Giáo trình Vật lý - sinh học (giáo trình cao đẳng Y Dược)

Giáo trình Vật lý - sinh học (giáo trình cao đẳng Y Dược)

MỤC LỤC

Bài 1 SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG 2

I Nhiệt độ và nhiệt lượng 2

II Các loại nhiệt kế-nhiệt giai 2

2.1 Các loại nhiệt kế 2

2.2 Nhiệt giai 2

III Nhiệt lượng 2

IV Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học 3

V Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống 3

4.1 Năng lượng trong quá trình co cơ 3

4.2 Công trong hô hấp 4

4.3 Năng lượng ở tim 4

VI Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 4

5.1 Hàm entropy 4

5.2 Phát biểu thứ nhất của nguyên lý thú hai nhiệt động lực học 4

5.3 Phát biểu thứ hai của nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 5

5.4 Áp dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 5

5.5 Biến đổi entropy ở hệ thống sống 5

Bài 2 SỰ VẬN CHUYỂN CHẤT TRONG CƠ THỂ 6

I Thuyết động học phân tử 6

1.1 Các giả thiết để xây dựng thuyết động học phân tử 6

1.2 Định luật phân bố Maxoen 6

1.3 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 7

II Hiện tượng khuếch tán 8

2.1 Khuếch tán không qua màn 8

2.2 Khuếch tán qua màn xốp 9

III Hiện tượng căng mặt ngoài 9

IV Hiện tượng mao dẫn 9

V Hiện tượng thẩm thấu 10

VI Định luật Bernoulli 10

6.1 Định luật bảo toàn dòng 10

6.2 Định luật Becnuli: 10

VII Vận chuyển vật chất qua màng tế bào 12

7.1 Các hình thức vận chuyển thụ động 12

7.2 Các hình thức vận chuyển chủ động 15

VIII Tính chất vật lý của hệ tuần hoàn 18

8.1 Hệ thống tim mạch 18

8.2 Chức năng vận chuyển khí của máu 19

8.3 Lưu lượng tim 20

Bài 3 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRONG CƠ THỂ SỐNG 20

I Điện sinh vật cơ bản 20

1.1 Các loại điện thế sinh vật 20

1.2 Điện thế nghỉ 21

1.3 Cơ chế hiện tượng điện sinh vật 24

II Ghi điện sinh vật 28

2.1 Biến đổi tín hiệu không điện thành điện 28

2.2 Khuếch đại tín hiệu điện 29

2.3 Một số kỹ thuật ghi điện sinh vật 29

III Tác dụng sinh lý và ứng dụng của dòng điện một chiều 32

1.1 Dòng điện là gì ? 32

IV Tác dụng sinh lý và ứng dụng của dòng điện xoay chiều 34

4.1 Dòng điện xoay chiều 34

4.2 Các loại dòng điện xung dùng trong điều trị 36

4.3 Tác dụng sinh học của dòng điện xung 36

4.4 Phản ứng của cơ thể đối với dòng điện xung và hiệu quả điều trị 37

4.5 Một số chỉ định của dòng điện xung 38

Bài 4 CÁC HIỆN TƯỢNG ÂM CỦA CƠ THỂ SỐNG 38

I Dao động điều hòa 38

1.1 Phương trình dao động 38

1.2 Biểu thức vận tốc, gia tốc 39

1.3 Năng lượng của dao động điều hòa 39

1.4 Tổng hợp dao động 39

II Sóng cơ học 40

2.1 Khái niệm về sóng cơ học 40

2.2 Các đại lượng đặc trưng của sóng cơ 40

2.3 Phương trình sóng cơ 40

2.4 Giao thoa sóng, sóng dừng, sóng âm 41

III Sóng âm 42

3.1 Khái niệm: 42

3.2 Các đặc tính vật lí của âm 42

3.3 Các đặc tính sinh lí của âm 42

3.4 Phân loại sóng âm 43

3.5 Hiệu ứng Doppler 43

IV Ứng dụng sóng âm trong Y học 46

4.1 Chuẩn đoán gõ 46

4.2 Chuẩn đoán nghe 46

4.3 Ứng dụng của sóng siêu âm 46

Bài 5 BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG 48

I Mẫu nguyên tử Bor 48

1.1 Mô hình nguyên tử 48

1.2 Các tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên tử 48

II Phóng xạ đối với cơ thể sống 50

2.1 Con người và phóng xạ 50

2.2 Chiếu xạ tác động lên cơ thể người 52

2.3 Hiệu ứng sinh học của bức xạ 53

2.4 Các đơn vị đo liều bức xạ 57

III Quy tắc bảo vệ phóng xạ 63

Bài 1 SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG

I Nhiệt độ và nhiệt lượng

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý được xây dựng để phản ảnh đặc trưng của trạng tháinóng hay lạnh của một đối tượng một cách khách quan, mà không phụ thuộc vào cảm giác chủ quan

Cảm giác nóng lạnh cho chúng ta biết một vật nào đó có nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn so với nhiệt độ của bộ phận tiếp xúc, nó phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của vật Ví dụ: tất cả các vật trong môi trường tự nhiên có nhiệt độ giống nhau (bằng nhiệt độ môi trường), nhưng nếu ta tiếp xúc với kim loại thì cảm giác nóng lạnh sẽ khác so với tiếp xúc với gỗ…

Đo nhiệt độ của vật thì ta có nhiều dụng cụ khác nhau, tùy vào nhu cầu ta chọn dụng

cụ thích hợp:

