Chương 1 điện thế sinh vật

Bài giảng Điện tử Y sinh Nguyễn Văn Phòng Chương 1 ĐIỆN SINH VẬT Việc phát minh ra điện tích và dòng điện đã đem đến cho con người một nguồn năng lượng mới cùng những thiết bị, máy móc chính xác tinh vi, hiệu suất cao Ðiện đã và đang đóng góp một phần tích cực vào sự phát triển và sự tiến bộ của xã hội loài người Tác dụng của điện tích và các loại dòng điện lên cơ thể sống nói chung và con người nói riêng cũng đã được tìm hiểu từ lâu và có nhiều ứng dụng trong y học Sự phát sinh ra dòng điện là.

Chương 1: ĐIỆN SINH VẬT

Việc phát minh ra điện tích và dòng điện đã đem đến cho con người một nguồn năng lượng mới

cùng những thiết bị, máy móc chính xác tinh vi, hiệu suất cao Ðiện đã và đang đóng góp một

phần tích cực vào sự phát triển và sự tiến bộ của xã hội loài người

Tác dụng của điện tích và các loại dòng điện lên cơ thể sống nói chung và con người nói riêng

cũng đã được tìm hiểu từ lâu và có nhiều ứng dụng trong y học Sự phát sinh ra dòng điện là một

trong số những biểu hiện phức tạp, đa dạng của hoạt động sống Dòng điện "sống" phản ánh tính

chất hóa-lý của quá trình trao đổi chất và là một chỉ số quan trọng đáng tin cậy về các chức năng

sinh lý của cơ thể sống Ngày nay các kỹ thuật hiện đại ghi điện sinh vật trên cơ thể người đã

giúp ích rất nhiều cho các thầy thuốc trong việc xác định nguyên nhân của nhiều loại bệnh và đề

xuất những biện pháp điều trị thích hợp

Trong chương này ta sẽ khảo sát một số vấn đề cơ bản của hiện tượng điện sinh vật, tác dụng của

dòng điện lên cơ thể sống và ứng dụng của chúng

1.1 CÁC LOẠI ÐIỆN THẾ SINH VẬT CƠ BẢN

Ý tưởng về mối liên hệ chặt chẽ giữa dòng điện và các hoạt động sống được lan truyền từ

khoảng những năm 1731 khi Gray (Anh) và Nollet (Pháp) khẳng định sự tồn tại các điện tích ở

thực vật, động vật Tiếp theo đó vào năm 1751 Adanson đã nhận thấy tác dụng điện của các

giống cá điện cũng tương tự như bình Leyden đối với động vật và con người Walch (1773) đã

chứng minh tính đồng nhất của những tác dụng kể trên đồng thời cho thấy sự phóng điện của loại

cá điện, cũng như bình Leyden được truyền theo dây dẫn và bị ngắt bởi vật cách điện

Khởi đầu cho những nghiên cứu về dòng điện sinh học (dòng điện sống) là thí nghiệm nổi tiếng

của bác sĩ người Ý Galvani (1791) Ông là người đã tìm ra đặc trưng quan trọng của tế bào sống:

Giữa tế bào sống và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế Ðo trên các

loại tế bào khác nhau, sự chênh lệch điện thế này vào khoảng 0,1V, riêng các loại cá điện có thể

sinh ra các xung điện (các hiệu điện thế xuất hiện gián đoạn theo thời gian) khoảng 600V,

100mA Tuy sau đó rất nhiều nhà bác học khác cũng quan tâm nghiên cứu, nhưng đến hơn 100

năm sau, con người vẫn chưa hiểu rõ cơ chế của hiện tượng điện sinh vật Trong vài chục năm

gần đây, nhờ các máy ghi đo điện chính xác, các máy phát xung điện cũng như các thiết bị điện

tử hiện đại, nhờ sự áp dụng có hiệu quả các phương pháp đồng vị phóng xạ, kính hiển vi điện tử,

hóa học tế bào.v.v chúng ta mới phát hiện được nhiều quy luật về hoạt động điện của tế bào

