chuyên đề điện sinh vật học

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈSự vận chuyển các ion qua màng tế bào bị chi phối bởi 3 yếu tố chính: Xu thế khuếch tán một loại phần tử từ nơi mật độ phân tử đó cao hơn đến nơi mật độ

Trang 1

CÁC HIỆN TƯỢNG

VỀ ĐIỆN TRÊN CƠ

THỂ SỐNG

Trang 2

MỤC TIÊU HỌC TẬP

Trình bày được các hiện tượng điện cơ bản xảy ratrên tế bào sống cũng như cơ chế phát sinh và đặcđiểm của những hiện tượng này

Mô tả cơ chế điện điều khiển nhịp tim và nêu bảnchất điện thế hoạt động của tim

Kể được những qui luật chính của tác động điện đốivới cơ thể sống Nêu các ứng dụng rộng rãi củadòng điện trong điều trị và các kiến thức cần thiết về

an toàn điện

Trang 3

BÊN LỀ ……

Cá chình điện (tên khoa học: Electrophorus

electricus) là một loài cá cực kỳ nguy hiểm, có thể phát

ra điện để giật kẻ thù và để săn mồi

Chúng sống ở vùng sông Amazon (Nam Mỹ), tại

những nơi có ít có khí ôxy Ở hai bên sóng lưng của cá chình điện, có 2 "nhà máy điện", mỗi "nhà máy" gồm 70

"cột điện" đấu song song, mỗi "cột" là một chồng gồm

6.000 tế bào phát điện đấu nối tiếp

Lúc gặp mồi hoặc kẻ thù, cá chình điện có thể phóng một loạt từ 10 đến 30 "cú điện" với điện thế lên tới 900 vôn, mạnh có thể 1000 vôn, để quật ngã và làm tê liệt

đối thủ

Trang 4

VAI TRÒ QUAN TRỌNG CỦA DÒNG ĐIỆN

Việc phát hiện ra điện tích và tạo ra dòng điện đãđem đến cho con người một nguồn năng lượngmới,….và đang góp một phần tích cực vào sự pháttriển và tiến bộ của xã hội

Tác dụng của điện tích và các loại dòng điện lên cơthể sống nói chung và con người nói riêng cũng đãđược tìm hiểu từ lâu và có nhiều ứng dụng trong yhọc

Dòng điện “sống” phản ánh tính chất hoá lý của quátrình trao đổi chất và là một chỉ số quan trọng đángtin cậy về các chức năng sinh lý của cơ thể sống

Trang 5

Ngày nay các kỹ thuật hiện đại ghi điện sinh vật trên

cơ thể người đã giúp ích rất nhiều cho người thầythuốc trong việc xác định nguyên nhân của nhiềuloại bệnh và đề xuất những biện pháp điều trị thíchhợp

Khảo sát một số vấn đề cơ bản của hiện tượng điệnsinh vật, tác dụng của dòng điện lên cơ thể sống vàứng dụng của chúng

Trang 6

ĐÔI NÉT VỀ LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Vào những năm 1731, Gray (Anh) và Nollet (Pháp)khẳng định sự tồn tại các điện tích ở thực vật vàđộng vật

Năm 1751, Adamson đã nhận thấy tác dụng điệncủa các giống cá điện cũng tương tự như bìnhLeyden đối với động vật và con người

Năm 1773, Walch đã chứng minh tính đồng nhấtcủa những tác dụng kể trên đồng thời cho thấy sựphóng điện của loại cá điện, cũng như bình Leydenđược truyền theo dây dẫn và bị ngắt bởi vật cáchđiện

Trang 7

Năm 1791, Luigi Galvani, đã phát minh ra đặc trưngquan trọng của tế bào sống: giữa chúng và môitrường bên ngoài luôn tồn tại một sự chênh lệchđiện thế

Ngày nay, bằng những tiến bộ của khoa học kỹthuật, chúng ta biết rằng trong mô và tổ chức sốngtồn tại các hiệu điện thế sinh học, các hiệu điện thếnày không lớn, thường không vượt quá 0,1V, nhưngcác giống cá điện có thể tạo ra được những xungđiện cỡ 600V

