Bài giảng Lý sinh Y học - Hiện tượng điện sinh vật. Các loại điện thế sinh vật cơ bản

Hiện tượng điện sinh vật Các loại điện thế sinh vật cơ bản Ths. Nguyễn Xuân Hoà Bộ môn Lý sinh Y học-Trường ĐHYK Thái Nguyên Mục tiêu 1. Trình bày được thí nghiệm chứng tỏ sự tồn tại của điện thế nghỉ, sự xuất hiện và lan truyền của điện thế hoạt động. 2. Giải thích được thí nghiệm. 3. Trình bày được nội dung của lý thuyết ion màng của Becstein. 4. Vận dụng lý thuyết ion màng để giải thích cơ chế của các hiện tượng điện sinh vật. 1. Khái quát về các hiện tượng điện sinh vật. - Năm 1786, Ganvanni phát hiện một tính chất mọi tổ chức tế bào sống với môi trường xung quanh luôn tồn tại một sự chênh lệch về điện thế có giá trị vào khoảng 0,1 mV. - Một vài sinh vật cá biệt, cơ thể chúng có thể phát ra những xung điện có biện độ lên tới hàng trăm mV và cường độ dòng cỡ hàng chục mA. - Những năm đầu của thế kỷ 20 sáng tỏ cơ chế phát sinh, lan truyền và bản chất của các hiện tượng điện sinh vật nhanh chóng ứng dụng chúng vào nhiều lĩnh vực mà trước hết là trong các ngành sinh học và y học... - Trong y học: phương pháp ghi đo điện tim, điện não, điện cơ , điện võng mạc 2. Các loại điện thế sinh vật cơ bản 2.1. Điện thế nghỉ. Xét thí nghiệm sau: * Dụng cụ: - Một điện kế cực nhạy G. - 2 vi điện cực có kích thước rất nhỏ (I,II) * Đối tượng nghiên cứu là một tế bào hoặc một tổ chức nào đó của cơ thể sống (cụ thể trong thí nghiệm này là một sợi thần kinh). * Tiến hành thí nghiệm: - Bước 1: Đặt 2 vi điện cực (kí hiệu I và II) tiếp xúc với 2 điểm A và B cùng nằm trên bề mặt bên ngoài sợi thần kinh giữa 2 điểm A và B không có sự chênh lệch về điện thế. - Bước 2: Giữ nguyên điện cực I ở A (bên ngoài) nhẹ nhàng chọc điện cực II xuyên qua màng vào bên trong tổ chức (tại B). giữa 2 điểm A và B trong trường hợp này đã có một sự chênh lệch về điện thế. - Bước 3: Giữ nguyên điện cực II ở B và tiếp tục chọc điện cực I xuyên qua màng vào bên trong tổ chức.  Giữa 2 điểm A và B lúc này (cùng ở bên trong tổ chức) cũng không có sự chênh lệch về điện thế. AB III B I A II A B III Hỡnh minh hoạ cỏc bước TN UAB =0 UAB =0UAB  0 Từ các kết quả thực nghiệm đó, có thể rút ra những kết luận như sau: 1. Giữa một điểm nằm bên ngoài và một điểm nằm bên trong của một tổ chức hoặc một tế bào sống luôn tồn tại một sự chênh lệch về điện thế mà giá trị của độ chênh lệch điện thế này được gọi là điện thế nghỉ (điện thế tĩnh) . 2. Căn cứ chiều quay của kim và dấu của các điện cực,  xác định được điện thế tại một điểm nằm trong màng mang giá trị âm còn ở ngoài màng thì mang giá trị dương quy ước: điện thế nghỉ mang giá trị âm. 3. Điện thế nghỉ hầu như không thay đổi theo thời gian, nó là một thuộc tính vốn có đặc trưng cho mọi tổ chức và tế bào sống. 4. Điện thế nghỉ còn tồn tại giữa một điểm bị thương tổn với xung quanh điện thế nghỉ là: điện thế tổn thương. 2.2. Điện thế hoạt động. 2.2.1. Phương pháp 2 pha. - Thí nghiệm: Dụng cụ và đối tượng nghiên cứu giống trong TN về điện thế nghỉ. - Bắt đầu bằng việc đo điện thế tại 2 điểm A và B cùng nằm bên ngoài màng. Khi đó kim điên thế chỉ số 0. - Bây giờ ta dùng một tác nhân nào đó (chọc kim, dùng xung điện,...) kích thích vào sợi dây thần kinh tại điểm C và quan sát kim điện kế ta thấy: Thoạt đầu kim điện thế quay sang phải, đến một giá trị nào đó kim dừng lại và bắt đầu đảo chiều quay, nhưng qua vị trí số 0, kim không dừng lại mà tiếp tục lệch sang bên trái. Đến vị trí đối diện, kim dừng lại rồi một lần nữa đảo chiều quay trở về vị trí số 0 ban đầu. Có thể biểu diễn kết quả quan sát thấy trên bằng đồ thị sau: Qua thí nghiệm ta rút ra kết luận: 1. Dưới tác dụng của tác nhân kích thích bên trong sợi dây thần kinh xuất hiện một điện thế, điện thế này còn được gọi là điện thế hoạt động hay điện thế kích thích. Điện thế này có giá trị âm và lan truyền dọc theo sợi thần kinh. 2. Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của điện thế nghỉ dưới tác dụng của tác nhân kích thích (nghĩa là biên độ của điện thế hoạt động đúng bằng biên độ của điện thế nghỉ của tổ chức, tế bào). 