Khử cực (Depolarization)

Điện thế nghỉ

Tế bào, đặc biệt là tế bào thần kinh và cơ, duy trì một điện thế nghỉ. Đây là sự chênh lệch điện thế giữa bên trong và bên ngoài tế bào khi tế bào không bị kích thích. Điện thế nghỉ thường nằm trong khoảng từ -60 mV đến -90 mV, nghĩa là bên trong tế bào âm hơn so với bên ngoài. Sự chênh lệch điện thế này được duy trì bởi sự phân bố không đều của các ion, chủ yếu là $Na^+$ (natri), $K^+$ (kali) và $Cl^-$ (clorua), bên trong và bên ngoài màng tế bào, cũng như hoạt động của bơm $Na^+/K^+$-ATPase. Bơm này vận chuyển ba ion $Na^+$ ra khỏi tế bào và hai ion $K^+$ vào trong tế bào, giúp duy trì nồng độ $Na^+$ thấp bên trong và nồng độ $K^+$ cao bên trong tế bào. Chính sự chênh lệch nồng độ ion này cùng với tính thấm chọn lọc của màng tế bào đối với các ion khác nhau tạo nên điện thế nghỉ.

Cơ chế khử cực

Khử cực xảy ra chủ yếu do sự di chuyển của các ion qua màng tế bào. Cụ thể:

• Mở kênh ion: Khi tế bào bị kích thích (ví dụ, bởi một tín hiệu hóa học tại synapse), các kênh ion, đặc biệt là kênh $Na^+$, mở ra.
• Dòng ion $Na^+$ vào trong tế bào: Việc mở kênh $Na^+$ cho phép ion $Na^+$ di chuyển từ bên ngoài tế bào (nồng độ cao) vào bên trong tế bào (nồng độ thấp) theo gradient nồng độ và gradient điện. Dòng $Na^+$ vào trong tế bào làm cho bên trong tế bào trở nên dương hơn, dẫn đến khử cực.
• Đạt ngưỡng và tiềm năng hoạt động: Nếu sự khử cực đạt đến một giá trị ngưỡng nhất định (thường khoảng -55 mV), nó sẽ kích hoạt một tiềm năng hoạt động. Tiềm năng hoạt động là một sự thay đổi điện thế màng nhanh chóng và thoáng qua, lan truyền dọc theo màng tế bào. Trong tiềm năng hoạt động, điện thế màng có thể đạt đến giá trị dương (ví dụ, +40 mV).

Vai trò của khử cực

• Truyền tín hiệu thần kinh: Khử cực và tiềm năng hoạt động là cơ sở cho việc truyền tín hiệu dọc theo sợi trục của tế bào thần kinh.
• Co cơ: Khử cực tại bản vận động thần kinh cơ dẫn đến giải phóng acetylcholine, kích hoạt thụ thể trên tế bào cơ và cuối cùng gây ra sự co cơ.
• Chức năng tim: Khử cực nhịp nhàng của các tế bào nút xoang nhĩ (SA node) trong tim tạo ra nhịp tim.
• Tiết hormone: Khử cực trong một số tế bào nội tiết có thể kích hoạt sự giải phóng hormone.

Tái cực (Repolarization)

Sau khi khử cực, màng tế bào trở về điện thế nghỉ thông qua quá trình tái cực. Tái cực liên quan đến việc đóng các kênh $Na^+$ và mở các kênh $K^+$, cho phép $K^+$ di chuyển ra khỏi tế bào. Sự di chuyển của $K^+$ ra khỏi tế bào làm cho điện thế màng trở nên âm hơn, đưa màng tế bào trở về điện thế nghỉ.

Siêu cực (Hyperpolarization)

Trong một số trường hợp, điện thế màng có thể trở nên âm hơn so với điện thế nghỉ, được gọi là siêu cực. Điều này có thể xảy ra do dòng $K^+$ ra khỏi tế bào kéo dài hoặc dòng $Cl^-$ vào trong tế bào. Siêu cực làm cho tế bào khó bị kích thích hơn, tức là cần một kích thích mạnh hơn để tạo ra một tiềm năng hoạt động.

Tóm lại, khử cực là một sự kiện quan trọng trong nhiều quá trình sinh lý, đóng vai trò then chốt trong việc truyền tín hiệu và điều hòa hoạt động của tế bào.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khử cực

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình khử cực, bao gồm:

• Nồng độ ion ngoại bào: Sự thay đổi nồng độ $Na^+$, $K^+$ và $Cl^-$ trong dịch ngoại bào có thể ảnh hưởng đến gradient điện hóa và do đó ảnh hưởng đến khử cực. Ví dụ, tăng nồng độ $K^+$ ngoại bào có thể làm giảm gradient nồng độ của $K^+$ và làm cho khử cực dễ dàng hơn. Điều này có thể dẫn đến rối loạn chức năng thần kinh và cơ.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động của kênh ion và tốc độ khuếch tán ion, do đó ảnh hưởng đến tốc độ khử cực. Nhiệt độ cao thường làm tăng tốc độ khử cực, trong khi nhiệt độ thấp làm giảm tốc độ.
• Thuốc và độc tố: Một số loại thuốc và độc tố có thể chặn hoặc kích hoạt kênh ion, từ đó ảnh hưởng đến khử cực. Ví dụ, tetrodotoxin (TTX) là một độc tố mạnh có thể chặn kênh $Na^+$ và ngăn chặn khử cực và tiềm năng hoạt động.

Khử cực trong các loại tế bào khác nhau

Mặc dù khử cực thường được thảo luận trong bối cảnh tế bào thần kinh và cơ, nó cũng xảy ra trong các loại tế bào khác, bao gồm:

• Tế bào thụ cảm: Khử cực trong tế bào thụ cảm, chẳng hạn như tế bào thụ cảm ánh sáng trong mắt, chuyển đổi kích thích thành tín hiệu điện.
• Tế bào nội tiết: Khử cực trong một số tế bào nội tiết có thể kích hoạt sự giải phóng hormone. Ví dụ, khử cực trong tế bào beta của tuyến tụy dẫn đến giải phóng insulin.
• Tế bào miễn dịch: Khử cực đóng một vai trò trong việc kích hoạt và chức năng của một số tế bào miễn dịch.

Phương pháp nghiên cứu khử cực

Một số kỹ thuật được sử dụng để nghiên cứu khử cực, bao gồm:

• Kẹp điện áp (Voltage clamp): Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát điện thế màng và đo dòng ion qua màng. Kẹp điện áp là một công cụ quan trọng để nghiên cứu các đặc tính của kênh ion.
• Ghi điện thế màng: Sử dụng các điện cực nhỏ để đo điện thế màng của tế bào. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để ghi lại tiềm năng hoạt động và các thay đổi điện thế màng khác.
• Hình ảnh canxi: Vì $Ca^{2+}$ thường đi vào tế bào trong quá trình khử cực, hình ảnh canxi có thể được sử dụng để theo dõi hoạt động của tế bào. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích để nghiên cứu các quá trình như co cơ và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh.

• 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., Katz, L. C., LaMantia, A. S., McNamara, J. O., & Williams, S. M. (2001). Neuroscience. Sinauer Associates.

Câu hỏi và Giải đáp

Bên cạnh $Na^+$, còn ion nào khác đóng vai trò đáng kể trong quá trình khử cực ở một số loại tế bào?

Trả lời: Mặc dù $Na^+$ là ion chính gây ra khử cực trong nhiều tế bào, $Ca^{2+}$ cũng đóng vai trò quan trọng trong một số loại tế bào, đặc biệt là tế bào cơ tim và tế bào cơ trơn. Dòng $Ca^{2+}$ vào trong tế bào qua các kênh canxi cũng góp phần vào sự khử cực và kích hoạt các quá trình tế bào khác.

Sự khác biệt chính giữa khử cực và tái cực là gì?

Trả lời: Khử cực là quá trình điện thế màng trở nên kém âm hơn (di chuyển về phía zero), chủ yếu do dòng $Na^+$ vào trong tế bào. Ngược lại, tái cực là quá trình điện thế màng trở về điện thế nghỉ âm sau khi khử cực, chủ yếu do dòng $K^+$ ra khỏi tế bào.

Điều gì xảy ra nếu bơm $Na^+/K^+$ bị ức chế?

Trả lời: Bơm $Na^+/K^+$ duy trì gradient nồng độ của $Na^+$ và $K^+$ bên trong và bên ngoài tế bào. Nếu bơm này bị ức chế, gradient nồng độ sẽ dần biến mất, dẫn đến mất điện thế nghỉ và cuối cùng làm cho tế bào không thể khử cực và tạo ra tiềm năng hoạt động.

Làm thế nào mà cường độ kích thích được mã hóa trong hệ thần kinh?

Trả lời: Cường độ kích thích không được mã hóa bởi biên độ của tiềm năng hoạt động (luật “tất cả hoặc không có gì”). Thay vào đó, nó được mã hóa bởi tần số của các tiềm năng hoạt động. Một kích thích mạnh hơn sẽ tạo ra nhiều tiềm năng hoạt động trong một đơn vị thời gian hơn so với một kích thích yếu hơn.

Khử cực có vai trò gì trong việc giải phóng chất dẫn truyền thần kinh tại synapse?

Trả lời: Khi tiềm năng hoạt động đến cúc tận cùng của sợi trục trước synapse, nó gây ra khử cực màng trước synapse. Sự khử cực này mở các kênh $Ca^{2+}$ điện thế, cho phép $Ca^{2+}$ đi vào cúc tận cùng. Dòng $Ca^{2+}$ vào trong tế bào kích hoạt sự hợp nhất của các túi chứa chất dẫn truyền thần kinh với màng trước synapse và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khe synapse.