SINH HỌC 11 · Hệ thống điện thế màng và thần kinh - giác quan: từ Nernst đến GABA và tai
Đặc huấn hệ thống khái niệm Sinh học 11: điện thế nghỉ, phương trình Nernst, lực dẫn động, điện thế hoạt động, synapse, GABA-A và GABA-B, ức chế do shunt, cơ…
THPT AI LUKATO · SINH HỌC 11 · ĐẶC HUẤN HỆ THỐNG KHÁI NIỆM
Điện thế màng và thần kinh - giác quan: từ phương trình Nernst đến GABA và tai
Mọi tín hiệu thần kinh đều là chuyện ion qua màng. Một hệ thống liền mạch: tính điện thế cân bằng, đoán chiều dòng ion, hiểu vì sao GABA có lúc khử cực mà vẫn ức chế, rồi tới cơ đối kháng và tai.
15 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 5 CÔNG CỤ LUKATO 8 DẠNG BÀI 2 CA MẪU 4 BIẾN THỂ 8 BÀI LUYỆN 3 BẬC MỌI SỐ LIỆU ĐÃ KIỂM BẰNG MÁY
01 Bản đồ 02 Khái niệm 03 Công cụ 04 Dạng bài 05 Ca mẫu 06 Biến thể 07 Phòng luyện 08 Bẫy 09 Tổng kết 10 Tự kiểm tra
01 · TOÀN CẢNH
Bản đồ tư duy
Cả đơn vị đứng trên một câu: khi kênh của một ion mở, điện thế màng bị kéo về điện thế cân bằng của chính ion đó . Cột trái dạy tính điện thế cân bằng và chiều dòng ion; cột giữa dùng câu ấy cho xung thần kinh, synapse, GABA; cột phải đưa tín hiệu ra cơ và vào từ tai.
Vì sao đơn vị này quyết định điểm ở mức chuyên
- Câu định lượng luôn có bẫy dấu. Nernst cho cation và anion khác nhau một dấu trừ; Thước Nernst Hai Dấu buộc em soát dấu trước khi ghi đáp số.
- Câu suy luận hỏi "chiều". Ion vào hay ra, khử cực hay tăng phân cực, ức chế hay hưng phấn. La Bàn Lực Dẫn và Cân Điện Dẫn thay cảm giác bằng phép so sánh có lí do.
- Câu thực tiễn trộn nhiều tầng. Chất độc làm cơ co cứng hay liệt mềm? Nghe kém do tai giữa hay ốc tai? Chuỗi Năm Mắt Xích và Bản Đồ Ba Tầng Tai định vị đúng tầng rồi mới kết luận.
Mục tiêu năng lực: học xong em làm được
- Giải thích ba nguyên nhân tạo điện thế nghỉ.
- Tính E của ion hoá trị 1 và 2 bằng Nernst, đúng dấu với cation và anion.
- Từ V m − E ion chỉ ra chiều dòng ion và chiều biến đổi V m , kèm lí do.
- Giải thích các pha của xung bằng kênh Na + , K + ; vì sao đỉnh xung không chạm E Na .
- Phân biệt GABA-A, GABA-B; tính được ức chế do shunt.
- Dự đoán tác dụng của chất chủ vận, đối kháng, ức chế enzyme lên cặp cơ nhị đầu - tam đầu.
- Giải thích đường truyền âm, tai giữa, tế bào lông, màng đáy.
- Đọc thính lực đồ để tách nghe kém dẫn truyền với thần kinh - cảm giác và định vị trên màng đáy.
02 · MƯỜI KHÁI NIỆM GỐC
Nền tảng khái niệm
Quy ước toàn bài: V m = điện thế trong trừ điện thế ngoài (dịch ngoại bào là mốc 0); nồng độ tính bằng mM; số liệu ví dụ do LUKATO tự đặt.
Khái niệm 1. Điện thế nghỉ
Định nghĩa Điện thế màng khi tế bào không bị kích thích; mặt trong âm so với mặt ngoài, ở nơron thường cỡ −70 mV. Ba nguyên nhân: (1) chênh lệch nồng độ (K + trong cao, Na + ngoài cao) do bơm Na + -K + duy trì, mỗi ATP đưa 3 Na + ra, 2 K + vào; (2) tính thấm chọn lọc : lúc nghỉ màng có nhiều kênh K + rò, K + đi ra mang điện dương ra ngoài; (3) anion lớn (protein) trong tế bào không qua được màng.
Ví dụ đối lập Ở đỉnh xung mặt trong dương (đảo cực): không còn là điện thế nghỉ.