Kết quả của thí nghiệm phát hiện điện thế nghỉ mô tả trên hình 4.1 cho thấy:

· Khi 2 điện cực đặt trên bề mặt của sợi thần kinh thì không có sự chênh lệch về điện thế

· Khi chọc 1 điện cực qua màng vào sâu trong tế bào, còn 1 điện cực đặt trên bề mặt sợi thần kinh thì giữa hai đầu điện cực xuất hiện một hiệu điện thế

· Khi 2 điện cực chọc xuyên qua màng, không có sự chênh lệch về điện thế

Như vậy giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một hiệu điện thế Sự chênh lệch về điện thế này gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh

Ðiện thế nghỉ có hai đặc điểm sau:

· Mặt trong màng tế bào sống luôn có điện thế âm so với mặt ngoài, tức là điện thế nghỉ có chiều không đổi

· Ðiện thế nghỉ có độ lớn biến đổi rất chậm theo thời gian Nếu sử dụng kỹ thuật ghi đo tốt chúng

ta có thể duy trì để độ lớn của điện thế nghỉ không đổi trong nhiều giờ thí nghiệm; giá trị điện thế nghỉ chỉ nhỏ đi khi hoạt động chức năng của tế bào đã bắt đầu giảm

Ðể đo điện thế nghỉ chúng ta bắt buộc phải chọc một trong hai điện cực qua màng tế bào, làm

cho màng tổn thương ít nhiều Vì vậy điện thế ghi được thực chất là điện thế xuất hiện khi tế bào

bị tổn thương Ðể giảm tổn thương tới mức tối thiểu, các điện cực dùng để chọc qua màng phải

có kích thước hết sức nhỏ (ta gọi là vi điện cực) sao cho hiệu điện thế ghi được có thể xem như điện thế nghỉ

Hình 4.2 mô tả một loại vi điện cực kiểu Linh Giêra, chế tạo bằng thủy tinh, đường kính từ 0,1 đến 0,5 Các điện kế (Vol kế) để ghi điện thế nghỉ phải có điện trở trong rất lớn để cho dòng điện đi qua chúng đủ nhỏ, không gây nên hiện tượng phân cực đáng kể

Hình 4.3 mô tả thiết bị đo điện thế nghỉ Ðiện thế nghỉ được đo bằng vôn kế điện tử có điện trở

lối vào rất lớn Người ta sử dụng một vi điện cực chọc qua màng tế bào nghiên cứu và

một điện cực không phân cực đặt trong dung dịch KCl Ðiện cực này tiếp xúc với môi trường

bên ngoài tế bào nghiên cứu (dung dịch muối dùng để nuôi tế bào thường là dung dịch Ringer)

qua một cầu thạch aga

Khi tế bào bị kích thích, dấu của điện tích ở hai phía màng tế bào đảo ngược hẳn so với lúc nghỉ,

điện thế mặt ngoài trở nên âm hơn mặt trong Lúc đó xuất hiện điện thế hoạt động Có thể ghi

điện thế hoạt động bằng hai phương pháp

a Phương pháp hai pha

Hai điện cực ghi đều đặt trên bề mặt của một sợi thần kinh tại hai vị trí (1) và (2) Một điện kế

nhạy G nối với 2 điện cực trên (hình 4.4a)

Theo quan điểm cổ điển, khi có một tác nhân kích thích vào sợi dây thần kinh (xung điện, chất

hóa học ) sẽ có một sóng hưng phấn mang điện thế âm truyện dọc theo sợi thần kinh Như vậy

sự thay đổi dấu diện tích ở điểm đặt điện cực tương ứng với sự lan truyền của sóng hưng phấn so

với các điện cực đó sẽ xác định dạng của điện thế hoạt động Khi sóng hưng phấn đạt tới điểm

