CHƯƠNG 5 Điện thế màng và điện thế hoạt động

At the end of the action potential, the return of the membrane potential to the negative state causes the potassium channels to close back to their original status, but again, only after

II 61

H u như m i t bào c a cơ th đ u có đi n th hai bên

màng t bào M t s t bào như t bào th n kinh và t

bào cơ, s hình thành nh ng xung đ ng đi n hóa thay

đ i m t cách nhanh chóng màng, nh ng xung đ ng

này truy n tín hi u d c theo màng M t s t bào khác

như t bào tuy n, đ i th c bào, t bào lông có nh ng

bi n đ i đi n th màng có ch c năng khác nhau

Chương này ôn l i nh ng cơ ch chính c a vi c hình

thành đi n th màng lúc ngh và đi n th ho t đ ng c a

t bào th n kinh và cơ

Màng bán th m có tính th m ch n l c

CƠ S V T LÍ C A ĐI N TH MÀNG

ĐI N TH MÀNG ĐƯ C T O RA

B I N NG Đ CÁC ION

Trong hình 5- 1A, m t s i th n kinh, bên trong màng

có n ng đ ion kali r t cao, ngoài màng n ng đ

kali th p Gi s lúc này màng tr nên r t th m m t

lo i ion là kali mà không th m ion nào khác Vì

chênh l ch n ng đ cao gi a trong và ngoài t bào, có

m t xu hư ng các ion kali khu ch tán ra ngoài qua màng

bán th m, như v y kali mang theo các đi n tích dương ra

ngoài màng, đ l i các đi n tích âm bên trong( vì các ion

âm không khu ch tán qua màng cùng ion kali) Trong

th i gian mili giây, chênh lêch đi n th gi a trong và

ngoài màng t bào g i là đi n th khu ch tán, đi n th

này đ t t i m c ngăn không cho kali ra ngoài màng t

bào n a, tuy n ng đ kali bên trong v n cao hơn bên

ngoài s i th n kinh đ ng v t có vú, s chênh l ch

đi n th là kho ng 94 mV, âm bên trong màng

Trong hình 5- 1B, ch ra hi u ng tương t hình 5.1 A

Nhưng lúc này là ion natri v i n ng đ cao bên ngoài

và n ng đ th p bên trong màng t bào Nh ng ion này

cũng mang đi n tích dương Th i đi m này màng có tính

th m cao vs ion Na mà ko cho các ion khác th m qua

Đi n th màng và

đi n th ho t đ ng

S khu ch tán c a ion dương natri t o đi n th màng trái d u v i v i trư ng h p ion kali như hình 5- 1A,

t c là ngoài màng âm, trong màng dương Trong vài mili giây , đi n th tăng v t đ ngăn không cho ion na khu ch tán thêm vào n a Lúc này, s i th n kinh

đ ng v t có vú đi n th là kho ng 61mV, đi n tích dương bên trong màng

Như v y, c 2 hình 5.1, chúng ta th y r ng dư i đi u

ki n thích h p s chênh l ch n ng đ các ion qua màng bán th m ch n l c, t o nên đi n th màng Ph n sau c a chương này, chúng ta ch ra nhi u s thay đ i đi n th màng quan sát đư c trong su t quá trình truy n xung

đ ng th n kinh và cơ, là k t qu c a s x y ra nhanh chóng c a đi n th khu ch tán

Phương trình Nernst mô t tương quan gi a đi n

th khu ch tán và hi u n ng đ ion

Đi n th gi a hai bên màng, khi đ t giá tr v a đ đ ngăn s khu ch tán th c m t ion qua màng g i là

đi n th Nernst đ i v i ion đó, m t thu t ng đã

đư c gi i thi u trong chương 4

Hình 5-1 Â- S hình thành đi n th khu ch tán qua màng t

bào s i th n kinh b i s khu ch tán ch n l c các ion kali t bên trong màng ra ngoài

