Khi tế bào ở trạng thái nghỉ điện thế màng sẽ xảy ra trạng thái

Trong hình A, ở một sợi thần kinh, bên trong màng có nồng độ ion k rất cao, ngoài màng nồng độ kali thấp. Giả sử lúc này màng trở nên rất thấm một loại ion là kali mà không thấm ion nào khác. Vì chênh lệch nồng độ cao giữa trong và ngoài tế bào, có một xu hướng các ion kali khuếch tán ra ngoài qua màng bán thấm, như vậy kali mang theo các điện tích dương ra ngoài màng, để lại các điện tích âm bên trong (vì các ion âm không khuếch tán qua màng cùng ion kali). Trong thời gian mili giây, chênh lêch điện thế giữa trong và ngoài màng tế bào gọi là điện thế khuếch tán, điện thế này đạt tới mức ngăn không cho kali ra ngoài màng tế bào nữa, tuy nồng độ kali bên trong vẫn cao hơn bên ngoài. Ở sợi thần kinh động vật có vú, sự chênh lệch điện thế là khoảng 94 mV, âm bên trong màng.

Trong hình B, chỉ ra hiệu ứng tương tự hình A. Nhưng lúc này là ion natri với nồng độ cao bên ngoài và nồng độ thấp bên trong màng tế bào. Những ion này cũng mang điện tích dương. Thời điểm này màng có tính thấm cao vs ion Na mà ko cho các ion khác thấm qua.

Sự khuếch tán của ion dương natri tạo điện thế màng trái dấu với với trường hợp ion kali như hình A, tức là ngoài màng âm, trong màng dương. Trong vài mili giây , điện thế tăng vọt đủ ngăn không cho ion na khuếch tán thêm vào nữa. Lúc này, ở sợi thần kinh đọng vật có vú điện thế là khoảng 61mV, điện tích dương ở bên trong màng.

Như vậy, ở cả 2 hình, chúng ta thấy rằng dưới điều kiện thích hợp sự chênh lệch nồng độ các ion qua màng bán thấm chọn lọc, tạo nên điện thế màng.

Phương trình Nernst mô tả tương quan giữa điện thế khuếch tán và hiệu nồng độ ion

Điện thế giữa hai bên màng, khi đạt giá trị vừa đủ để ngăn sự khuếch tán thực một ion qua màng gọi là điện thế Nernst đối với ion đó.

Hình. A, Thiết lập khả năng khuếch tán qua màng sợi thần kinh, gây ra bởi sự khuếch tán các ion kali từ bên trong tế bào ra bên ngoài thông qua một màng chỉ có thể thấm qua kali. B, Thiết lập khả năng khuếch tán khi màng sợi thần kinh chỉ thấm vào các ion natri. Lưu ý rằng điện thế màng trong là âm khi các ion kali khuếch tán và dương khi các ion natri khuếch tán do nồng độ ngược nồng độ của hai ion này.

Giá trị của điện thế N được quyết định bởi tỉ lệ nồng độ các ion đặc biệt hai bên màng, tỉ lệ nồng độ ion càng lớn thì xu thế khuếch tán ion càng mạnh và điện thế N càng cao để ngăn cản sự khuếch tán thực tiếp tục xảy ra nữa.

Phương trình sau gọi là phương trình N, có thể được dùng để tính toán điện thế N cho bất kì ion có hóa trị 1 nào ở điều kiện nhiệt độ cơ thể bình thường 98,6 độ F(37 độ C).

EMF(millivolts) = ±61/z ×log (nồng độ bên trong)/(nồng độ bên ngoài)

EMF: lực điện động, z: điện tích của ion vd: +1 đối với K+

Khi dùng phương trình này, ta luôn thừa nhận rằng điện thế ngoài màng tế bào bao giờ cũng bằng 0, và điện thế N là điện thế bên trong màng tế bào. Dấu của điện thế là (+) nếu ion khuếch tán từ trong ra ngoài màng tế bào là ion âm, và dấu của điện thế là âm khi ta có ion dương khuếch tán. Vì vậy với ví dụ trên khi nồng độ ion dương K+ bên trong cao gấp 10 lần bên ngoài , thì log của 10 là 1, điện thế N sẽ được tính là 61mV bên trong màng.

Phương trình Goldman được dùng để tính điện thế khuếch tán khi màng thấm nhiều ion khác nhau

Khi màng thấm nhiều ion khác nhau thì điện thế khuếch tán phụ thuộc 3 yếu tố:

(1) dấu của điện tích ion, (2) tính thấm P của màng đối với mỗi ion và (3) nồng độ các ion (C) tương ứng bên trong( i) và bên ngoài màng (o). vì vậy phương trình sau gọi là phương trình Goldman hay phương trình Goldman- hoagkin Katz đưa ra cách tính điện thế bên trong màng tế bào khi có 2 ion dương hóa trị một là Na+ và K+ và một ion âm hóa trị một là Cl-.

Những điểm đáng chú ý của Phương trình Goldman là : thứ nhất: các ion Na, K và Cl đều rất quan trọng trong việc tạo điện thế màng ở dây thần kinh cũng như tế bào nơ ron trong hệ thần kinh trung ương. Sự chênh lệch nồng độ các ion này qua màng sẽ giúp xác định điện thế màng. Thứ 2: mức độ quan trọng của mỗi ion trong việc tạo điện thế tỉ lệ với tính thấm của ion đó qua màng. Ví dụ nếu màng không thấm K+ và Cl - , điện thế màng chỉ phụ thuộc chênh lệch nồng độ na và sẽ bằng đúng trị số phương trình Nernst đối với ion Na.

Hình. Đo điện thế màng của sợi thần kinh bằng vi điện cực

Thứ 3: nếu nồng độ ion dương bên trong màng cao hơn bên ngoài màng sẽ tạo ra điện thế âm bên trong màng. Lí do của hiệu ứng này là quá nhiều ion dương sẽ khuếch tán ra ngoài, sự khuếch tán này sẽ mang theo diện tích dương ra bên ngoài để lại các ion âm không lọt màng, ở lại tạo điện thế âm trong màng. Hiệu ứng ngược lại xảy ra khi có một sự chênh lệch nồng độ ion âm. Ví dụ chệnh lệch nồng độ ion clo ở bên ngoài và trong màng tạo ra âm bên trong màng vì sự khuếch tán quá mức ion clo mang điện tích âm vào bên trong, trong khi đó không có sự khuếch tán các ion dương ra ngoài.

Thứ 4: tính thấm của kênh na và k biến đổi cực nhanh khi có xung động thần kinh, trong khi tính thấm của ion kênh clo biến đổi chậm, cho nên tính thấm na và k có ý nghĩa chủ yếu đối với sự truyền đạt tín hiệu trên dây thần kinh.

Hầu như mọi tế bào của cơ thể đều có điện thế ở hai bên màng tế bào. Một số tế bào như tế bào thần kinh và tế bào cơ, sự hình thành những xung động điện hóa thay đổi một cách nhanh chóng ở màng, những xung động này truyền tín hiệu dọc theo màng. Một số tế bào khác như tế bào tuyến, đại thực bào, tế bào lông có những biến đổi điện thế màng có chức năng khác nhau.

Chương này ôn lại những cơ chế chính của việc hình thành điện thế màng lúc nghỉ và điện thế hoạt động của tế bào thần kinh và cơ.

CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA ĐIỆN THẾ MÀNG

ĐIỆN THẾ MÀNG ĐƯỢC TẠO RA BỞI NỒNG ĐỘ CÁC ION

Màng bán thấm có tính thấm chọn lọc

Trong hình 5- 1A, ở một sợi thần kinh, bên trong màng có nồng độ ion kali rất cao, ngoài màng nồng độ kali thấp. Giả sử lúc này màng trở nên rất thấm một loại ion là kali mà không thấm ion nào khác. Vì chênh lệch nồng độ cao giữa trong và ngoài tế bào, có một xu hướng các ion kali khuếch tán ra ngoài qua màng bán thấm, như vậy kali mang theo các điện tích dương ra ngoài màng, để lại các điện tích âm bên trong (vì các ion âm không khuếch tán qua màng cùng ion kali). Trong thời gian mili giây, chênh lêch điện thế giữa trong và ngoài màng tế bào gọi là điện thế khuếch tán, điện thế này đạt tới mức ngăn không cho kali ra ngoài màng tế bào nữa, tuy nồng độ kali bên trong vẫn cao hơn bên ngoài. Ở sợi thần kinh động vật có vú, sự chênh lệch điện thế là khoảng 94 mV, âm bên trong màng.

