Điện thế nghỉ và điện thế hoạt động

Tổng quan

• Sự khác biệt về nồng độ của các cation và anion bên trong và bên ngoài tế bào dẫn đến các điện thế màng riêng biệt (xem thêm phần “điện giải” trong y học xét nghiệm).
• Bên cạnh các chất điện giải, các hạt mang điện tích âm (đặc biệt là các hạt bên trong tế bào) cũng ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích.
• Bảng dưới đây liệt kê nồng độ của các cation nội bào và ngoại bào quan trọng nhất dựa trên một mô hình lý tưởng của một neuron.

Thành phần ion của dịch ngoại bào và dịch nội bào
Các ion	Nồng độ ngoại bào	Nồng độ nội bào
Na+	∼ 140 mmol/L	∼ 10 mmol/L
K+	∼ 5 mmol/L	∼ 150 mmol/L
Ca2+	∼ 2 mmol/L	∼ 10-5 mmol/L
H+	pH = 7.4	pH = 7.0
Cl-	∼ 105 mmol/L	∼ 7 mmol/L
Các anion protein	∼ 5 mmol/L	∼ 155 mmol/L

Cơ sở của sự dẫn truyền

Các dung dịch ion dẫn điện. Tốc độ vận chuyển ion được quyết định bởi cường độ của điện trường. Cường độ điện trường được quyết định bởi cường độ ion, vốn là thước đo nồng độ của các ion và điện tích của chúng trong một dung dịch.

• Điện thế màng: một gradient nồng độ được quyết định bởi sự hiện diện của các ion mang điện tích dương và âm qua màng tế bào (tức là bên trong và bên ngoài tế bào), dẫn đến sự tích tụ điện áp (điện thế).
• Phương trình Nernst
  • Phương trình này xác định điện thế cân bằng điện của màng tế bào đối với một loại ion cụ thể.
  • Công thức: E_ion = 60/z log [ion]_out/[ion]_in
    • E_ion = điện thế cân bằng
    • Z = giá trị tuyệt đối của điện tích ion
    • [Ion]_out = nồng độ ion bên ngoài tế bào
    • [Ion]_in = nồng độ ion bên trong tế bào
• Dòng ion: tốc độ di chuyển của ion qua màng tế bào
  • Phụ thuộc vào khả năng đi qua màng của các ion và hiệu điện thế ở hai bên màng, đóng vai trò là lực thúc đẩy
  • Công thức: J = Λ × ΔU
    • J = dòng ion
    • Λ = độ dẫn điện của màng
    • ΔU = hiệu điện thế

Cơ sở vật lý của sự dẫn truyền

Các nguyên lý cơ bản

• Khử cực màng: Sự tràn vào của các cation dẫn đến tăng điện tích dương ở bên trong tế bào.
• Dẫn truyền electrotonic
  • Sự khử cực của một vùng màng sẽ tự động dẫn đến sự khử cực thụ động của các vùng lân cận.
  • Hiệu ứng này phụ thuộc vào điện trở màng và hình dạng của vật dẫn điện (đường kính sợi trục). Việc mô tả dẫn truyền electrotonic đòi hỏi phải xem xét hai khía cạnh này.

Các định luật vật lý chi phối sự dẫn truyền thần kinh dọc theo màng tế bào

Các định luật này dựa trên thuyết dây cáp.

Điện trở trục (ri)

• Định nghĩa: sức cản của bào tương đối với sự di chuyển về phía trước của các hạt mang điện
• Công thức: ri = ρ × l / A
  • r_i = điện trở
  • ρ = điện trở suất
  • l = chiều dài
  • A = diện tích mặt cắt ngang
• Đơn vị đo: Ω (ohm)
• Ảnh hưởng đến dẫn truyền: Điện trở trục càng thấp, sự dẫn truyền càng tốt và nhanh hơn.
• Ảnh hưởng của độ dày sợi thần kinh: Sợi thần kinh càng dày, điện trở trục càng thấp (theo phương trình Hagen-Poiseuille).

Điện trở màng (rM)

• Định nghĩa: sức cản của màng tế bào đối với sự đi qua của các hạt mang điện
• Ảnh hưởng đến dẫn truyền: Điện trở màng càng cao, sự dẫn truyền càng tốt (vì ít hạt mang điện bị thất thoát hơn).
• Ảnh hưởng của độ dày sợi thần kinh: Sợi thần kinh càng dày, điện trở màng càng thấp.