B- S hình thành đi n th khu ch tán qua màng t

bào s i th n kinh khi ch có tính th m v i mình ion natri Lưu

ý r ng đi n th bên trong màng âm khi ion kali khu ch tán và dương khi ion natri khu ch tán do s đ i ngư c nhau v n ng

đ c a chúng 2 bên màng t bào

+ – + – + – + – + – + – + – + –

– + – + – + – + – + – + – + – + – + + – – +

S i th n kinh

(Anions) –

(Anions)–

(–94 mV)

K +

K +

– + – + – + – + – + – + – + – +

+ – + – + – + – + – + – + – + – + – – + + –

S i th n kinh

() –

(Anions)–

(+61 mV)

Na +

Na +

ĐI N TH KHU CH TÁN

Ph n II: Sinh lí màng t bào, th n kinh và cơ

62

Giá tr c a đi n th N đư c quy t đ nh b i t l n ng đ

các ion đ c bi t hai bên màng, t l n ng đ ion càng l n

thì xu th khu ch tán ion càng m nh và đi n th N càng

cao đ ngăn c n s khu ch tán th c ti p t c x y ra n a

Phương trình sau g i là phương trình N, có th đư c

dùng đ tính toán đi n th N cho b t kì ion có hóa tr

1 nào đi u ki n nhi t đ cơ th bình thư ng 98,6 đ F(

37 đ C

EMF(millivolts) z

n ng đ bên trong

(

= ±61 ×log

n ng đ bên ngoài

EMF: l c đi n đ ng, z: đi n tích c a ion vd: +1 đ i v i

K+

Khi dùng phương trình này, ta luôn th a nh n r ng

đi n th ngoài màng t bào bao gi cũng b ng 0, và đi n

th N là đi n th bên trong màng t bào D u c a đi n

th là (+) n u ion khu ch tán t trong ra ngoài màng t

bào là ion âm, và d u c a đi n th là âm khi ta có ion

dương khu ch tán Vì v y v i ví d trên khi n ng đ ion

dương K+ bên trong cao g p 10 l n bên ngoài , thì log

c a 10 là 1, đi n th N s đư c tính là 61mV bên trong

màng

Phương trình Goldman đư c dùng đ tính đi n

th khu ch tán khi màng th m nhi u ion khác

nhau:

Khi màng th m nhi u ion khác nhau thì đi n

th khu ch tán ph thu c 3 y u t :

(1) d u c a đi n tích ion, (2) tính th m P c a màng đ i

v i m i ion và (3) n ng đ các ion( C) tương ng bên

trong( i) và bên ngoài màng (o) vì v y phương trình sau

g i là Phương trình Goldman hay phương trình Phương

trình Goldman- hoagkin Katz đưa ra cách tính đi n th

bên trong màng t bào khi có 2 ion dương hóa tr m t

là Na+ và K+ và m t ion âm hóa tr m t là Cl-

EMF millivolts C P C P C P

C P

o

( ) = − × log + ++ + + + − −

+

61

+++ + C PK+ K+ + C PCI− CI−

Nh ng đi m đáng chú ý c a Phương trình Goldman

là : th nh t: các ion Na, K và Cl đ u r t quan tr ng

trong vi c t o đi n th màng dây th n kinh cũng như t

bào nơ ron trong h th n kinh trung ương S chênh l ch

n ng đ các ion này qua màng s giúp xác đ nh đi n th

màng

Th 2: m c đ quan tr ng c a m i ion trong vi c t o

đi n th t l v i tính th m c a ion đó qua màng Ví d

n u màng không th m K+ và Cl - , đi n th màng ch

ph thu c chênh l ch n ng đ na và s b ng đúng tr s

phương trình Nernst đ i v i ion Na,

Th 3: n u n ng đ ion dương bên trong màng cao hơn bên ngoài màng s t o ra đi n th âm bên trong màng Lí do c a hi u ng này là quá nhi u ion dương s khu ch tán ra ngoài, s khu ch tán này s mang theo