Trang 8

ĐIỆN THỂ NGHỈ

NG TR

Điện thế nghỉ có giá trị: - 50mV đến - 94mV

Đặc điểm

• Mặt trong màng tế bào sống luôn có điện thế

âm so với mặt ngoài, tức là điện thế nghỉ cóchiều không đổi

• Ðiện thế nghỉ có độ lớn biến đổi rất chậm theothời gian

Trang 10

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈ

Các dung dịch điện ly ở khắp cơ thể sống như làmôi trường dẫn điện

Các ion vô cơ đóng vai trò như các phần tử tải điện

Chính sự vận chuyển ba loại ion vô cơ quan trọng

Na+, K+, Cl- từ trong tế bào ra ngoài và theo chiềungược lại xuyên qua màng tế bào là nhân tố chínhtạo nên điện thế sinh vật

Trang 11

Bằng thực nghiệm người ta biết rằng có sự khácnhau rất lớn giữa nồng độ của từng ion kể trên trongdịch gian bào và dịch nội bào

¾ Đối với môi trường đặc trưng bên trong cơthể người, nồng độ ion K+ trong dịch nội bàocao hơn nồng độ K+ trong dịch gian bàokhoảng 30 lần

¾ Ngược lại nồng độ Na+ và Cl- ngoài tế bàocao hơn bên trong tế bào lần lượt là khoảng

13 lần và 25 lần

Trang 12

Đối tượng

nghiên cứu

Nồng độ trong dịch bào (mM)

Nồng độ ở môi trường ngoài

(mM)

Tỷ số:Nồng độ trong dịch bào/Nồng độ ở môi trường ngoài

Na + K + Cl - Na + K + Cl - Na + K + Cl

-Thần kinh ếch 37 110 26 110 2,6 77 0,340 42 0,048

Cơ ếch 15 125 1,2 110 2,6 77 0,140 48 0,016 Tim chuột cống 13 140 1,2 150 4,0 120 0,087 35 0,010

Cơ vân của chó 12 140 1,2 150 4,0 120 0,080 35 0,010

Trang 14

Sự vận chuyển các ion qua màng tế bào bị chi phối bởi 3 yếu tố chính:

Xu thế khuếch tán một loại phần tử từ nơi mật độ phân

tử đó cao hơn đến nơi mật độ thấp hơn tức là sự chuyển động theo phương vectơ gradient nồng độ.

Lực tác dụng của điện trường lên các phần tử mang

E q.

Sức cản của màng tế bào lên sự chuyển động của các

ion.

Trang 15

Mμng tế bμo Trong

Ngoμi

Gradien t

nồng độ

Lực điện trường

( cỏc số liệu chỉ cú ý nghĩa minh hoạ)

Điện thế nghỉ được thiết lập khi lực điện trườngđạt độ lớn nhất định đủ để ngăn khụng cho cỏc ion K+

và Cl- tiếp tục khuếch tỏn qua màng

Trang 16

Theo quan điểm của Bernstein, Boyle và Convey:Điện thế nghỉ U được xác định bởi tỷ số các nồng độcủa ion K+ (hoặc của Cl-) có khả năng khuếch tán quamàng ở trong và ngoài tế bào

[ ] [ ] [ ] [ ]ngoai

K

K 0,058.lg

− +

+

=

Trang 17

Nhờ vào kỹ thuật đánh dấu phóng xạ người taphát hiện rằng các ion Na+ cũng có thể thâm nhậpqua màng vào trong tế bào được Do đó muốn tínhđúng giá trị của điện thế nghỉ ta cần đưa thêm vàocông thức hệ số thấm của màng tế bào đối với cácion K+, Na+, Cl-

Khi có các tác động kích thích lên màng, tínhthấm của màng tức là các hệ số thấm đối với các ionthay đổi và kéo theo sự thay đổi điện thế màng

Trang 18

T - nhiệt độ theo Kelvin

P K , P Na , P CL - hệ số thấm của màng đối với các ion[K + ], [Na + ], [Cl - ] - nồng độ các ion trong hoặc ngoài tế bào