Trong hình 5-1B, chỉ ra hiệu ứng tương tự hình 5-1A. Nhưng lúc này là ion natri với nồng độ cao bên ngoài và nồng độ thấp bên trong màng tế bào. Những ion này cũng mang điện tích dương. Thời điểm này màng có tính thấm cao với ion Na mà không cho các ion khác thấm qua.

Sự khuếch tán của ion dương natri tạo điện thế màng trái dấu với với trường hợp ion kali như hình 5-1A, tức là ngoài màng âm, trong màng dương. Trong vài mili giây, điện thế tăng vọt đủ ngăn không cho ion Na khuếch tán thêm vào nữa. Lúc này, ở sợi thần kinh động vật có vú điện thế là khoảng 61mV, điện tích dương ở bên trong màng.

Như vậy, ở cả 2 hình 5-1, chúng ta thấy rằng dưới điều kiện thích hợp sự chênh lệch nồng độ các ion qua màng bán thấm chọn lọc, tạo nên điện thế màng. Phần sau của chương này, chúng ta chỉ ra nhiều sự thay đổi điện thế màng quan sát được trong suốt quá trình truyền xung động thần kinh và cơ, là kết quả của sự xảy ra nhanh chóng của điện thế khuếch tán.

Phương trình Nernst mô tả tương quan giữa điện thế khuếch tán và hiệu nồng độ ion

Điện thế giữa hai bên màng, khi đạt giá trị vừa đủ để ngăn sự khuếch tán thực một ion qua màng gọi là điện thế Nernst đối với ion đó, một thuật ngữ đã được giới thiệu trong chương 4.

Hình 5-1

Hình 5-1.

A– Sự hình thành điện thế khuếch tán qua màng tế bào sợi thần kinh bởi sự khuếch tán chọn lọc các ion kali từ bên trong màng ra ngoài

B– Sự hình thành điện thế khuếch tán qua màng tế bào sợi thần kinh khi chỉ có tính thấm với mình ion natri. Lưu ý rằng điện thế bên trong màng âm khi ion kali khuếch tán và dương khi ion natri khuếch tán do sự đối ngược nhau về nồng độ của chúng ở 2 bên màng tế bào. Giá trị của điện thế N được quyết định bởi tỉ lệ nồng độ các ion đặc biệt hai bên màng, tỉ lệ nồng độ ion càng lớn thì xu thế khuếch tán ion càng mạnh và điện thế N càng cao để ngăn cản sự khuếch tán thực tiếp tục xảy ra nữa. Phương trình sau gọi là phương trình N, có thể được dùng để tính toán điện thế N cho bất kì ion có hóa trị 1 nào ở điều kiện nhiệt độ cơ thể bình thường 98,6 độ F (37 độ C.)

EMF: lực điện động, z: điện tích của ion vd: +1 đối với K+

Khi dùng phương trình này, ta luôn thừa nhận rằng điện thế ngoài màng tế bào bao giờ cũng bằng 0, và điện thế N là điện thế bên trong màng tế bào. Dấu của điện thế là (+) nếu ion khuếch tán từ trong ra ngoài màng tế bào là ion âm, và dấu của điện thế là âm khi ta có ion dương khuếch tán. Vì vậy với ví dụ trên khi nồng độ ion dương K+ bên trong cao gấp 10 lần bên ngoài, thì log của 10 là 1, điện thế N sẽ được tính là 61mV bên trong màng.

Phương trình Goldman được dùng để tính điện thế khuếch tán khi màng thấm nhiều ion khác nhau:

Khi màng thấm nhiều ion khác nhau thì điện thế khuếch tán phụ thuộc 3 yếu tố: (1) dấu của điện tích ion, (2) tính thấm P của màng đối với mỗi ion và (3) nồng độ các ion (C) tương ứng bên trong (i) và bên ngoài màng (o). Vì vậy phương trình sau gọi là Phương trình Goldman hay phương trình Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz đưa ra cách tính điện thế bên trong màng tế bào khi có 2 ion dương hóa trị một là Na+ và K+ và một ion âm hóa trị một là Cl-

Những điểm đáng chú ý của Phương trình Goldman là:

Thứ nhất: các ion Na, K và Cl đều rất quan trọng trong việc tạo điện thế màng ở dây thần kinh cũng như tế bào nơron trong hệ thần kinh trung ương. Sự chênh lệch nồng độ các ion này qua màng sẽ giúp xác định điện thế màng.

Thứ 2: mức độ quan trọng của mỗi ion trong việc tạo điện thế tỉ lệ với tính thấm của ion đó qua màng. Ví dụ nếu màng không thấm K+ và Cl-, điện thế màng chỉ phụ thuộc chênh lệch nồng độ Na và sẽ bằng đúng trị số phương trình Nernst đối với ion Na.

Hình 5-2

Thứ 3: nếu nồng độ ion dương bên trong màng cao hơn bên ngoài màng sẽ tạo ra điện thế âm bên trong màng. Lí do của hiệu ứng này là quá nhiều ion dương sẽ khuếch tán ra ngoài, sự khuếch tán này sẽ mang theo diện tích dương ra bên ngoài để lại các ion âm không lọt màng, ở lại tạo điện thế âm trong màng. Hiệu ứng ngược lại xảy ra khi có một sự chênh lệch nồng độ ion âm. Ví dụ chệnh lệch nồng độ ion Clo ở bên ngoài và trong màng tạo ra âm bên trong màng vì sự khuếch tán quá mức ion clo mang điện tích âm vào bên trong, trong khi đó không có sự khuếch tán các ion dương ra ngoài.

Thứ 4: tính thấm của kênh Na và K biến đổi cực nhanh khi có xung động thần kinh, trong khi tính thấm của ion kênh Clo biến đổi chậm, cho nên tính thấm Na và K có ý nghĩa chủ yếu đối với sự truyền đạt tín hiệu trên dây thần kinh, chủ đề này sẽ được nhắc đến trong phần còn lại của chương.

ĐO ĐIỆN THẾ MÀNG

Phương pháp đo điện thế màng là đơn giản về mặt lí thuyết nhưng lại khó áp dụng trong thực tế vì kích thước của phần lớn các sợi rất nhỏ. Hình 5-2 chỉ ra một pi pét nhỏ cắm vào một dung dịch điện giải. Pipet đâm xuyên qua màng tế bào vào bên trong của sợi. Một điện cực khác được gọi là điện cực trung tính, được đặt ở vị trí dịch ngoại bào, sự chênh lệch điện thế ở bên trong và ngoài màng được đo bởi một máy vôn kế thích hợp. Máy vôn kế này là một thiết bị điện tinh vi có thể đo được điện thế nhỏ mặc dù trở kháng rất cao với dòng điện tích di chuyển qua đầu của micro pipet – có đường kính lumen nhỏ hơn 1 micro met và điện trở hơn 1000 m ôm. Để ghi lại nhanh sự biến đổi điện thế màng trong quá trình lan truyền xung động thần kinh, vi điện cực này được kết nối với một nghiệm dao động sẽ được giải thích trong chương sau.

Hình 5-3

Phần dưới của hình 5.3 chỉ ra điện thế được đo ở mỗi điểm bên trong hoặc gần màng tế bào sợi thần kinh, bắt đầu bên trái của hình và sang bên phải, nếu điện thế đo được bên ngoài màng tế bào thần kinh bằng 0 thì đó là điện thế của dịch ngoại bào. Sau đó điện thế đo được qua vôn kế thay đổi theo từng khu vực của tế bào (được gọi là lớp điện thế lưỡng cực), điện thế giảm đột ngột xuống -90mV. Chuyển đến trung tâm của dây thần kinh, điện thế duy trì ở mức ổn định -90mV nhưng quay ngược lại mức 0 ngay khi nó nó đi qua màng ở phía đối diện dây thần kinh.

Để tạo ra một điện thế âm bên trong màng, chính các ion dương chỉ đủ phát triển lớp điện thế lưỡng cực ở màng phải được vận chuyển ra phía ngoài. Tất cả những ion duy trì bên trong sợi thần kinh có thể dương hoặc âm được chỉ ra ở phần trên của hình 5.3. Vì vậy, sự vận chuyển của một lượng rất nhỏ các ion qua màng có thể thiết lập nên điện thế nghỉ -90mV bên trong sợi thần kinh, điều này có nghĩa là chỉ khoảng 1/3000000 tới 1/ 100 000 000 lượng điện thế dương bên trong màng sợi thần kinh được vận chuyển. Ngoài ra, một số lượng nhỏ ngang bằng với lượng ion dương di chuyển từ bên ngoài vào bên trong sợi thần kinh có thể đảo ngược điện thế từ -90mV lến rất nhiều tới +35mV trong thời gian 1/10000 giây. Sự thay đổi vị trí nhanh chóng của các ion theo cách này tạo ra các tín hiệu thần kinh được thảo luận trong những phần tiếp theo của chương.

