Giáo trình Lý sinh học: Phần 2 - TS. Đoàn Suy Nghĩ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Lý sinh học: Phần 2 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: điện động học; cơ sở hoá lý của sự hưng phấn; quang sinh học; phóng xạ sinh học. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Lý sinh học: Phần 2 - TS. Đoàn Suy Nghĩ

Chương 6 Đ I Ệ N Đ Ộ N G H Ọ C • • • l . C á c h i ệ n t ư ợ n g đ i ệ n đ ộ n g học Các tế b à o , các tô chức sống, các cơ quan cua hệ t h ô n g sòng là một hệ keo dị thê phức tạp bao gồm nhiều pha khác nhau. D o tác động cua điện trường ngoài k h ô n g đ ổ i đã làm xuất hiện sự c h u y ê n động t ư ơ n g đ ỏ i giữa các pha trong h ệ , ngược l ạ i nếu các pha có thành phần chát hòa tan khác nhau thì d ư ớ i chuyển động cơ học cua các ion cũng sẽ tạo nên trong hệ một hiệu điện thế nào đ ỏ . C á c hiện tượng điện xuất hiện trong q u á trinh nảy được gọi là các hiện tượng đ i ệ n động và c h ú n g được p h â n t h à n h các loại sau dây như: điện d i , đ i ệ n thẩm. đ i ệ n thế cháy, đ i ệ n the lắng... N ă m 1809, Reis là n g ư ờ i đầu tiên phát hiện thấy các hiện tượng điện động học khi nghiên cứu chuyển động cùa các hạt đất sét d ư ớ i tác dụng cua dòng điện một chiều. Qua thí nghiệm của m ì n h . Reis thấy răng các hạt keo mang điện tích cũng có khá năng vận c h u y ê n được trong đ i ệ n trường, đông thời c ù n g v ớ i quá trình biến đ ố i đó thì môi trường p h â n tán cũng sẽ chuyển động theo. N h ư vậy trong thí nghiệm trên, Reis đã phát hiện ra hai hiện tượng đặc biệt quan trọng, là khi các hạt tích điện dịch chuyển d ư ớ i tác dụng của điện trường n g o à i , đ ó là hiện tượng điện di hay đ i ệ n t h â m . 1. Đ i ệ n t h ẩ m Là sụ chuyển động cùa các môi trường phân tán t ớ i phía điện cực cùng dấu v ớ i d i ệ n tích bề mặt cùa pha phân tán. Dựa v à o sự dịch c h u y ê n cùa các ion trong đ i ệ n trường ta dễ d à n g phân tích m ộ t hồn hợp polime sinh vật bằng hiện tượng điện thầm hay điện chuyển trên b ă n g ghi. Dịch sinh vật là các dung dịch đ i ệ n ly có nhiều thành phần, v ớ i đ ộ hòa tan khác nhau. Do đó dưới tác dụng cùa đ i ệ n trường ngoài, các dung dịch loãng và các đ ạ i phàn từ lon hóa có tốc đ ộ dịch chuyền khác nhau. H i ệ n tượng điện thẩm dề dàng phân biệt được đ ó là sự chuyển động cua d ò n g chất lỏng. trong khi đó dòng chuyển động cùa các hạt (phân tử và các đ ạ i phân từ ion hóa) là do hiện tượng điện di tạo nên. Q u á trình điện thầm có thề xảy ra trong nhiều trường hợp và qua các tồ c h ú c sinh học khác nhau. chẳng hạn n h ư da ếch, m à n g tế bào, thành động mạch, mao quản, vách mao mạch... 127
Dựa vào giá trị hiệu số điện thế điện hỏa cua lớp điện tích kép ( ị ị Smolukhovski đã đưa ra c ò n g thức đe xác định tốc độ chuyên động tương đối cùa các hạt giữa hai lớp là: vmỊL (6.1) E AnrỊ Trone đó: £ là hằng số điện mòi cùa mòi trường r| là hệ sổ nội ma sát cùa dung dịch. E là cườne độ điện trường tĩnh (ị được tính theo đơn vị mV ) 2. Điện thế chảy Điện thế chảy xuất hiện khi chất lòng chín én động d ư ớ i tác dụng cùa áp suất thúy tĩnh qua các mao quản. hoặc các lỗ nhò cùa m à n g . mà thành lỗ có mang điện tích. H i ệ n tượng dịch chuyên cùa các chát làm xuât hiện điện thế chày theo chiều hướng ngược lại so với hiện tượne điện thâm. ơ đây sự chuyển động cùa môi trường phân tán sẽ tạo nên một hiệu điện thê trong bàn thản hệ. Để thấy rõ điều này, ta tiến hành thí nghiệm như sau: - D ù n g một bình thúy tinh hai ngăn chứa dung dịch sinh lý. ngân cách nhau bàng một màng da ếch. Ờ đây dung dịch sinh vật là các môi trường phân tán. còn màng da ếch đ ó n e vai trò để tạo ra các pha phân tán. H i ệ n tượng xảy ra được biêu diễn như hình 6.1 d ư ớ i đây: :I; - V' + 4-SH- t i ± H ì n h 6.1. Đ i ệ n t h ế chảy x u ấ t hiện qua các l ỗ m à n g ìnn
