điện thế sinh học

CHƯƠNG VI
ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
6.1.Một số loại điện thế trong dung dịch
6.1.1. Điện thế điện cực
6.1.1.1. Điện thế điện cực
6.1.1.2. Điện thế oxy hóa khử
6.1.2.Điện thế ion
6.1.2.1. Điện thế khuếch tán
6.1.2.2.Điện thế màng và cân bằng Đonan
•
6.2. Các loại điện thế sinh vật
6.2.1. Điện thế tổn thương
6.2.2. Điện thế tĩnh
6.2.3. Điện thế hoạt động.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
6.3. Lý thuyết ion màng giải thích hiện tượng điện
sinh học
6.3.1. Lý thuyết ion màng về điện thế tĩnh
6.3.2. Lý thuyết ion màng về điện thế hoạt động
6.3.3. Hạn chế của thuyết ion màng
6.4. Một số kỹ thuật ghi đo điện sinh học
6.4.1. Điện tim
6.4.2. Điện não
6.4.2. Điện cơ
6.4.4. Điện võng mạc
6.4.5. Cơ chế phát sinh dòng điện ở cá chình
điện

Phát hiện ra dòng điện sinh học
(Discovery of Bioelectricity)
" The idea grew that in the animal itself there was an indwelling
electricity. We were strengthened in such an assumption of a very fine
nervous fluid that during the phenomenon flowed into the muscle from
the nerve, similar to electric current … “
Luigi Galvani, 1791

“Một ý tưởng hình thành là
trong chính cơ thể động vật tạo ra
dòng điện. Chúng tôi tin chắc rằng
có hiện tượng di chuyển từ tế bào
thần kinh đến cơ tương tự như
dòng điện “
Luigi Galvani, 1791

Thí nghiệm của Ganvani

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Ý tưởng về mối liên hệ chặt chẽ giữa dòng điện và các hoạt
động sống xuất hiện từ những năm 1731 khí Gray (Anh) và
Nole (Pháp) khẳng định sự tồn tại điện tích ở thực vật, động
vật. Đến 1751 Adanson đã phát hiện hiện tượng phát hiện ở
các giống cá điện và Vels (1773) đã chứng minh sự phóng
điện của loài cá điện được truyền theo dây dẫn và bị ngất bởi
vật cách điện.
•
Đến 1791 Galvani (Ý) đã có những thí nghiệm nổi tiếng về

hiện tượng điện trên cơ đùi ếch. Có thể xem Galvani là người
đầu tiên phát hiện ra đặc trưng quan trọng của tế bào sống, đó
là giữa chúng và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một
sự chênh lệch điện thế. Cùng năm đó cuốn sách “Bàn về các
điện động vật trong co cơ”. Một năm sau Volta đã bác bỏ
những phát minh trên, giữa hai người đã xảy ra cuộc tranh luận
sôi nổi và cuối cùng đã kết thúc thắng lợi đối với cả 2 người.
Volta tìm ra điện kim loại tức là pin Volta còn Ganvani tìm ra
nguồn điện sinh học tức chân Ganvani.

•
6.1.Một số loại điện thế trong dung dịch
6.1.1. Điện thế điện cực
•
Khi nhúng một thanh kim loại vào nước nguyên chất thì dưới
tác dụng lôi kéo của các phân tử nước phân cực, các ion kim
loại tách ra khỏi bề mặt kim loại và đi vào dung dịch dưới
dạng bị hydrat hoá.
Me
+
e
Ion

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Các electron không hoà tan trong nước nên ở
lại trên thanh kim loại do đó thanh kim loại sẽ
tích điện âm và dung dịch sẽ tích điện dương.
Sự dư điện tích âm trên bề mặt kim loại làm
cho ion dương kim loại không khuếch tán

được xa bề mặt kim loại và tích tụ ở gần đó.
Một số ion dương bị hydrat hoá có năng lượng
đủ lớn trong chuyển động nhiệt với vận tốc
thẳng góc với bề mặt kim loại có thể bị mật
lớp vỏ hydrat và kết tủa trên thanh kim loại.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Lúc này trạng thái cân bằng được thiết lập rất nhanh
Kim loại + Nước ion bị hydrat hoá + electron
( trong dung dịch ) (trên kim loại)
M + mH
2
O M
n
+ mH
2
O + ne.
Kết quả trên ranh giới phân chia kim loại dung dịch có một
lớp điện tích kép do đó sinh ra một bước nhảy thế (ζ điện thế )
•
Tổng quát khi nhúng kim loại M vào dung dịch L có khả năng
Sonvat hoá ion Mn+ thì sau thời gian rất ngắn thiết lập cân
bằng
M + mL M
n+
mL + ne (1)
•
Vị trí cân bằng của phản ứng này phụ thuộc vào bản chất của
kim loại (đặc biệt là trạng thái bề mặt của nó), bản chất của