Trang 19

Để kiểm chứng cho tính đúng đắn của phươngtrình Goldmann người ta đã tính điện thế nghỉ ở axonkhổng lồ của con mực Dưới đây là bảng số liệu thựcnghiệm về nồng độ các ion K+, Na+, Cl- tại môi trườngtrong và ngoài axon khổng lồ của con mực

Trang 20

Đối với axon con mực, tương quan tỷ lệ giữacác hệ số thấm của màng tế bào ở trạng thái nghỉ đốivới các ion thu được bằng thực nghiệm như sau:

Thay các giá trị trên vào phương trình Goldmann

ta thu được E0 ≅ −59,7 mV Giá trị này rất gần với kếtquả thực nghiệm là −60 mV

Trang 21

Sự tồn tại của điện thế nghỉ chính là đặc trưng của tế

bào sống Điều đó nói lên rằng tế bào sống có dự trữ

thế năng dưới dạng điện Thế năng không thể có

được hay là điện thế không thể được tạo ra khi tế

bào chết.

Điện thế nghỉ có được là nhờ sự chênh lệch lớn về

nồng độ của các ion K + , Na + , Cl - ở hai phía màng tế bào và tính chất bán thấm của màng Sự chênh lệch

nồng độ của các ion kể trên được tạo ra và duy trì

bởi các bơm ion Chính sự hoạt động của các bơm

ion là biểu hiện “sức sống” của tế bào.

Trang 22

ĐIỆN THỂ HOẠT ĐỘNG

Trong thí nghiệm với axon khổng lồ của con mực, khi

kích thích đủ mạnh màng tế bào, điện thế màng sẽ

thay đổi đột biến Điện thế bên trong tế bào tăng rất

nhanh, từ khoảng -60 mV chỉ sau cỡ 1 ms đã đạt đến khoảng 50 mV Ngay sau đó điện thế bên trong giảm

xuống nhanh chóng và trạng thái phân cực cũ đượclập lại gần như tức thời chỉ sau vài ms

Trang 23

ĐIỆN THỂ HOẠT ĐỘNG

Xung điện thế hình thành (hiệu điện thế tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn) được gọi là điện thế hoạt động (action potential).

Trang 24

CƠ CHẾ TẠO RA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Hai phía của màng tế bào được tích điện trái dấucũng tương tự như hai bản tích điện trái dấu của một tụđiện sau khi được nạp điện Nếu như nối hai bản của tụbằng một dây dẫn điện thì hiệu điện thế giữa hai bảncủa tụ sẽ nhanh chóng bị triệt tiêu Trong quá trình phátsinh điện thế hoạt động cũng xẩy ra một sự kiện tương

tự như thế Sự khử cực màng đã được chứng minh

là do xuất hiện đường dẫn truyền ion Na+ qua màng

tế bào vốn gần như không cho ion Na+ đi qua khi ở trạng thái tĩnh.

Trang 25

CƠ CHẾ TẠO RA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNGPHA KHỬ CỰC

Mμng tế bμo Trong

Ngoμi

Gradien t

nồng độ

Lực điện trường

[K+]=1 [Cl-]=20 [Na+]=10

[K + ]=30 [Cl - ]=1 [Na + ]=1

VTR≅80 mV

VNG= 0

Trang 26

PHA KHỬ CỰC

Đầu tiên kích thích làm cho điện thế màng thay đổi

từ E0 (điện thế nghỉ) tới một giá trị ET gọi là ngưỡngkhử cực mà tại đó tín thấm của màng tế bào đối vớiion Na+ bắt đầu tăng vọt và dòng ion Na+ ào ạt đivào bên trong tế bào

Trang 27

PHA KHỬ CỰC

Sự tăng đột biến tính thấm đối với Na+ được giải

thích bằng sự mở ra các "kênh" Natri có bản chấtprotein trên màng

Trang 28

PHA KHỬ CỰC

Nhờ gradient nồng độ các ion Na+ tiếp tục tràn vào

bên trong tế bào cả sau khi điện thế hai phía của

màng cân bằng, vì vậy so với bên ngoài bên trong sẽ

có điện thế dương tăng nhanh - màng tế bào bị đảo

phân cực

Điện thế dương bên

trong sẽ đạt tới một giá

trị tới hạn EP mà ở đó

dòng Na+ đi vào bằng

dòng K+ đi ra

Trang 29

PHA TÁI PHÂN CỰC

Sự vận chuyển rất mạnh ion K+ từ trong tế bào ra

ngoài là tác nhân chủ đạo của quá trình tái phân cực

Cả gradient nồng độ và lực điện trường đều hỗ trợ

sự vận chuyển K+ ra ngoài Thêm vào đó tính thấmcủa màng tế bào đối với ion K+ trong quá trình táiphân cực lại tăng lên rất nhiều (các "kênh" Kali mở)