Nêu tăng áp suât ở nứa bình phía bèn trái thì chát lóng sẽ chuyên động về bên phải bình. đồng thời giữa hai phía cùa bình sè xuất hiện một hiệu điện the. Điện the mới hình thành đo chính là giá trị cùa điện thế chảy. Sự chênh lệch điện thê ở hai bình là hiệu điện thẻ đo được ờ hai phía cùa màng ngăn cách hai dung dịch. Nguyên nhàn xuất hiện hiệu điện thế trên là do trạng thái cân bằng tĩnh điện bị phá \ừ. Điện thế chày cũnc dễ dànc kháo sát được khi tiến hành thí nehiệm với các dịch sinh vật và cho chuyên độne qua các màng xốp hay các màng bán thấm. Do đó. dựa vào hiện tượng đã trinh bày trên, thông thường người ta hay sử dụng các màng lọc đê đo độ xốp cùa các đối tượng nghiên cứu là các tồ chức sinh vật. 3. Điện thế lắng Điện thế lắng là hiệu sò điện thè xuất hiện giữa lớp trên và lớp dưới của dung dịch đa pha trong quá trình lắng các hạt mang điện cùa các pha phân tán dưới tác dụng cùa trọne lực. Bàn chất cùa hiện tượng làm xuất hiện loại điện thế này khác hẳn so với hiện tượng làm xuất hiện hiệu điện thế trong quá trinh điện di. Có thể khảo sát hiện tượne xàv ra trone quá trình lẳng của máu (xem hình 6.2). Máu là một dung dịch keo, các thành phần hữu hình cùa máu (hồng cầu. bạch cầu) có trọng lượng riêng lớn hơn huyết thanh nên sẽ lắng xuống đáy bình. Trong quá trình lắng máu đã làm xuất hiện một sụ chênh lệch điện thế giữa lớp trên và lớp dưới cùa dịch sinh vật. Điện thế xuất hiện trong trường hợp này chính là điện thế lắng. © Ỡ Ỡ © Ỡ Ỡ 0 Hình 6.2. Điện thế lắng trong q u á trình lắng máu
Quá trình chuyển động làm xuất hiện diện thế lắng cua máu có thế giải thích như sau: hiện tượne lẳng máu làm các lon dương tách ra khói sụ chuyển động của các thành phần hữu hình. Kết quà thực nghiệm cho ta thấy rõ điều đó. các lớp dưới cùa dung dịch có điện thế âm vì mana điện âm, còn các lớp trên mang điện thế dương vì có nhiều điện tích dương. Tất cả các hiện tượng điện động đều liên quan đến sự xuất hiện hiệu điện thế giữa pha phân tán và mòi trường phàn tán. Điện thế này còn được gọi là điện thê điện động hoặc zetta điện thế [ị • điện thế). The điện động chi xuất hiện do quá trình chuyển động cùa các pha trone hệ dị thể. Hiệu điện thế này được hình thành trên ranh giới giữa màng duns môi cực móng (gọi là lớp hấp phụ) trên bề mặt cua hạt và toàn bộ phần chất lòng còn lại cùa dung dịch. 4. Điện di Điện di là phương pháp phân tích dựa trên sự dịch chuyển các điện tích, phân tù nhiễm điện dưới tác dụng cùa trường lực điện không đổi. Thông thường, ta sù dụng phương pháp điện di đề tách chiết các thành phần albumin. globulin trong huyết thanh; điện di protein (phức chất lipid với protein); điện di glucoprotein (xác định các (hành phần cùa protein và glucid trong huyết thanh). Năm 1937, Tiselius là người đầu tiên đã đưa ra phương pháp điện di Ương môi trường tự do để khảo sát sự hiện diện cùa proten trong huyết thanh. Sau Tiselius và Cremer, ta thấy có nhiều nhà khoa học khác như Dumim đã xây dựng lý thuyết về hiện tượng này một cách tường minh. Trong hệ thống sống. các dịch sinh vật là các dung dịch điện ly. thông thường là sự phân ly không tuyệt đối hoàn tuân. Nếu gọi a là hệ số phân ly, với quá trình sinh vật thuận nghịch thì phán ứng sẽ diễn ra như sau: Thí dụ: khảo sát sụ hoa tan cùa axit acetic trong nước. Nếu dune dịch có nồng độ c moi axit axetic khi hoa tan trong một lít nước, ta có: CH - COOH CH3COO' + 1-r 3 Nồng độ phân từ găm là: C(l-a) Ca Ca Với a là hệ số phân ly. Theo định luật Guldberg và Waage thi: Ca.Ca (6.2) —— = consi. cạ-a) 130