di n tích dương ra bên ngoài đ l i các ion âm không l t màng, l i t o đi n th âm trong màng Hi u ng ngư c

l i x y ra khi có m t s chênh l ch n ng đ ion âm Ví

d ch nh l ch n ng đ ion clo bên ngoài và trong màng

t o ra âm bên trong màng vì s khu ch tán quá m c ion clo mang đi n tích âm vào bên trong, trong khi đó không

có s khu ch tán các ion dương ra ngoài

Th 4: tính th m c a kênh na và k bi n đ i c c nhanh khi có xung đ ng th n kinh, trong khi tính th m

c a ion kênh clo bi n đ i ch m, cho nên tính th m na và

k có ý nghĩa ch y u đ i v i s truy n đ t tín hi u trên dây th n kinh, ch đ này s đư c nh c đ n trong ph n còn l i c a chương

ĐO ĐI N TH MÀNG

Phương pháp đo đi n th màng là đơn gi n v m t lí thuy t nhưng l i khó áp d ng trong th c t vì kích thư c

c a ph n l n các s i r t nh Hình 5.2 ch ra m t pi pét nh

c m vào m t dung d ch đi n gi i pipet đâm xuyên qua màng t bào vào bên trong c a s i M t đi n c c khác

đư c g i là đi n c c trung tính, đư c đ t v trí d ch ngo i bào, s chênh l ch đi n th bên trong và ngoài màng đư c đo b i m t máy vôn k thích h p Máy vôn

k này là m t thi t b đi n tinh vi có th đo đư c đi n

th nh m c dù tr kháng r t cao v i dòng đi n tích di chuy n qua đ u c a micro pipet - có đư ng kính lumen

nh hơn 1 micro met và đi n tr hơn 1000 m ôm Đ ghi l i nhanh s bi n đ i đi n th màng trong quá trình lan truy n xung đ ng th n kinh, vi đi n c c này đư c

k t n i v i m t nghi m dao đ ng s đư c gi i thích trong chương sau

Hình 5-2: Đo đi n th màng s i th n kinh dùng phương

pháp pipet vi th

0

+ + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + +

Đi n c c b c-

b c clorit

KCI

– – – – – – – – – – – – – – – – (–90

mV)

– – – – – – – – – – – – – – –

Chương 5: Đi n th màng và đi n th ho t đ ng

Ví d , đi n th bên trong dây th n kinh là âm hơn 90mV so v i bên ngoài nh ng ph n ti p theo, tính

ch t v n chuy n c a màng t bào th n kinh v i ion na-tri, kali và nh ng y u t xác đ nh m c đi n th ngh s

đư c gi i thích

V n chuy n ch đ ng ion natri, kali qua màng- Bơm Natri-Kali.

Nh c l i t chương 4 r ng: t t c t bào trong cơ th đ u

có m t bơm Natri-Kali r t m nh liên t c v n chuy n na-tri ra ngoài và kali vào trong t bào, như đư c minh hoa hình 5.4 Chú ý r ng đây là m t bơm đi n tích vì nhi u

đi n tích dương đư c bơm ra ngoài hơn vào trong( 3 na

đi ra cho 2 k đi vào) đ l i m t s hao h t đi n tích dương bên trong gây ra đi n th âm phía trong màng t 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 t l tương ng c a 2 ion bên trong và ngoài màng là:

Na trog/ngoài: 0,1

K trong/ngoài: 35

S rò r kali qua màng t bào th n kinh

Phía bên ph i hình 5.4 ch ra kênh protein ( đôi khi

g i là kênh kali ho c kênh rò r kali ) trong màng t bào

th n kinh mà qua đó k có th b rò r ngay c khi t bào

Ph n dư i c a hình 5.3 ch ra đi n th đư c đo m i

đi m bên trong ho c g n màng t bào s i th n kinh, b t

đ u bên trái c a hình và sang bên ph i, n u đi n th đo

đư c bên ngoài màng t bào th n kinh b ng không thì

đó là đi n th c a d ch ngo i bào Sau đó đi n th đo

đư c qua vôn k thay đ i theo t ng khu v c c a t bào(

đư c g i là l p đi n th lư ng c c), đi n th gi m đ t

ng t xu ng -90mV Chuy n đ n trung tâm c a dây th n

kinh, đi n th duy trì m c n đ nh -90mV nhưng quay

ngư c l i m c 0 ngay khi nó nó đi qua màng phía đ i

di n dây th n kinh

Đ t o ra m t đi n th âm bên trong màng, chính các

ion dương ch đ phát tri n l p đi n th lư ng c c

màng ph i đư c v n chuy n ra phía ngoài T t c nh ng

ion duy trì bên trong s i th n kinh có th dương ho c

âm đư c ch ra ph n trên c a hình 5.3 Vì v y, s v n

chuy n c a m t lư ng r t nh các ion qua màng có th

thi t l p nên đi n th ngh -90mv bên trong s i th n

kinh, đi u này có nghĩa là ch kho ng 1/3000000 t i 1/

100 000 000 lư ng đi n th dương bên trong màng s i

th n kinh đư c v n chuy n ngoài ra, m t s lư ng nh

ngang b ng v i lư ng ion dương di chuy n t bên ngoài

vào bên trong s i th n kinh có th đ o ngư c đi n th t

-90mv l n r t nhi u t i +35mv trong th i gian 1/10000

giây S thay đ i v trí nhanh chóng c a các ion theo

cách này t o ra các tín hi u th n kinh đư c th o lu n

trong nh ng ph n ti p theo c a chương

ĐI N TH NGH C A S I TH N KINH

Đi n th ngh c a nh ng dây th n kinh l n khi chúng

không truy n tín hi u th n kinh là kho ng -90mV

Hình 5-3: S phân b đi n th âm và dương d ch bên trong và

d ch ngo i bào xung quanh m t s i th n kinh Lưu ý s phân b

th ng hàng c a đi n th âm bên trong, đi n th dương bên ngoài

màng t bào d c theo s i th n kinh

Hình v phía dư i di n t s thay đ i đ t ng t c a đi n th màng

x y ra 2 phía c a màng t bào s i th n kinh

–90

– + – + – + – + – + – + – + – + – + + – – + – + – – + + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + + – – + – + – – + + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + + – – + – + – – + + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + + – – + – + – – + + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + + – – + – + – – + + – +

s i th n kinh

Hình 5-4: Đ c đi m ch c năng c a bơm Natri- Kali và c a

kênh “rò r ” kali ADP- adenosine diphosphat, ATP- adenosine triphosphate Kênh rò r kali ch rò r m t lư ng nh ion natri

đi qua t bào và tính th m v i ion natri cũng th p hơn nhi u so

v i ion kali.

3Na +

3Na +

2K +

2K +

K +

Na +

Selectivity filter

K +

+

Bên ngoài

Ph n II: Sinh lí màng t bào, th n kinh và cơ

64

S đóng góp góp c a s khu ch tán kali: hình 5.5 a,

chúng ta gi đ nh r ng ch có s v n chuy n c a mình ion kali đư c khu ch tán qua màng, đư c ch ng minh

b i s m kênh kali bên trong và ngoài màng t bào Vì

t l n ng đ kali trong và ngoài màng r t cao, t i 35:1, theo phương trình Nerst , khu ch tán kali t o đi n th là -61 mV x log35 = -94mV Vì v y n u kali là ion duy

