cac hien tuong ve dien tren co the song

______________________________________________________________________________________________

BÀI 4: CÁC HIỆN TƯỢNG VỀ ÐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG

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 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. Sự phát sinh ra dòng điện là một trong số những biểu hiện phức tạp, đa dạng của hoạt động sống. Dòng 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.

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 dòng điện sinh học (dòng 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 môi trường bên ngoài 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.

Kết quả của thí nghiệm phát hiện điện thế nghỉ mô tả trên hình 4.1 cho thấy:

· Khi 2 điện cực đặt trên bề mặt của sợi thần kinh thì không có sự chênh lệch về điện thế.

· 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 xuyên qua màng, không có sự chênh lệch về điện thế.

Như vậy giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một hiệu điện thế. Sự chênh lệch về điện thế này gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh.

· 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. Nếu sử dụng kỹ thuật ghi đo tốt chúng ta có thể duy trì để độ lớn của điện thế nghỉ không 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 mô 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 dòng điện đi qua chúng đủ nhỏ, không gây nên hiện tượng phân cực đáng kể.

Hình 4.3 mô 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.

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 ngoài 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.

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 dòng điện theo hướng từ điện cực thứ hai đến điện cực thứ nhất. Thiết bị ghi đó sẽ ghi lại dao động của dòng 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 còn ở vị trí (2) khi đó vị trí (2) lại trở nên âm so với vị trí (1), do dó dòng điện ở mạch ngoài 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 hoàn toàn 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).

Trong phương pháp này, chỉ có một điện cực lớn đặt ở vị trí (2) còn 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.

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

Khác với trên, quá 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 không có bao myêlin.

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, Hưber, Huxley, Katz nghiên cứu hiện tượng này sâu hơn.

Cần nhấn mạnh rằng chừng nào tế bào còn sống, còn có sự chênh lệch về nồng độ các ion ở trong tế bào và ở môi trường bên ngoài. Thí dụ, nồng độ ion K+ ở trong các sợi cơ lớn hơn ở không gian bên ngoài tế bào chừng 40 lần, còn nồng độ các ion Na+ thì ngược lại. Ở môi 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.

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 không xuất hiện hiệu điện thế khuếch tán.

Ðộ lớn của hiệu điện thế khuếch tán được lính bằng công thức sau:

Trong đó: R là hằng số khí lý tưởng (bằng 2calo/độ.mol); 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 trò chính trong việc tạo nên điện thế khuếch tán ở các tế bào và mô. Những ion khác giữ vai trò không đáng kể.

Khi mặt ngoài 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.

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.

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

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 20oC (T=293oK) lấy giá trị R=8,31J/mol.độ, F=96500 C.

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 môi 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 luôn 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 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.

Do sự chênh lệch nồng độ này, ở 2 phía của màng xuất hiện hiệu điện thế nồng độ UC

Theo lý thuyết ion màng, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật, các ion ở trong dịch bào và ở môi trường ngoài tế bào (đặc biệt các ion K+, Na+...) cũng như màng tế bào có vai trò quyết định. Cho tới nay lý thuyết này vẫn có nhiều ưu điểm trong việc giải thích các hiện tượng điện sinh vật.

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+ không 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 không 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 tạo điện thêm nghỉ (Na+, K+, Cl)
ở các đối tượng nghiên cứu khác nhau

Ðối tượng nghiên cứu

Nồng độ trong dịch bào (mM)

Nồng độ ở môi trường ngoài (mM)

Tỉ số Nồng độ trong dịch bào và Nồng độ ở

môi trướng ngoài

Na⁺

K⁺

Cl^-

Na⁺

K⁺

Cl^-

Na⁺

K⁺

Cl^-

Thần kinh ếch

Cơ ếch

Tim chuột cống

Cơ vân của chó

110

125

140

1,2

110

150

2,6

4,0

120

0,340

0,140

0,087

0,080

0,048

0,016

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.

Bằng thực nghiệm Boyle và Convey đã chứng minh rằng khi nồng độ ion K+ ở môi trường ngoài 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.

Tuy nhiên giả thuyết trên hầu như bị bác bỏ hoàn toàn 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-.

· Màng tế bào có tính chất đồng nhất và điện trường ở đó không đổi.

· Dung dịch điện ly coi như là lý tưởng, nghĩa là không 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.

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.

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

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 quá 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 cho nồng độ các ion này ở hai phía của màng tế bào có giá trị không 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 quá trình vận chuyển tích cực, ngược chiều với građiên nồng độ mà chúng ta đã nghiên cứu ở bài 3.

c. 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 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 trò của ion hóa trị 2 và hóa trị 3, mặc dù có nhiều kết quả thực nghiệm khẳng định vai trò của ion Ca2+ trong quá trình hình thành điện thế hoạt động.

- Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho ràng toàn 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.

d. 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 dòng 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 hoàn thành quá 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).

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. Dòng 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.