Chương 1 điện thế sinh vật

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 dịng 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. Dịng 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 dịng điện sinh học (dịng 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 mơi trường bên ngồi 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.
1.1.1. Ðiện thế nghỉ.

Kết quả của thí nghiệm phát hiện điện thế nghỉ mơ tả trên hình 4.1 cho thấy:
· Khi 2 điện cực đặt trên bề mặt của sợi thần kinh thì khơng có sự chênh lệch về điện thế.

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng

TO


· 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 xun qua màng, khơng có sự chênh lệch về điện thế.
Như vậy giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngồi ln 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 ln có điện thế âm so với mặt ngoài, tức là điện thế nghỉ có chiều
khơng 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 khơng 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 mơ 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 dịng
điện đi qua chúng đủ nhỏ, không gây nên hiện tượng phân cực đáng kể.

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


Hình 4.3 mơ 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.
1.1.2. 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 ngồi 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. Phƣơng 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 dịng điện theo
hướng từ điện cực thứ hai đến điện cực thứ nhất. Thiết bị ghi đó sẽ ghi lại dao động của dịng
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 cịn ở
vị trí (2) khi đó vị trí (2) lại trở nên âm so với vị trí (1), do dó dịng điện ở mạch ngồi 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 hồn tồn 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).
Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng

T


b.Phƣơng pháp một pha.
Trong phương pháp này, chỉ có một điện cực lớn đặt ở vị trí (2) cịn 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.
Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng

· 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 khơng có bao mlin. Q trình lan truyền này
khơng làm thay đổi dạng cũng như biên độ của điện thế hoạt động. Cơ chế của q 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 ngồi màng sẽ (-), do đó sẽ xuất hiện dịng tại chỗ có chiều như trên hình 4.7a đối với
sợi thần kinh khơng có bao mlin. Chính dịng 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 dịng điện tại chổ, nhưng khơng thể chuyển sang trạng thái hưng phấn nữa
như A, vì vùng C đang ở trong giai đoạn trơ.
Khác với trên, q 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 khơng có bao mlin.

1.2. CƠ CHẾ CỦA HIỆN TƢỢNG ÐIỆN SINH VẬT.

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


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 cịn sống, cịn có sự chênh lệch về nồng độ các ion ở
trong tế bào và ở mơi trường bên ngồi. Thí dụ, nồng độ ion K+ ở trong các sợi cơ lớn hơn ở
không gian bên ngồi tế bào chừng 40 lần, cịn nồng độ các ion Na+ thì ngược lại. Ở mơi 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.
1.2.1. Các loại hiệu điện thế.

TOP

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 khơng xuất hiện hiệu điện thế khuếch tán.
Ðộ lớn của hiệu điện thế khuếch tán được lính bằng cơng thức sau:
U

RT u   u  C1
ln

ZF u   u  C 2

Trong đó: R là hằng số khí lý tưởng (R=8,3145J/mol.oK); 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 trị chính trong việc tạo nên điện thế
khuếch tán ở các tế bào và mô. Những ion khác giữ vai trị khơng đáng kể.
Khi mặt ngồi 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.
UC 

RT C đc RT C đc RT C 2
ln

ln

ln
ZF
C1 ZF
C1
ZF C1

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

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


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 25oC (T=298oK) lấy giá trị R=8,3145J/mol.oK, F=96500 C.
UC 

26 C 2
ln
( mV )
Z
C1

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 mơi
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 ln 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

R

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

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


UC 

RT [ K  ]1 26 [ K  ]1
ln

ln
(mV )
ZF [ K  ] 2
1 [ K  ]2

[ K  ]1 [Cl  ] 2
Vì
(từ điều kiện cân bằng động của hệ),

[ K  ] 2 [Cl  ]1

do đó: U C 

26 [ K  ]1 26 [Cl  ]2

ln

ln
(mV )
1 [ K  ]2
1 [Cl  ]1

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

T

Theo lý thuyết ion màng, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật, các ion ở trong dịch bào và
ở mơi trường ngồi tế bào (đặc biệt các ion K+, Na+...) cũng như màng tế bào có vai trị 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+ khơng 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
khơng 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
ở các đối tượng nghiên cứu khác nhau

tạo

điện

thêm

nghỉ

(Na+,

K+,

Cl)

