Những khái niệm cơ bản trong sinh lý học

Nhờ vậy mà hệ thần kinh chi phối chức năng của một số cơ quan trong cơ thể không chỉ bằng cách gửi các xung động thần kinh trực tiếp đến các cơ quan đó, mà còn gián tiếp qua việc[r]

Chương 1

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG SINH LÝ HỌC

Nhiệm vụ của sinh lý học là nghiên cứu các chức năng của cơ thể sống và của các bộ phận hợp thành Cơ thể lại nằm trong mối quan hệ chặt chẽ với môi trường xung quanh Do đó, trước khi nghiên cứu những nội dung cụ thể của sinh lý học, chúng ta cần làm quen với một số khái niệm cơ bản của sinh

lý học như đặc điểm của tổ chức sống, sự thống nhất giữa cơ thể với môi trường và sự điều hoà các chức năng của cơ thể

ĐẶC ĐIỂM CỦA TỔ CHỨC SỐNG Các tổ chức sống hay cơ thể sống chỉ tồn tại khi chức năng và cấu trúc của chúng còn thích ứng được với các điều kiện của môi trường xung quanh Nói cách khác, cơ thể sống phải không ngừng trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, chịu sự tác động cũng như đáp ứng lại tác động của môi trường Trao đổi chất và đáp ứng lại tác động của môi trường đó là hai đặc điểm quan trọng của tổ chức sống

1 Trao đổi chất và năng lượng

Trao đổi chất bao gồm sự thâm nhập của các chất khác nhau từ môi trường bên ngoài vào cơ thể, sự hấp thu và biến đổi các chất đó và cuối cùng

là sự bài xuất các sản phẩm được tạo ra nhưng không cần thiết cho cơ thể nữa Trong quá trình trao đổi chất, ta có thể quan sát vô số các hiện tượng hoá học, cơ học, nhiệt học và điện học khác nhau Đồng thời ta cũng quan sát được sự chuyển hoá năng lượng một cách liên tục, mà chủ yếu trong đó là sự giải phóng năng lượng của các hợp chất hữu cơ phức tạp khi chúng bị thuỷ phân Năng lượng được giải phóng trong cơ thể chủ yếu là nhiệt năng, cơ năng

và một số điện năng không đáng kể Tuy vậy, số lượng điện năng này đóng vai trò rất quan trọng đối với sự hoạt động của hệ thần kinh Ở một số cơ thể sinh vật, năng lượng hoá học ở dạng thế năng còn được chuyển thành dạng quang năng

Năng lượng được giải phóng trong cơ thể không chỉ cần thiết cho sự vận

động mà còn cần cho việc duy trì cấu trúc và hoạt động sống của các tế bào, cũng như cho các quá trình có liên quan với sự sinh trưởng và phát triển

Cơ thể sinh vật luôn luôn chi phí một số chất bị phân huỷ, cũng như một

số lớn năng lượng bị tiêu hao Do đó, cơ thể cần phải lấy thức ăn có chứa hợp chất hữu cơ phức tạp để dùng làm nguồn vật liệu và nguồn năng lượng

Sự trao đổi các chất và chuyển hoá năng lượng là hai quá trình gắn liền nhau Không thể có sự biến đổi các chất nếu không có sự chuyển hoá năng lượng và ngược lại Phần lớn các kết quả của các quá trình chuyển hoá năng lượng diễn ra trong cơ thể đều liên quan với sự tạo nhiệt Do đó, việc xác định nhiệt năng được giải phóng trong cơ thể và việc đo nhiệt năng của năng lượng cơ học sử dụng cho các hoạt động bên ngoài cơ thể được xem là phương pháp xác định sự tiêu hao năng lượng của cơ thể Đó cũng là chỉ số cường độ của các quá trình chuyển hoá Sinh lý học hiện đại thường sử dụng các cơ sở lý luận của nhiệt động học và các phương pháp nghiên cứu của nhiệt học động học để nghiên cứu các quá trình sinh học Hướng nghiên cứu này có thể thực hiện được, vì các quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng trong cơ thể sống cũng diễn ra theo quy luật tự nhiên tổng quát nhất Đó