g C 2 (6.3] \-a V ớ i K là hằng số ion. Tốc độ cùa các loại lon là khác nhau. nên nếu g ọ i v + và V* là độ linh động cua các ion d ư ơ n g và âm thi mật độ dòng điện là: - = neíy* +v~) (6.4) s V ớ i : i là d ò n g điện bên ngoài, s là tiết diện cua vật. K h i hạt mang điện có điện lượng q là các đ ạ i p h â n từ protein, các hạt keo hay hạt mixen thì d ư ớ i tác dụng của đ i ệ n trường E. c h ú n g sẽ dịch chuyến v ớ i vận tốc V. C ò n khi lực điện trường (te) mà cân b ă n g v ớ i lực ma sát ( f ) thì hạt sẽ chuyển động đều: m s qE = kv (6.5) V = qE/k (6.6) Trong đ ó k là hệ sổ ma sát phụ thuộc vào hình dạng. kích thước phân từ hoa tan và đ ộ nhớt cùa dung dịch. Theo định luật Stock, ta có lực n ộ i ma sát dược xác định là: F m s = 6iĩĩ]T\ (6.7) V ớ i : r là bán kính hạt nhiễm điện. TI là độ nhớt của môi trường. T ừ (6.5) và (6.7) ta được: V = qE/ ÓTXTỊr (6.8) Do h i ệ n tượng n ộ i ma sát xảy ra, khi quà cầu có bán kính r. chuyển động tịnh tiến trong khôi chát lưu, thì quả cầu sẽ kéo lớp chất lưu ớ gần mặt tiếp xúc v ớ i n ó chuyển động theo. V ậ n tốc biến đ ồ i theo hướng chuyển động, được biểu diễn n h ư hình 6.3 d ư ớ i đây: 2/3 r H ì n h 6.3. L ự c tác d ụ n g lên q u á cầu b á n k í n h r c h u y ể n đ ộ n g t r o n g chất lưu 131
Nếu đặt ư là độ linh động điện di. thì theo định nghĩa: u =v/E =q/k Khi điện trường E có giá trị bàng một đơn vị cưòmg độ điện trường thi: u = v. V ậ y . độ linh động điện di chính là tốc độ di chuyển điện di của các hạt nhiễm điện dưới tác dụng điện trường ngoài có cường độ điện trường là lvolt/mét (V/m). Vì lực điện trường là trường lực thế. ta có thể áp dụng công thức thế nâng trường lực điện khi làm dịch chuyên một đơn vị điện tích từ điềm kháo sát xa ra vô cùng, nên điện thế zetta (ị ) được xác định là: s = q/er (6.9) = q/r (6.10) Thế (6.10) vào (6.8), ta được: v = 5eE/6 7iTi (6.11) Hay: = 67ĨTỊ (6.12) eE Đây là công thức Smolukhovski đê xác định điện thế ị cùa các hạt kim loại hình cầu mang điện trong hiện tượng điện di). li. Nguồn gốc điện tích bề mặt 1. P h â n bố đ i ệ n tích m ặ t Dịch sinh vật là các chất được cấu tạo từ các dung dịch hoa tan, đặc biệt trong đó có chứa nhiều đại phân tử (như protein, polisacarit. axit nucdeotid...) chất hoa tan. ở trạng thái keo. Đại phân từ sinh vật luôn luôn là dạng các polime cao phân từ được phân bố một cách rải rác chứa các nhóm phân cực. Các nhóm có cực này giữ chặt với các phân tử nước. do đó chúng không còn hút lẫn nhau nữa hoặc là bị ion hoa và tất cả các phân tử này đều mang những đ i ệ n tích cùng dấu nên chúng thường đấy nhau.
Các tể bào động vật. các tồ chức sinh học trong hệ thống sống là các đại phân tứ phức tạp. đó là các hệ keo. Trong sinh vật ta thấy có các polime cao phân từ như: - Protein tạo thành từ các mạch peptid cùa các axit amin. - Polisacarit là các polime của elucopirano. - Axit nucleid là các polime cùa nucdeotid. Thông thường, trên ranh giới giữa hai pha cùa hệ trong dịch sinh vật có thê xuất hiện một hiệu điện thế do các lớp điện tích bề mặt. Các điện tích tự do xuât hiện dưới sự phân ly lon trong các nhóm chức cùa các đại phân từ. Chăng hạn như đại phân tử protein ở dạng lưỡng tính: NH 2 + NH 3 + R R ^ COOH «_ - COO" Trong môi trường axit. các phân từ protein đóng vai trò cùa một lon dương: NH/ NH 3 + R ^ +HC1 -* R + cr COO" COOH Trong dung dịch kiềm. thì đại phân từ protein lại đóng vai trò của một dạngionâm: NH 2 NH 2 R + NaOH -> R +Na + H 0 + 2 COOH -coo- c r và Na là các lon nghịch + Két quà sự tạo thành hai loại lon ờ đây là do quá trình ion hóa cac nhóm N H và COOH. 2 Tóm lại. các điện tích tự do tồn tại trên bề mặt các hạt có liên quan đèn pha phân tán. Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt cùa các đối tượng sinh vật có thể do hai cơ chế: - Cơ chế lon hóa các nhóm phân ly.