Điện dung màng (CM)

• Định nghĩa: Màng của các sợi thần kinh hoạt động như một loại tụ điện và có thể tích trữ một lượng điện tích nhất định mà không truyền đi.
• Ảnh hưởng đến dẫn truyền: Điện dung màng càng cao, sự dẫn truyền càng kém.
• Ảnh hưởng của độ dày sợi thần kinh: Sợi thần kinh càng dày, điện dung màng càng lớn (vì điều này cũng kéo theo sự gia tăng diện tích bề mặt của sợi thần kinh, nơi điện áp có thể tích tụ).

Hằng số chiều dài (λ)

• Định nghĩa: Một giá trị số hằng định định lượng chiều dài mà một tín hiệu điện có thể truyền dọc theo sợi trục trước khi bị suy giảm.
• Ảnh hưởng đến dẫn truyền: Hằng số chiều dài càng cao, tín hiệu điện càng có thể truyền đi xa hơn trước khi bị suy giảm.
• Ảnh hưởng của sợi thần kinh: Sự hiện diện của myelin làm tăng đáng kể hằng số chiều dài.

Điện trở màng và điện dung màng có mối quan hệ nghịch biến (điện trở càng cao thì điện dung càng thấp).

Các sợi có myelin lớn có hằng số chiều dài dài hơn và tốc độ dẫn truyền nhanh hơn so với các sợi không có myelin và mỏng.

Các bệnh lý hủy myelin như hội chứng Guillain-Barré và xơ cứng rải rác dẫn đến tăng điện dung màng, giảm điện trở màng, giảm tốc độ dẫn truyền và giảm hằng số chiều dài.

Tổng quan

• Điện thế nghỉ (RP): là điện thế màng của một tế bào kích thích (ví dụ: tế bào thần kinh hoặc tế bào cơ) khi ở trạng thái nghỉ.
  • Trạng thái mặc định của tế bào
  • Về cơ bản, điện thế này tương ứng với tổng của tất cả các điện thế khuếch tán (tức là các điện thế ở trạng thái cân bằng động) của các ion nội bào và ngoại bào.
  • Phụ thuộc vào loại tế bào và có thể dao động trong khoảng từ xấp xỉ -70 mV đến -90 mV.
• Chuyển động Brown: chuyển động ngẫu nhiên của các hạt cho phép quá trình khuếch tán xảy ra
• Màng bán thấm: Sự hiện diện của các kênh ion với cơ chế vận chuyển chọn lọc cho phép các ion K⁺ (trong một số trường hợp là cả ion Cl^-) đi qua màng tế bào dễ dàng ở trạng thái nghỉ, và khiến các ion Na⁺ khó đi qua hơn.

Na⁺/K⁺-ATPase

• Cơ chế
  • Bơm Na⁺/K⁺ là một bơm vận chuyển tích cực nằm trên màng tương, có chức năng duy trì điện thế nghỉ của tế bào.
  • Thủy phân một phân tử ATP ở phía bào tương của bơm → đẩy 3 phân tử Na⁺ ra ngoài và đưa 2 phân tử K⁺ vào trong tế bào.
• Chất ức chế
  • Na⁺/K⁺-ATPase bị ức chế trực tiếp bởi các glycoside tim (ví dụ: digoxin và digitoxin) → ức chế gián tiếp quá trình trao đổi Na⁺/Ca²⁺ → tăng nồng độ Ca²⁺ nội bào → tăng sức co bóp cơ tim
  • Ouabain ức chế vị trí gắn kết kali trên Na⁺/K⁺-ATPase.
• Phân bố ion
  • Các phân tử nội bào: K⁺, protein (mang điện tích âm)
  • Các phân tử ngoại bào: Na⁺, Ca²⁺, Cl^-

Điện thế nghỉ về cơ bản tương ứng với điện thế cân bằng K⁺, giá trị này thay đổi tùy theo các kênh ion hiện có trong tế bào: tế bào thần kinh ≈ -70 mV, tế bào cơ (cơ vân và cơ tim) ≈ -90 mV, tế bào thần kinh đệm ≈ -90 mV.

Để ghi nhớ hướng vận chuyển ion do Na⁺/K⁺-ATPase điều hòa, hãy nhớ cụm từ: “Kome in!” (K⁺ đi vào trong tế bào).