là quy luật bảo tồn vật chất và năng lượng

Trong cơ thể sống, vật chất và năng lượng không được tạo thêm và cũng không bị mất đi mà chỉ có sự biến đổi, hấp thu và bài xuất chúng Điều này đã được Lavoisier và Laplace chứng minh bằng thực nghiệm từ năm 1781 Các kết luận của hai nhà bác học nói trên đã được kiểm nghiệm và xác minh nhiều lần bằng các kỹ thuật nghiên cứu hiện đại Các nhà nghiên cứu đã thu được những trị số khá trùng nhau khi đo nhiệt năng được tạo ra trong trường hợp oxy hoá các chất dinh dưỡng trong cơ thể cũng như trong trường hợp các chất

Quá trình đồng hoá chỉ có thể thực hiện được trên cơ sở sử dụng năng

lượng, bởi vì các chất được tạo ra trong quá trình đồng hoá có dự trữ năng lượng hoá học lớn hơn so với năng lượng của các chất tạo ra chúng Còn quá trình dị hoá thì ngược lại, đây là quá trình chủ yếu giải phóng năng lượng Đồng hoá và dị hoá là hai quá trình đối nghịch nhau, đồng thời liên quan chặt chẽ với nhau Có rất nhiều thí nghiệm chứng minh về mối quan hệ giữa hai quá trình này Ví dụ, khi cơ thể phát triển và các tế bào sinh sản, thì đồng thời với sự hình thành nguyên sinh chất và tổng hợp các protein Ta có thể quan sát được hàng loạt các phản ứng thuỷ phân Các quá trình đồng hoá và

dị hoá liên quan chặt chẽ với nhau, nhưng không phải lúc nào chúng cũng được cân bằng Ví dụ, trong thời gian cơ thể phát triển, tuy cả hai quá trình đều được tăng cường, nhưng quá trình đồng hoá diễn ra mạnh hơn

Tham gia vào quá trình trao đổi chất có nhiều chất khác nhau, nhưng đóng vai trò quan trọng nhất là các protein và các acid nucleic Có thể nói rằng, tất

cả các biểu hiện của sự sống đều gắn liền với các chất này Ănghen từ lâu đã

đi đến nhận định này và cho rằng, sự sống là phương thức tồn tại của các protein, mà yếu tố cơ bản là sự trao đổi vật chất liên tục với thế giới bên ngoài

Các công trình nghiên cứu trong những năm gần đây về các acid nucleic trong nhân và trong nguyên sinh chất của tế bào đã xác định được vai trò của các hợp chất này trong sự tổng hợp các protein của cơ thể, cũng như trong sự truyền đạt các tính chất di truyền

Các acid nucleic của nhân (ADN) và của nguyên sinh chất (ARN) trong tế bào, đó là các phân tử lớn có cấu trúc rất phức tạp Cấu trúc của AND rất đặc hiệu cho từng loài Nó xác định cấu trúc của các phân tử ARN Đến lượt mình, ARN lại xác định cấu trúc của các phân tử protein được tổng hợp trong nguyên sinh chất của tế bào, nghĩa là xác định trình tự của các aicd amin trong protein

Protein của các động vật khác loài hoặc cùng loài, cũng như protein của các cơ quan, các mô khác nhau trong cùng một cơ thể hoàn toàn khác nhau Chính do đặc điểm này mà việc truyền máu từ một cá thể này cho một cá thể khác thường dẫn đến những rối loạn nghiêm trọng và có thể gây chết Cũng do đặc điểm này mà việc ghép các cơ quan của một cơ thể này cho một cơ thể khác vẫn còn là vẫn đề nan giải

Phần lớn các protein trong cơ thể là các enzym Đó là các chất có tác dụng

điều chỉnh tốc độ của nhiều quá trình xảy ra trong nguyên sinh chất Vai trò của các enzym trong cơ thể là làm chất xúc tác cho các quá trình phân giải và tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác nhau

