Điện thế hoạt động (Action Potential)

Các giai đoạn của điện thế hoạt động:

1. Giai đoạn nghỉ (Resting State): Màng tế bào ở trạng thái phân cực, với điện thế màng khoảng -70mV. Sự chênh lệch điện thế này được duy trì bởi bơm Na⁺/K⁺ (sodium-potassium pump) vận chuyển 3 ion Na⁺ ra ngoài và 2 ion K⁺ vào trong tế bào. Nồng độ K⁺ cao hơn bên trong tế bào và nồng độ Na⁺ cao hơn bên ngoài tế bào.
2. Giai đoạn khử cực (Depolarization): Khi tế bào bị kích thích, các kênh Na⁺ mở ra, cho phép Na⁺ tràn vào trong tế bào theo gradient nồng độ. Dòng ion Na⁺ dương vào trong làm điện thế màng tăng lên nhanh chóng, từ -70mV đến khoảng +40mV.
3. Giai đoạn tái cực (Repolarization): Sau khi đạt đỉnh, các kênh Na⁺ đóng lại và các kênh K⁺ mở ra. K⁺ di chuyển ra khỏi tế bào theo gradient nồng độ, mang điện tích dương ra ngoài, làm giảm điện thế màng trở lại giá trị âm.
4. Giai đoạn siêu phân cực (Hyperpolarization): Do kênh K⁺ đóng chậm, điện thế màng có thể giảm xuống dưới mức điện thế nghỉ ban đầu trong một thời gian ngắn trước khi trở lại trạng thái nghỉ nhờ hoạt động của bơm Na⁺/K⁺. Trong giai đoạn này, tế bào khó bị kích thích, gọi là giai đoạn trơ tuyệt đối (absolute refractory period). Sau đó, tế bào có thể bị kích thích trở lại, nhưng cần một kích thích mạnh hơn, gọi là giai đoạn trơ tương đối (relative refractory period).

Cơ chế lan truyền

Điện thế hoạt động lan truyền dọc theo sợi trục (axon) của tế bào thần kinh nhờ sự di chuyển của các ion. Sự khử cực tại một vị trí trên sợi trục sẽ gây ra sự khử cực ở các vị trí lân cận, tạo thành một làn sóng điện thế lan truyền. Ở các sợi trục có bao myelin, điện thế hoạt động lan truyền theo kiểu nhảy cóc (saltatory conduction) từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác, giúp tăng tốc độ lan truyền.

Vai trò của điện thế hoạt động

• Truyền tín hiệu thần kinh: Điện thế hoạt động là cơ chế chính để truyền tín hiệu giữa các tế bào thần kinh và từ tế bào thần kinh đến các tế bào đích như tế bào cơ hoặc tế bào tuyến.
• Co cơ: Điện thế hoạt động trong tế bào cơ dẫn đến sự co cơ.
• Chức năng các cơ quan: Điện thế hoạt động đóng vai trò trong hoạt động của nhiều cơ quan, bao gồm tim, ruột và não.

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế hoạt động

• Nồng độ ion ngoại bào (Na⁺, K⁺, Ca²⁺).
• Nhiệt độ.
• Các chất độc và thuốc.

Tóm lại, điện thế hoạt động là một hiện tượng điện hóa học quan trọng cho phép các tế bào kích thích giao tiếp và thực hiện các chức năng của chúng. Hiểu biết về điện thế hoạt động là nền tảng để hiểu về hoạt động của hệ thần kinh, hệ cơ và nhiều quá trình sinh lý khác.

Phương trình Nernst và điện thế cân bằng

Điện thế màng ở trạng thái nghỉ được xác định một phần bởi điện thế cân bằng của từng ion. Điện thế cân bằng ($E_{ion}$) là điện thế màng tại đó không có dòng ion di chuyển qua màng. Nó có thể được tính toán bằng phương trình Nernst:

$E{ion} = \frac{RT}{zF} \ln(\frac{[ion]{ngoài}}{[ion]_{trong}})$

Trong đó:

• $R$ là hằng số khí lý tưởng.
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin).
• $z$ là điện tích của ion.
• $F$ là hằng số Faraday.
• $[ion]{ngoài}$ và $[ion]{trong}$ là nồng độ ion bên ngoài và bên trong tế bào.

Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz

Điện thế màng thực tế được xác định bởi tính thấm của màng đối với nhiều ion khác nhau. Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) cho phép tính toán điện thế màng khi xem xét tính thấm tương đối của các ion Na⁺, K⁺ và Cl^–:

$V_m = \frac{RT}{F} \ln(\frac{PK[K^+]{ngoài} + P{Na}[Na^+]{ngoài} + P{Cl}[Cl^-]{trong}}{PK[K^+]{trong} + P{Na}[Na^+]{trong} + P{Cl}[Cl^-]{ngoài}})$

Trong đó:

• $PK$, $P{Na}$ và $P_{Cl}$ là tính thấm của màng đối với K⁺, Na⁺ và Cl^–.

Các kênh ion

Điện thế hoạt động phụ thuộc vào hoạt động của các kênh ion đóng mở theo điện thế. Các kênh Na⁺ và K⁺ đóng vai trò quan trọng nhất.

• Kênh Na⁺: Kênh Na⁺ có hai cổng: cổng kích hoạt và cổng bất hoạt. Khi màng tế bào bị khử cực, cổng kích hoạt mở ra cho phép Na⁺ tràn vào trong. Sau một thời gian ngắn, cổng bất hoạt đóng lại, ngăn chặn dòng Na⁺ tiếp tục.
• Kênh K⁺: Kênh K⁺ mở ra chậm hơn so với kênh Na⁺ và đóng lại chậm hơn, góp phần vào giai đoạn tái cực và siêu phân cực.

Ứng dụng lâm sàng

Sự hiểu biết về điện thế hoạt động có ý nghĩa quan trọng trong y học. Nhiều loại thuốc hoạt động bằng cách ảnh hưởng đến các kênh ion và do đó ảnh hưởng đến điện thế hoạt động. Ví dụ, một số thuốc gây mê cục bộ ngăn chặn sự lan truyền của điện thế hoạt động bằng cách chặn kênh Na⁺. Một số bệnh lý thần kinh và cơ cũng liên quan đến rối loạn chức năng của các kênh ion.

• Bear, M. F., Connors, B. W., & Paradiso, M. A. (2016). Neuroscience: Exploring the brain. Lippincott Williams & Wilkins.
• Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of neural science. McGraw-Hill.
• Purves, D., Augustine, G. J., Fitzpatrick, D., Hall, W. C., LaMantia, A. S., Mooney, R. D., … White, L. E. (2018). Neuroscience. Sinauer Associates.

Câu hỏi và Giải đáp

Vai trò của bơm Na+/K+ trong việc duy trì điện thế màng nghỉ là gì? Tại sao nó lại quan trọng đối với điện thế hoạt động?

Trả lời: Bơm Na+/K+ vận chuyển 3 ion Na+ ra ngoài và 2 ion K+ vào trong tế bào, tạo ra gradient nồng độ cho cả hai ion này. Điều này thiết lập điện thế màng nghỉ âm (-70mV) và là điều kiện tiên quyết để điện thế hoạt động có thể xảy ra. Nếu không có gradient nồng độ do bơm Na+/K+ tạo ra, sẽ không có dòng Na+ vào trong tế bào khi kênh Na+ mở, và do đó không thể tạo ra sự khử cực cần thiết cho điện thế hoạt động.

Sự khác nhau giữa giai đoạn trơ tuyệt đối và giai đoạn trơ tương đối là gì? Điều này có ý nghĩa gì đối với tần số của điện thế hoạt động?

Trả lời: Trong giai đoạn trơ tuyệt đối, tế bào hoàn toàn không thể tạo ra một điện thế hoạt động khác, bất kể kích thích mạnh đến đâu. Điều này là do các kênh Na+ đang ở trạng thái bất hoạt. Trong giai đoạn trơ tương đối, tế bào có thể tạo ra điện thế hoạt động, nhưng cần một kích thích mạnh hơn bình thường. Sự tồn tại của các giai đoạn trơ giới hạn tần số tối đa của điện thế hoạt động.

Bao myelin ảnh hưởng đến sự lan truyền của điện thế hoạt động như thế nào? Tại sao sự lan truyền theo kiểu nhảy cóc lại nhanh hơn?

Trả lời: Bao myelin là một lớp cách điện bao bọc sợi trục, ngăn cản dòng ion đi qua màng. Điện thế hoạt động chỉ có thể xảy ra ở các eo Ranvier, những điểm không có bao myelin trên sợi trục. Do đó, điện thế hoạt động “nhảy” từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác, một quá trình gọi là lan truyền theo kiểu nhảy cóc. Kiểu lan truyền này nhanh hơn nhiều so với lan truyền liên tục dọc theo sợi trục không có bao myelin.

Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz khác với phương trình Nernst như thế nào? Khi nào nên sử dụng mỗi phương trình?

Trả lời: Phương trình Nernst tính toán điện thế cân bằng cho một ion duy nhất, giả sử màng chỉ thấm với ion đó. Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz tính toán điện thế màng khi xem xét tính thấm của màng đối với nhiều ion (thường là Na+, K+ và Cl-). Nên sử dụng phương trình Nernst khi muốn xác định điện thế cân bằng của một ion cụ thể. Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz được sử dụng để tính toán điện thế màng thực tế, phản ánh sự đóng góp của nhiều ion.

Nếu nồng độ K+ ngoại bào tăng lên, điện thế màng nghỉ sẽ thay đổi như thế nào? Điều này ảnh hưởng đến điện thế hoạt động ra sao?

Trả lời: Nếu nồng độ K+ ngoại bào tăng lên, gradient nồng độ K+ giữa bên trong và bên ngoài tế bào giảm đi. Theo phương trình Nernst, điện thế cân bằng của K+ ($E_K$) sẽ trở nên ít âm hơn (khử cực). Vì điện thế màng nghỉ chịu ảnh hưởng mạnh bởi $E_K$, nên điện thế màng cũng sẽ khử cực. Sự khử cực này làm cho tế bào dễ bị kích thích hơn và có thể dẫn đến việc tế bào dễ dàng tạo ra điện thế hoạt động hơn. Trong trường hợp nghiêm trọng, sự khử cực quá mức có thể dẫn đến rối loạn chức năng của tế bào.