II Các loại nhiệt kế-nhiệt giai

2.1 Các loại nhiệt kế

- Nhiệt kế thủy ngân ( dựa vào hiện tượng giãn nở vì nhiệt);

- Nhiệt kế áp điện (dựa vào hiện tượng áp điện giữa hai kim loại tiếp xúc nhau);

- Nhiệt kế điện trở (sự biến đổi điện trở theo nhiệt độ)…

- Nhiệt giai Kelvin: theo nghiên cứu người ta chứng minh được nhiệt độ thực

tế thấp nhất có thể đạt được là -273.160C Nhiệt giai Kelvin lấy đó làm chuẩn 00K và có giai đo trùng với giai đo độ C

T0K=t0C+273,16

III Nhiệt lượng

Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử Các nguyên tử, phân tử này luôn luôn chuyển động hỗn độn, trong quá trình chuyển động chúng va chạm với nhau Cộng tất cả các năng lượng chuyển động nhiệt và năng lượng tương tác giữa các nguyên tử,phân tử đó cho ta nội năng của vật Nhiệt độ của vật càng cao thì chuyển động của chúng càng nhanh, do đó nội năng của vật cũng cao

Nhiệt lượng là phần năng lượng mà vật nhận được hay truyền đi là thay đổi nội năngcủa vật Nhiệt lượng để vật thay đổi từ t1 đến t2 được tính bằng công thức:

∆Q=mc∆t

m: là khối lượng (kg)

c: nhiệt dung riêng (j/kg.độ)

∆t=t2-t1: độ chênh lệch nhiệt độ

IV Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học

Nhiệt lượng truyền cho hệ bằng tổng công mà hệ thực hiện đối với môi trường bên ngoài và độ biến thiên nội năng

dQ=dU+dA

Trong đó: dQ là nhiệt lượng cung cấp

dU là độ biến thiên nội năng

dA là công hệ thực hiện

Theo nguyên lý I thì nếu cơ thể hoạt đọng như một máy nhiệt thì cần có một nguồn nhiệt để cung cấp nhiệt lượng, muốn vậy thì nguồn nhiệt phải đạt 1740C theo tính toán Thực tế không thể được, vậy muốn hoạt động cơ thể còn cách thay đổi nội năng của các cơ Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống thì ta có thể viết phương trình như sau:

∆Q=∆E+∆A+∆M

Trong đó ∆Q là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn

∆E là phần năng lượng tiêu hao vào môi trường

∆A là công mà cơ thể thực hiện

∆M là năng lượng dự trữ dạng hóa năng (các sản phẩm cuối)

Phương trình trên còn gọi là phương trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể

V Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống

4.1 Năng lượng trong quá trình co cơ

Công trực hiện trong quá trình co cơ được tính bằng công thức sau:

Trong đó x là độ dài cơ

Hiệu suất công của quá trình co cơ

ax

c m

A là công mà cơ thực hiện ứng với năng lượng cung cấp

Thông thường hiệu suất này chỉ đạt khoảng 20-30%

Năng lượng dung trong quá trình co cơ được lấy trực tiếp từ ATP có trong cơ Lượng ATP có sẵn trong cơ không nhiều nên trong quá trình hoạt động ATP phải được tổng hợp một cách lien tục, nhanh chóng nhờ một loại protein giàu năng lượng là

phosphocreatin qua phản ứng sau:

Phosphocreatin + ADP → ATP + creatin

Tuy nhiên lượng ATP tổng hợp trong quá trình này chỉ đủ để cơ hoạt động trong thời gian ngắn để có đủ năng lượng làm việc trong thời gian dài ATP được tổng hợp từ một phản ứng khác là phân hủy glycogen

Glucose+3H3PO4+2ADP → 2lactat+2ATP+2H2O

Quá trình này tạo nhiều lactate sẽ kìm hãm quá trình tổng hợp ATP

4.2 Công trong hô hấp

Khi hít thở, không khí được đưa vào phổi và đẩy ra liên tục Công này được tính bằng công thức

Vì áp suất này thay đổi liên tục nên công này khó có thể tính bằng lý thuyết Dụng

cụ đo đại lượng này gọi là phế dung kế, kết quả đo được công A khoảng 1-2J/phút

4.3 Năng lượng ở tim

Tim hoạt động như một bơm cơ học, lien tục tạo ra áp suất để đẩy máu đến các cơquan Công suất cơ học của tim vào khoảng 1,3-1,4W, trong khi toàn bộ giá trị chuyển hóa của cơ thể là 100W

Cũng như các cơ khác, hoạt động của tim đòi hỏi phải cung cấp năng lượng, nănglượng này cũng lấy từ việc tổng hợp ATP

VI Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học

5.1 Hàm entropy

 Entropy là một hàm trạng thái của hệ, ký hiệu là S sao cho

độ biến thiên của hàm S đó trong một quá trình thuận nghịch trao đối nhiệt d Qcủa hệ với môi trường ngoài được tính theo công thức:

Q dS

Khi có sự trao đổi nhiệt giữa hai vật khác nhiệt độ tiếp xúc nhau trong một bình kín cách nhiệt so với môi trường ngoài thì nhiệt chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn đến vật

 Đối với một hệ kín biến đổi theo một quá trình bất kỳ, qua

đó độ biến thiên entropy của hệ là DS thì nguyên lý tăng entropy được viết dưới dạng:

0

S

D ³

5.4 Áp dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học

Ở hệ thống sống, vật chất, năng lượng được trao đổi không ngừng và quá trình biến đổi năng lượng cũng luôn luôn xảy ra Vì vậy, hệ thống sống không thể nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt động hay ta nói sự tồn tại của trạng thái không cân bằng chính là điều kiện sống của cơ thể sống Tuy nhiên, trong cơ thể sống không phải được đặc trưng bởi trạng thái không cân bằng bất kỳ mà sự vận động của nó đảm bảo các thông số quan trọng khôngthay đổi Ví dụ, ở tế bào sống thì độ pH và gradient nồng độ ion luôn luôn không đổi, các trạng thái vừa nói trên gọi là các trạng thái dừng

Mức trạng thái dừng của hệ thống sống dễ dàng bị dao động, nó phụ thuộc lớn vào điều kiện môi trường bên ngoài cũng như bên trong Ví dụ khi hoạt động, nghỉ ngơi, quá trình phát triển…đều có các mức trạng thái dừng khác nhau Việc thay đổi mức trạng thái dừng không phải xảy ra tức thì mà là quá trình biến đổi chậm chạp Ví dụ: khi đi từ sang vào tối, người làm việc nặng chuyển sang nghỉ ngơi…

5.5 Biến đổi entropy ở hệ thống sống

Cơ thể sống là hệ mở trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh, vì vậy sự thay đổi entropy của hệ được chia thành hai phần Ta gọi dSe là phần thay đổi entropy do sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, dSi là phần thay đổi entropy do sự biến đổi bên trong hệ.

dS= dSe+ dSi

Giả sử xét hệ cô lập, dSe=0 (không trao đổi chất với môi trường), lúc này chỉ còn dSithay đổi đối với cơ thể sống, quá trình biến đổi bên trong cơ thể xảy ra không thuận nghịch nên chúng gắn liền với sự tăng entropy

Đại lượng dSe có thể nhận giá trị bất kỳ: âm, dương, bằng 0 Vì cơ thể có thể trao đổi chất với môi trường bên ngoài theo cả 2 chiều Nhưng do quá trình sử dụng thức ăn vàthải loại các chất thứ cấp khỏi cơ thể nên hầu như dSe mang giá trị âm

Bài tập ôn tập:

I Thuyết động học phân tử

1.1 Các giả thiết để xây dựng thuyết động học phân tử

Để xây xựng được các phương tiện để khảo sát tính chất của chất khí người ta phải đưa ra các giả thiết về cấu tạo và tính chất của chất khí để đơn giản hóa cho quá trình tính toán, các chất khí thỏa mãn các giả thiết này được coi như chất khí lí tưởng

- Chất khí có cấu tạo gián đoạn và gồm số rất lớn các phân tử

- Các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng, chúng va chạm nhau và va chạm vào thành bình

- Cường độ chuyển động thể hiện nhiệt độ của hệ

- Kích thước phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng

- Các phân tử không tương tác nhau, chỉ tương tác khi va chạm, và va chạm là

va chạm đàn hồi

+ Số mol: là khối lượng của 6,05.1023 hạt (gam)

1.2 Định luật phân bố Maxoen

Thực nghiệm cho thấy vận tốc của phân tử khí có giá trị từ 0 đến các giá trị rất lớn, nhưng sự phân bố số phân tử theo vận tốc là không đều

trong đó F(v) là hàm phân bố xác suất tìm thất hạt có vận tốc v.

số phân tử có vận tốc từ v đến v+dv được tính như sau.

dn = n F(v)dv

Động năng trung bình của phân tử:

3 W 2

23 1,38.10 /

m là khối lượng của một phân tử

Vận tốc căn quân phương:

1.3 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

- Thông số trạng thái Trạng thái của một chất khí hoàn toàn được xác định bởi

các đại lượng Vật lý thì các đại lượng Vật lý đó được gọi là các thông số trạng thái Trong chương trình này ta xét tới các thong số trạng thái sau: thể tích (kí hiệu V, đơn vị m3 hay lít); áp suất (P, đơn vị Pa (paxcal hay N/m2)); nhiệt độ (T, đơn vị độ K (Kenvil), entropy (S, đơn vị J.K-1)

- Trạng thái cân bằng là trạng thái được xác định bởi những thông số trạng

thái xác định được gọi là trạng thái cân bằng

- Quá trình cân bằng là một quá trình biến đổi trạng thái của hệ thông qua các

trạng thái cân bằng liên tiếp

- Phương trình trạng thái khi xét các quá trình biến đổi trạng thái của hệ, các

thông số trạng thái có khi độc lập với nhau, có khi phụ thuộc vào nhau Để thể hiện sự phụthuộc lẫn nhau của các thông số trạng thái ta biểu thị qua một phương trình toán học gọi là phương trình trạng thái của

1.3.1 Các định luật thực nghiệm

a Quá trình đẳng nhiệt: T = const

1 1 2 2

1.3.2 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Một chất khí có trạng thái thỏa mãn phương trình sau đây gọi là khí lý tưởng:

m

m

=Trong đó: m là khối lượng của khối khí (đơn vị tính là gam)

µ là khối lượng mol của chất khí (g/mol)

R là hằng số khí lý tưởng (R = 8.31 J/mol.K)

m n

m= là số mol khí

Phương trình đó gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Ví dụ:

Đáp số: a 160kPa; b 22 lít

II Hiện tượng khuếch tán

2.1 Khuếch tán không qua màn

Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng các phân tử chuyển động hỗn độn và hòa lẫn vào nhau Hiện tượng khuếch tán xảy ra ở cả chất khí, lỏng, rắn tuy nhiên tốc độ khuếch tán thì xảy ra nhanh hơn đối với chất khí, lỏng, rắn

Tốc độ khuếch tán cho ta biết sự khuếch tán xảy ra nhanh hay chậm định luật Flick cho ta biết số phân tử khuếch tán qua diện tích S trong khoảng thời gian dt qua công thức: dn=-D.S.gradC.dt

Người ta nhận thấy D phụ thuộc vào các yếu tố:

- Khối lượng và hình dạng phân tử

- Độ nhớt của dung môi

- Nhiệt độ của dung dịch

2.2 Khuếch tán qua màn xốp

Màng xốp thấm tự do là loại màng có những lỗ với đường kính rất lớn so với đường kính phân tử Hiện tượng xảy ra khi đặt 2 dung dịch ở hai phía của màn

III Hiện tượng căng mặt ngoài

Quan sát giọt mưa ta thấy nó có dạng hình cầu, các giọt chất lỏng khác cũng có dạnghình cầu Với cùng một thể tích, mặt cầu là mặt có diện tích bé nhất Lực tạo nên xu hướng làm co diện tích bề mặt về giá trị bé nhất gọi là lực căng mặt ngoài

Nguyên nhân tạo nên lực năng mặt ngoài là do các lực liên kết giữa các phân tử Lực lên kết này giữ không cho các phân tử bề mặt thoát ra ngoài, ở trạng thái này năng lượng trên bề mặt là bé nhất

Lực căng mặt ngoài được tính theo công thức:

F=б.l

б là suất căng mặt ngoài của chất lỏng

l là chiều dài (chu vi cần tính lực

Bảng hệ số căng mặt ngoài của một số chất

IV Hiện tượng mao dẫn

Hiện tượng nước trong ống nhỏ dâng lên hoặc tụt xuống ở điều kiện bình thường gọi

là hiện tượng mao dẫn

Độ cao của cột dâng lên hoặc hạ xuống được tính theo công thức:

ρ là khối lượng riêng của chất lỏng

V Hiện tượng thẩm thấu

Thẩm thấu là quá trình vận chuyển dung môi qua một màng ngăn cách 2 dung dịch

có thành phần khác nhau khi không có lực ngoài tác dụng động lực thúc đẩy quá trình thẩm thấu là áp suất thẩm thấu;

Khi nghiên cứu hiện tượng thẩm thấu Van’t Hoff nhận thấy có thể dung phương trình trạng thái của khí lý tưởng đẻ tính áp suất thẩm thấu:

m là khối lượng chất hòa tan

µ là trọng lượng phân tử chất hòa tan

Vm là thể tích dung dịch

R hằng số khí lý tưởng

VI Định luật Bernoulli

VI.1 Định luật bảo toàn dòng

Xét sự chuyển động dừng (là vcủa 1 điểm không phụ thuộc thời gian mà chỉ phụ thuộc vị trí) của chất lưu trong một ống dòng Gọi ΔSS1 và ΔSS2 là hai tiết diện thẳng bất kì của ống dòng ấy Gọi vecctơ v1,v2 lần lượt là vectơ vận tốc chuyển động của chất lưu tại

vị trí ΔSS1 & ΔSS2 (có phương lần lượt vuông góc với ΔSS1 & ΔSS2) Vì chất lưu lý tưởng nghĩa

là hoàn toàn không nén được, nên khối lượng chất lưu chứa trong ống dòng giới hạn bởi hai tiết diện ΔSS1 , ΔSS2 là không đổi, do đó lưu lượng chất lưu chuyển động qua ΔSS1 , ΔSS2 phải bằng nhau

VI.2 Định luật Becnuli:

Trên hình (6.4) ta thấy khối chất lỏng chiếm vị trí (1,2) chuyển động chiếm vị trí (1’,2’) Khối chất lưu này chuyển động được như vậy là do áp suất p1 gây nên lực F1=p1S1 đẩy chất lỏng tiến tới, áp suất p2 gây nên lực F2=p2S2 cản chuyển động của chất lỏng Công gây ra do F1 là công dương, công gây ra do F2 là công âm nên công thực hiện do áp suất

2 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1

V dx S

V dx S đó Trong

V p V p dx S p dx S p dx F dx F dA

Vì chất lưu không nén được do đó theo phương trình liên tục ta có V1=V2=V là thể tích chất lỏng có khối lượng m Do đó phương trình (6.7) trên viết lại là:

dA=(p1-p2)V (6.8)

Giữa vị trí (1,2) và (1’,2’) có chung nhau phần (1’,2) nên ta có thể coi như công do

áp suất này làm cho khối chất lỏng (1,1’) chuyển động tới vị trí (2,2’) Nghĩa là khối chất lỏng có năng lượng cơ học ở vị trí (1,1’) là:

2 1 1

2

1

mv mgh 

Ở vị trí (2,2’) là:

2 2

2 2

1

mv mgh 

(m khối lượng chất lỏng, h1, h2 và v1, v2 lần lượt là chiều cao so với mặt đất và tốc

