 (μM/cm 3 ) Nồng độ ion dịch nội bào [ion] i (μM/cm3) [ion] 0 / [ion] i ε m (mV) Cations: Na + 145 K + 4 H + 3,8.10 -5 ion khác 5 Cations Na + 12 K + 155 H + 13.10 -5 12,1 1/39 1/3,4 66 -97 -32 [...]... mng ó chim nhiu u th v vic gii thớch bn cht s hỡnh thnh in th tnh Kt qu o t thc nghim hon ton phự hp vi lý thuyt Thc vy, giỏ tr tớnh toỏn t lý thuyt gn ỳng vi kt qu o c t thc t Tuy nhiờn lý thuyt cng rc ri v cng khụng 1 07 th d dng gii thớch trờn nhiu i tng khi m iu kin thớ nghim khỏ phc tp Tht vy lý thuyt ion mng cho rng, cỏc ion u khuych tỏn qua mng di nh hng ca Gradient Tuy nhiờn khi nghiờn cu trờn...105 Anion ClHCO3 Ion khỏc in th 120 27 7 0 Anion ClHCO3 A- 4 8 30 3 ,7 -90 -32 1/30 -90 155 -90 1 Nhn xột: Kho sỏt cỏc thnh phn tng t nh trờn nhiu i tng nghiờn cu khỏc nhau, nh thn kinh ch, tim chut cng, c xng chú , ta thy cú s phõn b khụng ng u ca cỏc... [K+]i v [Cl-]i l cỏc nng ion phớa bờn trong t bo Goldmann ó a ra gi thuyt l: - Mng t bo cú tớnh ng nht v cu trỳc v in trng tỏc dng lờn mng ti mi v trớ l khụng i - Dung dch in ly ca cỏc dch sinh vt c coi nh l dung dch lý tng - Mng cú tớnh cht bỏn thm nhng khụng phi hon ton tuyt i, ngha l cú th cho ion ny qua cũn ion khỏc thỡ khụng th qua c c trng cho kh nng dch chuyn ca cỏc ion qua c mng nhiu hay ớt,... bo Kt qu lý thuyt v thc nghim khi kho sỏt trờn c ch theo ba phng phỏp c xỏc nh nh (hỡnh 5.13) UM (mV) 0 Kóỳt quaớ thổỷc nghióỷm Tờnh theo Goldmann Tờnh theo Nernst -20 -40 -60 -80 100 120 mM/ l 0, 1 5 5 10 50 100 [K+]O Hỡnh 5.13: Giỏ tr iờn th tnh ca c ch theo cỏc phộp o Nu lm thay i nng ion Kali mụi trng bờn ngoi c ch thỡ in th tnh o c cú s sai khỏc nhau ớt nhiu so vi cỏc kt qu tớnh toỏn t lý thuyt... cú kh nng ỏp ng ngay di tỏc dng ca ngun kớch thớch ỏp ng thay i do kớch thớch thng c biu hin bng s xut hin 108 mt in th hot ng V bn cht v c ch hỡnh thnh in th khỏ phc tp, da vo lý thuyt ion mng ta mi cú th gii thớch mt cỏch hp lý nht 1 S kh cc v tỏi phõn cc - Ta bit rng trng thỏi ngh, cú s phõn b cỏc loi ion hai phớa mng lm cho bờn trong mng tớch in õm v phớa bờn ngoi mng tớch in dng in th ú chớnh... loi ion Na+, K+, Cl- cho thy t l gia cỏc ion ny thng l: - Ion K+ trong t bo ln hn bờn ngoi khong vi chc ln - Ion Na+ bờn ngoi ln hn bờn trong rt nhiu - Ion Cl- bờn ngoi ln hn bờn trong khong 30 ln 2 Lý thuyt ion mng Bernstein l ngi u tiờn cho rng, in th tnh l kt qu ca s phõn b khụng u cỏc ion hai phớa mng t bo trng thỏi tnh, mng khụng thm ion Na+ v Cl- m ch cho cỏc ion K+ lt qua Hin tng vn chuyn... ion i qua mng tu thuc vo tớnh thm ca mng, nờn da vo tớnh cht ny i vi cỏc loi ion hoc núi mt cỏch khỏc l cú th da vo s thay i v dn in bi cỏc ion in dn thay i lm in th mng (Um) cng thay i theo khi i tng sinh vt trong trng thỏi hot ng * Kho sỏt th biu din dn in ca ion Na+ v ion K+ , tng ng nh khi kho sỏt c trng tớnh thm ca mng, ta c kt qu nh (hỡnh 5.15) Ta thy mi s kh cc mng u lm tng tớnh thm ca mng . đầu xuất hiện. 97 3.Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế nghỉ. Điện thế nghỉ đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của hệ thống sống. Nếu thay đổi trạng thái sinh lý sẽ liên quan đến. tuỳ thuộc vào điều kiện sinh lý của các đối tượng nghiên cứu. 1. Đối tượng động vật. Thực nghiệm cho thấy rằng, ở trạng thái sinh lý bình thường thì các thành phần ion ở mặt trong màng. thế sinh vật, ta dựa vào một số giả thuyết, các lý thuyết ion cũng như một số cách lý giải khác của các nhà khoa học: Có nhiều quan điểm khác nhau để giải thích về sự hình thành điện thế sinh