Ðối tượng nghiên Nồng độ trong dịch Nồng độ ở môi trường Tỉ số Nồng độ trong dịch
cứu
bào (mM)
ngoài (mM)
bào và Nồng độ ở

Thần kinh ếch

Na
37

K
110

Cl
26

Na
110

K

2,6

Cl
77

mơi trướng ngồi
Na+
K+
Cl0,340
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

+

+

-

+

+

-

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.
Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng



26 [ K ]trong 26 [Cl ]ngoài
U 
ln

ln
(mV )
1 [ K  ]ngoài
1 [Cl  ]trong

Bằng thực nghiệm Boyle và Convey đã chứng minh rằng khi nồng độ ion K+ ở mơi trường
ngồi 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

[ K  ]trong
[ K  ]ngoài



[Cl  ]ngoài
[Cl  ]trong

.

Tuy nhiên giả thuyết trên hầu như bị bác bỏ hoàn tồn 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 khơng đổi.
· Dung dịch điện ly coi như là lý tưởng, nghĩa là khơng 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.
· Mơi trường ở hai phía màng tế bào rộng vơ tận.
Khi đó điện thế nghỉ sẽ được tính theo cơng thức sau:


_
RT PK [ K ]trong  PNa [ Na ]trong  PCl [Cl ]ngoài
U
ln
F
PK [ K  ]ngoài  PNa [ Na  ]ngồi  PCl [Cl _ ]trong

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.

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


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. Dịng 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 Cơle 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, dịng các
ion Na+ từ ngồi 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 q
trình dịch chuyển các ion đó ngược chiều gradien điện hóa nhờ năng lượng của q 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 q trình hình thành điện thế hoạt động. Thí nghiệm của Hodgkin (1949) chỉ ra rằng
khi giảm nồng độ Na+ ở mơi trường xung quanh tế bào thì đỉnh tương ứng của điện thế hoạt
động sẽ giảm đi. Khi môi trường xung quanh khơng 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 tồn khơng cho những kết
quả đặc trưng như vậy. Do đó có thể kết luận chắc chắn về vai trị 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 dịng 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 dịng 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 dịng các ion lại đổi chiều đi ra ngoài tế
bào. Màng bị khử cực càng mạnh thì dịng các ion đi ra ngồi tế bào càng tăng. Nếu ở môi
trường xung quanh tế bào không có muối Na+, người ta thấy dịng 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 dịng điện thứ hai xuất hiện. Bằng phương pháp đánh
dấu phóng xạ Hodgkin và Huxley đã chứng minh rằng dịng 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:
Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


Màng tế bào có tính thấm chọn lọc đối với các ion nên ở trạng thái tĩnh đã tạo ra một hiệu điện
thế được tính theo phương trình Goldman (PK: PNa: PCl = 1 : 0,04: 0,45). Khi tế bào ở trạng
thái hưng phấn, tính thấm chọn lọc của màng thay đổi (PK: PNa: PCl = 1: 20: 0,45). Cụ thể là ở
giai đoạn đầu của điện thế hoạt động, tính thấm của màng đối với các ion Na+ tăng vọt lên, sau
đó tính thấm lại tăng chậm đối với các ion K+. Sự thay đổi này không xảy ra cùng một lúc và
lệch pha nhau (hình.4.9) Do đó sự thay đổi tính thấm, các ion Na+ sẽ thấm qua màng vào tế bào,
dòng điện do các ion này tạo ra càng lớn thì màng tế bào bị khử cực càng mạnh.
Quá trình khử cực tiếp diễn cho tới khi hiệu điện thế màng vượt quá giá trị 0, tiến tới giá ta xấp
xỉ với điện thế do sự chênh lệch nồng độ ion Na+ giữa 2 phía của màng.