1

mv mgh

mv mgh

2

2 1 1

1

2 1 1

2 2 2

2 1

2

12

1

2

12

1

mv mgh

V p mv mgh

V

p

Hay

mv mgh

mv mgh

V p p

ons 2

VII Vận chuyển vật chất qua màng tế bào

7.1 Các hình thức vận chuyển thụ động

7.1.1 Khuếch tán đơn giản ( simple diffusion)

- Khuếch tán đơn giản là hình thức khuếch tán trong đó các phân tử vật chất được vận chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp và không tiêu tốn năng lượng

- Sự khác biệt về nồng độ của một chất 2 bên màng bào tương tạo nên một

gradient nồng độ Sự khác biệt này làm cho các phần tử chất đó đi từ nơi có nồng độ cao

đến nơi có nồng độ thấp cho tới khi đạt tới sự cân bằng động ở hai bên màng mà không đòihỏi phải cung cấp năng lượng

- Sau khi đã đạt được cân bằng, sự khuếch tán của các phân tử vẫn được tiếp tục duytrì tuy nhiên nồng độ của chúng ở hai bên màng không thay đổi

- Hiện tượng này phụ thuộc vào động năng (kinetic energy) của các phần tử nên sự

khuếch tán sẽ xảy ra nhanh hơn khi (1) nhiệt độ tăng, (2) gradient nồng độ lớn và (3) vật thể có kích thước nhỏ

- Các phân tử tan trong lipid như oxygen, doxide carbon, nitrogen, các steroid, các vitamin tan trong lipid như A, D, E và K, glycerol, rượu và ammonia có thể đễ dàng đi qua lớp phospholipid kép của màng bào tương theo cả 2 phía bằng hình thức

này (hình 4) Tốc độ khuếch tán của chúng tỷ lệ thuận vào khả năng tan trong lipid của các phân tử.

- Các phần tử có kích thước nhỏ không tan trong lipid cũng có thể khuếch tán qua màng theo hình thức này thông qua các kênh (hình 4), như các ion natri (Na+), ion kali (K+), ion calci (Ca2+), ion clo (Cl-), ion bicarbonate (HCO3-) và urê Tốc độ khuếch tán củachúng tỷ lệ thuận với kích thước phân tử, hình dạng và điện tích của các phần tử

- Nước không những dễ dàng đi qua lớp phospholipid kép mà còn khuếch tán qua cáckênh này

7.1.2 Hiện tượng thẩm thấu (hình 4)( osmosis)

- Hiện tượng thẩm thấu là hiện tượng vận chuyển thụ động của các phân tử nước từ nơi có nồng độ nước cao (có nồng độ chất hòa tan thấp) tới nơi có nồng độ nước thấp (có nồng độ chất hòa tan cao) Một dung dịch có nồng độ các chất hòa tan càng cao thì áp lực thẩm thấu càng lớn và ngược lại

- Gradient áp lực thẩm thấu được hình thành hai bên màng do sự có mặt của các chất hoà tan với các nồng độ khác nhau ở mỗi bên

- Dưới tác động của áp lực thẩm thấu nước sẽ di chuyển từ nơi có áp lực thẩm thấu thấp đến nơi có áp lực thẩm thấu cao để đạt đến sự cân bằng áp lực thấm thấu

- Bình thường áp lực thẩm thấu ở trong tế bào cân bằng với áp lực thẩm thấu trong dịch ngoại bào nhờ đó thể tích của tế bào duy trì được sự hằng định một cách tương đối, trong khi đó áïp lực thẩm thấu của huyết tương lại cao hơn so với dịch kẻ bao quanh các thành mao mạch, sự khác biệt này làm nước sẽ di chuyển từ phía mô kẻ và trong lòng mao mạch Các tình huống làm giảm áp lực thẩm thấu của huyết tương sẽ làm ứ trệ nước trong dịch kẻ và dịch ngoại bào

7.1.3 Hiện tượng khuếch tán qua trung gian ( facilitated diffusion)

- Hiện tượng khuếch tán qua trung gian (hình 5) là hiện tượng khuếch tán của các chất từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp nhờ vai trò trung gian của các protein đóng vai trò chất vận chuyển trên màng bào tương Tốc độ của kiểu khuếch tán này phụ thuộc vào sự khác biệt về nồng độ của chất được vận chuyển ở hai bên màng và số lượng của các chất vận chuyển đặc hiệu

- Trong cơ thể các ion, urê, glucose, fructose, galactose và một số vitamin không có khả năng tan trong lipid để đi qua lớp phospholipid kép của màng sẽ di chuyển qua màng theo hình thức này

- Ví dụ: Glucose là một trong những chất quan trọng đối với hoạt động sống của tế bào được vận chuyển vào theo hình thức khuếch tán qua trung gian để đi vào trong tế bào, quá trình này diễn ra theo các bước trình tự như sau:

+ Glucose gắn vào chất vận chuyển đặc hiệu ở phía bên ngoài màng, các chất vận chuyển này khác nhau tùy theo từng loại tế bào.