- Cơ chế hấp phụ các ion cua môi trường phân tán lèn bê mặt cùa các đại phân tử. Trong một số các loại lon. ta tha) có sự xuất hiện cua lon p f hay OH". Do cơ chế hấp phụ khác nhau mà điện tích bề mặt của các đại phản tư sinh học có điện lượne khác nhau nhiều. Nói cách khác, điện tích mặt ngoài có thề xác định được qua sự biến đồi độ pH của dung dịch. Trong thí dụ ờ trên ta thấy, đối với môi trường toan (axit mạnh) thi đại phàn tù sinh học mang điện tích dương, ngược lại trong mỏi trường kiềm (độ pH cao) thì đại phân tử sinh học lại mang điện tích ám. Như vậy do hiện tượng điện chuyển mà dấu cùa điện tích của các đại phân từ phụ thuộc vào độ pH cùa môi trườno. Do sự phân bố lại các điện tích ở hai pha phân tán trong dịch sinh vật đà làm xuất hiện một thế điện động do lớp điện tích kép tạo thành. Do quá Ưình ion hóa các nhóm chức trong phàn từ mà một sô ion sẽ đi vào môi trường phân tán. những ion này gọi là nhừns ion nghịch. Một sổ ion còn lại trong môi trường trên sẽ cô định trên các hạt pha phân tán. chúng sè xác định dấu cùa điện tích bề mặt gọi là ion tạo thế. IU. Điện thế zetta và phương pháp xác định Lớp điện tích kép xuất hiện trong cấu trúc sinh vật có thê diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau. V ớ i quan điểm tĩnh điện học, ta thấy sự xuất hiện lớp điện tích kép đó là do hiện tượng phân bố các loại điện tích ơ hai phía màng sinh học. Nói một cách tồng quát hơn đó là sự sắp xép của hai loại ion trái dấu nhau trên ranh giới eiữa hai pha phàn tán và môi trường phản tán như hình 6.4 dưới đây: •*• + -r +-*-/'++ + (a) (b) Hình 6.4. Lớp điện tích kép trên bề mặt đ ạ i phân tử sinh học (a) và trên màng te bào (b) 134
Hai lớp diện tích kép trên cách nhau một khoảng d. Theo Debye và Huxkey. ta có thể xác định được bề dày d cùa lớp điện kép tại nhiệt độ 25°c là: 3 5 0 ( 6 1 3 ) -SIM Với ịi là lực ion. Theo lý thuyết này. lực ion có giá trị được xác định bằng nửa tổng số các nồng độ (gam/lit) lon cỏ mặt, còn nồng độ các thành phẩn thì được linh bàng cách nhân với bình phương hoa trị nguyên tô tương ứng. Thí dụ: dung dịch NaCI (O.OlN)có: n = (0.01 . Ì + 0,01 . Ì ) / 2 = 0,01 2 2 Hiệu diện thế giữa hai lớp điện kép gọi là điện the zetta (^). Có thê xác định điện thê ị dựa vào hiện tượng điện chuyên dưới tác dụng của lực điện trường như sau: Nếu gọi (e) là hang số điện môi cua môi trường, (d) là chiều dày lớp điện tích kép, (ị) là hiệu điện thế lớp kép, thì điện tích mặt ngoài (q) cùa các đại phân tử sinh vật được xác định là: 1-—í \nd (6.14) Dưới tác dụng cùa điện trường ngoài E thì các đại phân tử chịu tác dụng cùa lực tĩnh điện là: (615) Ĩ.ỊẼ Tác dụng của lực điện trường làm cho các đại phàn từ dịch chuyển với vận tốc V. Giá sử khi ion ớ môi trường (lớp ngoài) không chuyển động và ĩ] (là hệ số nhứt cùa môi trường) thì độ lớn cua lực điện trường dược xác định là: Eq = n- (616) ả Từ (6.14) và (6.16). ta cỏ: ( r f . 2 1 . J L i _ Ị - ÍH.V (6.17, E An SE Công thức (6.17) là phương trinh Smolukhovski dề xác định điện thế ị cùa tế bào. phân tử sinh học... 135
Trong đ ó ị được tịnh b à n g milivolt ( m V ) . E là v / c m , V là (m/s thì đổi v ớ i nước (e = 80) ta được: V = 0.0778 ỊE Cấu tạo lớp điện tích k é p cũna có thê biểu diễn theo sơ đ ô hình 6.5. Tronc dung dịch điện l y . các lon tạc the nam trên bê mặt hạt keo. còn các lon trái dấu thì được phân thành hai trường hợp sau: - T r ư ờ n g hợp thử nhất là các hạt mang điện nam gần bề mặt hạt keo (cỡ kích thước p h â n tử) được g i ữ chặt cạnh bề mặt hạt nhờ vào lực hâp phụ và được aọi là lớp hấp phụ. - T r ư ờ n g hợp thứ hai là các hạt mang điện chuyển động tự do dưới tác dụng nhiệt trong môi trường p h â n tán tạo thành lớp khuếch tán. A B : là bề dày lớp p h â n tử. lớp này có bề dày d còn được gọi là lớp hấp phụ B C : là mặt phang r i ê n g k h i các p h â n tử. đ ạ i p h â n tử sắp xếp trong điện trường. A BW c (a) H ì n h 6.5. T h ế n h i ệ t đ ộ n g học và thế điện động (a). Sơ đồ cấu tạo lớp điện (b) kép. ', d (b). Đặc trưng điện thẻ theo k h o á n g cách các lớp. Trong sơ đ ồ trên ta có: E: thế nhiệt dộng học. ị: thế điện độne Ì lí.