nh t t o ra đi n th ngh thì đi n th ngh bên trong s i

th n kinh s là -94mV như đư c ch ra hình v

S đóng góp c a khu ch tán ion natri: Hình 5-5b

ch ra ph n đóng góp thêm cho đi n th màng do khu ch tán natri, gây ra b i s khu ch tán natri qua s rò r kênh Na+-K+ T l n ng đ v i natri bên trong và ngoài màng là 0,1, do đó tính đi n th bên trong màng theo phương trình N là +61mV Hơn n a đư c ch ra hình 5-5b là đi n th khu ch tán kali là -94mV V y chúng s tác đ ng l n nhau như th nào? Và đi n th t ng h p là gì? Câu h i này s đư c tr l i b i phương trình Gold-man đã đư c mô t t trư c B ng tr c giác, có th th y

r ng n u màng có tính th m cao v i kali nhưng ch có tính th m th p v i natri thì s r t h p lí n u s đóng góp

c a kali cho vi c hình thành đi n th màng là nhi u hơn natri t bào th n kinh bình thư ng, s khu ch tán c a kali g p 100 l n natri Dùng t s này vào phương trình Goldman đi n th bên trong màng là -86mV, g n v i

đi n th khu ch tán kali đư c ch ra trong hình

S đóng góp c a bơm Na+-K+ Trong hình 5-5C,

bơm Na+-K+ đư c ch ra đ cung c p thêm s đóng góp vào đi n th ngh Hình này ch ng minh vi c bơm liên

t c 3 ion natri ra bên ngoài màng x y ra thì có 2 ion kali

đư c bơm vào bên trong Vi c bơm nhi u ion natri hơn kali gây ra vi c m t đi n tích dương bên trong màng t bào, t o thêm m t m c đi n th âm( kho ng -4mV) phía bên trong màng so v i ch khu ch tán đơn thu n Như

v y, như đư c ch ra hình 5-5 C, đi n th màng đư c

t o b i t t c các y u t này tác đ ng vào cùng 1 th i

đi m là -90mV

Tóm t i, s khu ch tán đơn thu n kali và natri s t o

ra đi n th màng kho ng -86mV, nó đư c t o thành h u

h t b i s khu ch tán kali Thêm vào đó -4mV đư c t o

ra do ho t đ ng bơm liên t c c a bơm Na+-K+., t o nên

đi n th màng -90mV

bào đang ngh C u trúc chính c a kênh k đư c mô t

trong chương 4, (hình 4.4) Nh ng kênh k này cũng có

th rò r m t lư ng nh na, nhưng đáng chú ý hơn là tính

th m màng đ i v i k cao hơn na kho ng 100 l n S

chênh l ch tính th m này s đư c th o lu n sau là chìa

khóa đ xác đ nh đi n th màng lúc ngh

NGU N G C C A ĐI N TH

NGH

Hình 5.5 ch ra nh ng y u t quan tr ng thi t l p nên

đi n th màng, đó là:

Hình 5-5: S hình thành đi n th ngh trong s i th n kinh dư i 3 đi u

ki n:

A: Khi đi n th màng t bào đư c t o ra b i s khu ch tán c a mình ion

kali.

B: Khi đi n th màng t bào đư c t o ra s khu ch tán c a ion kali và

natri.

C: Khi đi n th màng t bào đư c t o ra s khu ch tán c a ion kali và

natri, thêm vào đó là ho t đ ng c a bơm Natri- Kali.

+ + + + + + +

+

– – – – – – –

– + + + + + +

– – – – – –

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + +

– – – – – – – – – – – – – – – – – – –

142 mEq/L 4 mEq/L

(Anions) – (Anions) –

(–90 mV)

Na +

4 mEq/L

K+

Na +

Bơm

A

B

C

khu ch tán

Bơm khu ch tán

140 mEq/L

(–94 mV)

(–94 mV)

K +

14 mEq/L

(+61 mV)

(–86 mV)

Na +

140 mEq/L

(–94 mV)