đặt điện cực thứ nhất, mặt ngoài màng tại điểm này trở nên âm và do đó xuất hiện dòng điện theo

hướng từ điện cực thứ hai đến điện cực thứ nhất Thiết bị ghi đó sẽ ghi lại dao động của dòng

điện về một phía (hình 4.4b) Liền ngay sau đó hưng phấn sẽ bao trùm cả hai vùng điện cực và

vùng điện cực thứ hai cũng trở thành âm và do đó hiệu điện thế giữa hai điện cực bằng 0 Bút ghi

trở về giá trị 0 ban đầu (hình 4.4c) Tiếp tục lan truyền, sóng hưng phấn sẽ rời vị trí (1) chỉ còn ở

vị trí (2) khi đó vị trí (2) lại trở nên âm so với vị trí (1), do dó dòng điện ở mạch ngoài hướng từ

điện cực thứ nhất tới điện cực thứ hai tức là ngược chiều so với dòng điện lúc trước (hình 4.4d)

Khi sóng hưng phấn hoàn toàn rời khỏi vùng đặt điện cực ghi đo, trạng thái nghỉ ngơi ban đầu

phục hồi và hiệu điện thế giữa hai điện cực lại bằng 0 (hình 4.4e)

b.Phương pháp một pha

Trong phương pháp này, chỉ có một điện cực lớn đặt ở vị trí (2) còn điện cực thứ hai là một vi điện cực cắm xuyên qua màng ở vị trí (3)(hình 4.5)

Khi chưa kích thích, giữa vi điện cực và điện cực lớn có một hiệu điện thế, đó là điện thế nghỉ của thần kinh (khoảng -80mV) Khi kích thích thần kinh tại vị trí (1), sóng hưng phấn sẽ lan truyền về phía vị trí (2): hiệu điện thế giữa hai điện cực tăng từ -80mV dần dần đạt tới giá trị 0 khi sóng đi tới vị trí (2) Khi sóng hưng phấn truyền từ (2) tới (3) hiệu điện thế giữa 2 điện cực lại giảm đi từ giá trị 0 về giá trị điện thế nghỉ như lúc ban đầu (-80mV) Như vậy điện thế hoạt động chính là sự biến đổi nhanh chóng của điện thế nghỉ dưới tác dụng của một tác nhân kích thích nào đó

Gần đây, nhờ các dao động ký điện tử nhạy chúng ta đã ghi được tỷ mỉ và chính xác hơn điện thế hoạt động bằng phương pháp một pha: đỉnh của điện thế hoạt động có dạng gai nhọn, đỉnh này không dừng lại ở giá trị 0, mà tiếp tục vượt sang phía có giá trị dương (Hình 4.6) Ðo trên sợi trục khổng lồ của thần kinh cá mực người ta thấy điện thế nghi có giá trị khoảng 60mV, phần đỉnh của điện thế hoạt động nhô khỏi giá trị 0 khoảng 50mV

Trên hình 4.6 dựa vào sự biến đổi điện thế ở hai phía của màng chúng ta có thể chia điện thế hoạt động làm nhiều giai đoạn sau:

· Giai đoạn khử cực (đoạn AA') ứng với lúc hiệu điện thế ở hai phía của màng biến đổi từ giá trị điện thế nghỉ đến giá trị 0

· Giai đoạn quá khử cực (gai nhọn A'BB') ứng với hiệu điện thế ở hai phía màng vượt quá giá trị

0

· Giai đoạn phân cực lại (đoạn B'C) ứng với lúc hiệu điện thế ở 2 phía của màng từ giá trị 0 trở

về giá trị điện thế nghỉ

· Giai đoạn quá phân cực (đoạn CD) ứng với lúc hiệu điện thế ở 2 phía màng có giá trị âm hơn giá trị điện thế nghỉ