ĐIỆN THẾ NGHỈ CỦA SỢI THẦN KINH

Điện thế nghỉ của những dây thần kinh lớn khi chúng không truyền tín hiệu thần kinh là khoảng -90mV.

Hình 5-4

Ví dụ, điện thế bên trong dây thần kinh là âm hơn 90mV so với bên ngoài. Ở những phần tiếp theo, tính chất vận chuyển của màng tế bào thần kinh với ion natri, kali và những yếu tố xác định mức điện thế nghỉ sẽ được giải thích.

Vận chuyển chủ động ion natri, kali qua màng- Bơm Natri-Kali.

Nhắc lại từ chương 4 rằng: tất cả tế bào trong cơ thể đều có một bơm Natri-Kali rất mạnh liên tục vận chuyển natri ra ngoài và kali vào trong tế bào, như được minh hoa ở hình 5.4. Chú ý rằng đây là một bơm điện tích vì nhiều điện tích dương được bơm ra ngoài hơn vào trong (3 Na đi ra cho 2 K đi vào) để lại một sự hao hụt điện tích dương bên trong gây ra điện thế âm phía trong màng tế bào.

Na (bên ngoài) 142 mEq/l

Na (bên trong) 14 mEq/l

K (bên ngoài) 4 mEq/l

K (bên trong) 140 mEq/l

Các tỉ lệ tương ứng của 2 ion bên trong và ngoài màng là:

Na trong/ngoài: 0,1

K trong/ngoài: 35

Sự rò rỉ kali qua màng tế bào thần kinh

Phía bên phải hình 5.4 chỉ ra kênh protein (đôi khi gọi là kênh kali hoặc kênh rò rỉ kali) trong màng tế bào thần kinh mà qua đó K+ có thể bị rò rỉ ngay cả khi tế bào bào đang nghỉ. Cấu trúc chính của kênh K+ được mô tả trong chương 4, (Hình 4.4) Những kênh K+ này cũng có thể rò rỉ một lượng nhỏ Na, nhưng đáng chú ý hơn là tính thấm màng đối với K+ cao hơn Na khoảng 100 lần. Sự chênh lệch tính thấm này sẽ được thảo luận sau là chìa khóa để xác định điện thế màng lúc nghỉ.

NGUỒN GỐC CỦA ĐIỆN THẾ NGHỈ

Hình 5.5 Chỉ ra những yếu tố quan trọng thiết lập nên điện thế màng, đó là:

Hình 5-5

Hình 5-5: Sự hình thành điện thế nghỉ trong sợi thần kinh dưới 3 điều kiện:

A: Khi điện thế màng tế bào được tạo ra bởi sự khuếch tán của mình ion kali.

B: Khi điện thế màng tế bào được tạo ra sự khuếch tán của ion kali và natri.

C: Khi điện thế màng tế bào được tạo ra sự khuếch tán của ion kali và natri, thêm vào đó là hoạt động của bơm Natri- Kali

Sự đóng góp góp của sự khuếch tán kali: hình 5.5A, chúng ta giả định rằng chỉ có sự vận chuyển của mình ion kali được khuếch tán qua màng, được chứng minh bởi sự mở kênh kali bên trong và ngoài màng tế bào. Vì tỉ lệ nồng độ kali trong và ngoài màng rất cao, tới 35:1, theo phương trình Nerst, khuếch tán kali tạo điện thế là -61 mV x log35 = -94mV. Vì vậy nếu kali là ion duy nhất tạo ra điện thế nghỉ thì điện thế nghỉ bên trong sợi thần kinh sẽ là -94mV như được chỉ ra ở hình vẽ.

Sự đóng góp của khuếch tán ion natri: Hình 5-5B chỉ ra phần đóng góp thêm cho điện thế màng do khuếch tán natri, gây ra bởi sự khuếch tán natri qua sự rò rỉ kênh Na+-K+. Tỉ lệ nồng độ với natri bên trong và ngoài màng là 0,1, do đó tính điện thế bên trong màng theo phương trình N là +61mV. Hơn nữa được chỉ ra ở hình 5-5B là điện thế khuếch tán kali là -94mV. Vậy chúng sẽ tác động lẫn nhau như thế nào? Và điện thế tổng hợp là gì? Câu hỏi này sẽ được trả lời bởi phương trình Goldman đã được mô tả từ trước. Bằng trực giác, có thể thấy rằng nếu màng có tính thấm cao với kali nhưng chỉ có tính thấm thấp với natri thì sẽ rất hợp lí nếu sự đóng góp của kali cho việc hình thành điện thế màng là nhiều hơn natri. Ở tế bào thần kinh bình thường, sự khuếch tán của kali gấp 100 lần natri. Dùng tỉ số này vào phương trình Goldman điện thế bên trong màng là -86mV, gần với điện thế khuếch tán kali được chỉ ra trong hình.

Sự đóng góp của bơm Na+-K+: Trong hình 5-5C, bơm Na+-K+ được chỉ ra để cung cấp thêm sự đóng góp vào điện thế nghỉ. Hình này chứng minh việc bơm liên tục 3 ion natri ra bên ngoài màng xảy ra thì có 2 ion kali được bơm vào bên trong. Việc bơm nhiều ion natri hơn kali gây ra việc mất điện tích dương bên trong màng tế bào, tạo thêm một mức điện thế âm (khoảng -4mV) phía bên trong màng so với chỉ khuếch tán đơn thuần. Như vậy, như được chỉ ra ở hình 5-5 C, điện thế màng được tạo bởi tất cả các yếu tố này tác động vào cùng 1 thời điểm là -90mV.

Tóm tại, sự khuếch tán đơn thuần kali và natri sẽ tạo ra điện thế màng khoảng -86mV, nó được tạo thành hầu hết bởi sự khuếch tán kali. Thêm vào đó -4mV được tạo ra do hoạt động bơm liên tục của bơm Na+-K+, tạo nên điện thế màng -90mV

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TẾ BÀO THẦN KINH

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TẾ BÀO THẦN KINH

Điện thế hoạt động di chuyển dọc theo màng nơron truyền đạt các tín hiệu thần kinh. Mỗi điện thế hoạt động bắt đầu từ sự thay đổi đột ngột điện thế âm của màng thành điện thế dương và kết thúc với một tốc độ thay đổi nhanh chóng tương đương để trở lại điện thế âm. Để tạo ra những tín hiệu thần kinh, điện thế hoạt động di chuyển dọc theo tế bào sợi thần kinh cho tới điểm kết thúc của nó.

Phần trên của Hình 5-6 chỉ ra sự thay đổi xảy ra ở màng trong suốt quá trình xuất hiện điện thế hoạt động với sự vận chuyển điện tích dương vào bên trong màng vào lúc bắt đầu và sau đó trả lại điện tích dương ra ngoài vào lúc kết thúc. Phần dưới của hình vẽ chỉ ra sự thay đổi tiếp theo của điện thế màng chỉ trong một vài phần vạn giây, chứng minh sự xuất hiện bùng nổ của điện thế hoạt động và sự quay lại trạng thái ban đầu cũng nhanh tương đương.

Những giai đoạn liên tiếp nhau của điện thế hoạt động

Hình 5-6

Giai đoạn nghỉ: Giai đoạn nghỉ là điện thế màng trước khi điện thế hoạt động xuất hiện. Người ta nói là màng ở trạng thái khử cực hóa trong suốt giai đoạn này bởi điện thế màng -90mV chứng minh điều đó

Giai đoạn khử cực: Vào thời điểm này, màng đột nhiên rất thấm với ion natri, cho phép một lượng lớn natri ùa vào bên trong sợi trục nơron. Trạng thái cực hóa -90mV ngay lập tức bị mất bởi dòng natri mang điện tích dương tạo nên sự chuyển nhanh chóng điện thế sang phía điện thế dương. Hiện tượng này gọi là khử cực. Ở những sợi thần kinh lớn, quá nhiều natri di chuyển vào bên trong gây ra điện thế màng tăng quá đà qua mức 0 tới một giá trị dương nào đó. Ở một số tế bào thần kinh nhỏ hơn, cũng như những nơron của tế bào thần kinh trung ương, điện thế chỉ đo được gần tới mức không, chứ không vọt quá đà lên trị số dương.