Điện thế hoạt động (AP) là một chuỗi các thay đổi của các kênh ion cổng điện thế trên màng tế bào thần kinh nhằm tạo ra một xung thần kinh.

Các pha

Các pha của điện thế hoạt động
Pha	Mô tả	Quá trình tế bào	Điện thế
Điện thế nghỉ	Trạng thái kích thích mặc định	Cân bằng động của kali (K+) và natri (Na+) Nồng độ Na+ ngoại bào cao Nồng độ K+ nội bào cao	-70 mV đến -90 mV (trong -/ ngoài +)
Điện thế ngưỡng	Điện thế điện học tới hạn mà một kích thích phải đạt tới để tạo ra một điện thế hoạt động Quy luật "tất cả hoặc không có gì" Bất kỳ kích thích nào đủ mạnh để vượt qua điện thế ngưỡng đều tạo ra một AP, bất kể cường độ kích thích. Tất cả các kích thích yếu hơn điện thế ngưỡng đều không tạo ra AP.	Các chất dẫn truyền thần kinh gắn vào các thụ thể trên màng tế bào. Dẫn đến việc mở các kênh Na+ gắn với các thụ thể Khi đạt đến điện thế ngưỡng, các kênh Na+ phụ thuộc điện thế mở ra và các kênh K+ bắt đầu đóng lại.	-70 mV đến -50 mV
Khử cực	Chuyển đổi xung động thành điện thế điện hóa có thể truyền đi được Phần dốc lên của đường cong năng lượng điện thế (pha lên) từ ngưỡng (khoảng -70 đến -50 mV) đến đỉnh (khoảng +30 mV)	Chủ yếu được thúc đẩy bởi các cation natri (Na+) Dòng Na+ tràn vào ồ ạt thông qua các kênh Na+ phụ thuộc điện thế Màng tế bào tiến gần hơn đến điện thế cân bằng của Na+ (+60 mV) Bị ức chế bởi tetrodotoxin Các kênh K+ gần như đóng hoàn toàn	> -50 mV
Đỉnh	Điện thế đạt mức tối đa.	Thời điểm mà các kênh Na+ có khả năng mở cao nhất và điện thế màng mang giá trị dương Tại đỉnh của đường cong, nhiều kênh Na+ trở nên bất hoạt một lần nữa. Các kênh K+ gần như đóng hoàn toàn	+30 mV (trong +/ ngoài ‑)
Tái cực	Trở về trạng thái mặc định	Chủ yếu được thúc đẩy bởi các ion kali (K+) Các kênh K+ phụ thuộc điện thế mở ra Bắt đầu dòng K+ đi ra ngoài Sự bất hoạt của các kênh Na+ phụ thuộc điện thế Giảm dòng Na+ đi vào	+30 mV đến -90 mV
Quá phân cực sau tái cực	Điện thế màng thấp hơn điện thế nghỉ Làm tăng ngưỡng nhạy cảm Là một phần của giai đoạn trơ	Sau tái cực, một số kênh K+ vẫn tiếp tục mở. Gây ra bởi sự gia tăng hoạt động của các kênh K+, do dòng Ca2+ đi vào trong quá trình khử cực giảm dần theo thời gian Dòng K+ tiếp tục đi ra và tiến gần đến điện thế cân bằng của K+. Các kênh Na+ chuyển từ trạng thái đóng và không thể kích hoạt sang trạng thái đóng và có thể kích hoạt.	∼ -90 mV (trong -/ ngoài +)
Giai đoạn trơ	Khoảng thời gian sau khử cực mà trong đó tế bào không thể bị kích thích hoặc chỉ bị kích thích yếu Điều hòa tần số phát xung Ngăn chặn các xung động quay trở lại một cách đơn thuần	Giai đoạn trơ tuyệt đối: các kênh Na+ bị bất hoạt và một điện thế hoạt động mới không thể xảy ra, bất kể xung động đi vào mạnh đến mức nào. Giai đoạn trơ tương đối Một số kênh Na+ có thể được tái kích hoạt, nhưng có điện thế ngưỡng cao hơn; chỉ có xung động mạnh mới có thể khởi phát một AP mới. AP này sau đó có biên độ thấp hơn so với AP bình thường.	-70 mV (trong -/ ngoài +)

Dòng ion di chuyển không kiểm soát, chỉ do sự cạn kiệt gradient nồng độ, được gọi là dòng rò.

