Bài giảng Lý sinh: Phần 2 - Trường ĐH Tây Nguyên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Bài giảng Lý sinh: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: dòng điện và sự sống; hiện tượng âm trên cơ thể sống; quang sinh học; bức xạ ion hóa và cơ thể sống. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Lý sinh: Phần 2 - Trường ĐH Tây Nguyên

Chương 5. DÒNG ĐIỆN VÀ SỰ SỐNG MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, sinh viên có thể: − Nắm vững bản chất của các loại điện thế sinh vật cơ bản, phương pháp ghi đo, điều kiện thí nghiệm và các giai đoạn xuất hiện. − Nắm vững các lý thuyết giải thích sự hình thành các loại điện thế sinh vật và mối quan hệ giữa chúng. Vận dụng tính giá trị điện thế màng trong một số điều kiện cho trước. − Trình bày được các thông số đặc trưng của quá trình kích thích cơ và thần kinh. Giải thích các hiện tượng dẫn truyền xung động thần kinh − Nắm vững ý nghĩa của các thông số điện trở, điện dẫn tế bào và mô. Giải thích cơ chế phân cực hệ thống sống và ứng dụng thực tiễn − Vận dụng kiến thức đã học vào thực tế học tập, nghiên cứu. 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 có thể sinh ra các xung điện lên đến 600V, với dòng điện vào khoảng hàng trăm mA. Dòng điện sinh vật từ lâu đã là đề tài hấp dẫn đối với các nhà khoa học. Năm 1786, Dr. Louis De Galvanie đã phát hiện sự tồn tại chênh lệch điện thế giữa tế bào sống và môi trường bên ngoài. Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm sau đó vẫn chỉ đóng khung trong việc mô tả hiện tượng do những khó khăn trong quá trình nghiên cứu như sau: − Tốc độ biến đổi tín hiệu trên đối tượng nghiên cứu thay đổi nhanh, các giá trị đo được thường rất 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 của đối tượng nghiên cứu. Với những thành tựu về nghiên cứu mô sống ở những năm 1940 – 1950 và sự phát triển của các phương tiện ghi đo có độ nhạy cao, chính xác. Trong những thập niên gần đây, con người đã vận dụng các phương pháp ghi đo hiện đại như đồng vị phóng xạ, động học phân tử, hiển vi điện tử,… để tìm ra bản chất của dòng điện sinh học. Hiện tượng điện sinh vật và các kỹ thuật liên quan là lĩnh vực của điện sinh học. Các thông số và quá trình về điện là cơ sở của những chức phận sinh lý của tổ chức sống. Một trong những nội dung nghiên cứu quan trọng đó là điện thế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tính chất đặc trưng của tế bào động vật là giữa chúng và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế. Như vậy, nghiên cứu về điện sinh học cần thiết phải nghiên cứu về các loại điện thế sinh vật, các kỹ thuật ghi đo, xây dựng lý thuyết phù hợp để giải thích sự hình thành các loại điện thế và mối quan hệ giữa chúng. Trên cơ sở đó ứng dụng vào trong thực tế chẩn đoán và điều trị. Để hiểu những cơ chế của điện thế sinh vật cần hiểu một số hiệu điện thế cơ bản có liên quan là cơ sở của sự hình thành điện thế sinh vật. 77
5.1. CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ CƠ BẢN 5.1.1. Điện thế điện cực (electrode) Khi nhúng điện cực của kim loại vào dung dịch điện phân của nó thì trên bề mặt điện cực xuất hiện lớp điện tích kép. Như vậy, giữa điện cực và dung dịch điện phân hình thành một điện thế gọi là điện thế điện cực. Khảo sát trường hợp phổ biến khi sử dụng điện cực bạc (Ag) trong dung dịch nitrat bạc (AgNO3). Gọi μiđc là thế hoá học ion kim loại trong điện cực và μidd là thế hoá học của ion trong dung dịch. Ta xét các trường hợp sau: − Nếu μiđc < μidd: Các ion bạc (Ag+) chuyển dịch vào điện cực. Điện cực tích điện dương và xung quanh sẽ có một lớp ion NO3- bao bọc tạo thành lớp điện kép. Các ion Ag+ sẽ chuyển động theo hướng trên cho đến khi nào thiết lập được trạng thái cân bằng điện hóa. Khi đó, hiệu điện thế hoá học giữa điện cực (đc) và dung dịch (dd) được xác định bằng: 𝑍𝐹𝜓 = 𝜇𝑖𝑑𝑑 − 𝜇𝑖đ𝑐 (5.1) trong đó Ψ là điện thế của điện cực đối với dung dịch; Z là hoá trị của các ion tự do; F là Hằng số Faraday − Nếu μiđc > μidd: Ion Ag+ sẽ rời khỏi thanh kim loại để đi vào dung dịch, khi đó, điện cực sẽ tích điện âm và xung quanh có lớp ion Ag+. Hiện tượng chuyển dịch ion chỉ dừng lại khi đạt tới trạng thái cân bằng điện hoá. − Nếu μiđc = μidd: Trong trường hợp này, sự dịch chuyển của ion ra vào điện cực là cân bằng, điện thế bằng không. Để tính hiệu số điện thế điện hóa của các dung dịch điện ly ta dùng phương trình Nernts như sau: 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑈𝑖 = 𝑙𝑛 (5.2) 𝑍𝐹 𝐶𝑑𝑑 trong đó 𝑅 là hằng số khí; 𝑇 là nhiệt độ tuyệt đối; 𝑈𝑖 là hiệu điện thế xuất hiện do sự chênh lệch điện thế giữa các ion tạo thành; 𝐶đ𝑐 và 𝐶𝑑𝑑 lần lượt là nồng độ ion trong điện cực và trong dung dịch Điện thế nồng độ Điện thế nồng độ là một trường hợp riêng của điện thế điện cực. Khi nhúng hai điện cực của cùng một kim loại vào hai dung dịch điện phân của chúng với nồng độ khác nhau (C1 ≠ C2). Khi đạt trạng thái cân bằng điện hóa, ở mỗi điện cực thiết lập một giá trị điện thế nhất định như phần trên chúng ta đã nghiên cứu. Và lúc này, giữa hai điện cực cũng xuất hiện một hiệu điện thế được xác định bằng công thức sau: 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑅𝑇 𝐶2 𝑈𝑐 = 𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 (5.3) 𝑍𝐹 𝐶1 𝑍𝐹 𝐶2 𝑍𝐹 𝐶1 Trong đó: 𝐶1 và 𝐶2 lần lượt là nồng độ ion kim loại trong dung dịch 1 và 2. Điện thế oxy hóa khử Là một dạng của điện thế điện cực, trong cơ thể thường xảy ra một loạt phản ứng oxi hóa khử. Trong những điều kiện nhất định, những phản ứng như thế có thể là những nguồn xuất 78
