Giáo trình - Lý sinh học - chương 7

Chia sẻ: Lit Ga | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

217
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 7 CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA SỰ HƯNG PHẤN I. Khái niệm hưng phấn và ngưỡng hưng phấn * Khái niệm hưng phấn Hưng phấn là sự chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái hoạt động. Hưng phấn bao gồm hai cơ chế: Cơ chế tiếp nhận kích thích bởi các thụ quan và cơ chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não để xử lý thông tin và phát tín hiệu thực hiện phản ứng trả lời. Tín hiệu kích thích rất đa dạng nhưng chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình - Lý sinh học - chương 7

Chương 7 CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA SỰ HƯNG PHẤN I. Khái niệm hưng phấn và ngưỡng hưng phấn * Khái niệm hưng phấn Hưng phấn là sự chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái hoạt động. Hưng phấn bao gồm hai cơ chế: Cơ chế tiếp nhận kích thích bởi các thụ quan và cơ chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não để xử lý thông tin và phát tín hiệu thực hiện phản ứng trả lời. Tín hiệu kích thích rất đa dạng nhưng chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất...) và tín hiệu hóa học (hoócmôn, mùi, vị...). Chức năng chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện (tức sóng hưng phấn) và dẫn truyền sóng hưng phấn do noron thực hiện. Thực hiện phản ứng trả lời có thể là cơ quan, mô, tế bào và cả ở mức độ phân tử. Trong hệ sinh vật, từ sinh vật đơn bào tới sinh vật đa bào tuy có mức độ tiến hóa khác xa nhau nhưng đều tồn tại tính hưng phấn để thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống. * Khái niệm ngưỡng hưng phấn Cường độ E D 2 Reobaz G B 1 Reobaz A O C Thời gian Thời trị Thời gian có ích Hình 7.1: Tương quan giữa cường độ và thời gian kích thích Ngưỡng hưng phấn được xác định bằng cường độ nhỏ nhất và thời gian kích thích ngắn nhất để có thể tạo nên sự hưng phấn. Cường độ nhỏ nhất kích thích để tạo ra được phản ứng trả lời gọi là 1 reobaz. Thời gian ngắn nhất khi kích thích 1 reobaz để tạo ra được phản ứng trả lời là thời gian có ích (xem hình 7.1). Trong thực nghiệm xác định thời gian có ích rất khó nên Lapicque lấy thời gian ứng với 2 reobaz để đo ngưỡng thời gian kích thích, gọi là thời trị. Đường biểu diễn tương quan giữa cường độ và thời gian kích thích là đường hipecbol, ứng với phương trình do Weiss đưa ra năm 1901: a i= +b (7.1) t i: Cường độ ngưỡng t: Thời gian ngưỡng
a: Hằng số ứng với đường thẳng thời gian chạy song song với trục tung b: Hằng số ứng với đường thẳng cường độ chạy song song với trục hoành Nếu cường độ i = 2b, nghĩa là bằng 2 reobaz thì phương trình (7.1) sẽ có dạng: a a a (7.2) → → 2b = +b b= t= b t t Thời trị thay đổi tùy theo mô. Ví dụ ở người thời trị của cơ duỗi dài gấp từ 1,5 đến 2 lần so với cơ gập. II. Lý thuyết hưng phấn của Heinbrun (1928) Trên cơ sở những số liệu thực nghiệm về quá trình hưng phấn có liên quan tới sự thay đổi cấu trúc hóa lý của nguyên sinh chất, như là thay đổi tính chất keo thể hiện ở tế bào thực vật bậc cao và động vật nguyên sinh (amip) mà Heinbrun đã đưa ra thuyết đông tụ vào năm 1928. Heinbrun cho rằng: Tất cả các yếu tố kích thích đều gây nên quá trình đông tụ nguyên sinh chất kèm theo sự tăng đột ngột độ nhớt cấu trúc của nó. Quan niệm này được củng cố qua số liệu về các chất ức chế sự hưng phấn như thuốc ngủ, thuốc mê đều làm giảm độ nhớt của nguyên sinh chất. Thuyết đông tụ của Heinbrun giải thích các yếu tố kích thích có bản chất khác nhau khi tác dụng lên các tế bào của thụ quan, trước tiên giải phóng Ca++ mà trước đó trong nguyên sinh chất Ca++ lại ở trạng thái liên kết. Chính do Ca++ được giải phóng đã dẫn tới làm đông tụ nguyên sinh chất. Thuyết đông tụ của Heinbrun mới chỉ giải thích được hiện tượng sự kích thích dẫn tới làm