Thời gian kéo dài của điện thế hoạt động

Thời gian kéo dài của một điện thế hoạt động phụ thuộc vào loại tế bào.

Loại tế bào	Thời gian điện thế hoạt động
Tế bào thần kinh	∼ 1 ms
Tế bào cơ xương	∼ 10 ms
Tế bào cơ tim	∼ 300 ms

Điều hòa điện thế hoạt động

Điện thế màng đạt được trong quá trình khử cực không phản ánh cường độ kích thích. Việc dẫn truyền xung điện hóa tuân theo nguyên lý tất cả hoặc không: quá trình khử cực màng hoặc là được kích hoạt bởi một điện thế hoạt động, hoặc là không. Cường độ kích thích chỉ được thể hiện qua tần số của các điện thế hoạt động liên tiếp theo sau.

• Cường độ kích thích liên quan đến điện thế
  • Điện thế ngưỡng: mức đo sự chênh lệch điện thế sử dụng tổng điện tích ở hai phía của màng tế bào
    • Khoảng -50 mV
    • Mức điện thế phải đạt tới để một điện thế hoạt động được kích hoạt
    • Nếu vượt quá mức này, tất cả các kênh Na⁺ phụ thuộc điện thế sẽ được kích hoạt và điện thế hoạt động sẽ xảy ra.
• Cường độ kích thích liên quan đến cường độ dòng điện
  • Rheobase: biên độ dòng điện tối thiểu cần thiết để tạo ra một điện thế hoạt động
  • Chronaxie: thời gian tối thiểu cần thiết để một dòng điện có cường độ gấp đôi rheobase kích hoạt được một điện thế hoạt động

Dẫn truyền điện thế hoạt động

Sự xuất hiện của một điện thế hoạt động thông qua việc mở các kênh ion và quá trình khử cực hệ quả là những sự kiện mang tính cục bộ. Để điện thế hoạt động có thể đóng vai trò như một xung truyền tin, nó phải có hướng, tức là được truyền đi theo một chiều duy nhất. Sự truyền ngược thần kinh thường bị ngăn chặn bởi giai đoạn trơ của các kênh Na⁺ tương ứng. Việc dẫn truyền kích thích có thể diễn ra nhanh chóng (dọc theo các sợi thần kinh có bao myelin thông qua dẫn truyền nhảy vọt) hoặc chậm chạp dọc theo các sợi thần kinh không có bao myelin thông qua dẫn truyền liên tục.

• Dẫn truyền liên tục: sự dẫn truyền xung chậm dọc theo sợi thần kinh không có bao myelin
  • Kích hoạt điện thế hoạt động: tại một vùng bất kỳ của màng nơi điện thế ngưỡng bị vượt qua
  • Truyền điện thế hoạt động: Sự khử cực màng đảm bảo việc mở các kênh Na⁺ phụ thuộc điện thế ở các vùng lân cận (quá trình khử cực di chuyển dọc theo màng tế bào).
• Dẫn truyền nhảy vọt: sự dẫn truyền xung nhanh dọc theo các sợi trục của sợi thần kinh có bao myelin
  • Kích hoạt điện thế hoạt động: chỉ tại các vùng không có bao myelin của màng (eo Ranvier) nơi điện thế ngưỡng bị vượt qua
  • Truyền điện thế hoạt động: Sự khử cực của một eo Ranvier dẫn đến việc mở các kênh Na⁺ phụ thuộc điện thế tại eo Ranvier tiếp theo (quá trình khử cực nhảy vọt dọc theo màng tế bào).
    • Hai yếu tố thúc đẩy quá trình khử cực của eo Ranvier lân cận:
      1. Sự dịch chuyển của các hạt mang điện lân cận dẫn đến những thay đổi trong điện trường.
      2. Sự cách điện của một số vùng màng (đoạn giữa các eo) ngăn cản sự đi qua của các điện tích, từ đó cho phép một dòng ion liên tục đi tới eo Ranvier tiếp theo.

Tốc độ truyền dẫn dọc theo dây thần kinh trên hết phụ thuộc vào sự cách điện do bao myelin cung cấp: Bao myelin càng dày, tốc độ dẫn truyền kích thích càng nhanh!