Việc tổng hợp các protein của nguyên sinh chất và của các cấu trúc tế bào thuộc vào loại các quá trình được kiểm soát Nó liên quan với việc xây dựng các tế bào và các thành phần của tế bào Các quá trình kiến tạo khác hẳn các quá trình năng lượng - quá trình nhằm cung cấp năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của các tế bào Các quá trình kiến tạo và các quá trình năng lượng diễn ra ở mức tế bào như thế nào sẽ được đề cập trong chương sinh lý học tế bào

Điều đáng chú ý ở đây là trong các tế bào khác nhau bao giờ cũng có những biến đổi hoá học khác nhau rất đặc trưng cho từng loài Ví dụ, việc tổng hợp trypsinogen chỉ xảy ra trong các tế bào ngoại tiết của tuyến tuỵ, còn việc tổng hợp insulin tuy cũng diễn ra trong tuyến tuỵ nhưng không phải do các tế bào ngoại tiết mà do các tế bào nội tiết trong đảo Langerhans

2 Tính chịu kích thích

Các quá trình trao đổi chất và năng lượng cũng như các chức năng sinh lý khác diễn ra trong các tế bào luôn bị thay đổi do sự tác động từ bên ngoài và những biến động ngay trong cơ thể Nhờ những thay đổi đó mà cơ thể sống có thể thích ứng được với những biến đổi của môi trường Điều này liên quan chặt chẽ với một đặc tính khác của các tổ chức sống, đó là tính chịu kích thích

Tất cả các cơ thể sống và tất cả các tế bào của chúng đều có tính chịu kích thích, nghĩa là có khả năng trả lời lại tác động của môi trường bên ngoài hay trả lời lại những biến động bên trong cơ thể bằng cách biến đổi cấu trúc và bằng sự phát sinh, tăng cường hay giảm thấp hoạt động của chúng Những biến đổi về cấu trúc và chức năng của cơ thể sống và của các tế bào của nó

khi trả lời lại các tác nhân khác nhau được gọi là các phản ứng sinh học Còn các tác nhân gây ra phản ứng thì được gọi là các kích thích

Biểu hiện của phản ứng sinh học của các tế bào là sự biến đổi về hình dạng, cấu trúc của chúng, là sự sinh trưởng và phát triển của các tế bào, là sự tạo thành các hợp chất hoá học và tạo ra các dạng năng lượng (nhiệt năng, điện năng, cơ năng, quang năng), là sự thực hiện một công nào đó (chuyển dời không gian, bài tiết các chất )

Các phản ứng của cơ thể nguyên vẹn, đặc biệt là các động tác phức tạp của tập tính rất khác nhau và nhiều hình, nhiều vẻ Trong quá trình thực hiện các phản ứng đó, ta thấy có những biến đổi trong hoạt động của nhiều cơ quan

và của vô số các tế bào, bởi vì cơ thể luôn luôn đáp ứng lại các kích thích khác nhau như là một khối nguyên vẹn, như một hệ thống duy nhất Do đó, mặc dù các phản ứng của cơ thể được thực hiện nhờ sự hoạt động của các tế bào, chúng vẫn không phải là các phản ứng của các tế bào riêng biệt

Các kích thích gây ra phản ứng của các tế bào hay của cơ thể sống có thể

là những biến đổi bất kỳ của môi trường bên ngoài hay của trạng thái bên trong cơ thể, nếu như chúng có cường độ tương đối lớn, xuất hiện tương đối nhanh và thời gian tác dụng tương đối dài

Tuỳ theo đặc tính của các kích thích, người ta chia chúng thành ba nhóm:

lý học, hoá học và lý-hoá học Thuộc nhóm lý học gồm có kích thích nhiệt, kích thích cơ học (đập, đâm, ném, di chuyển trong không gian, gia tốc ), kích thích điện, kích thích ánh sáng, kích thích âm thanh Thuộc nhóm hoá học có vô số các chất có thành phần và tính chất khác nhau Chúng có thể làm thay đổi quá trình trao đổi chất hay thay đổi cả cấu trúc của tế bào Các tác nhân hoá học có thể gây ra những phản ứng sinh lý là những chất hoặc từ ngoài thâm nhập vào cơ thể như thức ăn, các dược chất, các chất độc hoặc là những chất được tạo ra ngay trong cơ thể như các hormon, các sản phẩm của quá trình chuyển hoá vật chất Thuộc nhóm lý- hoá học gồm có những biến đổi của áp lực thẩm thấu, những phản ứng của môi trường, thành phần các chất điện giải v.v