I V . C á c y ế u t ố ả n h h ư ở n g đ ế n đ i ệ n t h ế /etta Khi các phân từ trong hệ chuyến động. nếu tất cả các ion trái dấu đều bị tách ra khỏi bề mặt hạt keo thì giữa hai lớp điện tích này sẽ xuất hiện một hiệu điện thế E gọi là thể nhiệt động. Thực tế cho thấy. do lực liên kết các ion trái dấu trong lớp hâp phụ bao giờ cũnc chuyên động cùne với hạt keo. Do đó. dòne điện tạo ra chi bời các hạt mang điện tự do còn hiệu điện thế bày giờ được xác định chú yếu xảy ra giữa lớp hấp phụ và lớp khuếch tán. Hiệu điện thẻ ciừa hai lớp này được coi là thế điện động hay điện thế Ị . Do vậy. trong sinh vật. thế điện động bao eiờ cũng có giá trị nhó hơn thế nhiệt động. Tính chất môi trường ảnh hường nhiều đến giá trị cùa điện thế ị. Châng hạn như khi thay đỏi nồng độ lon trong môi trường phân tán. nhiệt độ môi trường đã làm thay đôi khá năng hấp phụ lon. Do đó thay đối lớp điện tích kép làm cho giá trị điện thế ị thay đôi theo. Đại lượng điện thế ị là một chì số vật lý đặc trưng cho hệ thống sồng. Dựa vào hệ số này có thế đánh giá trạng thái bệnh lý của các đối tượng sinh vật. Chăng hạn như ờ trạng thái bình thường, điện thế ị cùa hồng cầu máu người cỏ eiá trị khoảng 16.3mV còn nếu có sự sai khác thi đó là dấu hiệu cùa bệnh lý hoặc rối loạn về trạng thái chức năniỉ. V. Ý nghĩa sinh học của điện thế /etta Dựa vào bảng phân tích về thành phần các chất cấu trúc bèn trong và bên ngoài màng tế bào hay số liệu về Ị - điện thế cua các đối tượng sinh vật, ta thấy chúng phụ thuộc nhiều xào môi trường phân tán. Trong nhóm axit phân ly mạnh (nhóm photphal định hướng cùa phân tư xephalin) cho thấy điện thè Ị thay đôi phụ thuộc vào độ pH cùa môi trường. Thật vậy, đoi vói hồng cầu. ta thấv điện thế ị phụ thuộc vào điện tích tự do trẽn bề mặt tế bào. Các điện tích bề mặt hồns cầu lại bị chi phối bới mức độ lon hóa cùa các nhóm phân ly trons phàn tử photpholipit. Nghiên cứu trên một số động vật. các số liệu chi nhận được cho thấy răng: các động vật khác nhau sẽ có thế điện động khác nhau như báng 6. Ì. ! ;7
Bảng 6.1. Thế điện động cùa hồng cầu động vật trong dung dịch đệm photphat pH = 7.4 (đãng trương) Đối tượng ị - điện thế (mV) Thò 7 Lợn 12.5 Chuột nhắt 14.2 Người 16.3 Khi 17.0 Mèo 17.8 Chuột bạch 18.6 Chó 21.1 Các loài vi sinh vật thường có kha năng hâp phụ cao đối với phần từ protein cũna như các chát hữu cơ. Thật vậy. trona dịch sinh vật có các loại albumin. aelatin hoặc các sàn phàm phân huy từ tè bào. sụ hâp phụ trên bê mãi màna cũna khác nhau. do đó thè điện động xuàt hiện cũng có giá trị mơn" ím°. Ngoài ra sự hấp phụ bề mặt còn phụ thuộc vào đối tượng, thành phần cũn2 như đặc diêm câu trúc bê mặt cùa chúng. 138
Chương 7 C O SỞ H Ó A LÝ C Ủ A S ự H Ư N G PHẤN ì. K h á i n i ệ m h ư n g p h ấ n v à n g ư ỡ n g h ư n g p h ấ n * Khải niệm hưng phan Hưng phấn là sự chuyền tù trạng thái nghi ngơi sang trạng thái hoạt động. Hưng phấn bao eồm hai cơ chế: cư chế tiếp nhận kích thích bởi các thụ quan và cơ chế chuyến tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền vê não đế xứ lý thông tin và phát tín hiệu thục hiện phan ứng tra l ờ i . Tín hiệu kích thích rất đa dạng nhưng chu yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất...) và tín hiệu hóa học (hoócmôn, mùi. vị...). Chức nâng chuyến tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện (tức sóne hưng phấn) và dẫn truyền sóng hưng phân do noron thực hiện. Thực hiện phàn ứng tra lời có thê là cơ quan, m ô , tê bào và cả ờ mức độ phân từ. 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 đế thích nghi với sụ thay đ ổ i cua môi trường sống. * Khái niệm ngưỡng hưng phẩn Ạ 2 Reobaz G I Reohaz A Thòi gian cỏ ích H ì n h 7.1. T ư o n g quan giữa c u ô n g đ ộ và t h ò i gian kích thích Ngưỡng hưng phấn được xác định bằng cường độ nhỏ nhất và thời gian kích thích ngân nhất đê có thẻ tạo nên sụ hưng phân. Cường độ nho 139