Chính điện thế hoạt động đã đảm bảo cho quá trình dẫn truyền hưng phấn dọc theo sợi thần kinh Các kết quả thực nghiệm sau cho thấy rằng điện thế hoạt động có khả năng lan truyền:

- Ðiện thế hoạt động ghi được càng chậm so với thời điểm kích thích sợi thần kinh khi ta đặt điện

cực càng xa vị trí kích thích

- Thời gian của một điện thế hoạt động càng lớn khi hai điện cực đặt càng xa nhau

Trong những điều kiện sinh lý không thay đổi tốc độ lan truyền của điện thế hoạt động đối với sợi thần kinh là không đổi Ðối với các sợi thần kinh có đường kính như nhau, tốc độ lan truyền trên các sợi có bao myêlin lớn hơn trên các sợi không có bao myêlin Quá trình lan truyền này không làm thay đổi dạng cũng như biên độ của điện thế hoạt động Cơ chế của quá trình lan truyền điện thế hoạt động có thể giải thích như sau:

Ta đã biết ở trạng thái kích thích, dấu điện tích ở hai phía của màng bị đảo ngược so với lúc nghỉ ngơi Giả sử màng tế bào đang bị kích thích ở vị trí B lúc đó dấu điện tích mặt trong màng tại B

sẽ (+) và ngoài màng sẽ (-), do đó sẽ xuất hiện dòng tại chỗ có chiều như trên hình 4.7a đối với sợi thần kinh không có bao myêlin Chính dòng điện tại chỗ này làm giảm giá trị hiệu điện thế giữa 2 phía của màng ở vùng lân cận với vùng kích thích Tại vùng A khi hiệu điện thế giảm tới một giá trị ngưỡng, điện thế hoạt động sẽ xuất hiện tức là vùng A đã chuyển sang trạng thái hưng phấn và lại xuất hiện dòng điện tại chỗ giữa vùng A và vùng lân cận tiếp theo Cứ như thế sóng hưng phấn được lan truyền dọc theo sợi thần kinh Vùng C đã bị hưng phấn trước vùng B, mặc

dù có tác động của dòng điện tại chổ, nhưng không thể chuyển sang trạng thái hưng phấn nữa như A, vì vùng C đang ở trong giai đoạn trơ

Khác với trên, quá trình lan truyền trong sợi thần kinh có bao myêlin xảy ra theo lối nhảy cóc từ

eo Ranvier này sang eo Ranvier khác và dòng điện tại chỗ cũng chỉ xuất hiện tại các eo này (hình 4.7b), chính vì vậy mà tốc độ lan truyền nhanh hơn so với trong sợi không có bao myêlin

1.2 CƠ CHẾ CỦA HIỆN TƢỢNG ÐIỆN SINH VẬT

Vì cơ thể sinh vật có thể coi như một hệ thống chứa dung dịch điện ly, nên khi tìm hiểu cơ chế

hoạt động điện của tế bào người ta nghĩ ngay đến vài trò của các ion trong dung dịch Cuối thế

kỷ trước 19, Dubois Reymond và Hermann đã so sánh các dấu hiệu điện sinh vật với lượng ion

chứa trong trong tế bào Sau đó Nernst, Lazarev, Hodgkin, Huxley, Katz nghiên cứu hiện tượng

này sâu hơn

Cần nhấn mạnh rằng chừng nào tế bào còn sống, còn có sự chênh lệch về nồng độ các ion ở

trong tế bào và ở môi trường bên ngoài Thí dụ, nồng độ ion K+ ở trong các sợi cơ lớn hơn ở

không gian bên ngoài tế bào chừng 40 lần, còn nồng độ các ion Na+ thì ngược lại Ở môi trường

bên ngoài nhiều hơn ở trong sợi cơ khoảng 10 lần Do đó để tìm hiểu cơ chế hiện tượng điện sinh