Giai đoạn tái cực: Ngay trong khoảnh khắc ngắn vài phần vạn giây sau khi màng tăng vọt tính thấm với natri, kênh natri bắt đầu đóng và kênh kali mở rộng hơn bình thường. Sau đó ion kali khuếch tán nhanh chóng ra ngoài tái tạo lại trạng thái cực hóa lúc nghỉ, do đo được gọi là giai đoạn tái cực.

Để giải thích đầy đủ hơn về các yếu tố gây ra quá trình khử cực và tái cực, chúng ta sẽ mô tả những đặc điểm của 2 loại kênh vận chuyển qua màng tế bào thần kinh: cổng điện thế natri và kênh kali.

KÊNH CÓ CÁNH CỔNG ĐIỆN THẾ NATRI VÀ KALI

Yếu tố cần thiết gây nên quá trình khử cực và tái cực của màng tế bào thần kinh trong suốt quá trình điện thế hoạt động là kênh có cánh cổng điện thế natri- đóng vai trò quan trọng trong việc tăng nhanh chóng hoạt động tái cực của màng tế bào. 2 kênh có cánh cổng điện thế này được thêm vào cùng với bơm Na+-K+ và kênh rò rỉ kali

Hoạt hóa và khử hoạt kênh có cánh cổng điện thế natri. Phần trên của hình 5-7 chỉ ra kênh có cánh cổng điện thế natri ở 3 giai đoạn riêng biệt. Kênh này có 2 cổng: một ở bên ngoài được gọi là cổng hoạt hóa và một cổng ở bên trong gọi là cổng bất hoạt. Phía trên trái của hình vẽ thể hiện giai đoạn hai cổng này khi màng đang nghỉ, khi điện thế màng là -90mV. Ở giai đoạn này cổng hoạt hóa bị đóng lại, ngăn cản bất kì dòng natri nào vào bên trong sợi thần kinh qua kênh natri.

Hình 5-7

Hoạt hóa kênh natri: Khi điện thế màng trở nên ít âm hơn trong giai đoạn nghỉ, tăng dần từ -90mV về phía 0, khi lên tới trị số khoảng -70 đến -50mV thì điện thế đó tạo một sự biến đổi đột ngột hình dáng cổng hoạt hóa, cánh cổng này chuyển sang vị trí mở cửa, ion natri ùa qua kênh vào trong tế bào vì tính thấm của natri với màng tăng lên gấp 500-5000 lần.

Khử hoạt kênh natri: Phần trên Hình 5-7 chỉ ra giai đoạn 3 của kênh natri. Sự tăng điện thế làm mở cổng hoạt hóa thì đồng thời cũng làm đóng cổng khử hoạt. Cổng khử hoạt được đóng trong vòng vài phần vạn giây sau khi cổng hoạt hóa được mở. Có điều là mở cổng hoạt hóa thì nhanh trong khi đóng cổng khử hoạt thì từ từ. Vì vậy sau khi kênh natri được mở và duy trì trong vài phần vạn giây, cổng khử hoạt đóng lại và ion natri không thể tràn vào bên trong màng tế bào. Ở điểm này, điện thế màng bắt đầu trở lại trạng thái lúc nghỉ. Đây gọi là quá trình tái cực.

Một đặc điểm đáng chú ý của quá trình hoạt động khử hoạt kênh natri là cổng khử hoạt không mở trở lại cho tới khi điện thế màng đã quay trở về hoặc gần tới mức điện thế nghỉ ban đầu. Do đó không thể có kênh natri mở trở lại mà không có sự tái cực của các sợi thần kinh

Hình 5-8

Kênh có cánh cổng điện thế kali và sự hoạt hóa nó

Phần dưới hình 5-7 chỉ ra kênh có cánh cổng điện thế kali trong 2 giai đoạn: trong lúc nghỉ (trái) và hướng về kết thúc điện thế hoạt động (phải). Trong suốt giai đoạn nghỉ, cổng kênh kali bị đóng, ion kali bị ngăn chặn đi qua kênh này ra bên ngoài, khi điện thế màng tăng dần từ -90mV về phía 0, khi lên tới trị số khoảng -70 đến -50mV thì điện thế đó tạo một sự biến đổi đột ngột hình dáng cổng hoạt hóa, cánh cổng này chuyển sang vị trí mở cửa, cho phép ion kali ùa qua kênh ra ngoài tế bào. Tuy nhiên có một chút chậm trễ trong việc mở kênh kali, hầu như chúng chỉ mở khi kênh natri bắt đầu đóng lại do sự khử hoạt hóa. Vì vậy việc giảm lượng natri vào trong tế bào cùng với tốc độ của quá trình tái cực dẫn đến việc thiết lập lại điện thế màng trong thời gian vài phần vạn giây.

Phương pháp” kẹp điện thế’ nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp lên việc mở và đóng cánh cổng điện thế. Với các nghiên cứu ban đầu đã dẫn đến sự hiểu biết về các kênh natri và kali, các nhà khoa học Hodgkin và Huxley đã được nhận giải Nobel. Bản chất của những nghiên cứu này được trình bày trong hình 5-8 và 5-9.

Hình 5-8 cho thấy các phương pháp kẹp điện áp, đó là dùng để đo dòng chảy của các ion thông qua các kênh khác nhau. Trong việc sử dụng thiết bị này, hai điện cực được đưa vào các sợi thần kinh. Một trong những điện cực được sử dụng để đo điện thế màng, và cực còn lại được sử dụng để đo các dòng điện vào hoặc ra khỏi các sợi thần kinh. Thiết bị này được sử dụng theo cách sau: Các nhà khoa học quyết định mà điện áp để thiết lập bên trong các sợi thần kinh. Sau đó, phần điện tử của thiết bị được điều chỉnh để có điện áp mong muốn, tự động tiêm điện tích dương hay âm thông qua các điện cực hiện ở bất cứ tỷ lệ nào cần thiết để giữ điện áp đo bằng điện cực điện áp ở mức độ thiết lập bởi nhà điều hành. Khi điện thế màng được tăng đột ngột tăng bởi kẹp điện thế này từ -90 mV đến số 0, các cánh cổng điện thế natri và kali mở và các ion natri và kali bắt đầu đổ qua các kênh.

Hình 5-9

Để cân bằng với ảnh hưởng của các dòng ion mong muốn thiết lập điện thế nội bào, dòng điện được tiêm tự động thông qua các điện cực của kẹp điện thế để duy trì điện áp nội bào ổn định cần thiết ở mức 0. Để đạt được mức này, lượng tiêm vào phải bằng nhưng chiều đối ngược với dòng chảy thông qua các kênh trên màng. Để đo dòng chảy hiện tại đang diễn ra tại mỗi thời điểm như thế nào, điện cực được nối với một nghiệm dao động ghi lại dòng chảy hiện tại, như đã chứng minh trên màn hình của nghiệm dao động trong hình 5-8. Cuối cùng, các nhà khoa học điều chỉnh nồng độ của các ion để khác hơn so với mức bình thường cả bên trong và bên ngoài các sợi thần kinh và lặp đi lặp lại nghiên cứu. Thí nghiệm này có thể được thực hiện dễ dàng khi sử dụng các sợi dây thần kinh lớn lấy từ một số vật không xương sống, đặc biệt là các sợi thần kinh mực ống khổng lồ, mà trong một số trường hợp đường kính lớn tới 1 mm. Khi natri là ion duy nhất thấm vào dung dịch bên trong và bên ngoài sợi trục mực, kẹp điện thế chỉ đo dòng chảy thông qua các kênh natri. Tương tự với kênh kali.

Một phương pháp khác để nghiên cứu các dòng ion qua một loại kênh riêng biệt là để chặn một loại kênh tại một thời điểm. Ví dụ, các kênh natri có thể bị chặn bởi một chất độc gọi là tetrodotoxin khi nó được gắn vào bên ngoài của màng tế bào, nơi là vị trí các cửa hoạt hóa natri. Ngược lại, ion tetraetylammoni chặn các kênh kali khi nó được gắn vào bên trong các sợi thần kinh.