đông tụ nguyên sinh chất còn nhiều hiện tượng khác liên quan tới sự hưng phấn, thuyết đông tụ không giải thích được. III. Thuyết phá hủy cấu trúc của Naxonov và Alecxandrov (1940-1943) Naxonov và Alecxandrov đã xem quá trình hưng phấn như là một quá trình phá hủy cấu trúc. Hai ông quan niệm nguyên sinh chất là pha không hòa tan trong nước và sự phân bố không đồng đều của các chất ở trong nội bào và ngoài môi trường là do khả năng hòa tan của các chất ở pha nước và nguyên sinh chất khác nhau và do khả năng liên kết của các chất với phân tử protein. Trong tế bào các chất điện phân phần lớn liên kết với các phân tử protein, chỉ số ít ở trạng thái tự do. Khi bị kích thích hay bị tổn thương nguyên sinh chất có những thay đổi sau: - Độ phân tán của các hạt keo giảm xuống rõ rệt và độ đục của hạt nhân và nguyên sinh chất xuất hiện rất sớm. - Sự tăng độ nhớt của nguyên sinh chất gồm 2 pha: Khi yếu tố kích thích yếu thì độ nhớt nguyên sinh chất giảm và khi yếu tố kích thích tăng lên thì độ nhớt nguyên sinh chất tăng lên rất nhanh. - Khi kích thích, ban đầu quá trình tạo hạt trong nguyên sinh chất tăng lên và sau đó quá trình này bị ức chế. - Khi kích thích độ pH của nguyên sinh chất dịch chuyển về phía axit. 3− - Khi kích thích K+, PO4 , creatin được giải phóng ra môi trường còn Na+, Cl- lại xâm nhập vào trong tế bào rất nhanh.
Cũng như thuyết đông tụ, thuyết phá hủy cấu trúc đưa ra chỉ là để giải thích về sự thay đổi tính chất hóa lý của nguyên sinh chất, mới giải thích hiện tượng của quá trình hưng phấn mà chưa giải thích được bản chất của quá trình hưng phấn. IV. Lý thuyết hưng phấn của Nernst (1899) Năm 1887, Arenius công bố các chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các ion dương và ion âm, dưới tác dụng của dòng điện ngoài, các ion sẽ chạy về điện cực mang điện tích trái dấu với điện tích ion. Các ion có kích thước và bản chất điện tích khác nhau nên có vận tốc chuyển động về hai cực cũng khác nhau. Sau khoảng thời gian nhất định sẽ tạo nên những lớp có mật độ ion khác nhau, tức sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Nếu ngắt nguồn điện bên ngoài, thay vào đó cắm 2 điện cực vào dung dịch điện phân, nối với một bóng điện thì đèn sẽ sáng. Đó là dòng điện xuất hiện trong dung dịch điện phân. Năm 1899, Nernst dựa trên kết quả nghiên cứu của Arenius cũng xem tế bào như một dung dịch chất điện phân được bao bọc bởi màng tế bào. Dưới tác dụng của dòng điện kích thích, các ion âm và dương trong tế bào chất sẽ chạy về hướng điện cực kích thích có điện tích trái dấu với điện tích ion. Sau một thời gian các ion âm và dương chuyển động theo hai hướng khác nhau sẽ tập trung ở hai phía của màng tế bào. Ở ngoại bào cũng có các ion dương và âm, do lực hút tĩnh điện, nếu ở một phía tế bào, mặt trong tích điện âm thì mặt ngoài màng tích điện dương còn ở phía kia của tế bào ở mặt trong sẽ tích điện dương và mặt ngoài màng tích điện âm. Kết quả là giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào đã hình thành nên một hiệu điện thế và khi điện thế này đạt giá trị ngưỡng thì tạo ra sự hưng phấn. Sự chênh lệch về nồng độ ion liên quan đến cường độ và thời gian kích thích và để tạo ra hưng phấn phải thỏa mãn công thức: t C − Co = γ.i . (7.3) k C: Nồng độ ion tự do khi tế bào hưng phấn Co: Nồng độ ion tự do khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi γ: Số lượng ion được dịch chuyển do một đơn vị cường độ dòng điện i: Cường độ dòng điện; t: Thời gian kích thích k: Hệ số khuyếch tán của ion Nếu kích thích bằng dòng điện một chiều thì mối liên quan giữa cường độ dòng điện và thời gian kích thích phải thỏa mãn công thức: i t = hằng số (7.4) Trong giới hạn về cường độ dòng điện kích thích thì nếu cường độ dòng điện tăng thì thời gian kích thích giảm và ngược lại, để duy trì tích số của cường độ dòng điện với thời gian luôn là một hằng số. Nếu kích thích bằng dòng điện xoay chiều thì mối liên quan giữa cường độ và tần số dòng điện phải thỏa mãn công thức: i = hằng số (7.5) ω Trong giới hạn về cường độ dòng điện kích thích, nếu tần số cao thì cường độ dòng điện phải lớn còn tần số thấp thì cường độ dòng điện nhỏ, để duy trì tỷ số giữa cường độ và