vật, trước hết chúng ta cần khảo sát sự xuất hiện hiệu điện thế khi hai phía của một màng có các

dung dịch điện ly nồng độ khác nhau

a Hiệu điện thế khuếch tán

Hiệu điện thế này xuất hiện ở ranh giới của các dung dịch điện ly có nồng độ khác nhau nếu các

cation (ion dương đến cathod) và anion (ion âm đến anod) chứa trong các dung dịch này có độ

linh động khác nhau Còn nếu độ linh động của anion và cation như nhau, ví dụ như trong trường

hợp K+ và Cl-, thì không xuất hiện hiệu điện thế khuếch tán

Ðộ lớn của hiệu điện thế khuếch tán được lính bằng công thức sau:

2

1

ln

C

C u u

u u ZF

RT











Trong đó: R là hằng số khí lý tưởng (R=8,3145J/mol.o

K); F là số Faraday bằng 96500 C; T là nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch; Z là hóa trị của ion điện ly; u+ là độ linh động của cation; u- là

độ linh động của anion; C1, C2 lần lượt là nồng độ của các dung dịch

Các ion Kali, Natri, Hydro, Clo, Canxi, OH và NH4 giữ vai trò chính trong việc tạo nên điện thế

khuếch tán ở các tế bào và mô Những ion khác giữ vai trò không đáng kể

Khi mặt ngoài của tế bào bị huỷ hoại, hai dung dịch trong và ngoài tế bào tiếp giáp nhau Các

dung dịch này rất khác nhau về thành phần và nồng độ các ion Vì thế, khi đó giữa các dung dịch

này xuất hiện hiệu điện thế khuếch tán

b Hiệu điện thế nồng độ

Nhúng hai điện cực làm bằng cùng một thứ kim loại vào hai dung dịch có nồng độ ion kim loại

đó khác nhau Sau khi đạt trạng thái cân bằng, ở mỗi điện cực sẽ xuất hiện một điện thế mà độ

lớn phụ thuộc vào tỷ số nồng độ ion kim loại trong điện cực và trong dung dịch Vì nồng độ ion

kim loại trong hai dung dịch khác nhau nên giá trị điện thế ở mỗi cực một khác, giữa chúng xuất

hiện một hiệu điện thế Uc, gọi là hiệu điện thế nồng độ

1 2 1

1

ln ln

ln

C

C ZF

RT C

C ZF

RT C

C ZF

RT

U C  đc  đc 

Trong đó: R: hằng số khí lý tưởng; T là nhiệt độ tuyệt đối; Z: hóa trị của kim loại;

F là số Faraday (F = 96500 C); C1, C2 lần lượt là nồng độ ion kim loại trong 2 dung dịch (l) và (2); Cđc là nồng độ ion kim loại trong điện cực

Như vậy, hiệu điện thế nồng độ được xác định bằng tỉ số nồng độ các ion kim loại trong hai dung dịch

Ở điều kiện bình thường 25o

C (T=298oK) lấy giá trị R=8,3145J/mol.o

K, F=96500 C

) ( ln 26

1

2

mV C

C Z

U C 

c Hiệu điện thế màng và cân bằng Donnan

Một trong những nguyên nhân tạo ra sự phân bố không đồng đều các ion là sự có mặt của màng bán thấm Tùy thuộc vào kích thước của lỗ màng, điện tích màng và tính thấm chọn lọc của màng, chúng có thể thấm với các ion này mà không thấm với các ion khác Chính vì vậy mà xuất hiện hiệu điện thế màng, giá trị của điện thế màng phụ thuộc đặc tính và mức độ thấm chọn lọc của màng, kích thước và điện tích của ion và độ linh động của chúng Ví dụ: Màng protein ở môi trường kiềm tích điện âm sẽ thấm chọn lọc đối với cation và không thấm đối với anion Ở các tổ chức sống nồng độ các dung dịch điện ly, các hợp chất của chúng với các chất hữu cơ, tính thấm của màng luôn thay đổi do đó việc đánh giá, giá trị điện thế màng phức tạp hơn nhiều Một trong những quy luật phân bố các ion ở hai phía của màng có tính thấm chọn lọc là quy luật cân bằng