+ Chất vận chuyển thay đổi hình dạng

+ Glucose đi qua màng và giải phóng vào trong tế bào, tại đây enzyme kinase sẽ gắn một nhóm phosphat vào phân tử glucose để tạo thành glucose 6-phosphate Phản ứng này giúp duy trì nồng độ glucose trong tế bào luôn luôn ở mức thấp tạo điều kiện cho glucose luôn luôn được vận chuyển vào bên trong

7.2 Các hình thức vận chuyển chủ động

Hình thức vận chuyển này được chia làm hai loại (1) vận chuyển chủ động nguyên phát và (2) vận chuyển chủ động thứ phát tùy theo năng lượng ATP được sử dụng trực tiếp hay gián tiếp trong qúa trình vận chuyển các chất

7.2.1 Vận chuyển chủ động nguyên phát ( primary active transport)

- Vận chuyển chủ động nguyên phát là hình thức vận chuyển trong đó năng lượng từ ATP được sử dụng trực tiếp để "bơm" một chất qua màng theo chiều ngược với chiều gradient nồng độ

- Tế bào sẽ sử dụng năng lượng này thay đổi hình dạng của các protein vận chuyển trên màng bào tương để qua đó thực hiện việc vận chuyển Khoảng 40% ATP của tế bào phục vụ cho mục đích này

7.2.2 Vận chuyển chủ động thứ phát (secondary active transport) (hình 7)

- Trong hình thức vận chuyển này năng lượng tồn trữ do sự khác biệt về gradient nồng độ của ion Na+ được sử dụng để vận chuyển các chất đi ngược lại chiều gradient nồng

độ của chúng qua màng

- Bơm natri duy trì một sự khác biệt lớn về nồng độ ion Na+ hai bên màng bào tương,nếu có một con đường qua đó cho phép các ion Na+ đi từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp thì năng lượng tồn trữ do sự khác biệt về nồng độ của Na+ sẽ được chuyển thành động năng để giúp vận chuyển một chất khác đi ngược lại chiều gradient nồng độ củachất đó

- Vì sự khác biệt nồng độ của ion Na+ được thiết lập qua hình thức vận chuyển chủ động nguyên phát, đòi hỏi ATP một cách trực tiếp nên có thể coi hình thức vận chuyển thứ phát đã sử dụng ATP một cách gián tiếp để thực hiện việc vận chuyển chủ động qua màng.

- Nhiều loại ion và chất dinh dưỡng được vận chuyển bằng hình thức này:

(2) Hiện tượng thải bào (exocytosis)

7.2.4 Hiện tượng nhập bào

- Thành phần vật chất ngoại bào được đưa vào trong các túi được tạo thành từ sự lõmvào của màng tế bào

- Trong bào tương các túi nhập bào sẽ hoà lẫn với lysosome, các thành phần trong túinhập bào sẽ bị thủy phân bởi các enzyme và các đơn phân sẽ được đưa vào trong dịch nội bào

Hiện tượng thực bào (hình 8)

Hình 8: Hiện tượng thực bào

7.2.5 Hiện tượng thải bào

- Hiện tượng thải bào là hiện tượng các cấu trúc được gọi là túi tiết (secretory

vesicle) được tạo thành trong lòng bào tương tiến tới và hòa nhập màng của túi vào màng

bào tương để đưa các thành phần bên trong túi vào dịch ngoại bào

VIII Tính chất vật lý của hệ tuần hoàn

8.1 Hệ thống tim mạch

Hệ thống tim mạch gồm có tim và hệ mạch máu, đóng vai trò rất quan trọng trong cơ thể,

có tính chất sinh mạng Đảm nhiệm các chức năng sau:

Cung cấp oxy và dưỡng chất cho tổ chức, đồng thời mang các chất cần đào thải chuyểncho các cơ quan có trách nhiệm thải ra ngoài

Thông tin liên lạc bằng thể dịch: vận chuyển các hormon, các enzym đến các cơ quan, liên lạc giữa các cơ quan với nhau

Điều hòa thân nhiệt: nguồn máu nóng sưởi ấm các cơ quan và làm nhiệm vụ thải nhiệtcho cơ thể

Trong các chức năng trên, nhiệm vụ cung cấp oxy, glucose cho việc chuyển hóa năng lượng là nhiệm vụ quan trọng nhất

Hình 1 : Sự lưu thông máu trong cơ thể

Tế bào não thiếu năng lượng dù chỉ vài giây, đã ngừng hoạt động, nếu thiếu năng lượng quá 5 phút, nó sẽ tổn thương khó hồi phục

Tim hoạt động như một máy bơm, hút và đẩy máu vào 2 vòng tuần hoàn: đại tuần hoàn và tiểu tuần hoàn (Hình 1)

Vòng đại tuần hoàn (tuần hoàn hệ thống) mang máu động mạch giàu oxy và các chất dinh dưỡng từ tim trái theo động mạch chủ, động mạch chủ tiếp tục phân thành những động mạch nhỏ dần đến các cơ quan Ở tổ chức, các tiểu động mạch tiếp nối với mạng mao

mạch, dưỡng chất và khí sẽ trao đổi qua các thành mỏng của mao mạch, dưỡng chất được cung cấp cho tổ chức Sau đó máu đã bị khử oxy vào các tiểu tĩnh mạch, được mang ra khỏi mô, tập trung vào những tĩnh mạch lớn, về tim phải.