Hiểu lầm phổ biến. "Bơm trực tiếp tạo ra điện thế nghỉ." Bơm tạo và duy trì chênh lệch nồng độ ; phần lớn điện thế nghỉ do K + rò ra. Chỉ một lượng K + rất nhỏ ra là đủ tạo điện thế cản lại; nồng độ gần như không đổi.
Khái niệm 2. Điện thế cân bằng và phương trình Nernst
Định nghĩa E ion là điện thế màng tại đó lực điện cân bằng đúng xu hướng khuếch tán của ion, nên không có dòng ròng của ion ấy:
E ion = (RT / zF) · ln(C ngoài / C trong )
z là hoá trị kèm dấu (K + , Na + : 1; Cl − : −1; Ca 2+ : 2). Ở 37 độ C, 2,303 · RT/F xấp xỉ 61,5 mV; bài dùng 61 mV với logarit thập phân:
E ion = (61 / z) · lg(C ngoài / C trong ) (mV)
Ion · Ngoài · Trong · Phép tính · E ion
Na + · 140 · 14 · 61 · lg 10 = 61 · 1 · +61,0 mV
K + · 5 · 140 · 61 · lg(5/140) = 61 · (−1,447) · −88,3 mV
Cl − · 120 · 8 · (61/−1) · lg 15 = −61 · 1,176 · −71,7 mV
Đây là tế bào chuẩn LUKATO : nghỉ −70 mV, ngưỡng −55 mV.
Ví dụ đối lập E ion là điểm cân bằng riêng của từng ion, V m là điện thế thật: tế bào chuẩn có một V m nhưng ba giá trị E.
Hiểu lầm phổ biến. "Điện thế nghỉ chính là E K ." Tế bào chuẩn nghỉ ở −70, cao hơn E K = −88,3, vì lúc nghỉ màng vẫn thấm một ít Na + .
Khái niệm 3. Lực dẫn động và chiều dòng ion
Định nghĩa Lực dẫn động của một ion là V m − E ion : dấu quyết định chiều khi kênh mở; độ lớn nhân điện dẫn g quyết định dòng mạnh hay yếu. Nguyên lí gốc, luật nam châm : dòng ion luôn đưa V m tiến về E ion .
Trường hợp · Cation · Anion (Cl − ) · V m
V m cao hơn E · đi ra · đi vào · giảm về E
V m thấp hơn E · đi vào · đi ra · tăng về E
V m bằng E · không có dòng ròng · không đổi
Tế bào chuẩn lúc nghỉ: K + : −70 − (−88,3) = +18,3 mV, đi ra; Na + : −70 − 61 = −131 mV, đi vào rất mạnh nếu kênh mở; Cl − : −70 − (−71,7) = +1,7 mV, đi vào rất yếu.
Ví dụ đối lập Nếu V m đang −80 mV mà mở kênh Cl − : −80 − (−71,7) = −8,3 mV, Cl − đi ra dù nồng độ ngoài gấp 15 lần trong, màng khử cực nhẹ.
Hiểu lầm phổ biến. "Ion luôn đi từ nơi nồng độ cao sang thấp." Đó mới là một nửa lực; ion còn chịu lực điện. Phép so sánh V m với E đã gộp cả hai.
Khái niệm 4. Điện thế hoạt động và truyền xung
Định nghĩa Điện thế hoạt động (xung thần kinh) là biến đổi nhanh V m khi màng bị kích thích tới ngưỡng : (1) khử cực, đảo cực : kênh Na + phụ thuộc điện thế mở, Na + ồ ạt vào; (2) tái phân cực : kênh Na + bất hoạt, kênh K + phụ thuộc điện thế mở, K + ra; (3) quá phân cực sau : kênh K + đóng chậm, V m xuống dưới mức nghỉ về phía E K rồi hồi lại.
Đỉnh +40 mV thấp hơn E Na = +61; đáy −80 mV cao hơn E K = −88,3. Theo luật nam châm, khi chỉ có kênh Na + , K + , Cl − , V m chỉ nằm trong khoảng E K đến E Na ; đỉnh không chạm E Na vì kênh Na + bất hoạt và kênh K + mở trước. Tất cả hoặc không: dưới ngưỡng không có xung, đạt ngưỡng thì biên độ như nhau; cường độ kích thích mã hoá bằng tần số xung . Thời kì trơ làm xung lan một chiều. Sợi có myelin: xung nhảy cóc qua eo Ranvier, nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn sợi không myelin.
Ví dụ đối lập Điện thế sau synapse, điện thế thụ thể là biến đổi cấp độ , suy giảm theo khoảng cách; xung có biên độ cố định, lan không suy giảm.
Hiểu lầm phổ biến. "Tái phân cực do bơm đẩy Na + ra." Tái phân cực do kênh K + ; bơm duy trì chênh lệch nồng độ lâu dài.