0 UAB T (s) * Giải thích thí nghiệm: C I II A B I II A B B I II A A II B I C A B III 2.2.2. Phương pháp 1 pha. Ta cũng trở lại thí nghiệm trên những bắt đầu bằng việc đo điện thế nghỉ. - Lúc đầu: kim điện kế quay chỉ giá trị của điện thế nghỉ. - Dùng tác nhân kích thích vào sợi thần kinh tại điểm C , quan sát kim điện kế G ta thấy: kim từ từ trở về vị trí số 0, sau đó nó lại trở về vị trí của điện thế nghỉ ban đầu. 0 A B I II UAB unghỉ T (s) Nhận xét: - Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của điện thế nghỉ dưới tác dụng của tác nhân kích thích. - Điện thế hoạt động cũng có giá trị âm và lan truyền dọc theo sợi dây thần kinh T. => + Phương pháp thí nghiệm trên được gọi là phương pháp 1 pha bởi vì trên đồ thị nó đươc biểu diễn bởi chỉ 1 pha chiều dương của đồ thị. + Điện thế hoạt động cũng đo được giữa một tổ chức nghỉ ngơi và một tổ chức đang làm việc. 3. Cơ chế phát sinh và lan truyền các loại điện thế sinh vật 3.1. Nội dung lý thuyết ion màng của Becstein - Các ion K+, Na+, và Cl- là các ion đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động điện của mọi tế bào và tổ chức sống. - Nồng độ các ion nói trên giữa 2 phía của màng luôn luôn có sự chênh lệch đáng kể (nồng độ K+ ở trong tế bào lớn hơn K+ ở ngoài màng khoảng 40 lần, còn nồng độ của Na+ và Cl- ở ngoài lớn hơn ở bên trong tế bào khoảng 10 lần). - Màng tế bào có tính thấm lọc lựa đối với các ion này (ở trạng thái nghỉ chỉ có K+ qua lại màng được dễ dàng, còn Na+ và Cl- thì không qua màng được). - Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn (kích thích hoặc đang từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái làm việc), tính thấm của màng sẽ thay đổi một cách đột ngột đối với ion Na+ . ở trạng thái nghỉ, tính thấm của màng đối với K+ : Na+ :Cl- = 1: 0,04: 0,45; ở trạng thái hoạt động tỷ lệ này là 1: 20: 0,45. Nghĩa là tính thấm của màng đối với Na+ tăng 500 lần. 3.2. Cơ chế của điện thế nghỉ. - Nội dung 1 và 2 của lý thuyết ion màng chỉ ra rằng các ion hai phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ các ion K+ từ trong ra ngoài tế bào và các ion Na+, Cl- từ ngoài vào trong tế bào theo hiện tượng khuyếch tán mà chưa tính đến vai trò của màng thì theo chiều Gradien nồng độ. - Nội dung thứ 3 của lý thuyết ion màng: ở trạng thái nghỉ chỉ có K+ qua lại được màng, nên các ion này sẽ khuếch tán từ trong tế bào là nơi có nồng độ cao ra phía ngoài của màng là nơi có nồng độ thấp (dưới tác dụng của Grandien nồng độ) một dòng các điện tích dương dịch chuyển từ trong tế bào ra ngoài màng. => Do vậy tính trung hoà điện ở tế bào, tổ chức bị phá vỡ, kết quả là lượng điện tích ở phía ngoài màng sẽ tăng lên còn trong tế bào sẽ giảm đi do đó xuất hiện sự chênh lệch về điện thế giữa 2 phía của màng mà giá trị của sự chênh lệch đó được gọi là điện thế nghỉ. 3.3. Cơ chế của điện thế hoạt động Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn do tính thấm của tế bào đối với Na+ đã tăng gấp 500 lần do đó các ion Na+ từ phía ngoài là nơi có nồng độ cao sẽ ào ạt tràn vào trong tế bào dưới tác dụng của Gradien nồng độlượng điện tích dương bên trong tế bào đã tăng và do đó sự chênh lệch điện tích giữa 2 phía của màng cũng bị triệt tiêu. => Điều đó cũng có nghĩa là đã xuất hiện một sự chênh lệch về điện thế nhưng có chiều ngược với chiều của điện thế nghỉ, độ chênh lệch điện thế xuất hiện khi tế bào ở trạng thái hưng phấn được gọi là điện thế hoạt động.  Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của của điện thế nghỉ khi tế bào bị kích thích hoặc khi nó từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái hoạt động. 3.4. Hạn chế của lý thuyết ion màng. - Lý thuyết ion màng không chỉ rõ theo cơ chế nào mà tính thấm của màng lại thay đổi đột ngột với các ion K+, Na+ trong giai đoạn của điện thế hoạt động. - Lý thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của ion hoá trị 2 như ion Ca++. - Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho rằng toàn bộ các ion ở hai phía của màng ở trạng thái tự do, nghĩa là có thể khuyếch tán qua màng được ( thí nghiệm đã chứng minh: trong cơ có một lượng K+ ở trạng thái liên kết và chúng không tham gia quá trình tạo nên điện sinh vật ). - Thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của màng. Khi tế bào bị kích thích màng có sự biến đổi về cấu trúc, hình dạng của các phân tử cấu tạo nên màng.