Hình 5-9 cho thấy thay đổi điển hình trong độ dẫn của cánh cổng điện thế kênh natri và kali khi điện thế màng đột nhiên thay đổi thông qua việc sử dụng kẹp điện thế từ -90 mV đến 10 mV và 2 mili giây sau đó, trở lại -90 mV. Lưu ý sự mở đột ngột của các kênh natri (giai đoạn kích hoạt) trong một phần nhỏ của một phần nghìn giây sau khi điện thế màng tăng lên đến giá trị dương. Tuy nhiên, trong một phần nghìn giây tiếp hoặc lâu hơn, các kênh natri tự động đóng lại (giai đoạn bất hoạt).

Hình 5-10

Hình 5-10. Những thay đổi độ dẫn của kênh natri và kali trong suốt quá trình có điện thế hoạt động. Độ dẫn của kênh natri cao gấp 4 lần kênh kali trong suốt giai đoạn sớm của điện thế hoạt động, trong khi đó độ dẫn của kênh kali tăng khoảng 30 lần trong các giai đoạn sau trong một thời gian ngắn sau đó. Những đường cong này được cấu trúc từ những nguyên lí được xuất hiện trên giấy của Hodgkin và Huxley nhưng vận chuyển qua các sợi trục gắn liền với điện thế hoạt động ở sợi thần kinh lớn của động vật có vú.

Lưu ý việc mở (kích hoạt) của kênh kali từ từ và đạt đến trạng thái mở đầy đủ chỉ sau khi các kênh natri đã gần như đóng hoàn toàn. Hơn nữa, một khi các kênh kali mở, chúng vẫn mở cho toàn bộ thời gian điện thế màng hoạt động và không đóng lại cho đến khi điện thế màng được giảm trở lại một giá trị âm.

TÓM TẮT CÁC SỰ KIỆN GÂY RA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Hình 5-10 tóm tắt các sự kiện liên tiếp xảy ra trong và ngay sau điện thế hoạt động. Phần đáy của hình vẽ cho thấy những thay đổi độ dẫn điện của màng cho các ion natri và kali. Trong giai đoạn nghỉ, trước khi điện thế hoạt động bắt đầu, tính thấm với các ion kali cao hơn 50 đến 100 lần với ion natri. Sự chênh lệch này là do rò rỉ của các ion kali lớn hơn nhiều so với các ion natri qua các kênh rò rỉ. Tuy nhiên, vào lúc bắt đầu của điện thế hoạt động, các kênh natri ngay lập tức trở nên kích hoạt và cho phép tăng đến 5000 lần tính dẫn. Quá trình ngừng hoạt động sau đó đóng các kênh natri trong một phần nhỏ của một phần nghìn giây. Sự khởi đầu của điện thế hoạt động cũng làm cho cổng điện thế của kênh kali mở chậm hơn một phần nhỏ của một phần nghìn giây sau khi các kênh natri mở.

Vào cuối điện thế hoạt động, điện thế màng âm trở lại gây ra các kênh kali để đóng quay lại tình trạng ban đầu của chúng, nhưng một lần nữa, chỉ sau một phần nghìn giây bổ sung hoặc chậm trễ. Phần giữa của Hình 5-10 cho thấy tỷ lệ tính dẫn natri và kali tại mỗi thời điểm trong điện thế hoạt động, và phía trên mô tả đây là điện thế hoạt động của chính nó. Trong phần đầu của điện thế hoạt động, tỷ lệ dẫn natri kali tăng hơn 1000 lần. Do đó, nhiều ion natri chảy vào bên trong sợi thần kinh hơn ion kali ra bên ngoài. Đây là những gì gây ra điện thế màng trở nên dương ở điểm khởi đầu điện thế hoạt động. Sau đó, các kênh natri bắt đầu đóng cửa và các kênh kali bắt đầu mở, và do đó tỷ lệ dẫn truyển thay đổi nhiều hơn trong việc tăng độ dẫn kali cao nhưng độ dẫn natri thấp. Sự thay đổi này cho phép hao hụt rất nhanh chóng mất các ion kali ra bên ngoài, nhưng hầu như không dòng chảy của các ion natri vào bên trong. Do đó, điện thế hoạt động nhanh chóng trở lại mức ban đầu của nó.

Vai trò của các ion khác trong điện thế hoạt động

Như vậy cho đến thời điểm này, chúng ta đã chỉ xem xét vai trò của các ion natri và kali trong việc tạo ra điện thế hoạt động. Ít nhất là hai loại ion khác phải được xem xét: các anion âm và các ion canxi. Ion mang điện tích âm bên trong sợi trục dây thần kinh. Bên trong sợi thần kinh rất nhiều các ion mang điện tích âm mà không thể đi qua các kênh trên màng. Chúng bao gồm các anion của các phân tử protein và nhiều hợp chất hữu cơ phosphate, các hợp chất sulfate, và v.v…. Bởi vì các ion này không thể ra khỏi bên trong các sợi thần kinh, bất kỳ sự thâm hụt của các ion dương bên trong màng để lại một sự dư thừa của các anion âm không thấm này. Do đó, các ion âm không thấm chịu trách nhiệm cho các điện tích âm bên trong sợi dây thần kinh khi có sự thâm hụt dòng điện tích dương của các ion kali và ion dương khác.

Ion Canxi: Các màng của gần như tất cả các tế bào của cơ thể có một bơm canxi tương tự như các bơm natri, canxi cùng với (hoặc thay thế) natri trong một số tế bào gây ra hầu hết các điện thế hoạt động. Giống như các bơm natri, bơm canxi vận chuyển ion canxi từ nội bào ra ngoại bào qua màng tế bào (hoặc vào mạng lưới nội chất của tế bào), tạo ra một sự chênh lệch nồng độ ion canxi khoảng 10.000 lần. Quá trình này để lại nồng độ ion canxi bên trong nội bào khoảng 10-7 mol, trái ngược với một nồng độ bên ngoài khoảng 10-3 mol.

Ngoài ra, có những cánh cổng điện thế của kênh kênh canxi. Bởi vì nồng độ ion canxi trong dịch ngoại bào nhiều hơn 10.000 lần dịch nội bào, có một gradient khuếch tán lớn cho dòng ion canxi thụ động vào các tế bào. Các kênh này có tính thấm nhẹ với các ion natri và ion canxi, nhưng độ thấm của chúng với canxi lớn hơn na khoảng 1000 lần trong điều kiện sinh lý bình thường

Khi các kênh mở để đáp ứng với một kích thích làm phân cực màng tế bào, các ion canxi tràn vào bên trong tế bào.

Một chức năng quan trọng của cánh cổng điện thế canxi là góp phần vào giai đoạn khử cực của điện thế hoạt động trong một số tế bào. Tuy nhiên sự hoạt hóa của kênh canxi chậm, chậm gấp 10-20 lần kênh natri. Vì lý do này, kênh canxi được gọi là kênh chậm, trái ngược với kênh natri được gọi là kênh nhanh. Do đó, việc mở của các kênh canxi cung cấp một sự khử cực bền vững hơn, trong khi các kênh natri đóng một vai trò quan trọng trong thế hoạt động ban đầu.

Các kênh canxi rất nhiều trong cả hai cơ tim và cơ trơn. Trong thực tế, trong một số loại cơ trơn, các kênh natri nhanh hầu như không có mặt; Vì vậy, điện thế hoạt động được tạo ra gần như hoàn toàn bằng cách kích hoạt các kênh calci chậm. Tăng thấm của kênh natri khi có một sự thâm hụt ion canxi. Nồng độ của các ion canxi trong dịch ngoại bào cũng có một ảnh hưởng sâu sắc đến mức điện thế mà tại đó các kênh natri trở nên kích hoạt. Khi có sự thâm hụt của các ion canxi, các kênh natri bị kích hoạt (mở) bằng một sự gia tăng nhỏ điện thế màng từ giá trị bình thường của nó, một giá trị rất âm. Do đó, các sợi thần kinh trở nên rất dễ bị kích động, đôi khi lặp lại kích thích nhiều lần mà không có sự kích thích hơn mức duy trì ở giai đoạn nghỉ. Trong thực tế, nồng độ ion canxi cần giảm chỉ có 50 phần trăm dưới mức bình thường trước khi tự phát xung xảy ra ở một số dây thần kinh ngoại biên, thường gây ra co cơ liên tục gọi là “tetany.” Co cơ tetany đôi khi gây chết người vì co cứng các cơ hô hấp.

Cách các ion canxi có thể ảnh hưởng đến các kênh natri là như sau: Những ion xuất hiện liên kết với các bề mặt bên ngoài của các phân tử protein ở kênh na. Các điện tích dương của các ion canxi trong lần lượt thay đổi trạng thái điện của protein ở kênh natri, do đó làm thay đổi mức điện thế cần thiết để mở cổng natri.