Tiếp đó tính thấm của màng đối với ion Na+ lại bị ức chế, tính thấm lại tăng đối với ion K+.
Dòng các ion K+ đi từ trong tế bào ra ngoài theo gradien nồng độ được tăng cường làm cho điện
tích phía trong màng ngày càng âm nhiều hơn, nghĩa là màng bị phân cực lại. Hiệu điện thế
màng sẽ trở về quá giá trị điện thế nghỉ một chút, đó là hiện tượng q phân cực. Hình 4.10 trình
bày sự biến đổi các dòng ion K+, Na+ trong quá trình tạo 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
Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


cho nồng độ các ion này ở hai phía của màng tế bào có giá trị khơng đổi, sau mỗi 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 q trình vận chuyển tích cực, ngược chiều với građiên nồng độ mà chúng ta đã nghiên cứu ở
bài 3.
1.3.3. Hạn chế của thuyết ion màng về hiện tƣợng điện sinh vật.
Lý thuyết ion màng không chỉ rõ theo cơ chế nào mà tính thấm của màng thay đổi với các ion
Na+, K+ trong các giai đoạn của điện thế hoạt động. Các nghiên cứu gần đây đã xác định rằng
trong màng tế bào có các kênh dẫn riêng cho từng loại ion cấu tạo bởi các phân tử protein, việc
đóng mở các kênh này phụ thuộc vào sự thay đổi điện thế màng.
Người ta cho rằng sự thay đổi điện thế màng sẽ gây ra sự thay đổi tính chất màng và do đó sẽ
ảnh hưởng đến sự định hướng của các nhóm tích điện cũng như sự phân bố lại các đại phân tử
protein trong màng và nếu như các đại phân tử protein này tham gia vào thành phần cấu tạo nên
kênh dẫn thì kết quả sẽ dẫn đến sự thay đổi tính thấm của màng đối với các ion.
- Trong hoạt động điện của cơ và thần kinh, lý thuyết ion màng chưa giải thích được vai trị của
ion hóa trị 2 và hóa trị 3, mặc dù có nhiều kết quả thực nghiệm khẳng định vai trị của ion Ca2+
trong q trình hình thành điện thế hoạt động.
- Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho ràng tồn 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.
1.3.4. 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 dịng 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 hồn thành q 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 cứu những 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).

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng


Ở trạng thái nghỉ (hình 4.11a) chúng ta chỉ cần lưu ý đến mối liên kết phân tử do ion Ca++ gắn
với 2 điện tích âm thuộc 2 đại phân tử cạnh nhau. Ở trạng thái kích thích ion Ca++ tách ra khỏi 2
đại phân tử. Dịng cation hóa trị 1, từ bên trong tế bào khuếch tán đến màng, đi tới các vị trí mà
ion Ca++ vừa rời khỏi, mỗi cation kết hợp với một diện tích âm của đại phân tử. Như vậy tại mỗi
vị trí của 1 cation Ca++ được thay thế bằng 2 cation hóa trị (Na+ hay K+) (hình 4.11b) kết quả
là:
· Liên kết phân tử bị đứt, khoảng cách giữa các đại phân tử protid hay lipid cấu tạo nên màng

tăng lên, cấu trúc màng trở nên lỏng lẻo.
· Tỷ số giữa các ion hóa trị 1 và hóa trị 2 tăng lên, nói khác đi là số lượng các hạt mang điện đến
màng tăng lên.
Do đó tính thấm của màng đối với các ion hóa trị 1 tăng lên, điện trở của màng giảm đi và điện
thế hoạt động xuất hiện. Sau khi điện thế hoạt động chấm dứt, nếu tế bào không bị kích thích,
các cation hóa trị 1 lại rời khỏi các nhóm mang điện tích âm, nhường lại chỗ cho ion Ca++ và
màng lại có cấu trúc như lúc nghỉ ngơi.

Bài giảng Điện tử Y sinh_ Nguyễn Văn Phòng