và giúp tăng cường sự vận chuyển K+ ra ngoài

Trang 30

Sau một xung điện thế hoạt động, sự vận chuyển

một lượng lớn ion Na+ vào trong tế bào cũng nhưmột lượng lớn ion K+ ra ngoài tế bào đã phá vỡ sự

chênh lệch nồng độ cần có của các ion này Để duy

trì sự chênh lệch nồng độ cần thiết cho hoạt độngsống của tế bào, các bơm Natri trong màng tế bàophải hoạt động mạnh để bài xuất Na+ dư thừa từtrong ra và thu vào K+ thiếu hụt Do đó điện thế hoạt

động kéo theo sự tiêu hao nhiều năng lượng.

Trang 31

Trang 32

ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Biên độ và đường cong biến thiên của điện thế hoạtđộng gần như không phụ thuộc vào cường độ cũngnhư bản chất của tác nhân kích thích mà chỉ phụthuộc vào tính chất tế bào bị kích thích

Chỉ cần kích thích tạo nên được một giá trị điện thếmàng gọi là “ngưỡng khử cực” mà từ đó tính thấmcủa màng đối với Na+ bắt đầu tăng đột biến (xemhình vẽ) Sau đó xung điện động sẽ là quá trình tựlực của tế bào và không thể dừng lại, có nghĩa là mộtxung điện động đặc trưng chắc chắn sẽ phát sinh

Trang 33

Không thể phát sinh một xung điện thế hoạt độngmới trước khi kết thúc pha tái phân cực Thời giantồn tại của xung điện thế nhọn là giai đoạn trơ củamàng tế bào, có nghĩa là trong thời gian này màng

tế bào gần như không đáp ứng lại với mọi kíchthích dù mạnh đến đâu Trong sự đáp ứng lại mộtkích thích mạnh kéo dài liên tục, vài trăm xung điệnthế hoạt động giống nhau có thể được sản sinhtrong một giây

Trang 34

Điện thế hoạt động có tính chất tại chỗ, sự mở các

kênh Natri chỉ xảy ra ở nơi chịu ảnh hưởng củakích thích, các vùng khác của màng tế bào tạmthời vẫn ở trạng thái “nghỉ” tức là vẫn “đóng” đốivới Na+

Trang 35

HẠN CHẾ CỦA THUYẾT ION MÀNG VỀ HIỆN TƯỢNG ĐIỆN SINH VẬT

Lý thuyết ion màng không chỉ rõ theo cơ chế nào mà

tính thấm của màng thay đổi đối với các ion Na+, K+

trong các giai đoạn của điện thế hoạt động

Lý thuyết ion màng chưa giải thích được vai trò của

ion hoá trị 2 và hoá trị 3, mặc dù có nhiều kết quảthực nghiệm khẳng định vai trò của ion Ca++ trongquá trình hình thành điện thế hoạt động

Trang 36

HẠN CHẾ CỦA THUYẾT ION MÀNG VỀ HIỆN TƯỢNG ĐIỆN SINH VẬT

Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho rằng toàn bộ

các ion ở hai phía của màng ở trạng thái tự do,nghĩa là có thể khuếch tán qua màng Thực nghiệmchứng minh rằng trong cơ có một lượng lớn ion K+

nhất định ở trạng thái liến kết và chúng không thamgia vào quá trình tạo nên điện thế sinh vật

Lý thuyết ion chưa chú ý đến vai trò của màng: khi tế

bào bị kích thích, trong màng xảy ra sự biến đổi vềcấu trúc, hình dạng của các phân tử cấu tạo nênmàng