Vòng tiểu tuần hoàn (tuần hoàn phổi) mang máu tĩnh mạch từ tim phải theo động mạch phổi lên phổi, ở mao mạch phổi, khí cacbonic được thải ra ngoài và máu nhận oxy đểtrở thành máu động mạch, theo tĩnh mạch phổi về tim trái, tiếp đó bắt đầu một chu trình tương tự qua vòng đại tuần hoàn

Như vậy tim là động lực chính của tuần hoàn, tim hút và đẩy máu vào động mạch Động mạch và tĩnh mạch dẫn máu đến tổ chức và từ tổ chức về tim Mao mạch chính là nơidiễn ra quá trình trao đổi chất giữa máu và mô

Hệ thống mạch máu có thể xem như hệ ống dòng, vì thế vận tốc chảy của dòng máu

phụ thuộc nhiều vào các yếu tố áp suất dòng máu và tiết diện mạch máu

8.2 Chức năng vận chuyển khí của máu

- Khi hít phải không khí nhiều CO (carbon monoxide), hemoglobin sẽ kết hợp

CO để tạo ra carboxyhemoglobin theo phản ứng:

Hb + CO Þ HbCO

Ái lực của Hb đối với CO gấp hơn 200 lần đối với O2, vì vậy một khi đã kết hợp với

CO thì Hb không còn khả năng vận chuyển O2 nữa Dấu hiệu đầu tiên là da đỏ sáng, bệnh nhân rơi vào trạng thái kích thích, rồi buồn ngủ, hôn mê và tử vong Khí CO thường được sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn Điều trị bằng cách đưa bệnh nhân ra khỏi môi trường nhiều CO, đồng thời cho thở O2 Lượng CO trong không khí là chỉ số đo mức

độ ô nhiễm môi trường

- Khi máu tiếp xúc với những thuốc hoặc hoá chất có tính oxy hoá, Fe2+ trong nhân heme chuyển thành Fe3+và hemoglobin trở thành methemoglobin không còn khả năngvận chuyển O2 Methemoglobin khi hiện diện trong máu nhiều sẽ gây triệu chứng xanh tím.Tình trạng này xảy ra khi ngộ độc một số dẫn chất của anilin, sulfonamide, phenacetin, nitroglycerin, nitrate trong thực phẩm

8.2.2. Vận chuyển khí CO 2

Hồng cầu vận chuyển CO2 từ tổ chức về phổi theo phản ứng sau:

Hb + CO2 Û HbCO2 (carbaminohemoglobin)

CO2 được gắn với nhóm NH2 của globin Đây cũng là phản ứng thuận nghịch, chiều phản ứng do phân áp CO2 quyết định Chỉ khoảng 20% CO2 được vận chuyển dưới hình thức này, còn lại là do muối kiềm của huyết tương vận chuyển

8.3 Lưu lượng tim

Q = Qs f

-Qs là khối lượng máu mỗi lần tim bóp tống ra (bình thường khoảng

70ml) -f (tần số tim): số lần tim bóp trong 1 phút (bình thường khoảng 70 lần/phút)

Ví dụ: Tim đập chậm 50 lần nhưng Qs =100ml , do đó Q = 5000ml

Khi tim đập nhanh (>140lần/phút), thời kỳ tâm trương quá ngắn, không đủ cho máutrở về tim, do đó thể tích tâm thu giảm và lưu lượng tim giảm, HA giảm

I Điện sinh vật cơ bản

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 điện thế sinh vật

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

1.2 Điện thế nghỉ

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.

I.2.1 Ðiện thế hoạt động.

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 đóhưng 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 điệnthế 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 làvùng 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 giaiđoạn 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

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, Hưber,

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 điệnthế khi hai phía của một màng có các dung dịch điện ly nồng độ khác nhau

I.3.1 Các loại hiệu điện thế.

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.

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 mộtđiện 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

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

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 mặtcủa 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

I.3.2 Lý thuyết ion màng về hiện tượng điện sinh vật.

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

a 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

110125140140

261,21,21,2

110110150150

2,62,64,04,0

7777120120

0,3400,1400,0870,080

42483535

0,0480,0160,0100,010

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

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 củamàng đúng theo qui luật cân bằng Donnan

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 bằngtốc 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.

b 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 từgiá trị điện thế nghỉ xuống giá trị 0 và như vậy điện thế hoạt động bằng điện thế nghỉ về giátrị 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 tháicủa 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

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 cógiá 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

Người ta tính được rằng cứ 0.01s, cơ và thần kinh có thể phản ứng với vài triệu xung điện đến kích thích, do vậy ở trong tế bào lượng ion K+ giảm đi, ion Na+ tăng lên đáng kể

Ðể điều chỉnh cho nồng độ các ion này ở hai phía của màng tế bào có giá trị không đổi, saumỗi lần kích thích trong cơ và thần kinh phải xảy ra một quá trình vận chuyển K+ và Na+

theo chiều ngược lại Ðó là quá trình vận chuyển tích cực, ngược chiều với građiên nồng độ

mà chúng ta đã nghiên cứu ở bài 3

c Hạn chế của thuyết ion màng về hiện tượng điện sinh vật.

- Trong hoạt động điện của cơ và thần kinh, lý thuyết ion màng chưa giải thích được vai trò của ion hóa trị 2 và hóa trị 3, mặc dù có nhiều kết quả thực nghiệm khẳng định vai trò của ion Ca2+ trong quá trình hình thành điện thế hoạt động

- Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho ràng toàn bộ các ion ở 2 phía của màng ở trạng thái tự do, nghĩa là có thể khuếch tán qua màng Thực nghiệm đã chứng minh rằng trong cơ có một lượng các ion K+ nhất định ở trạng thái liên kết và chúng không tham gia vào quá trình tạo nên điện thế sinh vật

Lý thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của màng: khi tế bào bị kích thích, trong màng xảy ra sự biến đổi về cấu trúc, hình dạng của các phần tử cấu tạo nên màng

d Vai trò của các ion Ca++ trong hoạt động điện của tế bào.