Dựa trên ý nghĩa sinh lý, người ta chia các loại kích thích nói trên thành

hai loại: kích thích thích đáng và kích thích không thích đáng Kích thích thích đáng là kích thích mà khi tác dụng lên các cấu trúc sinh học thì các cấu trúc

này có khả năng tiếp nhận và có độ nhạy cảm lớn đối với kích thích đó Ví

dụ, ánh sáng là kích thích thích đáng đối với các tế bào cảm giác của võng mạc mắt; âm thanh là kích thích thích đáng đối với các tế bào thụ cảm thính giác trong ốc tai

Kích thích không thích đáng là kích thích có tác dụng gây ra đáp ứng,

nhưng các tế bào hay các cơ quan trong cơ thể không có bộ phận chuyên hoá

để tiếp nhận kích thích đó Ví dụ, trong điều kiện tự nhiên, các cơ chỉ co dưới tác dụng của thích thích đáng, tức là dưới ảnh hưởng của các xung động chạy

theo các sợi thần kinh vận động đến cơ, nhưng các cơ cũng co khi bị tác dụng của các chất như acid hay base, của dòng điện, của nhiệt Acid, base, dòng điện, nhiệt là những kích thích không thích đáng đối với cơ

Mức nhạy cảm của các tế bào đối với các kích thích thích đáng cao hơn nhiều so với các kích thích không thích đáng Đây là một trong những biểu hiện của hiện tượng thích nghi sinh học được hình thành trong quá trình tiến hóa của giới động vật

Trong việc nghiên cứu chức năng của các cơ quan trong cơ thể, đặc biệt là

hệ thần kinh, người ta sử dụng nhiều loại kích thích khác nhau, trong đó kích thích được sử dụng phổ biến nhất là kích thích điện Dùng điện để làm tác nhân kích thích có nhiều ưu điểm hơn so với các loại kích thích khác vì:

- Với cường độ nhất định, dòng điện không hề gây ra những thương tổn cho các tổ chức sống

- Tác dụng của dòng điện được bắt đầu và kết thúc nhanh chóng (trong khi các kích thích khác như hoá học, nhiệt thường kéo dài rất lâu)

- Dễ xác định chính xác cường độ, thời gian tác dụng và tần số của xung điện

Trong các thí nghiệm sinh lý, người ta có thể dùng các tác nhân kích thích trực tiếp lên mô được nghiên cứu (cơ, tuyến, neuron) hoặc có thể kích thích gián tiếp, nghĩa là kích thích vào các sợi thần kinh điều khiển cơ quan cần nghiên cứu Riêng đối với hệ thần kinh, để phát hiện các phản ứng của nó, người ta thường kích thích vào các tận cùng thần kinh làm nhiệm vụ tiếp nhận kích thích, tức là các thụ cảm thể (receptor) hoặc kích thích vào các sợi thần kinh hướng tâm Các xung động thần kinh phát sinh tại nơi kích thích sẽ được truyền đến các phần khác nhau của hệ thần kinh trung ương và gây ra các

phản ứng ở đó

3 Tính hưng phấn và hưng phấn

Các tế bào, các mô, các cơ quan trong cơ thể đều có khả năng phản ứng nhanh chóng lại tác dụng của các kích thích thích đáng hay không thích đáng Các tế bào, các mô, các cơ quan như vậy được gọi là các tế bào, các mô, các