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 K+ và CṬ (hình4.8) 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 các ion có khả năng khuếch tán qua màng

[K+]I < [K+]II [Cl- ]I > [Cl- ]II

Do sự chênh lệch nồng độ này, ở 2 phía của màng xuất hiện hiệu điện thế nồng độ UC

R

R

) ( ] [

] [ ln 1

26 ] [

] [ ln

2 1 2

1

mV K

K K

K ZF

RT











Vì

Cl

Cl K

K

1 2 2

1

] [

] [ ] [

] [









 (từ điều kiện cân bằng động của hệ),

] [

] [ ln 1

26 ] [

] [ ln 1

26

1 2 2

1

mV Cl

Cl K

K











1.3 Lý thuyết ion màng về hiện tƣợng điện sinh vật TOP

Theo lý thuyết ion màng, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật, các ion ở trong dịch bào và

ở môi trường ngoài tế bào (đặc biệt các ion K+, Na+ ) cũng như màng tế bào có vai trò quyết

định Cho tới nay lý thuyết này vẫn có nhiều ưu điểm trong việc giải thích các hiện tượng điện

sinh vật

1.3.1 Lý thuyết ion màng về điện thế nghỉ

Bernstein là người đầu tiên đưa ra lý thuyết ion màng về điện thế sinh vật, theo Bernstein thì ở

trạng thái tĩnh màng chỉ thấm đối với K+ và không thấm đối với Ion Na+ cũng như các anion

liên kết với ion K+ Vì nồng độ các ion K+ trong tế bào lớn hơn ở ngoài màng rất nhiều nên ion

K+ không ngừng khuếch tán qua màng Trong khi đó lực hút tĩnh điện các anion và cation đã giữ

chúng ở lại màng và làm cho màng bị phân cực một cách bền vững Như vậy chính sự phân bố

không đồng đều các ion do tính thấm chọn lọc của màng là nguyên nhân tạo ra điện thế nghỉ

Bảng 4.1 Nồng độ các ion tạo điện thêm nghỉ (Na+, K+, Cl)

ở các đối tượng nghiên cứu khác nhau

Ðối tượng nghiên

cứu

Nồng độ trong dịch bào (mM)

Nồng độ ở môi trường ngoài (mM)

Tỉ số Nồng độ trong dịch bào và Nồng độ ở

môi trướng ngoài

Na+ K+ Cl- Na+ K+ Cl- Na+ K+ Cl- Thần kinh ếch

Cơ ếch

Tim chuột cống

Cơ vân của chó

37

15

13

12

110

125

140

140

26 1,2 1,2 1,2

110

110

150

150

2,6 2,6 4,0 4,0

77

77

120

120

0,340 0,140 0,087 0,080

42

48

35

35

0,048 0,016 0,010 0,010

Quan điểm của Bernstein đã được Boyle và Conley phát triển: ở trạng thái tĩnh, bộ ba các ion

trên được phân bố tại ở 2 phía của màng tế bào giống như sự phân bố các ion ở trường hợp cân

bằng Donnan

Ðiện thế nghĩ U được xác định bởi tỷ số các nồng độ của ion K+ (hoặc của ion Cl-) có khả năng

khuếch tán qua màng ở trong và ở bên ngoài tế bào

) ( ] [

] [ ln 1

26 ]

[

] [ ln 1

26

mV Cl

Cl K

K U

trong ngoài

ngoài

trong













Bằng thực nghiệm Boyle và Convey đã chứng minh rằng khi nồng độ ion K+ ở môi trường ngoài có giá trị từ 13 đến 300 mg/lít, các ion Cl- và K+ được phân bố ở hai phía của màng đúng theo qui luật cân bằng Donnan

trong ngoài

ngoài

trong

Cl

Cl K

K

] [

] [ ]