SỰ PHÁT SINH ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Tính đến thời điểm này, chúng ta đã giải thích sự thay đổi tính thấm natri và kali qua màng tế bào, cũng như sự phát triển của điện thế hoạt động, nhưng chúng ta đã không giải thích sự phát sinh điện thế hoạt động

Một vòng feedback dương mở kênh natri: Đầu tiên, miễn là màng của các sợi thần kinh vẫn còn nguyên vẹn, không có điện thế hoạt động xảy ra trong các dây thần kinh bình thường. Tuy nhiên, nếu có một yếu tố nào đó làm tăng đôi chút điện thế màng từ -90mV hướng tới mức bằng 0, điện thế tăng cao sẽ gây ra việc mở một số kênh natri có cổng điện thế. Điều này cho phép dòng chảy nhanh chóng vào trong của các ion natri, gây ra một sự gia tăng hơn nữa điện thế màng, dẫn đến việc mở cánh cổng điện thế và cho phép nhiều dòng natri vào trong tế bào dây thần kinh.

Quá trình này là một vòng feedback dương, một khi feedback đủ mạnh, quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các cổng điện thế được kích hoạt (mở). Sau đó, trong một phần nhỏ của một phần nghìn giây, điện thế màng tăng gây ra việc đóng cửa các kênh natri và mở cửa cửa các kênh kali, và điện thế hoạt động nhanh chóng kết thúc.

Ngưỡng tạo điện thế hoạt động. Một điện thế hoạt động sẽ không xảy ra cho đến khi sự gia tăng điện thế màng là đủ lớn để tạo ra feedback dương được mô tả ở đoạn trên. Điều này xảy ra khi số lượng của các ion natri vào dây thần kinh trở nên lớn hơn so với số lượng các ion kali ra ngoài. Một sự gia tăng đột ngột điện thế màng của 15-30 mV là cần thiết. Do đó, một sự gia tăng đột ngột trong thế màng trong một sợi dây thần kinh lớn từ -90 mV lên đến khoảng -65 mV thường gây ra sự phát triển bùng nổ của điện thế hoạt động. Mức -65 mV được cho là ngưỡng kích thích.

SỰ LAN TRUYỀN ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Trong các đoạn trước, chúng ta đã thảo luận về điện thế hoạt động khi nó xảy ra tại một điểm trên màng. Tuy nhiên, một điện thế hoạt động tạo ra ở bất kỳ một điểm trên một màng thường kích thích phần liền kề của màng tế bào, dẫn đến hoạt động lan truyền điện thế hoạt động dọc theo màng. Cơ chế này được chứng tỏ trong hình 5-11.

Hình 5-11

Hình 5-11A cho thấy một sợi dây thần kinh ở điều kiện nghỉ bình thường, và hình 5-11B cho thấy một sợi dây thần kinh đã được kích thích trong phần giữa của nó, phần giữa đột nhiên tăng tính thấm với natri. Các mũi tên hiển thị một “mạch điện tại chỗ” giữa vùng đang khử cực và phần màng ở vùng liền kề: điện tích dương được mang vào bên trong nhờ khuếch tán na trong suốt quá trình khử cực màng lan dọc đi vài mm ở cả 2 phía của lõi sợi trục thần kinh, điện thế dương của ion na trong sợi trục sẽ đi dọc theo sợi trục xa tới 1 đến 3 mm ở dây thần kinh lớn có myelin và làm phát sinh điện thế hoạt động ở vùng tiếp giáp. Vì vậy kênh natri ở những vùng mới này ngay lập tức được mở, như được chỉ ra trong hình 5-11C, D và lan truyền điện thế hoạt động một cách bùng nổ. Những khu vực này mới được phân cực vẫn còn sản xuất các mạch điện tại chỗ nhiều dòng chảy xa hơn dọc theo màng, khiến càng ngày càng khử cực nhiều hơn. Như vậy, quá trình khử cực di chuyển dọc theo toàn bộ chiều dài dây thần kinh. Sự lan truyền của quá trình khử cực dọc theo một dây thần kinh hoặc sợi cơ được gọi là một xung động thần kinh hay cơ.

Hướng lan truyền: Như thể hiện trong hình 5-11, một màng dễ bị kích động không có dấu hiệu của sự lan truyền, nhưng điện thế hoạt động di chuyển theo tất cả các hướng từ vị trí kích thích, thậm chí dọc theo tất cả các nhánh của dây thần kinh cho đến khi toàn bộ màng đã phân cực.

Định luật tất cả hoặc là không: Khi một điện thế hoạt động đã được xuất hiện tại bất kỳ điểm nào trên màng của một sợi bình thường, quá trình khử cực đi qua toàn bộ màng nếu các điều kiện đều thỏa mãn, nhưng nó không được lan truyền nếu tất cả điều kiện là không đúng. Nguyên tắc này được gọi là nguyên tắc tất cả hoặc không có gì, và nó áp dụng cho tất cả các mô có thể kích thích. Thỉnh thoảng, điện thế hoạt động đạt đến một điểm trên màng mà nó không tạo ra đủ điện thế để kích thích các khu vực kế tiếp của màng. Khi tình trạng này xảy ra, sự lan truyền của quá trình khử cực dừng lại. Do đó, để tiếp tục lan truyền một xung động xảy ra, tỷ số điện thế hoạt động và ngưỡng kích thích ở mọi lần phải lớn hơn 1. Yêu cầu “lớn hơn 1” được gọi là hệ số an toàn cho sự lan truyền.

TÁI LẬP CHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ ION NATRI VÀ KALI SAU KHI ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG KẾT THÚC

VẤN ĐỀ QUAN TRỌNG CỦA CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

Việc lan truyền điện thế hoạt động theo chiều dài một sợi dây thần kinh làm giảm nhẹ sự chênh lệch nồng độ natri và kali bên trong và bên ngoài màng bởi vì các ion natri khuếch tán vào bên trong trong quá trình khử cực và kali khuếch tán ra bên ngoài trong quá trình tái cực.

Hình 5-12

Đối với một điện thế hoạt động đơn lẻ, tác động này ngắn đến nỗi mà không thể đo lường. Thật vậy, từ 100.000 đến 50 triệu xung có thể được truyền qua các sợi dây thần kinh lớn trước khi sự khác biệt nồng độ đạt tới điểm chấm dứt của điện thế hoạt động Mặc dù vậy, với thời gian, nó trở nên cần thiết để thiết lập lại sự chênh lệch nồng độ natri và kali ở màng, điều này đạt được bằng hoạt động của bơm Na+-K+ trong cùng một cách như mô tả trước đó để thiết lập điện thế nghỉ. Đó là, các ion natri đã khuếch tán vào bên trong các tế bào trong suốt quá trình điện thế hoạt động và các ion kali vừa khuếch tán ra ngoài phải được trả lại trạng thái ban đầu của chúng nhờ bơm Na+-K+. Vì bơm này đòi hỏi năng lượng để hoạt động, quá trình “nạp lại” của các sợi thần kinh là một quá trình trao đổi chất tích cực, sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ hệ thống năng lượng adenosine triphosphate của tế bào. Hình 5-12 cho thấy các sợi thần kinh sản xuất tăng nhiệt trong quá trình nạp lại, đó là thước đo tiêu hao năng lượng khi các xung động thần kinh tăng tần số.

Một tính năng đặc biệt của Na+-K+ triphosphaadenosinetase bơm là mức độ của các hoạt động được kích thích mạnh mẽ khi các ion natri dư thừa tích tụ bên trong màng tế bào. Trong thực tế, các hoạt động bơm tăng xấp xỉ tỷ lệ thuận với sức mạnh thứ ba của nồng độ natri trong tế bào này. Khi nồng độ natri nội bào tăng 10-20 mEq/L, các hoạt động của bơm không chỉ đơn thuần là tăng gấp đôi mà tăng khoảng tám lần. Vì vậy, thực sự rất dễ dàng để hiểu cách “nạp” quá trình của các sợi thần kinh có thể được thiết lập nhanh chóng vào chuyển động bất cứ khi nào tập trung những khác biệt của các ion natri và kali qua màng bắt đầu “giảm xuống.”

DẠNG CAO NGUYÊN CỦA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Trong một số trường hợp, màng bị kích thích đã không tái cực ngay lập tức sau khi khử cực; thay vào đó, điện thế màng duy trì ở dạng cao nguyên gần đỉnh của điện thế trong khoảng vài mili giây, và chỉ sau đó mới bắt đầu tái cực. Như được chỉ ra trong hình 5-13;

Hình 5-13

Có thể sẵn sàng nhìn thấy cao nguyên cao kéo dài suốt quá trình khử cực. Đây là loại điện thế hoạt động xảy ra trong sợi cơ tim, nơi cao nguyên kéo dài càng lâu 0,2-0,3 giây và gây co bóp của cơ tim kéo dài trong cùng khoảng thời gian dài này.

Nguyên nhân của cao nguyên là một sự kết hợp của nhiều yếu tố. Đầu tiên, trong cơ tim, hai loại kênh tưởng niệm đến quá trình khử cực: (1) các kênh Na hoạt hóa, còn gọi là kênh nhanh chóng, và (2) các kênh canxi hoạt hóa natri điện áp kích hoạt (kênh canxi loại L)- mở chậm và do đó được gọi là kênh chậm. Mở kênh nhanh chóng gây ra sự tăng vọt của điện thế hoạt động, trong khi việc kéo dài thời gian mở của kênh calci-natri chậm chủ yếu là cho phép các ion canxi để nhập các chất xơ, điều này chịu trách nhiệm lớn cho phần cao nguyên của điện thế hoạt động.

Yếu tố thứ hai mà có thể là một phần tạo ra cao nguyên là các kênh cánh cổng điện thế kali mở chậm hơn bình thường, thường xuyên không phải mở nhiều cho đến khi kết thúc của cao nguyên. Yếu tố này làm trì hoãn sự trở lại của điện thế màng đối với giá trị âm bình thường -80 Đến -90 mV. Cao nguyên kết thúc khi các kênh canxi – natri đóng và thấm để kali tăng.

TÍNH NHỊP ĐIỆU CỦA MỘT SỐ MÔ DỄ BỊ KÍCH THÍCH SỰ PHÓNG ĐIỆN LẶP LẠI

Hoạt động phóng điện tự lặp đi lặp lại trong tim, trong hầu hết các cơ trơn, và trong rất nhiều các tế bào thần kinh của hệ thần kinh trung ương. Sự phóng điện nhịp nhàng gây ra (1) nhịp đập của tim, (2) nhu động nhịp nhàng của ruột, và (3) hoạt động thần kinh như điều khiển nhịp thở.

Ngoài ra, gần như tất cả các mô dễ bị kích thích khác có thể phóng điện lặp đi lặp lại nếu ngưỡng kích thích của các tế bào mô được giảm xuống một mức đủ thấp. Ví dụ, thậm chí với các sợi thần kinh lớn và các sợi cơ xương- thường rất ổn định, sự phóng điện lặp lại khi chúng được đặt trong một dung dịch có chứa các thuốc veratridine mà kích hoạt các kênh ion natri, hoặc khi nồng độ ion canxi giảm dưới một giá trị quan trọng, làm tăng tính thấm natri của màng tế bào.

Hình 5-14

Quá trình lặp lại kích thích cần thiết cho nhịp tự động. Đối với nhịp tự động xảy ra, các màng ngay cả trong trạng thái tự nhiên của nó phải thấm đủ các ion natri (hoặc ion canxi và natri qua các kênh calcium-natri chậm) để cho phép màng tự khử cực. Như vậy, Hình 5-14 cho thấy điện thế nghỉ ở trung tâm kiểm soát nhịp của tim chỉ là -60 đến -70 triệu mil-livolts, mà không đủ điện thế âm để giữ cho các kênh natri và canxi hoàn toàn đóng. Do đó, trình tự sau đây xảy ra: (1) một số ion natri và canxi chảy vào bên trong; (2) hoạt động này làm tăng điện thế màng theo chiều dương, tiếp tục làm tăng tính thấm của màng; (3) vẫn còn nhiều ion chảy vào bên trong; và (4) tính thấm tăng nhiều hơn, và như vậy, cho đến khi một điện thế hoạt động được tạo ra. Sau đó, vào cuối điện thế hoạt động, màng tái cực. Sau khi một sự chậm trễ vài mili giây hoặc vài giây, kích thích tự động gây khử cực một lần nữa và 1 điện thế hoạt động mới xảy ra một cách tự nhiên. Chu kỳ này tiếp tục hơn nhiều hơn và gây ra tự gây ra kích thích nhịp điệu của các mô dễ bị kích động.

Tại sao màng tế bào của trung tâm điều khiển tim không khử cực ngay lập tức sau khi nó đã tái cực, chứ không phải trì hoãn gần một giây trước khi khởi đầu của điện thế hoạt động tiếp theo? Câu trả lời có thể được tìm thấy bằng cách quan sát các đường cong có nhãn “độ dẫn của kali” trong hình 5-14. Đường cong này cho thấy vào cuối mỗi điện thế hoạt động, và tiếp tục trong một thời gian ngắn sau đó, màng càng trở nên thấm nhiều ion kali hơn. Các dòng chảy của các ion kali tăng lên mang số lượng lớn của các điện tích dương ra bên ngoài của màng tế bào, để lại một lượng đáng kể ion âm hơn trong tế bào xơ hơn trường hợp khác. Điều này tiếp tục trong gần một giây sau khi điện thế hoạt động kết thúc, do đó vẽ các điện thế hoạt động gần với điện thế Nernst của kali. Trạng thái này, được gọi là tăng phân cực, cũng được hiển thị trong Hình 5-14.

Khi tình trạng này tồn tại, sự lặp lại kích thích sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, việc tăng độ dẫn kali (và tình trạng tăng phân cực) biến mất, như thể hiện sau mỗi điện thế hoạt động được hoàn thành trong hình, do đó một lần nữa cho phép điện thế màng tăng lên đến ngưỡng cho sự kích thích. Sau đó, đột nhiên, một kết quả là có điện thế hoạt động mới và quá trình này xảy ra một lần nữa và một lần nữa.

ĐẶC TRƯNG CỦA SỰ LAN TRUYỀN TÍN HIỆU TRÊN THÂN DÂY THẦN KINH

Hình 5-15

Sợi thần kinh có myelin và không có bao myelin. Hình 5-15 cho thấy một mặt cắt ngang của một dây thần kinh nhỏ điển hình, bộc lộ nhiều sợi thần kinh lớn chiếm phần lớn diện tích mặt cắt ngang. Tuy nhiên, một cái nhìn thận trọng hơn cho thấy nhiều sợi nhỏ hơn nằm giữa những sợi lớn. Các sợi lớn được bao bởi bao myelin, và những sợi nhỏ không được bao bởi myelin. Những thân dây thần kinh trung bình bao gồm những sợi không myelin gấp 2 lần sợi có myelin.

Hình 5-16 cho thấy một sợi myelin hóa điển hình. Lõi trung tâm của sợi là sợi trục, và màng tế bào của sợi trục là màng mà thực sự tiến hành điện thế hoạt động. Các sợi trục được gắn trung tâm của nó với chất sợi trục- một chất dính bên trong dịch nội bào. Xung quanh các sợi thần kinh là một vỏ bọc myelin thường là dày hơn nhiều so với các sợi trục của chính nó. Khoảng mỗi 1-3 mm dọc theo chiều dài của vỏ myelin là một nút Ranvier.

Các vỏ myelin được lắng đọng xung quanh sợi trục của tế bào Schwann theo cách thức sau đây: Các màng của một tế bào Schwann đầu tiên bao bọc các sợi thần kinh.

Hình 5-16

Các tế bào Schwann sau đó quay xung quanh trục thần kinh nhiều lần, đặt xuống nhiều lớp màng tế bào Schwann chứa hợp chất lipid là sphingomyelin. Chất này cách điện rất tốt, làm giảm dòng ion qua màng khoảng 5000 lần. Tại các điểm nối giữa mỗi hai tế bào Schwann tiếp dọc theo sợi trục, một khu vực không cách điện nhỏ chỉ 2-3 micromet chiều dài vẫn còn nơi các ion vẫn có thể chảy một cách dễ dàng thông qua các màng sợi trục giữa dịch ngoại bào và các chất lỏng bên trong nội bào sợi trục. Khu vực này được gọi là nút của Ranvier.

Dẫn điện nhảy cóc từ nút này sang nút khác. Mặc dù hầu như không có các ion có thể chảy qua các màng bọc myelin dày của dây thần kinh myelin, chúng có thể chảy một cách dễ dàng thông qua các nút Ranvier. Do đó, điện thế hoạt động chỉ xảy ra tại các nút. Điện thế hoạt động được dẫn truyền từ nút này tới nút tiếp, như thể hiện trong hình 5-17; này được gọi là Dẫn điện nhảy cóc. Đó là, dòng điện chảy qua xung quanh dịch ngoại bào bên ngoài vỏ myelin, cũng như thông qua các chất sợi trục bên trong từ nút tới nút, kích thích thành công nút tiếp theo. Do đó, các xung động thần kinh nhảy dọc theo sợi trục, đó là nguồn gốc của thuật ngữ “nhảy cóc”.

Hình 5-17

Dẫn điện nhảy cóc có giá trị vì hai lý do. Đầu tiên, bằng cách gây ra quá trình khử cực để nhảy đoạn dài dọc theo trục của sợi thần kinh, cơ chế này làm tăng vận tốc của dẫn truyền thần kinh trong sợi myelin nhiều như 5 đến 50 lần. Thứ hai, tiết kiệm năng lượng duy trì cho các sợi thần kinh bởi vì chỉ có các nút khử cực, cho phép ít hơn khoảng 100 lần mất mát của các ion nếu không cần thiết, và do đó việc yêu cầu tiêu hao năng lượng ít cho việc tái thiết lập sự khác biệt nồng độ na và kali trên màng sau một loạt các xung động thần kinh.

Tốc độ dẫn truyền của các sợi thần kinh: Vận tốc dẫn trong sợi thần kinh. Tốc độ lan truyền của điện thế hoạt động ở sợi thần kinh từ rất nhỏ 0,25 m/giây trong sợi không có myelin đến lớn như 100 m/giây (hơn chiều dài của một sân bóng đá trong 1 giây) trong sợi lớn có myelin.

KÍCH THÍCH – QUÁ TRÌNH KHỞI ĐẦU CHO ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Về cơ bản, bất kỳ yếu tố gây ra các ion natri để bắt đầu khuếch tán vào bên trong qua màng tế bào với số lượng đủ có thể thiết lập tắt mở tự động các kênh natri. Việc hình thành mở tự động này có thể do rối loạn cơ học của màng tế bào, tác dụng hóa học trên màng, hoặc thông qua điện tích qua màng. Tất cả các phương pháp này được sử dụng tại các điểm khác nhau trong cơ thể để gợi ra điện thế hoạt động của những dây thần kinh hoặc cơ. áp lực hóa học để kích thích các tận cùng thần kinh cảm giác ở da, chất dẫn truyền thần kinh để truyền tín hiệu từ một tế bào thần kinh lên não, và dòng điện để truyền tín hiệu giữa các tế bào cơ tim và ruột. Đối với mục đích tìm hiểu quá trình kích thích, chúng ta hãy bắt đầu bằng việc thảo luận các nguyên tắc của kích thích điện.

Hình 5-18

Kích thích của một sợi dây thần kinh bởi một điện cực kim loại tích điện âm. Các phương tiện thường dùng để kích thích cho một dây thần kinh hay cơ trong phòng thí nghiệm là để gắn sát dòng điện lên bề mặt dây thần kinh hay cơ thông qua hai điện cực nhỏ, một tích điện âm và điện cực còn lại tích điện dương. Khi dòng điện được gắn vào theo cách này, các màng dễ bị kích động bị kích thích ở các điện cực âm.

Hiệu ứng này xảy ra vì các lý do sau: Hãy nhớ rằng điện thế hoạt động được khởi đầu bởi việc mở cánh cổng điện thế kênh na. Hơn nữa, các kênh được mở ra bởi việc giảm điện thế nghỉ bình thường qua màng-đó là, dòng điện âm từ các điện cực làm giảm điện áp trên bên ngoài của màng đến một gần hơn giá trị tiêu cực với điện áp của các tiềm năng tiêu cực bên trong chất xơ. Hiệu ứng này làm giảm điện thế qua màng và cho phép các kênh natri để mở, tạo ra một điện thế hoạt động. Ngược lại, ở các điện cực dương, việc tiêm điện tích dương ở bên ngoài của các dây thần kinh làm tăng sự chênh lệch điện áp trên màng hơn là giảm bớt nó. Hiệu ứng này gây ra tình trạng phân cực quá mức, thực sự làm giảm kích thích của sợi thay vì gây ra một điện thế hoạt động.

Ngưỡng kích thích và “điện thế tại chỗ cấp.” Một kích thích điện âm yếu có thể không có khả năng kích thích một sợi. Tuy nhiên, khi điện áp của sự kích thích được tăng lên, tới một điểm mà tại đó sự kích thích không diễn ra. Hình 5-18 cho thấy những tác động của các kích thích liên tục với cường độ tăng dần. Một kích thích yếu tại điểm A gây ra điện thế màng thay đổi từ -90 đến -85 mV, nhưng sự thay đổi này là không đủ cho quá trình tái sinh tự động của điện thế hoạt động để phát triển. Tại điểm B, kích thích lớn hơn, nhưng cường độ vẫn là chưa đủ. Tuy nhiên, Có kích thích làm rối loạn điện thế màng tại chỗ cho đến khi 1 mili giây hoặc hơn. Sau khi cả hai kích thích yếu, chúng được gọi là điện thế dưới ngưỡng cấp tính.

Tại điểm C trong hình 5-18, các kích thích thậm chí còn mạnh hơn. Bây giờ các điện thế tại chỗ đã hầu như không đạt đến mức cần thiết để tạo ra một điện thế hoạt động, được gọi là các mức ngưỡng, nhưng điều này chỉ xảy ra sau một thời gian ngắn “thời gian tiềm ẩn.” Tại thời điểm D, các gói kích thích vẫn mạnh hơn, điện thế tại chỗ cấp tính mạnh mẽ hơn và điện thế hoạt động xuất hiện một ít sau một giai đoạn tiềm ẩn.

Như vậy, con số này chỉ ra rằng ngay cả một kích thích yếu gây ra một sự thay đổi điện thế tại chỗ ở màng, nhưng cường độ của điện thế tại chỗ phải tăng lên một ngưỡng trước khi điện thế hoạt động được thiết lập.”

“GIAI ĐOẠN TRƠ” SAU MỘT ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG, TRONG ĐÓ KHÔNG CÓ KÍCH THÍCH NÀO ĐƯỢC THIẾT LẬP

Một điện thế hoạt động mới không thể xảy ra trong sợi thần kinh dễ bị kích hoạt miễn là màng vẫn được phân cực từ điện thế hoạt động trước đó. Lý do cho sự hạn chế này là ngay sau khi điện thế hoạt động được bắt đầu, các kênh natri (hoặc kênh canxi, hoặc cả hai) trở nên bất hoạt và không có lượng tín hiệu kích thích áp dụng cho các kênh này vào thời điểm này sẽ mở cửa bất hoạt. Điều kiện duy nhất cho phép họ mở lại để điện thế màng trở lại gần mức điện thế màng lúc nghỉ ban đầu. Sau đó, trong một phần nhỏ của một giây, cánh cửa của các kênh ngừng hoạt động và điện thế hoạt động mới có thể được bắt đầu.

Trong suốt giai đoạn này, một điện thế hoạt động thứ hai không thể được thiết lập, ngay cả với một kích thích mạnh, được gọi là giai đoạn trơ tuyệt đối. Giai đoạn này với các sợi thần kinh lớn có myelin là khoảng 1/2500 giây. Vì vậy, có thể dễ dàng tính toán rằng một dây thần kinh có thể truyền tối đa là khoảng 2500 xung mỗi giây.

Ức chế trạng thái kích thích- “Các chất ổn định” và gây mê vùng.

Ngược lại với các yếu tố làm tăng kích thích thần kinh, vẫn còn những yếu tố khác, được gọi là các yếu tố ổn định màng, có thể làm giảm kích thích. Ví dụ, nồng độ ion canxi dịch ngoại bào cao làm giảm tính thấm của màng các ion natri và đồng thời làm giảm tính kích thích. Do đó, các ion canxi được cho là một yếu tố “ổn định.”.

Gây mê vùng: – nằm trong các chất ổn định quan trọng nhất hay sử dụng trong lâm sàng bao gồm cả procain và tetracain. Hầu hết các chất này tác động trực tiếp vào cổng kích hoạt các kênh natri, làm cho nó khó mở cổng hơn, do đó làm giảm kích thích màng. Khi kích thích đã giảm xuống quá thấp đến ngưỡng kích thích (gọi là “hệ số an toàn”) được giảm xuống dưới 1.0, xung thần kinh không vượt qua cùng các dây thần kinh đã bị gây mê.

Nguồn: Guyton and Hall textbook of Medical Physiology. Chapter 5: Membrane Potentials and Action Potentials