nhất kích thích đế tạo ra được phán ứng trá lời coi là Ì reobaz. Thời gian ngắn nhất khi kích thích Ì reobaz để tạo ra được phán ứng trà lời là thời gian có ích (xem hình 7.1). Trong thực nehiệm xác định thời gian có ích rất khó nên I.apicque lay thời gian ứng với 2 reobaz đề do ngưỡng thời gian kích thích, coi là thời trị. Đường biêu diễn tương quan giữa cường độ và thời gian kích thích là đường hipecbol. ứng với phương trình do Weiss đưa ra năm 1901: à . (7.1) i =—+h ị Ì: cường độ kích thích. t: thời eian kích thích. a: hẩng số ứng vói đường thẳng thời gian chạy song song với trục tung. b: hang số ứng với đường thẳng cường độ chạy song song với trục hoành. N ế u cường độ i = 2b, nghĩa là bàng 2 reobaz thì p h ư ơ n g trình (7.1) sẽ có dạng: 2b = - + b (7.2) -> b = - ->• t=£ ĩ t 0 Thời trị thay đ ổ i tùy theo mô. Ví dụ ớ người thời trị cùa cơ duỗi dài gấp từ Ì .5 đến 2 lần so v ớ i cơ sập. li. Lý thuyêt hưng phân của Heinbrun (1928) Trên ca sờ nhũng số liệu thực nghiệm về quá trình hưng phấn có liên quan tới sự thay đ ố i cấu trúc hóa lý cùa nguyên sinh chất. như là thay đồi tính chất keo thê hiện ờ 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 ràng: tất ca các yếu tố kích thích đều gây nên quá trình đông tụ nguyên sinh chất kèm theo sự tăng đ ộ t ngột độ nhớt cấu trúc cua nó. Quan niệm này được cúng cố qua số liệu về các chất ức chế sự h ư n s phấn như thuốc ngu, thuốc mẻ đều làm giám đ ộ nhớt cùa nguyên sinh chát. Thuyết đông tụ cùa Heinbrun giãi thích các yếu tố kích thích có bán chất khác nhau khi tác dụna ịên các tế bào cùa thụ quan. trước tiên giải phóne C a " mà trước đó trong nguyên sinh chất Ca** lại ớ trang thái liên kết Chính do Ca"* được giải phỏnc đã dẫn tới làm đông tụ neuyên sinh chất. Thuyết đỏng tụ cua Heinbrun mới chi eiai thích được hiện tượng sự kích thích dẫn tới làm đ ô n e tụ nguyên sinh chất còn nhiều hiện tượng khác liên quan tới sự hưng phấn. thuyết đông tụ không giải thích được. ì in
U I . T h u y ế t p h á hủy cấu t r ú c 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 cùa các chất ớ trong nội bào và ngoài môi trườne là do khả năne hòa tan cùa các chất ờ pha nước và nguyên sinh chất khác nhau và do kha năng liên kết của các chất với phàn tử protein. Trong tế hào các chất điện phân phẩn lớn liên kết với các phân từ protein. chì số ít ớ trạng thái tự do. Khi bị kích thích hay bị tồn thương nguyên sinh chất có những thay đôi sau: - Độ phân tán cùa các hạt keo giám xuống rõ rệt và độ đục của hạt nhân và nguyên sinh chất xuất hiện rất sớm. - Sự tăng độ nhớt cùa nguyên sinh chất gồm 2 pha: khi yếu tố kích thích yêu thì độ nhớt nguyên sinh chất giám và khi yêu 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 tâng lên và sau đó quá trình này bị ức chế. - Khi kích thích độ pH cùa nguyên sinh chất dịch chuyển về phía axit. - Khi kích thích tC,PO\~, creatin được giải phóng ra môi trường còn Na*, c r lại xâm nhập vào trong tế bào rất nhanh. Cũng như thuyết đông tụ. thuyết phá hủy cấu trúc đưa ra chi là để giải thích về sự thay đ ổ i tính chất hóa lý của nguyên sinh chất, mới giải thích hiện tượng cùa quá trình hưng phấn mà chưa giải thích được bản chất cùa quá trinh hưng phấn. IV. Lý thuyết hưng phấn của Nernst (1899) Năm 1887. Arrhenius công bố các chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các lon dương và lon âm. dưới tác dụng của dòng điện ngoài, các ion sẽ chạy về điện cực mang điện tích trái dấu với điện tích lon. Các ion cỏ kích thước và bàn chất điện tích khác nhau nên có vận tốc chuyền động về hai cực cũng khác nhau. Sau khoáng thời gian nhất định sẽ tạo nên những lớp có mật độ lon khác nhau. tức sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Nếu ngắt nguồn điện bên ngoài, thay vào đó cắm ĩ 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 quá nghiên cứu cùa Arrhenius cùng xem te bào như một dung dịch chất điện phàn dược bao bọc bởi màng tè bào. Dưới tác dụnỵ cua dòng điện kích thích, các ion ám và dương trong tế bào chất sẽ chạ) về hướng điện cực kích thích có điện tích trái dâu với điện tích lon. Sau một thời gian các lon âm và dương chuyển động theo hai hướng khác nhau sè tập trung ớ hai phía cua màng tè bào. ơ ngoại hào cũng có các lon dương và âm. do lực hút tĩnh điện. nếu ớ một phía tê bao. mặt trong tích điện âm thi mặt ngoài màng tích điện dươnc còn ờ phía kia cùa tế bào ở mặt trong sè tích điện dươns và mặt ngoài màng tích điện âm. Kết qua là giữa bên trong và bèn ngoài màng tế bào đã hình thanh nên một hiệu điện thẻ và khi điện thế nà) đạt giá trị ngưỡnc thì tạo ra sự hưng phân. Sự chênh lệch vè nôn" độ lon liên quan đến cường độ và thời gian kích thích và đê tạo ra hưng phàn phải thỏa màn CÔI12 thức: (7.3) C: nồng độ ion tự do khi tế bào hưng phấn. c„: nông độ ion tự do khi tế bào ơ trạng thái nghi. y: sô lượng ion được dịch chuyên do một đơn vị cường độ dòng điện. i: cường độ dòng điện. t thời 2Ìan kích thích. u: hệ số khuếch tán cua ion. Nêu kích thích băng dòng diện mội chiều thì mối liên quan eiữa cường độ dòng điện và thời gian kích thích phai thỏa màn công thức: i v 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 giam và ngược lại. đê duy trì tích số cùa cường độ dòng điện với thời gian luôn là một hẩng số. Nếu kích thích bâng dòng điện xoa) chiều thì mối liên quan giữa cường độ \ à tần số dòng điện phai thoa mãn công thức: -^= = hằng số (7.5) Veo Trong giới hạn về cường độ dòng điện kích thích, nếu tần sô cao thi cường độ dòng điện phải lớn còn tần số thấp thi cường độ dòng điện nho đế 142