Khái niệm 5. Synapse hoá học và điện thế sau synapse
Định nghĩa Synapse hoá học truyền tin từ chuỳ synapse sang tế bào sau bằng chất truyền tin , qua năm mắt xích:
Truyền một chiều vì túi chất truyền tin ở màng trước, thụ thể ở màng sau. Màng sau cho điện thế sau synapse hưng phấn (khử cực nhỏ, thường do kênh cho Na + vào) hoặc ức chế (làm khó đạt ngưỡng, thường do kênh Cl − hay K + ). Các điện thế này cộng gộp theo không gian và thời gian; nơron chỉ phát xung khi tổng đạt ngưỡng. Ở synapse thần kinh - cơ xương, chất truyền tin là acetylcholine, bị acetylcholinesterase phân giải.
Hiểu lầm phổ biến. "Chất truyền tin quyết định hưng phấn hay ức chế." Thụ thể màng sau quyết định: acetylcholine làm cơ xương co nhưng làm nhịp tim chậm lại.
Khái niệm 6. GABA và hai loại thụ thể
Định nghĩa GABA là chất truyền tin ức chế chủ yếu trong não người trưởng thành. GABA-A : thụ thể chính là kênh Cl − , tác dụng nhanh, chiều theo V m so với E Cl . GABA-B : thụ thể liên kết protein G ; ở màng sau gián tiếp mở kênh K + , K + ra, tăng phân cực, chậm và kéo dài; ở màng trước làm giảm Ca 2+ vào nên giảm giải phóng chất truyền tin.
Vị trí E Cl · Cl − tại V m nghỉ · V m · Tác dụng
Thấp hơn nghỉ · vào · tăng phân cực · ức chế
Bằng nghỉ · không dòng ròng · không đổi · ức chế do shunt
Giữa nghỉ và ngưỡng · ra · khử cực nhẹ, dừng dưới ngưỡng · vẫn ức chế do shunt
Cao hơn ngưỡng · ra · khử cực, có thể vượt ngưỡng · có thể hưng phấn
Ức chế do shunt : kênh Cl − mở nhiều "neo" màng vào E Cl ; nếu E Cl dưới ngưỡng, mọi dòng hưng phấn đến cùng lúc bị kéo bớt, nên khó đạt ngưỡng dù V m không giảm. Ở một số nơron non, Cl − trong cao nên E Cl dương hơn điện thế nghỉ và GABA-A gây khử cực.
Hiểu lầm phổ biến. "Ức chế nghĩa là tăng phân cực." Ức chế là làm giảm khả năng đạt ngưỡng ; neo điện thế dưới ngưỡng cũng là ức chế. "Khử cực" không đồng nghĩa "hưng phấn".
Khái niệm 7. Phản xạ và cặp cơ đối kháng
Định nghĩa Cơ đối kháng : cơ nhị đầu co gấp khuỷu, cơ tam đầu co duỗi khuỷu. Gấp trơn tru cần nhị đầu co đồng thời tam đầu giãn. Ở tuỷ sống, tín hiệu kích thích nơron vận động nhị đầu cũng kích thích một nơron trung gian ức chế , nơron này ức chế nơron vận động tam đầu.
Ở động vật có xương sống, synapse thần kinh - cơ xương chỉ hưng phấn . Cơ tam đầu giãn vì nơron vận động của nó ngừng phát xung ; mọi ức chế nằm ở thần kinh trung ương. Vì vậy chất chủ vận thụ thể ức chế (như chất hoạt hoá GABA-B) tác động lên nơron trong tuỷ làm giảm phát xung của nơron vận động và được dùng làm thuốc giãn cơ.
Ví dụ đối lập Phong bế thụ thể acetylcholine ở màng cơ: liệt mềm, nơron vẫn phát xung mà cơ không đáp ứng.
Hiểu lầm phổ biến. "Cơ tam đầu giãn vì nhận chất ức chế tại màng cơ." Sai tầng: ức chế đặt lên nơron vận động trong tuỷ.
Khái niệm 8. Thụ thể cảm giác và mã hoá cường độ
Định nghĩa Thụ thể cảm giác chuyển năng lượng kích thích thành điện thế thụ thể (biến đổi cấp độ). Khi nơron cảm giác đạt ngưỡng thì phát xung; kích thích mạnh hơn cho tần số xung cao hơn và huy động nhiều sợi hơn.
Tiêu chí · Điện thế thụ thể, sau synapse · Điện thế hoạt động
Biên độ · cấp độ, theo cường độ · cố định (tất cả hoặc không)
Ngưỡng · không cần · chỉ có khi đạt ngưỡng
Lan truyền · suy giảm theo khoảng cách · không suy giảm
Hiểu lầm phổ biến. "Âm to thì mỗi xung cao hơn." Biên độ xung cố định; âm to làm tăng tần số xung và số sợi.
