chuyên đề điện sinh vật học

CÁC HIỆN TƯỢNG
VỀ ĐIỆN TRÊN CƠ
THỂ SỐNG


MỤC TIÊU HỌC TẬP
‰ Trình bày được các hiện tượng điện cơ bản xảy ra
trên tế bào sống cũng như cơ chế phát sinh và đặc
điểm của những hiện tượng này.
‰ Mô tả cơ chế điện điều khiển nhịp tim và nêu bản
chất điện thế hoạt động của tim.
‰ Kể được những qui luật chính của tác động điện đối
với cơ thể sống. Nêu các ứng dụng rộng rãi của
dòng điện trong điều trị và các kiến thức cần thiết về
an toàn điện.


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.

VAI TRÒ QUAN TRỌNG CỦA DÒNG ĐIỆN
Việc phát hiện ra điện tích và tạo ra dòng điện đã
đem đến cho con người một nguồn năng lượng
mới,….và đang góp một phần tích cực vào sự phát
triển và tiến bộ của xã hội.
Tác dụng của điện tích và các loại dòng 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.
Dòng điện “sống” phản ánh tính chất hoá 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.


VAI TRÒ QUAN TRỌNG CỦA DÒNG ĐIỆN
Ngày nay các kỹ thuật hiện đại ghi điện sinh vật trên
cơ thể người đã giúp ích rất nhiều cho người thầy
thuốc trong việc xác định nguyên nhân của nhiều
loại bệnh và đề xuất những biện pháp điều trị thích
hợp.
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.


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 và
động vật.

Năm 1751, Adamson đã nhận thấy tác dụng điện
của các giống cá điện cũng tương tự như bình
Leyden đối với động vật và con người.
Năm 1773, Walch 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.


VAI TRÒ QUAN TRỌNG CỦA DÒNG ĐIỆN
Năm 1791, Luigi Galvani, đã phát minh ra đặc trưng
quan trọng của tế bào sống: giữa chúng và môi
trường bên ngoài luôn tồn tại một sự chênh lệch
điện thế.
Ngày nay, bằng những tiến bộ của khoa học kỹ
thuật, chúng ta biết rằng trong mô và tổ chức sống
tồn tại các hiệu điện thế sinh học, các hiệu điện thế
này không lớn, thường không vượt quá 0,1V, nhưng
các giống cá điện có thể tạo ra được những xung
điện cỡ 600V.


ĐIỆN THỂ NGHỈ

EM = VTR − VNG
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 có
chiều không đổi
• Ðiện thế nghỉ có độ lớn biến đổi rất chậm theo
thời gian.


ĐIỆN THỂ NGHỈ
Thí nghiệm đo điện thế nghỉ
ngoμi
trong
dung dÞch KCl

ngoμi

1 μm

èng thñy tinh

1 cm

Axon con mùc

Nh×n b»ng
m¾t th−êng

Nh×n qua kÝnh
hiÓn vi


CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈ

Các dung dịch điện ly ở khắp cơ thể sống như là
môi 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 chiều
ngược lại xuyên qua màng tế bào là nhân tố chính
tạo nên điện thế sinh vật.


CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈ
Bằng thực nghiệm người ta biết rằng có sự khác
nhau rất lớn giữa nồng độ của từng ion kể trên trong
dịch gian bào và dịch nội bào.
¾ Đối với môi trường đặc trưng bên trong cơ
thể người, nồng độ ion K+ trong dịch nội bào
cao hơn nồng độ K+ trong dịch gian bào
khoảng 30 lần.
¾ Ngược lại nồng độ Na+ và Cl- ngoài tế bào
cao hơn bên trong tế bào lần lượt là khoảng
13 lần và 25 lần.


CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈ
Đối tượng
nghiên cứu

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

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


CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈ
Sự khác nhau rất lớn về nồng độ trên đây được tạo
nên và duy trì bởi các cơ chế vận chuyển chủ động.
Đó là các “bơm ion” hay còn gọi là “bơm K+, Na+”.


CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THỂ NGHỈ
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
điện tích (
)

F = q. E

‰ Sức cản của màng tế bào lên sự chuyển động của các
ion.

ĐIỆN THỂ NGHỈ
[K +]=30
Gradient
nång ®é

[Cl-]=1

Lùc ®iÖn
tr−êng

[Na+]=1
Trong

V TR ≅80 mV

Mμng tÕ bμo

V NG = 0

Ngoμi

[K +]=1

[Cl-]=20

[Na+]=10

( các số liệu chỉ có ý nghĩa minh hoạ)

Điện thế nghỉ được thiết lập khi lực điện trường
đạt độ lớn nhất định đủ để ngăn không cho các ion K+
và Cl- tiếp tục khuếch tán qua màng.


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

[
K ]
U = 0,058.lg
[K ]
+

trong

+

ngoai

[
Cl ]
= 0,058.lg
[Cl ]
−

trong

−

ngoai


ĐIỆN THỂ NGHỈ
Nhờ vào kỹ thuật đánh dấu phóng xạ người ta
phát hiện rằng các ion Na+ cũng có thể thâm nhập
qua màng vào trong tế bào được. Do đó muốn tính
đúng giá trị của điện thế nghỉ ta cần đưa thêm vào
công thức hệ số thấm của màng tế bào đối với các
ion K+, Na+, Cl-.
Khi có các tác động kích thích lên màng, tính
thấm của màng tức là các hệ số thấm đối với các ion
thay đổi và kéo theo sự thay đổi điện thế màng.


PHƯƠNG TRÌNH GOLDMANN
RT
E 0=
F

ln

P K [K + ] TR + P N a [N a + ] TR + P Cl[C l - ] N G
P K [K + ] N G + P N a [N a + ] N G + P Cl[C l - ] TR

E0 - điện thế nghỉ

F - hằng số Faraday,
R - hằng số khí lí tưởng,
T - nhiệt độ theo Kelvin
PK, PNa, PCL - hệ số thấm của màng đối với các ion[K+],
[Na+], [Cl-] - nồng độ các ion trong hoặc ngoài tế bào


ĐIỆN THỂ NGHỈ
Để kiểm chứng cho tính đúng đắn của phương
trình Goldmann người ta đã tính điện thế nghỉ ở axon
khổng lồ của con mực. Dưới đây là bảng số liệu thực
nghiệm về nồng độ các ion K+, Na+, Cl- tại môi trường
trong và ngoài axon khổng lồ của con mực


ĐIỆN THỂ NGHỈ
Đối với axon con mực, tương quan tỷ lệ giữa
các hệ số thấm của màng tế bào ở trạng thái nghỉ đối
với 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 kết
quả thực nghiệm là −60 mV


ĐIỆN THỂ NGHỈ
‰ 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.


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 được
lập lại gần như tức thời chỉ sau vài ms.


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).
§iÖn thÕ mμng, EM

50mV

10 ms

0

20 ms

khö cùc

t¸i ph©n cùc

t

-60mV
§iÖn thÕ
ho¹t ®éng

§iÖn thÕ nghØ


CƠ CHẾ TẠO RA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG
Hai phía của màng tế bào được tích điện trái dấu
cũng tương tự như hai bản tích điện trái dấu của một tụ
điện sau khi được nạp điện. Nếu như nối hai bản của tụ
bằng một dây dẫn điện thì hiệu điện thế giữa hai bản
của tụ sẽ nhanh chóng bị triệt tiêu. Trong quá trình phát
sinh 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.


CƠ CHẾ TẠO RA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

PHA KHỬ CỰC

[K +]=30
Gradient
nång ®é

Lùc ®iÖn
tr−êng

[Cl-]=1

[Na+]=1
Trong

V TR ≅80 mV

Mμng tÕ bμo

V NG = 0

Ngoμi

[K +]=1

[Cl-]=20

[Na+]=10