duy trì tỳ số giữa cường độ và lần sò luôn là một hăng số. Các công thức trên do Nernst đưa ra chi dứng trong phạm vi tần số 100 Hz đến 3 kHz. Kết qua thục nghiệm cho tha) nếu kích thích cường độ dưới ngưỡng và kích thích làu hoặc kích thích cường độ lớn v ớ i thời gian kích thích ngẩn thì đều không gây ra hưng phấn. ớ m ồ i d ố i tượng nghiên cứu khi kích thích cường độ dòng điện là Ì reobaz thì có một thời gian kích thích cần thiết (thời gian hữu ích). B ả n g 7.1. T h ò i gian h ữ u ích của m ộ t số đ o i t ư ợ n g nghiên cứu TT Đối tượng nghiên cứu T h ò i gian hữu ích 1 Cơ trơn dạ dày ếch 1 giây 2 Cơ trơn cùa nhuyễn thẻ 10"' giây 3 Cơ chân của nhuyễn thê 10 giây 4 Than kinh ếch 10 giây 3 5 Thần kinh động vật máu nóng 10' giây 4 Lý thuyết hưng phấn cua Nernsl k h ô n g nêu ra cụ thẻ sự thay đổi nồng độ của những ion nào và giới hạn ngưỡng nồng độ là bao nhiêu đề có thê tạo ra hung phấn. V. Lý t h u y ế t h ư n g p h ấ n của Bernstein (1906) Năm 1906. Bernstein đưa ra lý thuyết hung phần đê giải thích cơ chế hình thành điện thế tĩnh khi tế bào ở trạnc thái nghi ngơi và cơ chế hình thành điện thế hoạt động khi tế bào ờ trạng thái hưng phấn. Bernstein cho răng tê bào khi ở trạng thái nghi do m à n g có tính bán thấm tức là thấm K ' dễ dàng còn N a + thấm ít, trong khi đó hoàn toàn k h ô n g thấm các phàn 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 m à n g cỏ điện tích dương nên tôn tại điện thê tĩnh và chiều điện trường hướng từ ngoài vào trong tế bào. Bernstein đơn thuần chì xét sự chênh lệch nồng đ ộ K ở bên trong và bên + ngoài tê bào, áp dụng công thức cua Nernst tính được giá trị điện thế tĩnh phù hợp với giá trị đ o trực tiếp bàng p h ư ơ n g pháp vi điện cực. Sau này có nhiêu số liệu thực nghiệm làm sáng tò thêm lý thuyết cùa Bernstein. Xegan đã chứng minh các lon hóa trị hai (như C a \ + M g . . . ) hút phân tử nước ++ ( H 0 ) mạnh hơn so với lon hỏa trị một (như N a \ K \ c r . . . ) . Vì thế lớp vò 2 143
hydrat hóa cùa lon hóa trị hai dày hơn so với lon hóa trị một, nên lon hóa trị hai khó lọt qua siêu l ồ ở trên m à n g so với ion hóa trị một. M ặ t khác. cùng một loại ion. nêu ion nào có kích thước nhỏ (hay neuyên tự lượng bé) sẽ có điện trường lớn so v ớ i lon có kích thước lớn (ha> nguyên tứ lượng lớn). Vì the ion có kích thước bé hút nước mạnh hơn so \ ớ i ion có kích thước lớn nên xả) ra hiện tượng, trong dung dịch lon cỏ kích thước nho lại khó thấm qua siêu l ồ trên m à n g so với lon có kích thước lớn hơn. V i dụ Na* có đường kính 1,9A bị 8 phân tử H 0 bao quanh còn l O có đường kính 2,6A° chi có 2 4 phân từ \hO bao quanh nên K* thấm qua siêu l ồ trên m à n e dễ hơn so với Na". N ă m 1955. Hodgkin và Katz bàng phương pháp đồng vị p h ó n g xạ đánh dấu xác định được khi tế bào ớ trạng thái tĩnh. dòng N a + đi ra bàng dòng Na" đi vào còn d ò n g K đi ra lớn gấp xấp xi 1.63 lần so với dòng K* đi vào. + H ơ n nữa. khi tế bào ở trạng thái tình, nồng độ Na* ờ bên ngoài lớn hơn so v ớ i bên trong nên chiều gradien nồng độ Na* hướng từ ngoài vào trong còn nông 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 cùa m à n g , theo tính toán cua Goldman cho thấy K đi ra theo gradien nồng đ ộ K + + nhanh gấp 76 lần so v ớ i Na* đi vào c ù n g chiều gradien nồng độ Na . K ế t quả thực nghiệm + k h ă n g định tính đ ú n g đan cùa già thuyết Bemstein. tính bán tham của màng là n g u y ê n nhân dẫn đ ế n sự phân bố không đồng đều cùa các lon giữa bên trong và bên ngoài m à n g tế bào nên đã tạo thành điện thế tĩnh. Sau này. năm 1942. Cuatite và Cole l ạ i chứng minh rang K* đóng vai trò chính trong việc duy tri điện thế tĩnh. Hai ông đã tâng nồng độ K* ờ ngoại bào lên (tức làm giảm sự chênh lệch nồng độ K + giữa bên trong và bên ngoài m à n g tế bào) thi giá trị đ i ệ n thế tĩnh c ù n g giảm dần. K h i nồng độ K ở bên ngoài bang + nồng đ ộ K* ờ bên trong tế b à o thì điện thế tĩnh sẽ bàng không. K h i giảm dần nồng đ ộ K ở bên ngoài về giá trị như lúc ban đầu thì điện thế tĩnh lại được + khôi phục. Song, nếu tăng nồng độ N a ờ trong tế bào lên thì điện thế tĩnh + vẫn k h ô n g thay đ ổ i . K h i bị kích thích, tế bào đã chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái h ư n g phấn và tế bào bị đ ổ i cục. tức là bên trong tê bào có điện tích d ư ơ n g còn bên ngoài có điện tích âm. Khi tê bào hưng phàn, Bernstein cho rang. m à n g tế bào đã mất tính bán thấm nên không còn phân biệt tính thấm giữa với Na + và cho cả các anion hữu cơ thâm ra bên ngoài. C h í n h do các anion hữu cơ thấm ra ngoài và các N a thẩm vào trong + dề d à n g hơn so v ớ i K + thấm ra ngoài đã làm cho tế bào bị đ ổ i cực. Sau này