Khái niệm 9. Tai ngoài, tai giữa: dẫn và khuếch đại áp suất
Định nghĩa Vành tai hứng âm, ống tai dẫn tới màng nhĩ ; màng nhĩ rung, truyền qua chuỗi xương con (búa, đe, bàn đạp); xương bàn đạp đẩy cửa sổ bầu dục , tạo sóng áp suất trong dịch ốc tai . Vòi nhĩ cân bằng áp suất hai bên màng nhĩ. Không có tai giữa, âm từ không khí vào dịch bị phản xạ phần lớn; tai giữa là bộ biến đổi áp suất : lực thu trên màng nhĩ rộng dồn lên cửa sổ bầu dục nhỏ, cộng tác dụng đòn bẩy. Số liệu giả định: 60 mm 2 , 3 mm 2 , đòn bẩy 1,3 cho áp suất tăng 60/3 · 1,3 = 26 lần.
Ví dụ đối lập Viêm tai giữa, thủng màng nhĩ làm giảm sự khuếch đại: giảm thính lực dẫn truyền ; ốc tai vẫn lành nên âm truyền qua xương sọ vẫn nghe tốt.
Hiểu lầm phổ biến. "Tai giữa tạo thêm năng lượng âm." Nó tăng áp suất để năng lượng vào dịch hiệu quả hơn, không tạo năng lượng.
Khái niệm 10. Ốc tai, màng đáy và tế bào lông
Định nghĩa Sóng áp suất làm màng đáy dao động (cửa sổ tròn phồng ra giải phóng áp suất). Màng đáy hẹp và cứng ở đáy (gần cửa sổ bầu dục), rộng và mềm ở đỉnh : tần số cao làm đáy dao động mạnh nhất, tần số thấp làm vùng gần đỉnh dao động mạnh nhất. Người nghe khoảng 20 Hz đến 20 000 Hz.
Trên màng đáy, cơ quan Corti chứa tế bào lông . Màng đáy dao động làm lông lập thể uốn so với màng mái; uốn về phía lông cao nhất thì kênh ion cơ học mở; dịch quanh đỉnh lông giàu K + nên dòng vào chủ yếu là K + , tế bào khử cực và giải phóng chất truyền tin lên sợi thần kinh thính giác; uốn ngược lại thì kênh đóng. Ở người, tế bào lông bị phá huỷ (tiếng ồn lớn kéo dài, tuổi) không tái sinh : giảm thính lực thần kinh - cảm giác vĩnh viễn.
Ví dụ đối lập Viêm tai giữa: kém gần như mọi tần số, thường hồi phục; hỏng tế bào lông vùng đáy: chỉ mất tần số cao, không hồi phục.
Hiểu lầm phổ biến. "Đáy rộng nên nhận âm trầm." Ngược lại. Và "K + vào thì tăng phân cực" sai ở tế bào lông: Bài 8 của Phòng luyện giải thích bằng La Bàn.
GIA SƯ NHẮC Mười khái niệm chung một trục: V m so với E . Trước mọi câu "ion đi đâu, màng thế nào", viết ra hai con số đó rồi mới trả lời.
03 · NĂM CÔNG CỤ LUKATO
Bộ công cụ phán đoán
Công cụ 1. Thước Nernst Hai Dấu
Khi nào dùng Đề cho nồng độ ion hai bên màng, hỏi E hoặc E đổi ra sao khi nồng độ đổi.
Các bước (1) Xác định ion và z có dấu. (2) E = (61/z) · lg(C ngoài /C trong ): luôn ngoài trên, trong dưới , dấu anion nằm trong z. (3) Soát trực giác: cation nhiều ở ngoài thì E dương; cation nhiều ở trong hoặc anion nhiều ở ngoài thì E âm.
Ví dụ mini. Ca 2+ ngoài 2 mM, trong 0,0001 mM: hệ số 61/2 = 30,5 mV; lg 20 000 = 4,301; E Ca = 30,5 · 4,301 = +131,2 mV. Cation nhiều ở ngoài, E dương: khớp.
Điều kiện thất bại Nhiệt độ khác 37 độ C thì hệ số đổi (20 độ C khoảng 58 mV). Hệ số 61 đi với lg; dùng ln thì hệ số khoảng 26,7 mV. Nernst chỉ cho điểm cân bằng của một ion, không cho V m khi màng thấm nhiều ion.
Công cụ 2. La Bàn Lực Dẫn
Khi nào dùng Hỏi ion vào hay ra, khử cực hay tăng phân cực, ức chế hay hưng phấn.