dung môi, nồng độ của ion m
n+
và nhiệt độ.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Khi nồng độ của ion kim loại tăng lên ( bằng cách
pha thêm muối tan của kim loại ) cân bằng phản ứng
(1) sẽ dịch chuyển từ phải sang trái do đó thanh kim
loại sẽ tích điện âm ít hơn và lớp điện tích kép sẽ thưa
dần. Cuối cùng nếu tiếp tục tăng nồng độ ion Mn+ thì
kim loại không những không chuyển được ion của nó
vào dung dịch mà một số ion kim loại sẽ chuyển từ
dung dịch vào kim loại. Trong trường hợp này kim
loại sẽ tích điện dương còn dung dịch vì dư ion âm
nên sẽ tích điện âm, trên ranh giới phân chia kim loại
và dung dịch vẫn có một lớp điện tích kép do đó sinh
ra một bước nhảy thế.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Ta có thể tính được điện thế của điện cực so với dung dịch qua
biểu thức.
Z
i
FE = µ
idd
- µi
kl
Trong đó : µi : thế hoá học

Zi : điện tích của ion
F : Hằng số Faraday
E : điện thế của điện cực so với dung dịch
•
Nếu µi
kl
> µ
idd
: các ion Mn+ sẽ đi ra khỏi thanh kim loại vào
dung dịch, điện cực tích điện âm xung quanh điện cực có lớp
Mn+.
•
Nếu µi
kl
= µ
idd
: các ion Mn+ không ra khỏi thanh kim loại cũng
như vào thanh kim loại lúc này điện thế bằng không.
•
Nếu µi
kl
< µ
idd
: các ion Mn+ sẽ từ dung dịch đi vào thanh kim
loại, thanh kim loại tích điện dương và xung quanh điện cực
tích điện âm.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Nernts đã tính hiệu số điện thế giữa thanh kim

loại và dung dịch dựa vào công thẩm thấu cần
thiết phải thực hiện khi tăng nồng độ của dung
dịch lên 1 gam/mol chất hoà tan, tức là thay đổi
áp suất thẩm thấu từ P
1
đến P
2
( biểu thức Nernst)
•
A = RTln
•
Trong đó A là công thẩm thấu
•
Mặt khác ta có công của quá trình điện hoá để
biến đổi nồng độ ion của dung dịch là EFZ bằng
công thẩm thấu : A = EFZi
1
2
P
P

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Do đó :
ZiFE= RTln. ⇒ E = RT/FZi. Ln P2/P1
•
⇒ E = RT/FZ. Ln C2/C1
1
2
P

P

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
a. Điện thế nồng độ
•
Nhúng hai điện cực làm bằng cùng một thứ kim
loại vào 2 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 (C
2
khác C
1
) nên giá
trị điện thế ở mỗi cực một khác, giữa chúng xuất
hiện một hiệu điện thế Uc, gọi là hiệu thế nồng độ

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
b.Điện thế oxy hoá khử
•
Có thể xem là một dạng của điện thế điện
cực, nhưng ở trường hợp này là điện cực trơ
( điện cực trơ là điện cực không chuyển ion
của nó vào dung dịch, ví dụ Platin, vàng )
•
Xét hiện tượng khi nhúng một điện cực trơ

vào dung dịch chứa một cặp oxy hoá - khử
nào đó. Nếu dạng oxy hoá hoạt động mạnh
hơn dạng khử thì dạng oxy hoá sẽ đến điện
cực lấy electron và biến thành dạng khử.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Oxy hoá + n.e khử
•
Điện cực trơ lúc này sẽ tích điện dương và dung dịch sẽ tích
điện âm.
•
Ví dụ : Nếu nhúng điện cực Platin vào dung dịch chứa đồng
thời FeCl
3
và FeCl
2
thì ion Fe
3+
sẽ đến lấy electron
•
Fe
3+
+ e Fe
2+
•
Thanh Platin sẽ tích điện dương ion dung dịch sẽ tích điện
âm vì dư ion Cl
•
Điện tích dương trên điện cực Platin sẽ ngăn cản không cho

ion Fe3+ lấy electron; mặt khác lại có thể lấy được electron
của ion Fe2+ kết quả là cân bằng sẽ được thiết lập rất nhanh.
•
Fe
3+
+ e Fe
2+