thực nghiệm đo được giá trị tuyệt đối cùa điện thế hoạt động lớn hơn giá trị tuyệt đối cùa điện thế tĩnh nhưng theo giả thuyết cùa Bernstein thì không giải thích dược bản chất cùa hiện tượng này. Ví dụ noron thần kinh lúc nghi 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 ràng khi noron hưng phấn tính thấm cùa màng đối với Na vào trong + tế bào tăng lên 500 lần so với khi noron nghi ngơi. Ngược l ạ i , khi noron nghi ngoi màng tế bào cho K thấm ra ngoài lại nhanh gâp 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. M ỗ i ion có một hệ số thấm đặc trưng. Khi noron nghi ngơi. nếu lấy tính thấm cùa màng đối với K* làm đơn \ Ị so sánh và qui irớc P K = Ì thì tính thấm + cùa màng đoi với Na là + PN * 3 = 0.013 còn tính thấm của màng đối với c r là Pci- = 0.045. Cùng với việc xác định nồng độ K \ Na*, c r ở bên ngoài và bên trong noron lúc nghi ngoi. thay các giá trị đã biết vào công thức Gondman sẽ tính được điện thế tĩnh bàng - 89mV. ỈChi noron hưng phấn nếu vần lấy PK+ = Ì làm đơn vị để so sánh thì P Na+ = 20. Pci- = 0.045. Cũng xác định nồng độ K*. N a \ c r 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 38 mV. Khi noron hưng phấn. điện màng đã chuyển từ -89 mV lên 38 mV. do vậy giá trị tuyệt đối cùa điện thế hoạt động phải là |-89 mV|+38 mV = 127 mV. Như vậy, bản chất của hiện tượng điện thế hoạt độne có giá trị tuyệt đối lớn hơn giá trị tuyệt đối cùa điện thế tĩnh. Khi ngừng kích thích, màng noron sẽ khôi phục lại tính bán thấm đề duy tri sự chênh lệch về nồng độ ion giống như lúc ban đầu, tức là duy trì điện thế tĩnh. Lý thuyết màng cùa Bernstein chưa đề cập đến vai trò của các ion hóa trị hai như C a \ M g . . . Nhiều kết quá thực nehiệm đã xác định vai trò cùa + ++ Ca ++ trong quá trình hình thành điện thế sinh vật. M ộ t số nhà khoa học già thiết ràng. ở trên màng tế bào có các kênh dẫn "nhanh" và "chậm" đ ố i với các lon. Khi tế bào hưng phấn. các kênh dẫn "nhanh" cho dòng Na* vào trong tê bào đê khử cực tê bào (tức đôi dâu đ lên tích âm sang dương). Sau đó các kênh dẫn "chậm" tiếp tục cho Na và C a + ++ vào trong tế bào để kết thúc quá trình khử cực (tức là xuất hiện điện thế hoạt động).
Lý thuyết màng cùa Bernstein. mặc dù đã dược các nhà khoa học bố sung nhưng vẫn chưa đầy đu. Do vậy, van đề này vần còn phái tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. V I . L ý t h u y ế t h ư n g p h ấ n của Laxarev Năm 1887. Ringer là người đầu tiên phát hiện dung dịch đảng trương NaCl có cho thêm KC1 và CaCl: theo một tỳ lệ nhất định, giữ cho cơ ếch có phàn xạ co cơ giona như trong cơ thể còn nguyên vẹn trong thời gian làu hơn nhiều so với cơ ếch chì nsâm trong dung dịch đẳng trương NaCl. Sau này Zac và Lob tiến hành thi nghiệm trên trứng cá Fundulus thấy ràng: trứng không nở trong dung dịch chỉ có NaCl. Nếu dùng dung dịch CaSƠ4 có nồng độ xác định để thêm vào dung dịch NaCl vói một tý lệ thích hợp, tạo ra sự tương quan tối ưu giữa các lon thì trứng cá Fundulus sẽ đạt tỷ lệ tạo thành phôi cao nhất là 75%. Sau này tiếp tục cỏ nhiều số liệu thực nghiệm chứng minh rana noron thần kinh chi có the hưng phấn khi trong bào tương của sợi trục có cà 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. ô n g cho rằng. khi tế bào ờ trạng thái nghi ngơi sẽ du)' trì tỳ lệ giữa ion hóa trị một và ion hóa trị hai ờ một giá trị xác định và không thay đổi: c, — = hằng số (7.6) c 2 c I: nồng độ lon hóa trị Ì. C2: nồng độ lon hóa trị ĩ . Khi kích thích, tý số này bị thay đổi dẫn đến sự hưng phấn nếu tỳ 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 quà thí nghiệm cùa Flygn. Đó là hiện tượng kích thích bang dòng điện một chiều, khi đóng mạch thì hưng phấn xuất hiện ờ 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 cùa điện trường. lon dương hóa trị một linh động hơn so với ion dương hóa trị hai cho nên tập trunu ờ cực âm nhiều hơn. Do vậy, ở cực âm tỷ lệ giữa íon hóa trị một trên lon hóa trị hai táng lên, dẫn đến hưng phấn xuất hiện ở cực âm. Ngược lại,ở cực dương, các lon dương hóa trị hai rời chậm nên có nồng độ cao hơn so với ion dương 146