hiện thế điện động. Nếu hai điện cực làm từ kim loại trơ, như platin hoặc vàng, nhúng vào hai dung dịch đều chứa FeCl2 và FeCl3, nồng độ của một trong các muối đó trong dung dịch này lớn hơn trong dung dịch khác. Giữa những điện cực đó có dòng điện đi qua. Phản ứng làm xuất hiện suất điện động. 𝐶𝐹𝑒 2+ > 𝐶𝐹𝑒 3+ 𝐶𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝐹𝑒 2+ 1 2 Hình 5-1. Sơ đồ mô tả thí nghiệm xác định điện thế oxy hóa – khử − Nếu 𝐶𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝐹𝑒 2+ thì phản ứng Fe3+ + e- → Fe2+ cần chất cho electron. − Nếu 𝐶𝐹𝑒 2+ > 𝐶𝐹𝑒 3+ thì phản ứng Fe2+ - e- → Fe3+ cần chất nhận electron. − Nếu nối hai mạch ngoài sẽ có dòng điện chạy từ 2→1 và điện cực 1 sẽ âm, thừa electron. Hiệu điện thế U giữa hai điện cực trong mạch oxi hóa khử: 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]1 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]2 𝑈= 𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ]1 𝐹𝑍 [𝐹𝑒 2+ ]2 hay là: 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]1 [𝐹𝑒 3+ ]2 𝑈= (𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 ) (5.4) 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ]1 [𝐹𝑒 2+ ]2 Điện thế ở mỗi điện cực có thể đặc trưng bằng biểu thức: 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ] 𝑉= 𝑙𝑛 + 𝑉0 (5.5) 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ] hay [𝑂𝑥 ] 𝑉 = 0,058𝑙𝑛 + 𝑉0 (5.6) [𝐾ℎ] với V0 là điện thế điện cực ở điều kiện tiêu chuẩn. 5.1.2. Điện thế ion Điện thế ion xuất hiện do sự phân bố không đồng đều của các ion âm và ion dương ở trên một ranh giới nào đó. Lớp điện kép hình thành không phải trên ranh giới giữa điện cực và dung dịch mà ngay ở trong dung dịch. Điện thế khuếch tán Đặt một màng phân cách giữa hai dung dịch điện ly có nồng độ khác nhau và các ion có độ linh động khác nhau. Thực nghiệm cho thấy rằng, ở mặt phân cách xuất hiện hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này được xác định bằng công thức sau: 𝑅𝑇 𝑢+ − 𝑢− 𝐶2 𝑈𝐾𝑇 = 𝑙𝑛 (5.7) 𝑍𝐹 𝑢+ + 𝑢− 𝐶1 79
trong đó 𝑢+ và 𝑢− lần lượt là độ linh động của các ion dương và các ion âm 𝑈𝐾𝑇 là hiệu điện thế khuếch tán, hình thành nên do sự khuếch tán của từng loại ion với độ linh động khác nhau. Khi độ linh động của các cation và anion bằng nhau thì hiệu điện thế khuếch tán bằng không và khi có sự phân bố đồng đều trở lại của các ion thì hiệu điện thế này cũng mất đi. Điện thế màng và cân bằng Gibbs - Donnan Cân bằng Gibbs - Donnan Khi có hai pha được phân cách với nhau bởi màng bán thấm có thể cho dung môi và các ion có kích thước bé đi qua nhưng các ion có kích thước lớn không thể đi qua. Khi đó, giữa hai pha có sự phân bố trở lại các ion thiết lập nên trạng thái cân bằng gọi là cân bằng Gibbs – Donnan. Điện thế màng Giá trị điện thế khuếch tán phụ thuộc vào độ linh động của các ion chuyển dịch và sự chênh lệch nồng độ của các ion. Trong trường hợp sử dụng màng bán thấm ngăn cách giữa hai pha thì màng bán thấm là yếu tố tác động lớn đến độ linh động và sự chênh lệch nồng độ giữa các ion trong các pha, do đó ảnh hưởng lên độ lớn của điện thế khuếch tán. Nói cách khác, tùy theo tính chất hóa học, kích thước siêu lỗ và điện tích của màng mà màng có thể thấm hoặc không thấm đối với các ion khác nhau, từ đó làm xuất hiện điện thế màng. Điện thế màng phụ thuộc vào: − Tính thấm chọn lọc của màng; − Kích thước, điện tích và độ linh động của các ion trong hệ Phần I Phần II Trạng thái đầu Cl- K+ K+ R- C1 C1 C2 C2 Màng Trạng thái cuối Cl- K+ K+ Cl- R- C1-x C1-x C2 + x x C2 Hình 5-2. Sự phân bố của các ion trong quá trình thiết lập trạng thái cân bằng Gibbs - Donnan Xét hệ gồm hai phần, ngăn cách nhau bởi một màng bán thấm, ở phần I có dung dịch KCl, phần II có dung dịch muối protein của Kali và màng chỉ thấm đối với ion K+ và Cl-. Sau một thời gian, khi trạng thái cân bằng động được thiết lập thì ở hai phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ của các ion và khả năng khuếch tán qua màng. [𝐾 + ]1 < [𝐾 + ]2 [𝐶𝑙 − ]1 > [𝐶𝑙 − ]2 Do sự chênh lệch nồng độ này ở hai phía của màng xuất hiện hiệu điện thế màng Um 80