K +

Chương 5: Đi n th màng và đi n th ho t đ ng

Giai đo n ngh : Giai đo n ngh là đi n th màng trư c

khi đi n th ho t đ ng xu t hi n Ngư i ta nói là màng

tr ng thái kh c c hóa trong su t giai đo n này b i đi n

th màng -90mV ch ng minh đi u đó

Giai đo n kh c c: Vào th i đi m này, màng đ t

nhiên r t th m v i ion natri, cho phép m t lư ng l n natri ùa vào bên trong s i tr c nơ ron Tr ng thái c c hóa -90mV ngay l p t c b m t b i dòng natri mang đi n tích dương t o nên s chuy n nhanh chóng đi n th sang phía

đi n th dương Hi n tư ng này g i là kh c c nh ng

s i th n kinh l n, quá nhi u natri di chuy n vào bên trong gây ra đi n th màng tăng quá đà qua m c 0 t i m t giá

tr dương nào đó m t s t bào th n kinh nh hơn , cũng như nh ng nơron c a t bào th n kinh trung ương,

đi n th ch đo đư c g n t i m c không, ch không v t quá đà lên tr s dương

Giai đo n tái c c: Ngay trong kho nh kh c ng n vài

ph n v n giây sau khi màng tăng v t tính th m v i natri, kênh natri b t đ u đóng và kênh kali m r ng hơn bình thư ng Sau đó ion kali khu ch tán nhanh chóng ra ngoài tái t o l i tr ng thái c c hóa lúc ngh , do đo đư c g i là giai đo n tái c c

Đ gi i thích đ y đ hơn v các y u t gây ra quá trình

kh c c và tái c c, chúng ta s mô t nh ng đ c đi m

c a 2 lo i kênh v n chuy n qua màng t bào th n kinh:

c ng đi n th natri và kênh kali

KÊNH CÓ CÁNH C NG ĐI N

TH NATRI VÀ KALI

Y u t c n thi t gây nên quá trình kh c c và tái c c c a màng t bào th n kinh trong su t quá trình đi n th ho t

đ ng là kênh có cánh c ng đi n th natri- đóng vai trò quan tr ng trong vi c tăng nhanh chóng ho t đông tái c c

c a màng t bào 2 kênh có cánh c ng đi n th này đư c

thêm vào cùng v i bơm Na+-K+ và kênh rò r kali

Ho t hóa và kh ho t kênh có cánh c ng

đi n th natri Ph n trên c a hình 5-7 ch

ra kênh có cánh c ng đi n th natri 3 giai

đo n riêng bi t Kênh này có 2 c ng: m t bên ngoài đư c g i là c ng ho t hóa và

m t c ng bên trong g i là c ng b t ho t

Phía trên trái c a hình v th hi n giai đo n hai c ng này khi màng đang ngh , khi đi n

th màng là -90mV giai đo n này c ng

ho t hóa b đóng l i, ngăn c n b t kì dòng natri nào vào bên trong s i th n kinh qua kênh natri

ĐI N TH HO T Đ NG C A T BÀO TH N KINH

ĐI N TH HO T Đ NG C A T BÀO

TH N KINH

Đi n th ho t đ ng di chuy n d c theo màng nơron

truy n đ t các tín hi u th n kinh M i đi n th ho t đ ng

b t đ u t s thay đ i đ t ng t đi n th âm c a màng

thành đi n th dương và k t thúc v i m t t c đ thay

đ i nhanh chóng tương đương đ tr l i đi n th âm Đ

t o ra nh ng tín hi u th n kinh, đi n th ho t đ ng di

chuy n d c theo t bào s i th n kinh cho t i đi m k t

thúc c a nó

Ph n trên c a hình 5-6 ch ra s thay đ i x y ra

màng trong su t quá trình xu t hi n đi n th ho t đ ng

v i s v n chuy n đi n tích dương vào bên trong màng

vào lúc b t đ u và sau đó tr l i đi n tích dương ra ngoài

vào lúc k t thúc Ph n dư i c a hình v ch ra s thay

đ i ti p theo c a đi n th màng ch trong m t vài ph n

v n giây, ch ng minh s xu t hi n bùng n c a đi n th

ho t đ ng và s quay l i tr ng thái ban đ u cũng nhanh

tương đương

Nh ng giai đo n liên ti p nhau c a đi n th ho t

đ ng

Hình 5-6: Đi n th ho t đ ng đi n hình đư c ghi l i b i

phương pháp đư c ch ra ph n trên c a hình v

KCI

0.7 0.5 0.6 0.3 0.4 0.1 0.2 0

+35

0

–90

Quá ngư ng

Mili giây

o r

a

o

R e o

riz a

tio

Ngh

0

+ + + + +

+ + + + + + + + + +

Đi n c c

b c- b c clorit

+ + + + – – – – – – – – – –

– – – –

+ + + +

+ + + +

– – – – – – – – – – – – –

Ph n II: Sinh lí màng t bào, th n kinh và cơ

66

Kênh có cánh c ng đi n th kali và s ho t hóa nó

Ph n dư i hình 5-7 ch ra kênh có cánh c ng đi n th kali trong 2 giai đo n : trong lúc ngh ( trái) và hư ng v k t thúc đi n th ho t đ ng( ph i) Trong su t giai đo n ngh ,

c ng kênh kali b đóng, ion kali b ngăn ch n đi qua kênh này ra bên ngoài,khi đi n th màng tăng d n t -90mV v phía 0, khi lên t i tr s kho ng -70 đ n -50mV thì đi n

th đo t o m t s bi n đ i đ t ng t hình dáng c ng ho t hóa, cánh c ng này chuy n sang v trí m c a,cho phép ion kali ùa qua kênh ra ngoài t bào Tuy nhiên có m t chút ch m tr trong vi c m kênh kali, h u như chúng ch

m khi kênh natri b t đ u đóng l i do s kh ho t hóa Vì

v y vi c gi m lư ng natri vào trong t bào cùng v i t c

đ c a quá trình tái c c d n đ n vi c thi t l p l i đi n th màng trong th i gian vài ph n v n giây

Phương pháp” k p đi n th ’ nghiên c u nh

hư ng c a đi n áp lên vi c m và đóng cánh c ng

đi n th V i các nghiên c u ban đ u đã d n đ n s

hi u bi t v các kênh natri và kali,các nhà khoa h c Hodgkin và Huxley đã đư c nh n gi i Nobel B n

ch t c a nh ng nghiên c u này đư c trình bày trong hình 5-8 và 5-9

Hình 5-8 cho th y các phương pháp k p đi n áp,

đó là dùng đ đo dòng ch y c a các ion thông qua các kênh khác nhau Trong vi c s d ng thi t b này, hai đi n c c đư c đưa vào các s i th n kinh

M t trong nh ng đi n c c đư c s d ng đ đo đi n

th màng, và c c còn l i đư c s d ng đ đo các dòng đi n vào ho c ra kh i các s i th n kinh Thi t

b này đư c s d ng theo cách sau: Các nhà khoa

h c quy t đ nh mà đi n áp đ thi t l p bên trong các

s i th n kinh Sau đó, ph n đi n t c a thi t b đư c

đi u ch nh đ có đi n áp mong mu n, t đ ng tiêm

đi n tích dương hay âm thông qua các đi n c c hi n

b t c t l nào c n thi t đ gi đi n áp đo b ng

đi n c c đi n áp m c đ thi t l p b i nhà đi u hành Khi đi n th màng đư c tăng đ t ng t tăng

b i k p đi n th này t -90 mV đ n s không, các cánh c ng đi n th natri và kali m và các ion natri

và kali b t đ u đ qua các kênh

Hình 5-7: Đ c đi m c a cánh c ng đi n th kênh natri (phía

trên), cánh c ng đi n th kênh kali( phía dư i) và s ho t hóa

ch m c u kênh kali khi đi n th màng đư c thay đ i t tr ng

thái ngh vs giá tr âm thành giá tr dương.