Nhiều thực nghiệm đã cho thấy sự tham gia của ion Ca++ vào hoạt động điện của tế bào cụ thể là ion Ca++ tham gia khử cực màng các loại tế bào, kể sau bị kích thích: tế bào

cơ trơn, cơ lim, nơron một số loại động vật có xương sống Tính chất chung đối với những loại tế bào này là sự tồn tại của kênh "Canxi" và điện thế hoạt động có bản chất

NatrṩCanxi Nhiều nhà nghiên cứu đã giả thiết rằng ở màng tồn tại các kênh dẫn "nhanh và

"chậm", khi tế bào bị kích thích các kênh đẫn "nhanh" cho dòng ion Na+ đi vào tế bào và hình thành giai đoạn đầu của điện thế hoạt động, sau đó các kênh dẫn chậm sẽ tiếp tục cho ion Na+, Ca++ đi qua hoàn thành quá trình khử cực Chính sự có mặt của các nhóm có ái lực khác nhau đối với các ion thấm ở kênh mà kênh có thể cho ion này đi qua và giữ các ion khác lại

- Bên cạnh đó người ta cho rằng ion Ca++ có tham gia vào cấu trúc lớp ngoài màng

tế bào Khi tế bào ở trạng thái kích thích, lượng ion Ca++ trong màng giảm đi, do đó tính dẫn điện cũng như tính thấm của màng tế bào thay đổi Ðể hiểu rõ điều này cần nghiên cứunhững biến đổi về cấu trúc của protein hoặc phospholipid, là những đại phân tử mà ion Ca++ có thể đến kết hợp, khi tế bào từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái hoạt động (hình 4.11)

II Ghi điện sinh vật

2.1 Biến đổi tín hiệu không điện thành điện

- Biến đổi quang điện: biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng thông qua

tế bào quang điện

- Quang trở: vật liệu được sử dung có tính chất thay đổi giá trị điện trở khi có ánh sáng chiếu vào.

- Biến đổi điện dung, điện cảm: sử dung sự thay đổi điện dung của tụ điện, từ đó gây ra một biến thiên điện hay dựa vào hiện tượng thay đổi điện cảm của cuộn dây có lõi sắt khi có sự dịch chuyển tương đối giữa cuộn dây và lõi sắt

- Biến đổi nhiệt điện: dựa vào hiện tượng nhiệt điện giữa hai kim loại tiếp xúc nhau, hai kim loại khác nhau tiếp xúc nhau sẽ hình thành một hiệu điện thế gọi là hiệu điệnthế tiếp xúc Dòng điện có thể được sinh ra dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn

- Biến đổi áp điện: một số tinh thể có tính chất tạo nên một hiệu điện thế giữa hai mặt khi có tác dụng cơ học nén hoặc kéo

2.2 Khuếch đại tín hiệu điện

Thông thường tín hiệu nhận được từ cơ thể rất yếu, để có thể nhận biết được cần phải tăng độ lớn của tín hiệu lên Việc đó có thể thực hiện được dựa vào mạch khuếch đại tín hiệu

Mạch khuếch đại cơ bản dùng transitor

Mạch khuếch đại thuật toán

2.3 Một số kỹ thuật ghi điện sinh vật

2.3.1 Ghi bằng dao động kí

2.3.2 Bộ ghi cơ

Hoạt động: một bút vẽ được điều khiển bằng hệ thống điện, hệ thống này nhận tín hiệu thông qua một đầu đo (đầu đo có tác dụng biến đổi tín hiệu không điện thành điện), qua một mạch khuếch đại trước khi đến hệ thống điều khiển

Có thể sư dụng các phương pháp trên để đo các bộ phận trên cơ thể:

a Ghi điện tim: để ghi được điện tim ta phải chon hai điểm có độ chênh lệch điện thế lớn chênh lệch gữa hai điểm trên cơ thể gọi là chuyển đạo điện tim Các chuyển đạo mấu đo được đặt tên là:

- Chuyển đạo DI ghi hiệu điện thế giữa tay trái và tay phải

- Chuyển đạo DII ghi hiệu điện thế giữa tay phải và chân trái

- Chuyển đạo DIII ghi hiệu điện thế giữa tay trái và chân phải

Ngoài ra còn có các chuyển đạo trước tim và chuyển đạo đơn cực các chi

b Ghi điện não

Song điện não là những dao động có tần số, biên độ, hình dạng khác nhau Có thể phân loại song não theo các quan niệm khác nhau Dưới đây là một trường hợp phân loại song não:

- Sóng delta: 0,5-0,3Hz trong trường hợp đang ngủ hay bệnh lý, song này thường được ghi ở phần sau của não

- Sóng teta: 4-7Hz thường gặp ở trẻ con, với người khỏe mạnh khó phát hiện loại song này

- Sóng alpha: 8-13Hz xuất hiện ở người lớn khỏe mạnh

- Sóng beta: 14-30Hz ghi được trên đa số người, tuy nhiên trên người khỏe mạnh tỷ lệ này rất nhỏ

- Sóng gama: 30-50Hz

c Ghi điện cơ

Ở người khỏe mạnh, dung điện cực kim xuyên vào cơ có thể đo được điện thế hoạt động của một đơn vị vận động co cơ yếu

d Ghi điện võng mạc