𝑅𝑇 [𝐾 + ]1 [𝐾 + ]1 𝑈𝑚 = 𝑙𝑛 = 0,058𝑙𝑛 + 𝑍𝐹 [𝐾 + ]2 [𝐾 ]2 [𝐾+ ] [𝐶𝑙 − ] Khi trạng thái cân bằng Donnan được thiết lập thì [𝐾+ ]1 = [𝐶𝑙−]2, nên: 2 1 𝑅𝑇 [𝐾 + ]1 𝑅𝑇 [𝐶𝑙 − ]2 𝑈𝑚 = 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 (5.8) 𝑍𝐹 [𝐾 + ]2 𝑍𝐹 [𝐶𝑙 − ]1 5.2. CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT Từ kết quả thực nghiệm nổi tiếng của Dr. Louis De Galvanie đã chứng minh một đặc trưng quan trọng của tế bào sống, đó là giữa chúng và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế. Tùy theo nguyên nhân xuất hiện, phương pháp đo đạc và điều kiện thí nghiệm, có thể phân chia ra thành nhiều loại điện thế khác nhau. Về cơ bản đó là: điện thế nghỉ, điện thế tổn thương, điện thế hoạt động. 5.2.1. Điện thế tĩnh Điện thế tĩnh hay còn gọi là điện thế nghỉ, là điện thế đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của đối tượng sinh vật. Điện thế tĩnh được phát hiện bằng phương pháp ghi đo dưới đây. Thí nghiệm Phương pháp này sử dụng nguyên tắc hoạt động của máy ghi đo điện thế. Trong trường hợp này sử dụng phương pháp ghi đo bằng vi điện cực Thí nghiệm được tiến hành như sau: (a) (b) (c) Hình 5-3. Ghi đo điện thế nghỉ a) Đặt hai vi điện cực phía ngoài màng. b) Đặt một vi điện cực bên ngoài và một vi điện cực xuyên qua màng. c) Cắm hai vi điện cực xuyên qua màng. Khi đặt hai điện cực trên bề mặt sợi thần kinh, kim điện kế ở đồng hồ đo dòng điện không lệch khỏi điểm không. Chứng tỏ không có sự chênh lệch điện thế. Khi đặt một điện cực ở phía bên ngoài màng và một vi điện cực cắm xuyên qua màng, giữa hai điện cực này xuất hiện một hiệu điện thế. Khi cả hai vi điện cực xuyên qua màng thì kim điện kế vẫn chỉ giá trị không, giữa hai điện cực không có sự chênh lệch điện thế. 81
Như vậy, giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một hiệu điện thế. Sự chênh lệch điện thế này được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh của màng (resting membrane potential). 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, tức là chiều điện thế nghỉ là không đổi. − Điện thế nghỉ có giá trị biến đổi rất chậm theo thời gian. Các yếu tố ảnh hưởng Điện thế nghỉ đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của hệ thống sống, bất kỳ yếu tố nào làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình thường cũng đều ảnh hưởng đến điện thế tĩnh của hệ: − Dưới tác dụng của dòng điện bên ngoài. − Thay đổi thành phần ion của môi trường. − Sự tác động của một số độc tố lên hệ thống sống. − Khi thay đổi lượng oxy trong môi trường. − ... Ở các loại tế bào khác nhau thì giá trị điện thế nghỉ đo được khác nhau, 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 là một trong những yếu tố đặc trưng cho cơ thể sống. 5.2.2. Điện thế hoạt động Tất cả tế bào sống đều có đặc tính dễ bị kích thích, tức là có khả năng chuyển từ điều kiện sinh lý ở trạng thái bình thường sang trạng thái hoạt hoá. Dưới ảnh hưởng của tác nhân kích thích nào đó, tế bào sẽ dễ dàng bị thay đổi tính chất hoá lý của màng. Một hiện tượng rất đặc biệt diễn ra trong hoạt động sống của tế bào, đó là dao động điện. 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. Khi có sóng hưng phấn truyền đến, dao động điện xuất hiện dưới dạng sự đảo cực của điện thế màng, giá trị của điện thế ở mặt bên ngoài trở nên âm hơn so với điện thế mặt bên trong của nó. Hiệu điện thế xuất hiện trong trường hợp này gọi là điện thế hoạt động. Để xác định điện thế hoạt động, thông thường ta sử dụng kỹ thuật ghi đo vi điện cực nội bào bằng hai phương pháp sau: Phương pháp hai pha 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). Theo dõi sự biến đổi giá trị điện thế qua một điện kế G nhạy nối giữa hai điện cực 82
Nếu dùng một tác nhân kích thích sợi thần kinh tại vị trí (1); theo quan niệm cổ điển sẽ có một sóng hưng phấn truyền dọc theo sợi thần kinh. U=0 U = 60mV U=0 U = - 60mV Hình 4-4. 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). − 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 60mV − Khi sóng kích thích lan truyền về vị trí (3) thì hiệu điện thế này giảm dần, tiến giá trị không (U = 0 mV) sau đó chuyển về giá trị âm. − Khi sóng kích thích truyền đến vị trí (3) thì điện thế âm này đạt giá trị điện áp tới hạn (Uth) (Uth = -60 mV). − 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. Hình 5.5. Đặc tuyến biến đổi của điện Phương pháp một pha thế hoạt động hai pha theo thời gian Phương pháp một pha là phương pháp ghi đo điện thế hoạt động bằng cách đặt một điện cực đặt tại vị trí (2) và một vi điện cực khác cắm xuyên qua màng 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. 83
U = -60mV U=0 U = -60mV Hình 5-6. 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 vi điện cực (2) và vi điện cực (3), xuất hiện một sự chênh lệch điện U thế, đó là điện thế nghỉ của sợi thần kinh. Điện thế này có giá trị khoảng - 60mV đến - 100mV. (m − Khi kích thích tại vị trí (1), sóng hưng phấn lan truyền đến vị trí (2), giá trị điện thế tăng dần đến không. Hiệu thế này tăng nhanh và đạt tới giá trị cao - 40 nhất U = 0 khi sóng hưng phấn đến vị trí (2). − Khi sóng hưng phấn truyền từ vị trí (2) đến -60 (3) thì hiệu điện thế hoạt động giảm về điện thế t nghỉ như lúc đầu. a c b Các giai đoạn hình thành Hình 5-7. Đặc tuyến biến đổi của điện Khoảng vài thập niên trở lại đây, nhờ các thế hoạt động một pha theo thời gian 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 biến đổi như sau: − Giai đoạn khử cực (Depolarization): Hiệu điện thế ở hai phía màng biến đổi từ giá trị điện thế nghỉ đến điểm có điện thế bằng không (U = 0 mV) − Giai đoạn quá khử cực: 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): Hiệu điện thế ở hai phía màng giảm trở lại về giá trị điện thế nghỉ. 84
− Giai đoạn quá phân cực: mV Hiệu điện thế ở hai phía màng có giá 60 B trị âm hơn điện thế nghỉ. Nếu kích thích có cường độ 40 Cắm vi điện cực đủ lớn ta nhận thấy rằng: 20 − Trong thời gian xuất hiện pha lên (nhánh lên) điện thế A’ B’ màng vượt quá giá trị điện thế -20 không, ta thấy có sự đảo cực của -40 điện thế màng. D − Trong pha xuống (nhánh A -60 C xuống), màng có sự phân cực lại. Điện thế hoạt động ở pha này phụ Kích thuộc vào khoảng cách giữa hai Hình 5-8. Các giai đoạn biến đổi của điện thế hoạt động điện cực và phụ thuộc nhiều vào tốc độ dẫn truyền hưng phấn. 5.2.3. 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. Đối tượng động vật Đặc trưng cơ bản của điện thế tổn thương ở đối tượng động vật 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. Không thể dựa trên số liệu về giá trị tuyệt đối của điện thể tổn thương để so sánh hoặc rút ra kết luận nào về tính chất điện của chúng. Ảnh hưởng của điều kiện sinh lý rất khó xác định tính chất của sự tổn thương. 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. 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. 85
− 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. 5.3. BẢN CHẤT VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THẾ SINH VẬT 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 và các loại điện thế đã trình bày ở phần trên. Trên cơ sở các lý thuyết và thực nghiệm ghi nhận được, thì hiện nay “Lý thuyết ion màng” đang được chấp nhận và có cơ sở vững chắc hơn cả. 5.3.1. Nguồn gốc và bản chất điện thế tĩnh Theo thuyết ion màng, 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. Theo đó, ta có thể xác định được giá trị điện thế tĩnh tương ứng với sự phân bố nồng độ ion ở hai phía màng ở trạng thái bình thường. Thực nghiệm khảo sát sự phân bố các ion chính ảnh hưởng đến hiệu điện thế màng trên cơ mammalian như sau: Bảng 5-1. Nồng độ một số loại ion trong tế bào cơ Mamalian Nồng độ ion dịch ngoại Nồng độ ion dịch nội bào [ion]0/[ion]i εm(mV) bào [ion]0 (μM/cm3) [ion]i (μM/cm3) Na+ 145 Na+ 12 12,1 66 K+ 4 K+ 155 1/39 -97 H+ 3,8.10 -5 H+ 13.10-5 1/3,4 -32 Khác 5 Cl- 120 Cl- 4 30 -90 HCO3- 27 HCO3- 8 3,7 -32 Khác 7 A- 155 Điện thế 0 -90 1/30 -90 Lý thuyết ion màng đã được rất nhiều khoa học xây dựng nên như Bernstein, Boyler và Conwey, Goldmann. Sau đây ta lần lượt xem xét các lý thuyết của các nhà khoa học này: Theo Bernstein Ông là người đầu tiên cho rằng, điện thế tĩnh là kết quả của sự phân bố không đều các ion ở hai phía màng tế bào. Ở trạng thái tĩnh, màng tế bào không thấm ion Na+ và Cl- mà chỉ thấm các ion K+. Khi hiện tượng trao đổi chất xảy ra, có sự phân bố không đồng đều của các ion trên ở hai bên màng dẫn đến hình thành điện thế tĩnh. Điện thế tĩnh có các giá trị khác nhau tuỳ thuộc vào đối tượng nghiên cứu. 86
Theo Boyler và Conwey Hai ông phát triển thêm quan điểm của Bernstein. Quá trình vận chuyển và cơ chế hoạt động giống như sự phân bố của các ion trong trạng thái cân bằng Gibbs – Donnan, trong đó, màng tế bào thấm đồng thời ion K+ và Cl- không thấm Na+. Khi cân bằng Gibbs – Donnan điện thế tĩnh của màng tế bào động vật có thể xác định bởi công thức: 𝑅𝑇 [𝐾 + ]0 𝑅𝑇 [𝐶𝑙 − ]𝑖 𝑈𝑠 = 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 (5.9) 𝑍𝐹 [𝐾 + ]𝑖 𝑍𝐹 [𝐶𝑙 − ]0 trong đó: [K+]0 và [Cl-]0 là các nồng độ ion ở môi trường bên ngoài tế bào; [K+]i và [Cl-]i là các nồng độ ion ở phía bên trong tế bào. Giả thuyết của Goldmann − Màng tế bào có tính đồng nhất về cấu trúc và điện trường tác dụng lên màng tại mọi vị trí là không đổi. − Dung dịch điện ly của các dịch sinh vật được coi như là dung dịch lý tưởng. − Màng có tính chất bán thấm nhưng không phải hoàn toàn tuyệt đối. Mỗi ion có khả năng dịch chuyển qua màng khác nhau, đặc trưng bằng đại lượng hệ số thấm (P) cho từng loại ion. − Các ion Natri cũng có tham gia vào quá trình hình thành nên điện thế tĩnh này. Do đó, công thức về điện thế tĩnh được Goldmann xác định lại như sau: 𝑅𝑇 𝑃𝑘 [𝐾 + ]0 + 𝑃𝑁𝑎 [𝑁𝑎+ ]0 + 𝑃𝐶𝑙 [𝐶𝑙 − ]𝑖 𝑈𝑠 = 𝑙𝑛 (5.10) 𝐹 𝑃𝑘 [𝐾 + ]𝑖 + 𝑃𝑁𝑎 [𝑁𝑎+ ]𝑖 + 𝑃𝐶𝑙 [𝐶𝑙 − ]0 trong đó: PK, PNa, PCl là hệ số thấm đối với các ion K+, Na+ và Cl-. UM(mV) Kết quả thực nghiệm 0 Tính theo Goldmann - 20 Tính theo Nernst - 40 - 60 - 80 - 100 mM/l - 120 0,5 1 5 10 50 100 [K+]0 Hình 5-9. Giá trị điện thế tĩnh của cơ ếch theo các phép đo 87
Vai trò của Na+ trong quá trình hình thành điện thế màng Những nghiên cứu bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu được tiến hành gần đây cho thấy rằng: Màng tế bào thấm tốt đối với ion K+, Cl- và ít thấm đối với ion Na+ (tốc độ dòng ion Natri vào khoảng 14.10-12 mol.cm-2.sec-1). Từ các kết quả thực nghiệm, Hodgkin và Keynes đã khẳng định một cách chắc chắn rằng: “Màng tế bào thấm đối với ion Natri, mặc dầu ít nhưng không thể bỏ qua được”. Tóm lại thuyết ion màng đã chiếm nhiều ưu thế về việc giải thích bản chất sự hình thành điện thế tĩnh. Kết quả đo từ thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. 5.3.2. Bản chất và cơ chế hình thành điện thế hoạt động Khi tế bào nhận kích thích làm thay đổi cấu hình màng, sự định hướng lưỡng cực điện, trạng thái liên kết của các nhóm tích điện, một số chất cấu tạo nên màng làm biến đổi tính thấm của màng đối với các ion. Và cùng với kích thích là sự xuất hiện một điện thế hoạt động. Lý thuyết ion màng của các tác giả đề xuất giải thích nguồn gốc và bản chất của điện thế hoạt động như sau: Theo Bernstein Khi màng tế bào được kích thích thì trở nên thấm hoàn toàn với tất cả các ion. Khi tính thấm của màng đối với những ion Na+ đột nhiên tăng, nhiều ion Na+ thấm vào bên trong màng, khi đó phía trong màng có giá trị điện thế dương so với giá trị điện thế nghỉ. Giai đoạn này gọi là giai đoạn khử cực (depolarization) và điện thế lúc này gọi là điện thế biến đổi (reversal potention). Sau khi sự khử cực xảy ra một thời gian rất ngắn, tính thấm đối với Na+ từ ngoài vào bị ức chế, bơm Na+ và K+ xuất hiện đưa ion Na+ quay trở lại. Sự phân cực lúc này giống như sự phân bố ion lúc ban đầu, nên giai đoạn này được gọi là 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 ở các giai đoạn của điện thế hoạt động Theo Hodgkin và Huxley Lý thuyết của Bernstein không giải thích được hiện tượng điện thế hoạt động có giá trị lớn hơn điện thế nghỉ, tức là sau khi khử cực hoàn toàn thì điện thế tiếp tục tăng và đạt giá trị lớn hơn 0. Hodgkin và Huxley từ những nghiên cứu thực nghiệm của mình có mối quan hệ giữa điện thế màng và độ dẫn điện của các ion, điện dẫn của các ion thay đổi làm điện thế màng (Um) cũng thay đổi. Cụ thể là tính thấm ion K+ xảy ra trễ hơn và kéo dài trong một thời gian lâu hơn so với sự gia tăng của ion Na+, nên khảo sát điện thế hoạt động dựa trên sự thay đổi về tỉ số độ thấm PNa/PK hoặc tỉ số độ dẫn điện δNa/δK 88
60 40 Điện thế màng (mV) 20 0 100 - 20 Điện thế hoạt động 10 - 40 Tỷ số độ dẫn (Na/K) - 60 1 - 80 0,1 - 100 Tỷ số độ dẫn (Na/K) 0,01 0,001 100 PNa 10 Độ thấm (mmol/cm2) PK 1 0,1 0,01 0,001 0 0,5 1 1,5 2 ms Hình 5-11. Biến đổi độ dẫn Na+, K+ qua màng tế bào tương ứng với sự hình thành điện thế hoạt động (Theo Hodgkin và Huxley) + Giai đoạn khử cực (Depolarization) Trong giai đoạn này, độ dẫn của ion Na+ tăng lên hàng ngàn lần, sự gia tăng này chỉ tạm thời trong thời gian rất ngắn (ms), trong khi đó độ dẫn của ion K+ thay đổi không đáng kể, tỷ số độ dẫn lúc này khoảng 30. Nói cách khác, tính thấm của màng đối với ion Na+ bây giờ lớn hơn nhiều so với ion K+. Vì vậy điện thế màng trong giai đoạn này được xác định gần như hoàn toàn bởi sự khuyếch tán của ion Na+ hơn là do bởi các ion K+. Dựa vào công thức tính điện thế ion, ta được: 𝑅𝑇 [𝑁𝑎+ ]0 𝑈𝑁𝑎 = 𝑙𝑛 (5.11) 𝑍𝐹 [𝑁𝑎+ ]𝑖 89
Sự giảm điện thế nghỉ làm cho các ion Na+ chuyển động theo hướng gradient nồng độ vào tế bào một cách mạnh mẽ hơn trước, lúc này màng càng bị khử cực mạnh, đó chính là giai đoạn quá khử cực của màng. + Giai đoạn phân cực lại (Repolarization) Tính thấm của màng đối với ion Na+ bị ức chế, còn tính thấm của màng đối với ion K+ lại tăng lên. Tính thấm K+ gia tăng trễ nhưng kéo dài lâu hơn, lượng ion K+ khuyếch tán từ trong ra ngoài tế bào qua màng theo hướng gradient nồng độ một cách mạnh mẽ làm cho mặt trong tế bào có giá trị âm hơn mặt bên ngoài. Giai đoạn này kết hợp cùng với hoạt động của bơm ion Na+ - K+ đưa màng trở về điện thế nghỉ ban đầu. Đồng thời với sự phát triển của ion K+ lúc này khuyếch tán qua màng một cách hoàn toàn, làm cho màng có sự phân cực nhiều hơn. Do đó điện thế lúc này có giá trị âm hơn điện thế nghỉ bình thường. Giai đoạn này chính là giai đoạn quá phân cực của màng tế bào. Dựa vào công thức Nernst để xác định giá trị điện thế hình thành trong giai đoạn phân cực lại (chủ yếu do K+ tạo nên), ta được: 𝑅𝑇 [𝐾 + ]0 𝑈𝐾 = 𝑙𝑛 (5.12) 𝑍𝐹 [𝐾 + ]𝑖 5.3.3. Hạn chế của lý thuyết ion màng và vai trò của ion Ca++ Những hạn chế của lý thuyết ion màng − Lý thuyết ion màng không chỉ rõ cơ chế thay đổi tính thấm của màng đối với các ion Na và K+ trong các giai đoạn điện thế hoạt động. + − Chưa giải thích được vai trò của các ion hóa trị II và III trong hoạt động điện của cơ và thần kinh. − Lý thuyết ion màng cho rằng, toàn bộ ion ở hai phía màng ở trạng thái tự do và có thể khuếch tán qua màng. Trong khi đó, thực nghiệm cho thấy rằng trong cơ có một lượng K+ ở trạng thái liên kết và không tham gia vào quá trình tạo điện thế màng − Lý thuyết ion màng cũng chưa giải thích rõ về vai trò của màng trong quá trình hình thành điện thế màng. Vai trò của ion Ca++ trong hoạt động điện của tế bào Một số thực nghiệm cho thấy rằng ion Ca++ tham gia vào khử cực màng của một số loại tế bào như: tế bào cơ trơn, cơ tim, nơron thần kinh ở một số động vật có xương sống. Cụ thể: − Khi tế bào bị kích thích, các kênh dẫn “nhanh” cho dòng ion Na+ đi vào trong tế bào, sau đó kênh dẫn “chậm” tiếp tục cho ion Na+ và Ca++ đi vào trong tế bào hoàn thành giai đoạn khử cực. − Sự có mặt của các nhóm ái lực khác nhau đối với các ion thấm ở kênh có thể cho ion này đi qua và giữa các ion khác lại. Mặt khác, ion Ca++ có tham gia vào cấu trúc lớp ngoài của tế bào, khi tế bào bị kích thích, lượng ion Ca++ trong màng giảm đi, do đó tính dẫn điện và tính thấm của màng thay đổi. Cụ thể: − Dòng ion hóa trị I thay thế vị trí của ion Ca++ trong mối liên kết giữa các phân tử cạnh nhau khi bị kích thích làm các liên kết bị đứt, khoảng cách giữa các đại phân tử tăng lên, cấu trúc màng trở nên lỏng lẻo. − Tỷ số giữa ion hóa trị I và II tăng lên, hay số lượng hạt mang điện đến màng tăng lên. Do đó, tính thấm của màng với ion hóa trị I tăng lên, điện trở màng giảm xuống và điện thế hoạt động xuất hiện. 90
− Khi không còn kích thích, các nhóm ion hóa trị I nhường vị trí lại cho ion Ca++ và mạng lại có cấu trúc như lúc nghỉ. 5.4. ĐẠI CƯƠNG VỀ KÍCH THÍCH CƠ VÀ THẦN KINH Khi được kích thích dưới tác dụng của các yếu tố lý hóa khác nhau như cơ, nhiệt, điện, hóa … thì sợi thần kinh hoặc sợi cơ sẽ chuyển lên trạng thái kích thích hay còn gọi là trạng thái hưng phấn. Trạng thái này đặc trưng bởi sự xuất hiện và lan truyền của điện thế hoạt động trong dây thần kinh và thực hiện phản ứng trả lời. Quá trình này bao gồm hai cơ chế: − Cơ chế tiếp nhận kích thích bởi các thụ quan. − Cơ chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não xử lý và phát tín hiệu thực hiện phản ứng trả lời. Chức năng chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, sóng hưng phấn, và dẫn truyền sóng này do noron thực hiện. Phản ứng trả lời có thể là cơ quan, mô, tế bào và dễ nhận biết nhất là ở cơ. Trong hệ sinh vật, tính nhận kích thích và chuyển lên trạng thái hưng phấn là đặc trưng cơ bản của sinh vật từ đơn bào tới đa bào để thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống. 5.4.1. Nguồn kích thích và thời gian kích thích Nguồn kích thích hay tín hiệu kích thích rất đa dạng, chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất...) và tín hiệu hóa học (hoócmôn, mùi, vị...). Tuy nhiên, độ nhạy cảm của các tế bào đối với mỗi loại kích thích là khác nhau. Thực nghiệm cho thấy rằng, cơ và thần kinh nhạy cảm nhất đối với các kích thích điện. “Một sợi cơ mà màng có điện trở 1M sẽ bắt đầu có phản ứng khi chịu tác dụng của một điện lượng q có độ lớn là 10-10C.” Các kích thích có thể tác dụng trực tiếp lên tế bào sợi cơ thần kinh hoặc tác dụng gián tiếp thông qua yếu tố trung gian. Chúng được đặc trưng bởi cường độ hay biên độ kích thích và thời gian kích thích tồn tại. Từ đây dẫn đến một số khái niệm sau: − Ngưỡng thời gian C: là khoảng thời gian ngắn nhất của kích thích tồn tại để gây nên sự hưng phấn trên tế bào. Một kích thích I có cường độ lớn đến đâu nhưng thời gian C tồn tại nhỏ hơn C thì cũng không gây nên trạng thái ưng phấn của cơ hay thần kinh. − Ngưỡng kích thích b (reobase): là cường độ nhỏ nhất mà xung kích thích phải đạt được để gây nên trạng thái hưng phấn trên cơ hay thần kinh. Một kích thích có cường độ nhỏ hơn b thì dù thời gian tồn tại có 2b dài bao lâu thì cũng không gây nên trạng b thái kích thích cơ hay thần kinh. t − Thời trị (Cronacxi): là khoảng thời gian Cronacxi ngắn nhất mà một xung điện có cường độ Hình 5-12. Mối quan hệ giữa cường độ và gấp hai lầm ngưỡng kích kích (2b) cần thời gian kích thích phải kéo dài để gây nên hưng phấn trên cơ hay thần kinh. 91
5.4.2. Đáp ứng kích thích Đáp ứng lại kích thích là sự xuất hiện hưng phấn trên sợi cơ hay thần kinh. Quá trình đáp ứng này tuân theo định luật “tất cả hoặc không”. Điểm cơ bản của định luật này là điện thế hoạt động chỉ xuất hiện khi cường độ kích thích lớn hơn hoặc bằng ngưỡng kích thích và biên độ của điện thế hoạt động xuất hiện do các kích thích với cường độ khác nhau đều có cùng một giá trị. Khi nghiên cứu khả năng phản ứng của cơ và thần kinh dưới tác dụng của các kích thích, người ta nhận thấy một số hiện tượng: Hợp các kích thích Là trường hợp hai kích thích dưới ngưỡng có thể gây nên trạng thái hưng phấn của thế bào. Hiện tượng này xảy ra khi một trong hai điều kiện sau được thỏa mãn: − Hai kích thích dưới ngưỡng cùng tác dụng vào một vị trí của tế bào cách nhau một khoảng thời gian đủ ngắn (cộng tác dụng theo thời gian). − Hai kích thích dưới ngưỡng đồng thời tác dụng vào hai vị trí đủ gần nhau của tế bào (cộng tác dụng trong không gian) Thời gian ủ Đặc tính của cơ và thần kinh là khi bị kích thích chúng không phản ứng ngay lập tức mà chỉ sau đó một thời gian. Khoảng thời gian tính từ thời điểm nhận xung kích thích cho tới thời điểm bắt đầu xuất hiện điện thế hoạt động gọi là thời gian ủ. Mỗi loại tế bào có thời gian ủ khác nhau. Năm 1953, Tasaki tiến hành thí nghiệm trên các tơ thần kinh cô lập, đã chứng minh thời gian ủ  phụ thuộc vào cường độ kích thích I như sau: 𝑘 𝐼 = (1 + ) 𝑏 (5.13) 𝜏 Trong đó k và b là hằng số đặc trưng cho trạng thái của tơ thần kinh với b là ngưỡng kích thích. Giai đoạn trơ Thực nghiệm cho thấy rằng, sau khi bị kích thích, trong khoảng thời gian xác định kể từ sau thời gian ủ đến thời điểm đỉnh âm của điện thế hoạt động dù có tác dụng vào sợi thần kinh xung điện cường độ mạnh tới đâu chăng nữa cũng không tạo ra hưng phấn mới trên sợi thần kinh. Thời gian này ứng với giai đoạn trơ tuyệt đối của sợi thần kinh. 5.4.3. Sự dẫn truyền xung động thần kinh Sự dẫn truyền trên sợi thần kinh Thực nghiệm của Hodgkin và Katz đã chứng minh dòng điện hưng phấn xuất hiện trong dây thần kinh khi bị kích thích có bản chất ion. Hai ông cũng chỉ rõ K+ có vai trò chính trong việc duy trì điện thế tĩnh còn Na+ lại có vai trò chính trong việc hình thành nên điện thế hoạt động (tức sóng hưng phấn). Tùy thuộc vào bản chất của dây thần kinh như có myelin bao bọc hay không, đường kính sợi trục, chức năng của noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác nhau. 92
Bảng 5-2. Kiểu sợi thần kinh và tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh Đường Tốc độ truyền (m/s) Kiểu sợi kính sợi Biến nhiệt Đẳng nhiệt Chức năng () (20oC) (37oC) Alpha 10 – 20 20 – 40 60 – 120 Sợi vận động cơ Beta 7 – 15 15 – 30 40 – 90 Sợi thụ cảm (sờ mó) Gamma 4–8 8 – 15 30 – 45 Sợi hướng tâm từ cơ Denta 2,5 – 5 5–9 15 – 25 Sợi thụ cảm da (nóng, lạnh) B 1–3 2–6 3–5 Sợi tiền hạch dinh dưỡng C 0,3 – 1,5 0,3 – 0,8 0,5 – 2 Sợi hậu hạch giao cảm Đối với dây thần kinh không có myelin bao bọc Môi trường ngoài Vị trí đóng (solenoidal) + + + + + + + + − − − − − − − + + + + + + + + − − − − − − − − + + + + + + + − − − − − − − − Vùng hoạt động Sợi trục − − − − − − − − + + + + + + + − − − − − − − − + + + + + + + + − − − − − − − + + + + + + + + Vùng điện Tái phân cực thế tĩnh Hướng truyền Khử và đảo cực hưng phấn màng Hình 5-13. Sự dẫn truyền hưng phấn trên sợi thần kinh không bao myelin Khi kích thích một vùng nào đó thì tại đó màng mất phân cực rồi đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng xung quanh còn đang ở trạng thái tĩnh. Tại vùng hưng phấn xuất hiện dòng điện hưng phấn kích thích vùng lân cận tạo ra dòng điện hưng phấn mới giống như dòng điện hưng phấn phát sinh tại vùng bị kích thích. Sự xuất hiện của dòng điện hưng phấn sau khi bị kích thích cứ lan truyền như vậy trên suốt chiều dài của dây thần kinh một cách liên tục. Vì vậy, tốc độ dẫn truyền của dòng điện hưng phấn trong dây thần kinh không có myelin bao bọc thường chậm và tiêu hao nhiều năng lượng. Đối với dây thần kinh có myelin bao bọc Do myelin là một chất cách điện rất tốt nên noron chỉ tiếp xúc với môi trường ngoài qua eo Ranvier. Noron chỉ tiếp nhận kích thích qua eo Ranvier và dòng điện hưng phấn cũng chỉ bị suy giảm do truyền điện ra bên ngoài qua eo Ranvier. Khi bị kích thích sẽ xuất hiện xung điện thế hoạt động tại điện cực kích thích (cực âm) và được ký hiệu là Vo. Do bị tiêu hao một phần năng lượng điện để thắng điện trở trong của bào tương sợi trục và bị rò điện qua màng noron nên giá trị của điện thế hoạt động bị giảm dần. Độ giảm giá trị điện thế phụ thuộc vào điện trở trong của bào tương (Rm) và điện trở màng noron (Rt) như sau: − Điện trở trong của bào tương càng nhỏ và điện trở màng noron càng lớn thì điện thế hoạt động bị giảm càng ít. 93
− Ngược lại, điện trở trong của bào tương lớn và điện trở màng noron nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều. Các nhà khoa học đã xác định được giá trị điện thế hoạt động sau khi phát sinh là Vo, truyền theo sợi trục thần kinh quãng đường là x có giá trị là Vx được tính theo công thức: −𝑥 𝑅 √ 𝑚 𝑉𝑥 = 𝑉0 . 𝑒 𝑅𝑡 (5.14) Rm là điện trở màng noron tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm2 màng (kí hiệu là rm) và tỷ lệ nghịch với bán kính sợi trục thần kinh (kí hiệu là r) 𝑟𝑚 𝑅𝑚 = (5.15) 2𝜋𝑟 Rt là điện trở trong của bào tương cũng tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm3 bào tương (kí hiệu là rt) và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r2) 𝑟𝑡 𝑅𝑡 = (5.16) 𝜋𝑟 2 Các nhà khoa học đã tính được ở động vật thuộc lớp thú, sợi trục dây thần kinh có myelin bao bọc có bán kính r = 15μm, rm = 5000Ω/cm2 và rt = 50Ω/cm3, điện thế hoạt động Vo truyền được 1mm (là khoảng cách giữa 2 eo Ranvier) còn lại giá trị Vx được tính theo công thức: 𝑉𝑥 = 0,5. 𝑉0 (5.17) Như vậy, nếu điện cực kích thích đặt ở eo Ranvier thứ nhất (Ranvier 1) làm phát sinh điện thế hoạt động là Vo = 100mV khi truyền đến eo Ranvier thứ hai (Ranvier 2) theo công thức (4.17) sẽ còn 50mV. Thực nghiệm xác định eo Ranvier có ngưỡng kích thích điện là 20mV. Do đó, dòng điện hưng phấn phát sinh ở eo Ranvier 1 khi truyền đến eo Ranvier 2 đã kích thích eo Ranvier 2 phát sinh điện thế hoạt động cũng có giá trị 100mV. Cứ lặp lại như vậy, dòng điện hưng phấn hay các xung điện thế hoạt động có độ lớn 100mV được truyền đi theo noron cảm giác về hệ thần kinh trung ương để phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mô hay cơ quan thực hiện 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 trên sợi thần kinh có bao myelin 94
Do màng noron có tính trơ nên màng noron không thể phát sinh các xung điện thế hoạt động một cách liên tục được. Thời gian trơ càng dài thì số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động được màng noron phát sinh trong một đơn vị thời gian càng ít và ngược lại. Vedenski đã đưa ra khái niệm tính linh hoạt chức năng để biểu thị khả năng hưng phấn của các tổ chức sống. Noron có tính linh hoạt chức năng càng cao khi có khả năng truyền được số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động trong một đơn vị thời gian càng nhiều. Ngược lại, số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động được truyền đi trong một đơn vị thời gian càng ít thì tính linh hoạt chức năng của noron càng thấp. Cơ chế bàn giao hưng phấn qua synapse Cấu tạo synapse Các vị trí tận cùng sợi trục của một noron tiếp xúc với các noron khác và với các tế bào cơ được gọi là các synapse. Cấu trúc một synapse gồm màng trước synapse, khe synapse và màng sau synapse: − Cúc synapse là phần phình to của mút các nhánh của sợi trục noron trước. Trong cúc synapse chứa thành phần quan trọng nhất, đó là các bóng synapse, có đường kính 0,02 - 0,03μm, nằm rải rác ở bào chất của cúc synapse. Bên trong chứa chất dẫn truyền thần kinh. − Khe synapse là không gian giữa màng trước synapse và màng sau synapse, rộng khoảng 150A0 đối với synapse noron - noron, còn rộng khoảng 500A0 ở synapse noron - cơ. − Màng sau synapse có những thụ quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất dẫn truyền. Hình 5-15. Cấu trúc của synapse Bàn giao hưng phấn qua synapse theo cơ chế vật lý Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt qua màng trước synapse, khe synapse và màng sau synapse. Cả ba thành phần này đều có điện trở. 95
Theo Katz, sau khi dòng điện hưng phấn vượt qua ba điện trở thuộc cấu trúc của synapse thì điện thế hoạt động từ giá trị ban đầu khoảng 120mV, khi đến màng sau synapse chỉ còn khoảng 0,01mV. Thực nghiệm đã xác định, ngưỡng kích thích màng sau synapse để gây ra hưng phấn là từ 20mV đến 40mV. Số liệu do Katz đưa ra là không phù hợp với thực nghiệm. Để giải thích cơ chế truyền xung điện thế hoạt động qua synapse theo cơ chế vật lý, các nhà khoa học cho rằng màng trước, màng sau và khe synapse có cấu trúc đặc biệt nên có điện trở rất bé. Do vậy, xung điện thế hoạt động dễ dàng vượt qua ba thành phần điện trở trên nên khi đến màng sau synapse giá trị điện thế hoạt động tuy có bị giảm nhưng vẫn lớn hơn 40mV. Với giá trị vượt ngưỡng gây hưng phấn, nó đã kích thích màng sau synapse phát sinh xung điện thế hoạt động cũng có giá trị 120mV và tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron sau. Tuy nhiên, giả thiết về ba thành phần cấu trúc của synapse có điện trở nhỏ, thực nghiệm còn chưa xác định được. Bàn giao hưng phấn qua synapse theo cơ chế hoá học Năm 1912 và 1921, Levi tiến hành thí nghiệm buộc hai tim cô lập vào ống thông tim trong có chứa dung dịch sinh lý để hai tim thông với nhau. Khi kích thích dây mê tẩu của tim thứ nhất thì tim này đập chậm và yếu, có khi ngừng đập. Đồng thời tim thứ hai cũng đập chậm và yếu, có khi ngừng đập giống như tim một. Nếu kích thích dây giao cảm của tim thứ nhất thì làm cho cả hai tim đều đập nhanh và mạnh. Levi đã xác định dây mê tẩu khi bị kích thích đã phát sinh chất acetylcholine có tác dụng kìm hãm, còn dây giao cảm khi kích thích sẽ phát sinh chất adrenalin ở ếch, còn noradrenalin ở người, có tác dụng thúc đẩy tăng nhịp đập của tim. Thí nghiệm của Levi khẳng định khi kích thích, hưng phấn xuất hiện với sự tham gia của chất dẫn truyền, đã truyền từ tim thứ nhất sang tim thứ hai. Cúc synapse, khi noron ở trạng thái tĩnh, có sự tổng hợp acetylcholine từ acetate và choline. Acetylcholine sau khi tổng hợp sẽ được tích lũy lại trong các bóng synapse. Khi dòng điện hưng phấn truyền đến cúc synapse đã gây tác dụng kích thích làm cho các bóng synapse phóng thích acetylcholine vào khe synapse. Acetylcholine làm thay đổi tính thấm của màng sau synapse vì màng sau synapse rất nhạy cảm trước tác động của acetylcholine. Từ sự thay đổi tính thấm của màng sau synapse đã dẫn đến sự mất phân cực và đảo cực, phát sinh điện thế hoạt động có độ lớn giống như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước synapse. Nếu là synapse noron - noron thì xung điện thế hoạt động phát sinh ở màng sau synapse, tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron sau. Đồng thời màng sau synapse cũng giải phóng enzyme acetylcholinesterase để xúc tác cho phản ứng thủy phân acetylcholine thành acetate và choline. Một phân tử enzyme acetylcholinesterase ở 25oC, trong 1 giây, có thể thủy phân được 300 ngàn phân tử acetylcholine. Như vậy, mỗi phân tử enzyme chỉ cần 1/300.000 giây là phân hủy xong 1 phân tử acetylcholine nên mới giải phóng toàn bộ chất acetylcholine cũ ở khe synapse, trước khi có một xung điện thế hoạt động mới truyền tới, lại có một đợt acetylcholine mới đi vào khe synapse. Ngưỡng gây kích thích màng sau synapse của acetylcholine chỉ cần ở nồng độ vô cùng nhỏ từ 10-16 đến 10-15M. Trong cơ thể sống tồn tại các synapse kích thích và synapse ức chế: − Synapse kích thích giải phóng chất dẫn truyền làm kích thích màng sau synapse làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới giống như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước synapse. 96