cơ quan được hưng phấn; còn khả năng đáp ứng lại bằng sự hưng phấn thì

được gọi là tính hưng phấn

Tính hưng phấn được đánh giá bằng cường độ và thời gian tối thiểu của

tác nhân kích thích có thể gây được trạng thái hưng phấn cho mô bị kích

thích Cường độ kích thích tối thiểu này được gọi là ngưỡng kích thích

Cường độ kích thích thấp hơn cường độ ngưỡng được gọi là cường độ dưới ngưỡng Kích thích có cường độ dưới ngưỡng không gây được đáp ứng

dù có kéo dài thời gian kích thích Còn cường độ kích thích cao hơn cường độ

ngưỡng thì được gọi là cường độ trên ngưỡng Phụ thuộc vào trị số của các

cường độ trên ngưỡng mà các phản ứng được gây ra cũng có trị số khác nhau Nói chung, cường độ kích thích càng cao thì trị số của phản ứng được phát sinh càng lớn Tuy nhiên, sự phụ thuộc này bao giờ cũng nằm trong một giới hạn nhất định

Người ta nhận thấy rằng, ngưỡng kích thích cần thiết để gây ra được phản ứng càng nhỏ thì tính hưng phấn của mô được kích thích càng cao và ngược lại, ngưỡng kích thích càng cao thì tính hưng phấn càng thấp

Dưới tác dụng của kích thích có cường độ ngưỡng, mô bị kích thích chỉ

đáp ứng sau một thời gian nhất định Thời gian này được gọi là thời gian có ích Khái niệm thời gian có ích dùng ở đây có ý nghĩa nhấn mạnh rằng, nếu

tiếp tục cho kích thích tác dụng lâu hơn thời gian này, cũng không gây được hiệu quả tốt hơn Trong trường hợp dùng dòng điện có cường độ bằng hai cường độ ngưỡng (hai rheobase, theo Lapicque) để kích thích mô, ta có thể

rút ngắn thời gian có ích lại Thời gian này được gọi là thời trị (chronaxie), đó

là thời gian tối thiểu, trong đó dòng điện có cường độ bằng hai rheobase cần tác dụng lên mô để gây ra hưng phấn Trong lâm sàng, người ta sử dụng cả hai thông số, cường độ ngưỡng và thời trị để đánh giá tính hưng phấn và trạng thái chức năng của các mô cơ, thần kinh

Tính hưng phấn của các mô khác nhau trong cơ thể là rất khác nhau Mô thần kinh bao giờ cũng có tính hưng phấn cao hơn so với các mô khác Các thụ cảm thể thuộc các cơ quan phân tích khác nhau cũng có tính hưng phấn cao, đặc biệt là khi chúng tiếp nhận các kích thích thích đáng Ví dụ, các tế bào gậy của võng mạc mắt có thể hưng phấn dưới tác dụng của 3 - 4 lượng tử ánh sáng hoặc mấy phân tử chất mùi cũng đủ để kích thích các tế bào khứu giác

Tính hưng phấn thường phụ thuộc vào trạng thái chức năng của từng mô Trạng thái chức năng của mô càng tốt, thì tính hưng phấn của nó càng cao

Trong các tế bào, các mô, dưới tác dụng của kích thích diễn ra một quá trình sinh lý được gọi là hưng phấn Đó là một phản ứng sinh học phức tạp gồm nhiều quá trình lý - hoá học và những biến đổi chức năng Biểu hiện bên ngoài của quá trình hưng phấn có tính chất rất đặc trưng đối với từng mô Ví

dụ, biểu hiện hưng phấn của các cơ là sự co cơ; biểu hiện hưng phấn của các tuyến (nội tiết hay ngoại tiết) là sự bài tiết các chất; biểu hiện hưng phấn của các yếu tố thần kinh là phát ra các xung động (điện thế hoạt động) và dẫn truyền chúng đến các cơ quan khác nhau trong cơ thể mà nó chi phối Tuy bên ngoài có những biểu hiện đặc hiệu như vậy, nhưng khi một mô bất kỳ nào