[

] [









Tuy nhiên giả thuyết trên hầu như bị bác bỏ hoàn toàn khi nhờ kỹ thuật đánh dấu phóng xạ người

ta phát hiện rằng các ion Na+ cũng có thể xâm nhập qua màng vào trong tế bào được Mặc đù vậy Deen vẫn nhận xét một cách sâu sắc rằng: Cho dù màng tế bào có thấm các ion Na+, qui luật cân bằng Donnan vẫn có thể ứng dụng đúng cho các quá trình phân bố các ion Na+, K+, Cl- ở hai phía của màng nếu giả thiết rằng các ion Na+ có khả năng vận chuyển ngược chiều građiêng nồng độ để lọt ra ngoài tế bào với tốc độ đúng bằng tốc độ dòng ion Na+ đi vào trong tế bào Ý kiến của Deen, đặc biệt là giả thuyết về khả năng vận chuyển ion Na+ ra ngoài tế bào đã được nhiều thực nghiệm xác minh Deen cùng với Boyle, Convey được xem là đã góp phần quan trọng trong quá trình tìm hiểu bản chất của điện thế nghỉ

Những nghiên cứu tiếp theo bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ và ghi đo điện thế nghỉ cho thấy rằng muốn tính đúng giá trị của điện thế này cần đưa thêm vào công thức hệ số thấm của màng tế bào đối với các ion K+, Na+ và Cl-

Theo Goldman, nếu:

· Màng tế bào có tính chất đồng nhất và điện trường ở đó không đổi

· Dung dịch điện ly coi như là lý tưởng, nghĩa là không có yếu tố nào ngăn cản các ion đến tiếp xúc với các điện cực

· Chỉ có các ion hóa trị 1 tham gia vào sự hình thành điện thế nghỉ

· Môi trường ở hai phía màng tế bào rộng vô tận

Khi đó điện thế nghỉ sẽ được tính theo công thức sau:

trong Cl

ngoài Na

ngoài K

ngoài Cl

trong Na

trong K

Cl P Na

P K

P

Cl P Na

P K

P F

RT U

] [ ]

[ ]

[

] [ ]

[ ]

[

_













Trong đó PK, PNa, PCl là hệ số thấm của màng lần lượt đối với các ion K+, Na+, Cl-

Các giá trị điện thế nghĩ tính được từ phương trình Goldman tương đối phù hợp với các giá trị thu được từ thực nghiệm

1.3.2 Lý thuyết ion màng về điện thế hoạt động

Bernstein đã giải thích sự xuất hiện của điện thế hoạt động như sau: Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn màng tế bào thấm tất cả các loại ion Vì vậy, điện thế nghỉ; tạo ra do kết quả của sự phân bố không đồng đều các ion ở hai phía của màng sẽ mất đi Dòng các anion từ trong tế bào ra ngoài làm cho giá trị điện thế nghỉ ở 2 phía của màng sẽ biến đổi từ giá trị điện thế nghỉ xuống giá trị 0

và như vậy điện thế hoạt động bằng điện thế nghỉ về giá trị Giả thiết này của Bernstein tồn tại mãi cho tới khi Hodgkin, Huxley (1938), Cole và Curtis (1939) phát hiện ra rằng giá trị của điện thế hoạt động lớn hơn giá trị điện thế nghỉ, tức là sau khi khử cực màng hoàn toàn, điện thế hoạt động tiếp tục tăng và đạt tới giá trị nào đó