tần số luôn là một hằng số. Các công thức trên do Nernst đưa ra chỉ đúng trong phạm vi tần số 100 Hz đến 3 kHz. Kết quả thực nghiệm cho thấy nếu kích thích cường độ dưới ngưỡng và kích thích lâu hoặc kích thích cường độ lớn với thời gian kích thích ngắn thì đều không gây ra hưng phấn. Ở mỗi đối tượng nghiên cứu khi kích thích cường độ dòng điện là 1 reobaz thì có một thời gian kích thích cần thiết (thời gian hữu ích). Bảng 7.1: Thời gian hữu ích của một số đối tượng nghiên cứu TT Đối tượng nghiên cứu Thời gian hữu ích 1 Cơ trơn dạ dày ếch 1 giây 10-1 giây 2 Cơ trơn của nhuyễn thể 10-2 giây 3 Cơ chân của nhuyễn thể 10-3 giây 4 Thần kinh ếch 10-4 giây 5 Thần kinh động vật máu nóng Lý thuyết hưng phấn của Nernst không nêu ra cụ thể sự thay đổi nồng độ của những ion nào và giới hạn ngưỡng nồng độ là bao nhiêu để có thể tạo ra hưng phấn. V. Lý thuyết hưng phấn của Bernstein (1906) Năm 1906, Bernstein đưa ra lý thuyết hưng phấn để giải thích cơ chế hình thành điện thế tĩnh khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi và cơ chế hình thành điện thế hoạt động khi tế bào ở trạng thái hưng phấn. Bernstein cho rằng tế bào khi ở trạng thái nghỉ ngơi do màng có tính bán thấm tức là thấm K+ dễ dàng còn Na+ thấm ít, trong khi đó hoàn toàn không thấm các phân tử hữu cơ mang điện tích âm (gọi là các amion hữu cơ). Do vậy, tế bào ở trạng thái tĩnh, bên trong có điện tích âm còn ngoài màng có điện tích dương nên tồn tại điện thế tĩnh và chiều điện trường hướng từ ngoài vào trong tế bào. Bernstein đơn thuần chỉ xét sự chênh lệch nồng độ K+ ở bên trong và bên ngoài tế bào, áp dụng công thức của Nernst tính được giá trị điện thế tĩnh phù hợp với giá trị đo trực tiếp bằng phương pháp vi điện cực. Sau này có nhiều số liệu thực nghiệm làm sáng tỏ thêm lý thuyết của Bernstein. Xegan đã chứng minh các ion hóa trị hai (như Ca++, Mg++,...) hút phân tử nước (H2O) mạnh hơn so với ion hóa trị một (như Na+, K+, Cl-...). Vì thế lớp vỏ hidrat hóa của ion hóa trị hai dày hơn so với ion hóa trị một, nên ion hóa trị hai khó lọt qua siêu lỗ ở trên màng so với ion hóa trị một. Mặt khác, cùng một loại ion, nếu ion nào có kích thước nhỏ (hay nguyên tử lượng bé) sẽ có điện trường lớn so với ion có kích thước lớn (hay nguyên tử lượng lớn). Vì thế ion có kích thước bé hút nước mạnh hơn so với ion có kích thước lớn nên xảy ra hiện tượng, trong dung dịch ion có kích nhỏ lại khó thấm qua siêu lỗ trên màng so với ion có kích thước lớn hơn. Ví dụ Na+ có đường kính 1,9A0 bị 8 phân tử H2O bao quanh còn K+ có đường kính 2,6A0 chỉ có 4 phân tử H2O bao quanh nên K+ thấm qua siêu lỗ trên màng dễ hơn so với Na+. Năm 1955, Hodgkin và Katz bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu xác định được khi tế bào ở trạng thái tĩnh, dòng Na+ đi ra bằng dòng Na+ đi vào còn dòng K+ đi ra lớn gấp xấp xỉ 1,63 lần so với dòng K+ đi vào. Hơn nữa khi tế bào ở trạng thái tĩnh, nồng độ Na+ ở bên ngoài lớn hơn so với bên trong nên chiều gradien nồng độ Na+ hướng từ ngoài vào trong còn nồng độ K+ bên trong lại cao hơn bên ngoài nên chiều gradien nồng độ K+ lại hướng từ trong ra ngoài . Song do tính bán thấm của màng, theo tính toán của Goldman cho thấy K+ đi ra theo gradien nồng độ K+ nhanh gấp 76 lần so với Na+ đi vào cùng chiều gradien nồng độ Na+. Kết quả
thực nghiệm khẳng định tính đúng đắn của giả thuyết Bernstein, tính bán thấm của màng là nguyên nhân dẫn đến sự phân bố không đồng đều của các ion giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào nên đã tạo thành điện thế tĩnh. Sau này, năm 1942, Cuatite và Cole lại chứng minh rằng K+ đóng vai trò chính trong việc duy trì điện thế tĩnh. Hai ông đã tăng nồng độ K+ ở ngoại bào lên (tức làm giảm sự chênh lệch nồng độ K+ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào) thì giá trị điện thế tĩnh cũng giảm dần. Khi nồng độ K+ ở bên ngoài bằng nồng độ K+ ở bên trong tế bào thì điện thế tĩnh sẽ bằng không. Khi giảm dần nồng độ K+ ở bên ngoài về giá trị như lúc ban đầu thì điện thế tĩnh lại được khôi phục. Song nếu tăng nồng độ Na+ ở trong tế bào lên thì điện thế tĩnh vẫn không thay đổi. Khi bị kích thích, tế bào đã chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hưng phấn và tế bào bị đổi cực, tức là bên trong tế bào có điện tích dương còn bên ngoài có điện tích âm. Khi tế bào hưng phấn, Bernstein cho rằng màng tế bào đã mất tính bán thấm nên không còn phân biệt tính thấm giữa K+ với Na+ và cho cả các anion hữu cơ thấm ra bên ngoài. Chính do các anion hữu cơ thấm ra ngoài và các Na+ thấm vào trong dễ dàng hơn so với K+ thấm ra ngoài đã làm cho tế bào bị đổi cực. Sau này thực nghiệm đo được giá trị tuyệt đối của điện thế hoạt động lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện thế tĩnh nhưng theo giả thuyết của Bernstein thì không giải thích được bản chất của hiện tượng này. Ví dụ noron thần kinh lúc nghỉ ngơi có điện thế tĩnh là -90mV còn khi hưng phấn có điện thế hoạt động từ 120 đến 130mV. Năm 1949, Hodgkin và Katz đã làm thí nghiệm chứng minh rằng khi noron hưng phấn tính thấm của màng đối với Na+ vào trong tế bào tăng lên 500 lần so với khi noron nghỉ ngơi. Ngược lại, khi noron nghỉ ngơi màng tế bào cho K+ thấm ra ngoài lại nhanh gấp 76 lần so với Na+ thấm vào trong tế bào. Sau này Goldman đưa ra công thức để tính điện thế tĩnh và điện thế hoạt động. Mỗi ion có một hệ số thấm đặc trưng. Khi noron nghỉ ngơi, nếu lấy tính thấm của màng đối với K+ làm đơn vị so sánh và qui ước PK+ =1 thì tính thấm của màng đối với Na+ là PNa+ = 0,013 còn tính thấm của màng đối với Cl- là PCl-_= 0,045. Cùng với việc xác định nồng độ K+, Na+, Cl- ở bên ngoài và bên trong noron lúc nghỉ ngơi, thay các giá trị đã biết vào công thức Gondman sẽ tính được điện thế tĩnh bằng -89mV. Khi noron hưng phấn nếu vẫn lấy PK+ = 1 làm đơn vị để so sánh thì PNa+ = 20, PCl- = 0,045. Cũng xác định nồng độ K+, Na+, Cl- ở bên trong và bên ngoài noron lúc hưng phấn, thay các giá trị đã biết vào công thức Goldman sẽ tính được điện thế hoạt động bằng 38mV. Khi noron hưng phấn, điện màng đã chuyển từ -89mV lên 38mV, do vậy giá trị tuyệt đối của điện thế hoạt động phải là |-89mV|+38mV=127mV. Như vậy, bản chất của hiện tượng điện thế hoạt động có giá trị tuyệt đối lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện thế tĩnh. Khi ngừng kích thích, màng noron sẽ khôi phục lại tính bán thấm để duy trì sự chênh lệch về nồng độ ion giống như lúc ban đầu, tức là duy trì điện thế tĩnh. Lý thuyết màng của Bernstein chưa đề cập đến vai trò của các ion hóa trị hai như Ca++, Mg++... Nhiều kết quả thực nghiệm đã xác định vai trò của Ca++ trong quá trình hình thành điện thế sinh vật. Một số nhà khoa học giả thiết rằng, ở trên màng tế bào có các kênh dẫn "nhanh" và "chậm" đối với các ion. Khi tế bào hưng phấn, các kênh dẫn "nhanh" cho dòng Na+ vào trong tế bào để khử cực tế bào (tức đổi dấu điện tích âm sang dương). Sau đó các kênh dẫn "chậm" tiếp tục cho Na+ và Ca++ vào trong tế bào để kết thúc quá trình khử cực (tức là xuất hiện điện thế hoạt động). Lý thuyết màng của Bernstein, mặc dù đã được các nhà khoa học bổ sung nhưng vẫn chưa đầy đủ. Do vậy, vấn đề này vẫn còn phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. VI. Lý thuyết hưng phấn của Laxarev
Năm 1887, Ringer là người đầu tiên phát hiện dung dịch đẳng trương NaCl có cho thêm KCl và CaCl2 theo một tỷ lệ nhất định, giữ cho cơ ếch có phản xạ co cơ giống như trong cơ thể còn nguyên vẹn trong thời gian lâu hơn nhiều so với cơ ếch chỉ ngâm trong dung dịch đẳng trương NaCl. Sau này Zac và Lob tiến hành thí nghiệm trên trứng cá Fundulus thấy rằng: Trứng không nở trong dung dịch chỉ có NaCl. Nếu dùng dung dịch CaSO4 có nồng độ xác định để thêm vào dung dịch NaCl với một tỷ lệ thích hợp, tạo ra sự tương quan tối ưu giữa các ion thì trứng cá Fundulus sẽ đạt tỷ lệ tạo thành phôi cao nhất là 75%. Sau này tiếp tục có nhiều số liệu thực nghiệm chứng minh rằng noron thần kinh chỉ có thể hưng phấn khi trong bào tương của sợi trục có cả ion hóa trị một và ion hóa trị hai. Từ những kết quả nghiên cứu trên, Laxarev đã đưa ra lý thuyết ion về sự tương thích hoặc đối kháng giữa một số ion. Ông cho rằng, khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi sẽ duy trì tỷ lệ giữa ion hóa trị một và ion hóa trị hai ở một giá trị xác định và không thay đổi: C1 = hằng số (7.6) C2 C1: Nồng độ ion hóa trị 1 C2: Nồng độ ion hóa trị 2 Khi kích thích, tỷ số này bị thay đổi dẫn đến sự hưng phấn nếu tỷ số này tăng hoặc dẫn tới sự ức chế hưng phấn nếu tỷ số này giảm. Lý thuyết hưng phấn của Laxarev giải thích được kết quả thí nghiệm của Flygn. Đó là hiện tượng kích thích bằng dòng điện một chiều, khi đóng mạch thì hưng phấn xuất hiện ở cực âm còn cực dương thì bị ức chế. Ngược lại khi ngắt mạch, hưng phấn lại xuất hiện ở cực dương còn cực âm lại bị ức chế. Laxarev giải thích như sau: Khi đóng mạch, các ion dương sẽ rời khỏi cực dương về phía cực âm theo hướng của điện trường. Ion dương hóa trị một linh động hơn so với ion dương hóa trị hai cho nên tập trung ở cực âm nhiều hơn. Do vậy, ở cực âm tỷ lệ giữa ion hóa trị một trên ion hóa trị hai tăng lên, dẫn đến hưng phấn xuất hiện ở cực âm. Ngược lại ở cực dương, các ion dương hóa trị hai rời chậm nên có nồng độ cao hơn so với ion dương hóa trị một đã rời nhanh làm cho tỷ lệ ion hóa trị một trên ion hóa trị hai giảm xuống gây ra sự ức chế hưng phấn ở cực dương. Khi ngắt mạch, không còn dòng điện kích thích, các ion sẽ trở về trạng thái phân bố như lúc ban đầu (lúc chưa kích thích). Các ion dương lại di chuyển từ cực âm về phía cực dương. Ion dương hóa trị một bị ít phân tử nước bao quanh so với ion dương hóa trị hai nên ion dương hóa trị một dễ dàng thoát ra khỏi các phân tử nước bao quanh hơn ion hóa trị hai. Tại cực dương, tỷ lệ ion dương hóa trị một trên ion dương hóa trị hai tăng lên, dẫn đến hưng phấn lại xuất hiện ở cực dương. Ngược lại, ở cực âm, các ion dương hóa trị hai rời chậm nên lại có nồng độ cao hơn so với ion dương hóa trị một đã rời nhanh làm cho tỷ lệ ion hóa trị một trên ion hóa trị hai giảm xuống, gây ra sự ức chế hưng phấn tại cực âm. Lý thuyết hưng phấn của Laxarev chưa đưa ra cụ thể ngưỡng về tỷ lệ giữa ion hóa trị một và ion hóa trị hai khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi bằng bao nhiêu? Để từ đó biết được khi có kích thích dẫn đến tỷ lệ ion hóa trị một trên ion hóa trị hai đạt giá trị vượt ngưỡng sẽ gây ra hưng phấn còn bằng hoặc nhỏ hơn ngưỡng sẽ không gây ra sự hưng phấn. Vấn đề này các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu nhất là về vai trò cụ thể của ion hóa trị hai để bổ sung cho quan điểm của Laxarev. VII. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh
Thí 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. Hodgkin và Katz 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 mielin bao bọc hay không, đường kính sợi trục, chức năng của noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác nhau (xem bảng 7.2). Bảng 7. 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 Đồng nhiệt Chức năng (20oC) (37oC) (μ) Anpha 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 Kết quả ở bảng 7.2 cho thấy động vật đồng nhiệt (chim, thú, người) có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh nhanh hơn so với động vật biến nhiệt (ếch, cá, lưỡng thê). Các sợi thần kinh dẫn truyền cảm giác đau đớn có tốc độ dẫn truyền chậm nhất (0,7- 1,3m/s), các sợi hướng tâm dẫn truyền cảm giác sờ mó, có tốc độ cao hơn đạt 50m/s còn các sợi vận động có tốc độ dẫn truyền nhanh nhất đạt tới 160m/s. Sợi trục thần kinh cũng là một dây dẫn điện và nếu là sợi trần (không có mielin bao bọc) thì dịch bào tương bên trong sợi trục có điện trở là Rt còn màng noron có điện trở là Rm. Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc và do mielin là một chất cách điện rất tốt nên noron chỉ tiếp xúc với môi trường ngoài qua eo Ranvie. Khi đó noron chỉ tiếp nhận kích thích qua eo Ranvie và dòng điện hưng phấn cũng chỉ bị suy giảm do truyền điện ra bên ngoài qua eo Ranvie. 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. Điện trở trong của bào tương càng nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm càng ít và điện trở màng noron càng lớn thì điện thế hoạt động cũng bị giảm càng ít. Ngược lại điện trở trong của bào tương lớn thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều và điện trở màng noron nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm càng 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 Rm Rt Vx=Vo. e (7.7) Rm: 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 = (7.8) 2πr Rt : Điện trở trong của bào tương cũng tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm3 bào tương (kì hiệu là rt) và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r).
rt Rt = (7.9) πr 2 Các nhà khoa học đã tính được ở động vật thuộc lớp thú, sợi trục dây thần kinh có mielin 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 Ranvie) còn lại giá trị Vx được tính theo công thức: Vx = Vo.0,5 (7.10) Nếu điện cực kích thích đặt ở eo Ranvie thứ nhất (gọi là Ranvie 1) làm phát sinh điện thế hoạt động là Vo=100mV khi truyền đến eo Ranvie thứ hai (gọi là Ranvie 2) theo công thức (7.10) sẽ còn 50mV. Thực nghiệm xác định eo Ranvie có ngưỡng kích thích điện là 20mV. Do đó, dòng điện hưng phấn, tức điện thế hoạt động phát sinh ở eo Ranvie 1 có giá trị là 100mV khi truyền đến eo Ranvie 2 còn 50mV đã kích thích eo Ranvie 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. Đối với dây thần kinh không có mielin bao bọc, khi kích thích một vùng nào đó thì tại vùng đó màng mất phân cực rồi đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng xung quanh còn đang ở trạng thái tĩnh (xem hình 7.1). Tại vùng hưng phấn xuất hiện dòng điện hưng phấn nó lại kích thích vùng lân cận và lại 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 mielin bao bọc thường chậm và tiêu hao nhiều năng lượng. A B 1 C + 3 - + - + 2 - - Hình 7.1: Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh không có mielin bao bọc A và C: Vùng noron ở trạng thái tĩnh (trong âm, ngoài dương) B: Vùng noron ở trạng thái hưng phấn (trong dương, ngoài âm) : Sợi trục noron 2 : Dòng điện hưng phấn 3 : Hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương
Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc, do mielin là một chất cách điện tốt nên màng noron chỉ tiếp nhận kích thích ở eo Ranvie và màng noron cũng chỉ mất phân cực và đảo cực (tức phát sinh điện thế hoạt động) ở tại eo Ranvie (xem hình 7.2). R1 R2 R3 +2 1 4 - 3 + - - 2 + 3 - + - + - tĩnh + hưng phấn + tĩnh Hình 7.2: Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh có mielin bao bọc R1 và R3: Eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 ở trạng thái tĩnh R2: Eo Ranvie 2 ở trạng thái hưng phấn khi bị kích thích : Sợi trục noron; 2: Bao mielin 3 : Dòng điện hưng phấn 4 : Hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương Theo hình 7.2, khi kích thích ở eo Ranvie 2 thì màng noron hưng phấn dẫn tới bị đảo cực (trong có điện tích dương (+), ngoài có điện tích âm (-)), có điện tích trái dấu với eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 đang ở trạng thái tĩnh (trong có điện tích âm (-), ngoài có điện tích dương (+)). Tại eo Ranvie 