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Tóm lại khi nhúng một điện cực trơ vào
dung dịch chứa một cặp oxy hoá khử nào
đó sẽ thiết lập cân bằng.
•
Oxy hoá + n.e khử
•
Vị trí của cân bằng phụ thuộc vào bản chất
của cặp oxy hoá khử, của dung môi, tỷ số
nồng độ của dạng oxy hoá và dạng khử và
vào nhiệt độ.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Điện thế ion
•
Điện thế ion xuất hiện là do sự phân bố
không đồng đều của các ion âm và ion
dương trên một ranh giới nào đó. Lớp điện
kép hình thành không phải trên ranh giới
giữa điện cực và dung dịch mà ngay ở trong

dung dịch.
•
Người ta phân biệt hai dạng điện thế ion :
điện thế khuếch tán và điện thế màng.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
a. 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 và anion chứa trong dung
dịch này có độ linh động khác nhau. Còn
nếu độ linh động của anion và cation như
nhau (ví dụ K
+
và Cl
-
) thì không xuất hiện
điện thế khuếch tán
•
Độ lớn của hiệu điện thế khuếch tán được
tính bằng công thức sau :

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
+ Điện thế khuếch tán phụ thuộc vào độ linh động
của các ion và phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của
dung dịch. Điện thế khuếch tán tồn tại không lâu,
nó tồn tại đến khi sự phân bố các ion âm và dương

đồng đều trong dung dịch.
•
+Các ion K, Natri, hydro, Clo, Canxi, OH và NH
3

giữ vai trò chính trong việc tạo nên hiệu điện thế
khuếch tán ở tế bào và mô. Khi mặt ngoài của
màng 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 giữa các dung dịch này xuất hiện điện thế
khuếch tán.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
b. Điện thế màng và cân bằng Đô nan
•
Khi có hai pha tiếp xúc nhau, một số thành
phần ion không thể chuyển dịch từ pha này
đến pha khác tạo thành sự cân bằng đặc biệt
gọi là cân bằng Donan. Sự phân cách của
các pha có thể do có màng thấm dung môi
và các ion nhưng không thấm với các ion có
kích thước lớn.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
- Điện thế màng
•
Từ phần trên ta thấy giá trị điện thế khuếch tán càng lớn

nếu sự chênh lệch độ linh động càng lớn. Vì vậy những
yếu tố nào làm tăng sự chênh lệch đó sẽ có ý nghĩa trong
việc tạo điện thế. Màng bán thấm là một trong những
nguyên nhân tạo ra sự phân bố không đồng đều của các ion
( tăng sự chênh lệch độ linh động)
•
Tuỳ theo tính chất hoá học, kích thước của siêu lỗ và điện
tích của màng mà màng có thể cho hoặc không cho các ion
khác nhau thấm qua. Nhờ tính thấm của màng mà trong hệ
xuất hiện điện thế. Người ta gọi điện thế này là điện thế
màng.
•
Điện thế của màng phụ thuộc vào :
•
-Tính thấm chọn lọc của màng;
•
-Kích thước, điện tích và độ linh động của các ion trong
hệ.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Xét hệ gồm 2 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 Cl Sau một thời gian khi trạng thái cân bằng
động được thiết lập thì ở 2 phía của màng có sự chênh
lệch về nồng độ các ion có khả năng khuếch tán qua
màng
•
[K+]1 < [K+]2

•
[Cl-]1 > [Cl-]2
•
Do sự chênh lệch nồng độ này ở 2 phía của màng
xuất hiện hiệu thế nồng độ Uc.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Các loại điện thế sinh vật
•
Trong tế bào mô và các cơ quan luôn xuất hiện
và tồn tại các loại điện thế khác nhau. Các loại
điện thế này có cùng nguồn gốc và cơ chế hoá
lý, song tuỳ theo nguyên nhân xuất hiện mà
chia chúng làm 3 nhóm: điện thế tĩnh (điện thế
gradien trao đổi chất), điện thế tổn thương và
điện thế hoạt động.

ĐiỆN THẾ SINH HỌC
•
Điện thế tổn thương
•
*Điện thế tổn thương của các đối tượng động vật
•
Điện thế tổn thương xuất hiện ở bất kỳ tế bào sống
nào giữa vùng bị tổn thương và vùng không bị tổn
thương. Nguyên nhân tổn thương có thể là cơ học (cắt
ép), nhiệt (bỏng, đốt, làm lạnh), hoá học (axít và
kiềm).
•

-Đặc điểm của dòng điện tổn thương là cố định về
hướng.
•
-Giá trị điện thế giảm chậm theo thời gian.
•
-Giá trị điện thế còn phụ thuộc vào điều kiện vật lý và
phương pháp xác định.