Trang 37

Sự lan truyền điện thế hoạt động

Khái niệm : Điện thế hoạt động có thể được sản sinh tại

một vùng nào đó của tế bào và được truyền đến nhữngvùng khác Sự kích hoạt một vùng nào đó của màng tếbào kéo theo sự kích hoạt nối tiếp các khoảng cạnhnhau trên màng và xung điện động lan truyền theo suốt

cả tế bào Các xung điện cũng có thể được truyền điqua các mô khi một tế bào bị kích hoạt kéo theo sự kíchhoạt tế bào bên cạnh

Trang 38

Cơ chế lan truyền điện thế hoạt động

Trang 39

Sự lan truyền điện thế hoạt động theo sợi thần kinh

Sự dẫn truyền các thông tin trong cơ thể thực hiện được

là nhờ vào sự lan truyền các xung điện động theo sợithần kinh

Trang 40

Ta có thể gọi một hoặc chuỗi các xung điện độngtại điểm phát sinh ban đầu trên sợi thần kinh là

sóng hưng phấn Quá trình lan truyền không làm

thay đổi dạng cũng như biên độ của sóng hưng phấn Dạng của sóng hưng phấn bao hàm cả thời

gian kéo dài của một xung cũng như mật độ chuỗi

các xung của sóng Sở dĩ sóng này khi truyền trong

môi trường không bị yếu đi vì nó lấy năng lượng từ chính môi trường (ở đây là thế năng dưới dạng

điện của màng tế bào)

Trang 41

Trong những điều kiện sinh lý không đổi, tốc độ lantruyền của xung điện động đối với sợi thần kinhnhất định là không đổi.

Đối với các sợi thần kinh có đường kính như nhau,tốc độ truyền trong các sợi có bao myelin lớn hơntrong các sợi không có bao myelin

Sự dẫn truyền xung điện động này trong sợi thầnkinh có bản chất hoàn toàn khác với sự lan truyềnđiện trường trong môi trường dẫn điện của cơ thể

Trang 42

Đặc thù của sự dẫn truyền trong axon có bao myelin

_ _ _ + + +

ngoμi

Axon

Trang 43

Những vùng trên màng được bọc myelin không có

sự vận chuyển các ion qua màng do đó không thểphát sinh điện thế hoạt động

Sự dẫn truyền xung điện động do đó được nhẩy từ

eo Ranvier này đến eo Ranvier tiếp theo Điều đóxảy ra nhờ các dòng điện “tại chỗ” được nói ở trêntruyền theo môi trường điện ly trong và ngoài axongiữa hai eo Ranvier cạnh nhau và gây nên hưngphấn ở eo đang yên tĩnh

Trang 44

Sự dẫn truyền xung điện động theo cách nhảy bước

như trên có lợi thế về tốc độ truyền và tiết kiệm nănglượng

Chính dòng điện truyền theo môi trường điện ly

ngoài bao myelin mới là nhân tố quyết định sự lantruyền xung điện động Nếu không có môi trườngđiện ly ngoài bao myelin thì điện thế hoạt động khônglan truyền được

Sự tổn thương bao myelin sẽ làm hỗn loạn sự lan

truyền xung điện động theo sợi thần kinh mà hệ quảcủa nó nhiều khi là các bệnh nghiêm trọng về thầnkinh

Trang 45

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ CHỨC SỐNG

Cơ thể không phải là một môi trường đẳng thế

Những thế hiệu này không bắt nguồn từ bênngoài mà do các tổ chức sống trong cơ thể sinh

ra khi thực hiện những hoạt động sinh lý chứcnăng bình thường, do vậy người ta gọi chúng làđiện thế hoạt động của tổ chức sống

Điện sinh vật có thể là nguyên nhân, có thể là kết quả của các hiện tượng sinh lý trong cơ thể

Trang 46

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ CHỨC SỐNG

Điện thế hoạt động của tổ chức sống và điện thế hoạtđộng trên tế bào sống là hai khái niệm khác hẳn nhau.Nhưng chính nhờ các xung điện động ở các tế bào và

sự lan truyền của chúng trong mô hay cơ quan trongquá trình hoạt động chức năng đã tạo ra điện trườngtổng hợp của của mô hay cơ quan đó

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	3,99 MB