2 sẽ xuất hiện điện thế hoạt động (tức dòng điện hưng phấn) và dòng điện hưng phấn này khi truyền đến eo Ranvie 3 tuy đã giảm đi khoảng một nửa nhưng vẫn lớn hơn ngưỡng gây kích thích nên đã tạo ra hưng phấn ở eo Ranvie 3, tức là lại tạo ra điện thế hoạt động mới có độ lớn giống như điện thế hoạt động phát sinh lúc ban đầu ở eo Ranvie 2. Dòng điện hưng phấn cứ lan truyền theo kiểu "nhảy" từ eo Ranvie này đến eo Ranvie lân cận với khoảng cách bước nhảy là 1 milimét, theo hướng về hệ thần kinh trung ương nên có tốc độ truyền nhanh hơn và ít tiêu hao năng lượng hơn so với dây thần kinh không có mielin bao bọc. Như ở hình (7.1) dòng điện hưng phấn truyền theo hướng từ vùng B đến vùng C còn ở hình 7.2, dòng điện hưng phấn "nhảy" từ eo Ranvie 2 sang eo Ranvie 3 theo hướng về hệ thần kinh trung ương (hoặc tủy sống) đối với dây thần kinh hướng tâm còn theo hướng từ tủy sống hay hệ thần kinh trung ương tới mô hay cơ quan để thực hiện phản ứng trả lời với dây thần kinh ly tâm. Mặc dù vậy, với dây thần kinh trần, phía ngoài màng noron có dòng điện truyền từ vùng C về vùng B (hình 7.1), từ eo Ranvie 3 về eo Ranvie 2 (hình 7.2) nhưng đều không gây ra hưng phấn vì khi đó màng noron trơ tuyệt đối nếu đang ở pha mất phân cực và đảo cực (khoảng 1 miligiây (ms)) hoặc trơ tương đối nếu đang ở pha tái phân cực (khoảng 3 ms) nên không tiếp nhận kích thích. Như vậy, khi kích thích vùng B xuất hiện dòng điện hưng phấn truyền đến kích thích vùng phía trước là C thì hưng phấn lại xuất hiện dễ dàng còn nếu đã truyền đến vùng C lại quay về vùng B thì màng noron không tiếp nhận sự kích thích. Đối với dây thần kinh động vật máu nóng, thời gian trơ tuyệt đối kéo dài khoảng 0,002 giây -
0,0004 giây. Từ bảng 7.1, nếu ta lấy vận tốc dẫn truyền trung bình của dây thần kinh nhóm A là 60m/s, khi truyền từ eo Ranvie 2 sang eo Ranvie 3 rồi quay trở về eo Ranvie 2, quãng đường là 2mm, tính ra thời gian chỉ mất có 0,3ms, nhỏ hơn 1ms nên eo Ranvie 2 đang trơ tuyệt đối nên không tiếp nhận bất kỳ kích thích nào. Do vậy, dòng điện hưng phấn truyền trong dây thần kinh chỉ theo một chiều xác định. 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. Ví dụ, các noron vận động có thời gian trơ là 2%o giây thì tối đa chúng chỉ truyền được 500 xung điện thế hoạt động trong một giây. Các noron trung gian có thời gian trơ nhỏ hơn 1%o giây nên chúng có thể truyền tối đa 1000 xung điện thế hoạt động trong một giây. Rõ ràng các noron trung gian có tính linh hoạt chức năng cao hơn so với các noron vận động. VIII. Cơ chế bàn giao hưng phấn qua xinap 1. Cấu tạo xinap Hình 7.3: Cấu trúc một xinap 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 xinap. Cấu trúc một xinap thể hiện trên hình 7.3 gồm màng trước xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cúc xinap là phần phình to của mút các nhánh của sợi trục noron trước. Trong cúc xinap chứa thành phần quan trọng nhất, đó là các bóng xinap. Bên trong các bóng xinap chứa chất môi giới. Giữa màng trước xinap và màng sau xinap là khe xinap, rộng khoảng 150A0 đối với xinap noron - noron, còn rộng khoảng 500A0 ở xinap noron - cơ. Màng sau xinap có những thụ quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất môi giới. 2. Bàn giao hưng phấn qua xinap theo cơ chế vật lý
Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt qua màng trước xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cả ba thành phần này đều có điện trở. Theo Katz, sau khi dòng điện hưng phấn vượt qua ba điện trở thuộc cấu trúc của xinap thì điện thế hoạt động từ giá trị ban đầu khoảng 120mV, khi đến màng sau xinap chỉ còn khoảng 0,01mV . Thực nghiệm đã xác định, ngưỡng kích thích màng sau xinap 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 xinap theo cơ chế vật lý, các nhà khoa học cho rằng màng trước, màng sau và khe xinap 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 xinap 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 xinap làm cho màng sau xinap mất phân cực rồi đảo cực nên lại 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 xinap có điện trở nhỏ, thực nghiệm còn chưa xác định được. 3. Bàn giao hưng phấn qua xinap 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 một thì tim một đập chậm và yếu, có khi ngừng đập. Đồng thời tim hai cũng đập chậm và yếu, có khi ngừng đập giống như tim một. Nếu kích thích dây giao cảm của tim một thì làm cho cả tim một và tim hai đều đập nhanh và đập mạnh. Levi đã xác định dây mê tẩu khi bị kích thích đã phát sinh chất axetincolin 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 môi giới, đã truyền từ tim một sang tim hai. Cúc xinap, khi noron ở trạng thái tĩnh, có sự tổng hợp axetincolin từ axetat và colin. Lúc đầu axetat kết hợp với coenzym A, tạo thành axetin KoA. Nhờ xúc tác của enzyme colinaxetilase, xảy ra phản ứng giữa axetin KoA với colin tạo thành axetincolin và coenzymA (KoA). Axetincolin sau khi tổng hợp sẽ được tích lũy lại trong các bóng xinap có đường kính 0,02 - 0,03μm, nằm rải rác ở bào chất của cúc xinap. Khi dòng điện hưng phấn truyền đến cúc xinap đã gây tác dụng kích thích làm cho các bóng xinap phóng thích axetincolin vào khe hở xinap. Ở chuột, mỗi xung điện thế hoạt động khi truyền đến cúc xinap noron - cơ đã kích thích bóng xinap giải phóng vài triệu phân tử axetincolin vào khe hở xinap. Các phân tử axetincolin vượt qua khe hở xinap mất khoảng 0,5ms. Axetincolin làm thay đổi tính thấm của màng sau xinap vì màng sau xinap rất nhạy cảm trước tác động của axetincolin. Từ sự thay đổi tính thấm của màng sau xinap 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 xinap. Nếu là xinap noron - noron thì xung điện thế hoạt động phát sinh ở màng sau xinap, tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron sau. Đồng thời màng sau xinap cũng giải phóng enzyme axetincolinesterase để xúc tác cho phản ứng: Axetincolin + H2O → Axetat + colin Một phân tử enzyme axetincolinesterase ở 25oC, trong 1 giây, có thể thủy phân được 300 ngàn phân tử axetincolin. Như vậy, mỗi phân tử enzyme chỉ cần 1/300.000 giây là phân hủy xong 1 phân tử axetincolin nên mới giải phóng toàn bộ chất axetincolin cũ ở khe
xinap, trước khi có một xung điện thế hoạt động mới truyền tới, lại có một đợt axetincolin mới đi vào khe xinap. Ngưỡng gây kích thích màng sau xinap của axetincolin chỉ cần ở nồng độ vô cùng nhỏ từ 10-16 đến 10-15M. Các xinap giải phóng chất môi giới là axetincolin là các xinap kích thích vì kích thích màng sau xinap làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới giống như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước ninap. Trong cơ thể sống còn tồn tại các xinap ức chế giải phóng chất môi giới ức chế vì làm ức chế màng sau xinap, không làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới ở màng sau xinap (tức không tạo ra sự hưng phấn ở màng sau xinap). Trường hợp này xảy ra ở xinap noron - cơ tim của ếch đã được Levi phát hiện khi kích thích dây mê tẩu đã dẫn đến giải phóng chất ức chế là axetincolin có tác dụng ức chế nhịp đập của tim làm cho tim đập chậm và yếu. Kết quả nghiên cứu khẳng định hiệu ứng hưng phấn hoặc ức chế ở màng sau xinap không phải do chất môi giới quyết định mà do bản chất của các thụ quan (receptor) ở màng sau xinap quyết định. Do vậy, axetincolin kích thích ở xinap noron - cơ nhưng lại ức chế ở xinap noron - cơ tim. Hiện nay các nhà khoa học đã xác định được một số chất môi giới và tác dụng của chúng (xem bảng 7.3).
Bảng 7.3: Các chất môi giới và tác dụng của chúng Chất môi giới Tác dụng Axetincolin Kích thích hoặc ức chế Adrenalin Kích thích hoặc ức chế Noradrenalin Kích thích hoặc ức chế Dopamin Kích thích hoặc ức chế Serotonin Kích thích hoặc ức chế Axit gamma - aminobutylic Ức chế Glixin Ức chế Axit glutamic Ức chế Enxephalin Ức chế v.v...