đó được hưng phấn, bao giờ trong nó cũng có sự tăng cường các quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng, và do đó làm xuất hiện nhiều dạng năng lượng khác nhau như nhiệt năng, hoá năng và đặc biệt là làm thay đổi hoạt tính điện của các tế bào ở đó Bằng cách xác định các dạng năng lượng nói trên, ta có thể đánh giá được mức độ hưng phấn của các tế bào, các mô, các

cơ quan trong cơ thể

4 Sự thay đổi điện thế trong các mô hưng phấn

Một trong những dấu hiệu chung của quá trình hưng phấn là sự thay đổi trạng thái điện trên bề mặt màng tế bào

Các nhà sinh lý học đã phát hiện được rằng, ở trạng thái yên nghỉ các ion phân bố hai bên màng nằm trong trạng thái cân bằng và phụ thuộc vào hai lực tác động, đó là lực khuếch tán và lực tĩnh điện Các ion được khuếch tán ra ngoài chủ yếu là K+, nên lực khuếch tán (We) được tính bằng công cần thiết

để đưa một mol ion kali qua màng

Do đó:

e K

i K RT We

) (

) (

T là Nhiệt độ tuyệt đối

(K + )i và (K + )e là Nồng độ K + trong và ngoài tế bào

Lực tĩnh điện (WE) lúc tế bào yên nghỉ được tính bằng công cần thiết để chống lại sức đẩy của các ion cùng dấu và sức hút của các ion khác dấu, để có thể chuyển một ion qua màng Do đó:

WE = nFE k

Ở đây: n là hoá trị của ion (đối với ion K thì n =1)

F là Hằng số Faraday (điện tích của một mol ion đơn vị hoá trị)

E k là Điện thế của màng tế bào do K + quyết định

Như vậy, muốn đưa một mol ion qua màng cần phải có một lực tổng hợp, gọi là thế năng điện hoá (m) Thế năng điện hoá bằng tổng của lực khuếch tán

Điện thế màng tế bào bị thay đổi khi mô được hưng phấn Nguyên nhân của sự thay đổi là: khi hưng phấn, tính thấm của màng đối với các ion Na+ bị thay đổi Kênh Na+ được mở ra, các ion Na+ ở mặt ngoài màng ùa vào trong

tế bào (hình 1.1)

RTln (K

+ )i (K + )e = -nFEk

ln (K

+ )e (K + )i

E k = RT

nF

Dòng ion từ ngoài xuyên vào trong tế bào làm thay đổi sự phân bố các ion hai bên màng: số lượng các ion mang điện tích dương ở mặt trong màng nhiều hơn so với ở mặt ngoài màng Lúc này, màng bị đổi cực từ trạng thái phân cực chuyển sang trạng thái khử cực và xuất hiện điện thế hưng phấn hay điện thế hoạt động Gọi là điện thế hoạt động vì điện thế này được lan truyền đi nơi khác Trị số của điện thế hoạt động được xác định bởi dòng ion natri và được tính theo phương trình sau:

Trị số này có thể đạt đến 120mV, nhưng vì ở xuất phát điểm điện thế màng đã có trị số là -90mV, nên điện thế trên thực tế đạt khoảng +30mV Sau khi hưng phấn, màng tế bào dần dần trở về trạng thái ban đầu, nghĩa

là diễn ra quá trình tái cực màng Quá trình tái cực màng được thực hiện nhờ một cơ chế sinh lý đặc biệt, gọi là cơ chế "bơm Na+-K+" Kết quả hoạt động của "bơm Na+ - K+" là lập lại cân bằng điện tích âm - dương ở hai bên màng

tế bào như trước lúc hưng phấn

Hình 1.1: Trạng thái của kênh natri lúc màng yên nghỉ và màng hưng phấn

Cổng mở

Trạng thái hưng phấn

Trạng thái yên nghỉ

Ngoài tế bào

Cổng đóng

R: Hằng số khí

T: Nhiệt độ tuyệt đối

N: Hoá trị của ion

F : Hằng số Faraday

[Na + ]e: Nồng độ ion Na + ngoài tế bào

[Na + ]i: Nồng độ ion Na + trong tế bào

Ehoạt động = RT

nF

ln [Na

+ ]e [Na + ]i