Sau này Côle và Cơtis cho rằng tính thấm của màng thay đổi phụ thuộc vào trạng thái của tế bào

và đã giải thích được kết quả thí nghiệm của Hodgkin và Huxley mà Bernstein chưa giải thích được: Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn tính thấm của màng đối với ion Na+ tăng lên, dòng các ion Na+ từ ngoài đi vào tế bào lớn hơn dòng các ion K+ từ trong tế bào ra ngoài, sự phân cực của màng bị đảo ngược so với lúc nghỉ ngơi và kết quả là điện thế hoạt động lớn hơn điện thế nghỉ về giá trị Tế bào trở lại trạng thái với sự phân bố của các ion như lúc đầu (nghỉ ngơi) là nhờ quá trình dịch chuyển các ion đó ngược chiều gradien điện hóa nhờ năng lượng của quá trình trao đổi chất

Nhiều kết quả thực nghiệm đã chứng minh vai trò của ion Na+ và sự thay đổi tính thấm của màng trong quá trình hình thành điện thế hoạt động Thí nghiệm của Hodgkin (1949) chỉ ra rằng khi giảm nồng độ Na+ ở môi trường xung quanh tế bào thì đỉnh tương ứng của điện thế hoạt động sẽ giảm đi Khi môi trường xung quanh không có ion Na+ thì đỉnh của điện thế hoạt động (phần gai nhọn nhô lên quá giá trị 0) cũng mất đi tức là điện thế hoạt động và điện thế nghỉ bằng nhau về giá trị Thí nghiệm tương tự với các ion K+, Ca++, Cl- hoàn toàn không cho những kết quả đặc trưng như vậy Do đó có thể kết luận chắc chắn về vai trò của ion Na+ trong quá trình khử cực màng khi tế bào bị kích thích

Phương pháp cố định điện thế: Bản chất của phương pháp là thông qua một vi điện cực đặt trong

tế bào và một điện cực ở bên ngoài màng người ta đặt một điện áp khử cực có giá trị được ổn định nhờ bộ khuếch đại có mối liên hệ ngược (hồi tiếp) Ðồng thời thông qua một hệ điện cực khác ta thu nhận và ghi lại dòng điện xuất hiện trong từng trường hợp thí nghiệm Nhờ phương pháp này Hodgkin, Katz và Huxley (1952) đã giải thích được khá rõ cơ chế của điện thế hoạt động Kết quả thực nghiệm có thể tóm tắt như sau:

· Nếu khử cực màng ở mức độ thấp (điện áp khử cực cố định khoảng 10-15mV) thì thấy xuất hiện dòng điện do sự vận chuyển các ion từ trong tế bào ra ngoài

· Nếu khử cực màng ở mức độ cao hơn (điện áp từ 20-100mV) thì giai đoạn đầu khoảng 2-3 ms xuất hiện một dòng các ion đi vào trong tế bào Sau đó dòng các ion lại đổi chiều đi ra ngoài tế bào Màng bị khử cực càng mạnh thì dòng các ion đi ra ngoài tế bào càng tăng Nếu ở môi trường xung quanh tế bào không có muối Na+, người ta thấy dòng các ion ở giai đoạn đầu mất

đi Ðiều này chứng tỏ khi màng bị khử cực tới một mức độ nào đó thì điện trở của màng giảm đi, tính thấm của nó lại tăng lên do đó lực do gradien nồng độ làm cho các ion Na+ dịch chuyên lớn hơn lực điện trường do điện áp khử cực cố định đặt tại màng Kết quả là ion Na+ thấm qua màng vào tế bào theo gradien nồng độ

· Nếu khử cực màng với điện áp có giá trị cân bằng với lực do gradien nồng độ ion Na+ tạo ra dòng điện ở giai đoạn đầu mất đi và chỉ có dòng điện thứ hai xuất hiện Bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ Hodgkin và Huxley đã chứng minh rằng dòng điện thứ hai chính là dòng các ion K+ theo chiều gradien nồng độ đi ra ngoài tế bào

Từ các kết quả trên chúng ta có thể giải thích được sự xuất hiện của điện thế hoạt động như sau: