Điện thế nghỉ (Resting Potential)

Cơ chế hình thành điện thế nghỉ

Điện thế nghỉ được hình thành chủ yếu nhờ sự phân bố không đều của các ion, đặc biệt là ion natri ($Na^+$), ion kali ($K^+$) và ion clorua ($Cl^-$), bên trong và bên ngoài màng tế bào. Sự phân bố không đều này được duy trì bởi hai yếu tố chính:

• Bơm $Na^+/K^+$: Đây là một protein màng tế bào hoạt động vận chuyển chủ động, sử dụng năng lượng từ ATP để bơm $3Na^+$ ra khỏi tế bào và $2K^+$ vào trong tế bào. Hoạt động này tạo ra sự chênh lệch nồng độ ion, với nồng độ $Na^+$ cao hơn bên ngoài và nồng độ $K^+$ cao hơn bên trong tế bào.
• Tính thấm chọn lọc của màng tế bào: Màng tế bào có tính thấm chọn lọc, nghĩa là nó cho phép một số ion đi qua dễ dàng hơn so với các ion khác. Ở trạng thái nghỉ, màng tế bào thấm $K^+$ nhiều hơn so với $Na^+$. Do đó, $K^+$ có xu hướng khuếch tán từ bên trong ra bên ngoài tế bào theo gradient nồng độ. Sự di chuyển của $K^+$ ra khỏi tế bào mang theo điện tích dương, làm cho bên trong tế bào trở nên âm hơn. Đồng thời, màng tế bào cũng thấm một lượng nhỏ $Cl^-$, và ion này có xu hướng khuếch tán vào trong tế bào, góp phần tạo nên điện thế nghỉ.

Phương trình Nernst

Phương trình Nernst được sử dụng để tính toán điện thế cân bằng của một ion, tức là điện thế màng mà tại đó không có dòng ion di chuyển qua màng. Công thức của phương trình Nernst là:

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

Trong đó:

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

Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz

Vì màng tế bào thấm nhiều loại ion khác nhau, nên điện thế nghỉ thực tế được xác định bởi sự đóng góp của tất cả các ion thấm qua màng. Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz được sử dụng để tính toán điện thế màng khi có nhiều ion tham gia:

$Vm = \frac{RT}{F} \ln \frac{P{K^+}[K^+]{ngoài} + P{Na^+}[Na^+]{ngoài} + P{Cl^-}[Cl^-]{trong}}{P{K^+}[K^+]{trong} + P{Na^+}[Na^+]{trong} + P{Cl^-}[Cl^-]_{ngoài}}$

Trong đó $P$ là hệ số thấm của từng ion. Phương trình này cho thấy điện thế màng phụ thuộc vào cả nồng độ và tính thấm của các ion $K^+$, $Na^+$ và $Cl^-$.

Vai trò của điện thế nghỉ

Điện thế nghỉ là điều kiện tiên quyết để tế bào kích thích có thể tạo ra và lan truyền các tín hiệu điện, chẳng hạn như điện thế hoạt động. Khi tế bào bị kích thích, điện thế màng thay đổi, và nếu sự thay đổi này đủ lớn, nó sẽ kích hoạt điện thế hoạt động, cho phép tế bào truyền tín hiệu đến các tế bào khác. Nói cách khác, điện thế nghỉ là nền tảng cho sự dẫn truyền thần kinh và co cơ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế nghỉ

Điện thế nghỉ không phải là một giá trị cố định mà có thể thay đổi tùy thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

• Nồng độ ion ngoại bào: Sự thay đổi nồng độ ion $K^+$, $Na^+$, hoặc $Cl^-$ trong dịch ngoại bào có thể ảnh hưởng đến điện thế nghỉ. Ví dụ, tăng nồng độ $K^+$ ngoại bào sẽ làm giảm gradient nồng độ $K^+$ và do đó làm giảm điện thế nghỉ (trở nên ít âm hơn).
• Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán của các ion và hoạt động của bơm $Na^+/K^+$, do đó cũng ảnh hưởng đến điện thế nghỉ. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ khuếch tán.
• Các chất ức chế bơm $Na^+/K^+$: Một số chất, chẳng hạn như ouabain, có thể ức chế hoạt động của bơm $Na^+/K^+$, dẫn đến sự giảm gradient nồng độ ion và do đó làm giảm điện thế nghỉ.
• Tính thấm của màng tế bào: Sự thay đổi tính thấm của màng tế bào đối với các ion khác nhau, ví dụ như do tác động của các kênh ion, cũng có thể ảnh hưởng đến điện thế nghỉ.

Sự khác biệt điện thế nghỉ giữa các loại tế bào

Điện thế nghỉ có thể khác nhau giữa các loại tế bào kích thích. Sự khác biệt này phụ thuộc vào sự biểu hiện của các kênh ion và hoạt động của bơm $Na^+/K^+$ trong từng loại tế bào. Ví dụ, tế bào cơ trơn có điện thế nghỉ khoảng -50 mV, trong khi tế bào cơ tim có điện thế nghỉ khoảng -90 mV. Sự khác biệt này phản ánh chức năng chuyên biệt của từng loại tế bào.

Điện thế nghỉ và bệnh lý

Một số bệnh lý có thể liên quan đến sự rối loạn điện thế nghỉ. Ví dụ, trong bệnh hạ kali máu (hypokalemia), nồng độ $K^+$ trong máu thấp, dẫn đến tăng điện thế nghỉ (trở nên âm hơn), gây ra các triệu chứng như yếu cơ và rối loạn nhịp tim. Ngược lại, trong bệnh tăng kali máu (hyperkalemia), nồng độ $K^+$ trong máu cao, dẫn đến giảm điện thế nghỉ (trở nên ít âm hơn), cũng có thể gây ra rối loạn nhịp tim. Những rối loạn này cho thấy tầm quan trọng của việc duy trì nồng độ ion thích hợp cho chức năng tế bào bình thường.

• 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.
• Guyton, A. C., & Hall, J. E. (2016). Textbook of medical physiology. Elsevier Saunders.
• Purves, D., Augustine, G. J., Fitzpatrick, D., Hall, W. C., LaMantia, A. S., McNamara, J. O., & White, L. E. (2018). Neuroscience. Sinauer Associates.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài $Na^+$ và $K^+$, còn ion nào khác đóng góp vào điện thế nghỉ và vai trò của chúng là gì?

Trả lời: Ion clorua ($Cl^-$) cũng đóng góp vào điện thế nghỉ. Mặc dù màng tế bào ít thấm với $Cl^-$ hơn so với $K^+$, nhưng $Cl^-$ có xu hướng di chuyển vào trong tế bào theo gradient điện hóa (bên trong tế bào âm hơn). Sự di chuyển này làm cho điện thế nghỉ trở nên âm hơn, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của $Cl^-$ ít hơn so với $K^+$. Ngoài ra, một số anion hữu cơ (các protein mang điện tích âm) bên trong tế bào cũng góp phần tạo nên điện thế nghỉ âm.

Điều gì xảy ra với điện thế nghỉ khi nồng độ $Na^+$ ngoại bào giảm đáng kể?

Trả lời: Khi nồng độ $Na^+$ ngoại bào giảm đáng kể, gradient nồng độ $Na^+$ giảm, làm giảm động lực cho $Na^+$ đi vào trong tế bào. Tuy nhiên, ảnh hưởng đến điện thế nghỉ sẽ không quá lớn, vì ở trạng thái nghỉ, tính thấm của màng tế bào với $Na^+$ vốn đã rất thấp. Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz cho thấy $Na^+$ có ảnh hưởng nhỏ đến điện thế nghỉ so với $K^+$. Do đó, điện thế nghỉ sẽ hơi âm hơn một chút, nhưng không thay đổi đáng kể.

Làm thế nào để các tế bào duy trì gradient nồng độ ion mặc dù có sự rò rỉ ion qua màng?

Trả lời: Bơm $Na^+/K^+$ liên tục hoạt động để chống lại sự rò rỉ ion qua màng. Nó bơm $Na^+$ ra ngoài và $K^+$ vào trong tế bào, duy trì gradient nồng độ cần thiết cho điện thế nghỉ. Đây là một quá trình tiêu tốn năng lượng, sử dụng ATP để duy trì sự chênh lệch nồng độ ion.

Sự khác biệt về điện thế nghỉ giữa các loại tế bào có ý nghĩa chức năng gì?

Trả lời: Sự khác biệt về điện thế nghỉ giữa các loại tế bào phản ánh sự khác biệt về chức năng của chúng. Ví dụ, tế bào cơ tim có điện thế nghỉ âm hơn so với tế bào cơ trơn, điều này giúp tạo ra các điện thế hoạt động ổn định và nhịp nhàng, cần thiết cho hoạt động co bóp của tim. Tương tự, sự khác biệt về điện thế nghỉ giữa các loại tế bào thần kinh có thể ảnh hưởng đến khả năng kích thích và cách chúng xử lý thông tin.

Ứng dụng của việc nghiên cứu điện thế nghỉ trong lĩnh vực y học là gì?

Trả lời: Nghiên cứu về điện thế nghỉ và các kênh ion có ứng dụng quan trọng trong việc phát triển thuốc điều trị nhiều bệnh lý. Ví dụ, các thuốc chẹn kênh $Na^+$ được sử dụng để điều trị rối loạn nhịp tim và động kinh. Các thuốc tác động lên kênh $K^+$ được sử dụng để điều trị cao huyết áp và một số bệnh tim mạch khác. Việc hiểu rõ hơn về điện thế nghỉ và các kênh ion sẽ mở ra cơ hội phát triển các phương pháp điều trị mới hiệu quả hơn cho nhiều bệnh lý khác nhau.