C ng ho t hóa

L c m t cách

ch n l c

C ng b t ho t

Bên trong

Ngh

( − 90 mV)

Đư c ho t hóa

( − 90 to +35 mV)

B b t ho t

(+35 t i − 90

mV, b ch m tr

)

Resting

( − 90 mV)

Slow activation (+35 to − 90 mV)

Hình 5-8: Phương pháp k p đi n th đo dòng ion qua các kênh

đ c bi t

Đi n c c có dòng đi n tích

Đi n c c

đi n áp

B khu ch đ i

Đi n c c trong dung d ch

Ho t hóa kênh natri: Khi đi n th màng tr nên ít

âm hơn trong giai đo n ngh , tăng d n t -90mV v

phía 0, khi lên t i tr s kho ng -70 đ n -50mV thì đi n

th đó t o m t s bi n đ i đ t ng t hình dáng c ng ho t

hóa, cánh c ng này chuy n sang v trí m c a, ion natri

ùa qua kênh vào trong t bào vì tính th m c a natri v i

màng tăng lên g p 500-5000 l n

Kh ho t kênh natri : Ph n trên hình 5-7 ch ra giai

đo n 3 c a kênh natri S tăng đi n th làm m c ng

ho t hóa thì đ ng th i cũng làm đóng c ng kh ho t

C ng kh ho t đư c đóng trong vòng vài ph n v n giây

sau khi c ng ho t hóa đư c m Có đi u là m c ng

ho t hóa thì nhanh trong khi đóng c ng kh ho t thì t

t Vì v y sau khi kênh natri đư c m và duy trì trong

vài ph n v n giây, c ng kh ho t đóng l i và ion natri

không th tràn vào bên trong màng t bào đi m này,

đi n th màng b t đ u tr l i tr ng thái lúc ngh Đây

g i là quá trình tái c c

M t đ c đi m đáng chú ý c a quá trình ho t đ ng

kh ho t kênh natri là c ng kh ho t không m tr l i

cho t i khi đi n th màng đã quay tr v ho c g n t i

m c đi n th ngh ban đ u Do đó không th có kênh

natri m tr l i mà không có s tái c c c a các s i th n

kinh

Chương 5: Đi n th màng và đi n th ho t đ ng

Lưu ý vi c m (kích ho t) c a kênh kali t t và

đ t đ n tr ng thái m đ y đ ch sau khi các kênh natri đã g n như đóng hoàn toàn Hơn n a, m t khi các kênh kali m , chúng v n m cho toàn b th i gian đi n th màng ho t đ ng và không đóng l i cho

đ n khi đi n th màng đư c gi m tr l i m t giá tr âm

TÓM T T CÁC S KI N GÂY RA ĐI N TH

HO T Đ NG

Hình 5-10 tóm t t các s ki n liên ti p x y ra trong và ngay sau đi n th ho t đ ng Ph n đáy c a hình v cho

th y nh ng thay đ i đ d n đi n c a màng cho các ion natri và kali Trong giai đo n ngh , trư c khi đi n th

ho t đ ng b t đ u, tính th m v i các ion kali cao hơn

50 đ n 100 l n v i ion natri S chênh l ch này là do rò

r c a các ion kali l n hơn nhi u so v i các ion natri qua các kênh rò r Tuy nhiên, vào lúc b t đ u c a đi n th

ho t đ ng, các kênh natri ngay l p t c tr nên kích ho t

và cho phép tăng đ n 5000 l n tính d n Quá trình ng ng

ho t đ ng sau đó đóng các kênh natri trong m t ph n nh

c a m t ph n nghìn giây S kh i đ u c a đi n th ho t

đ ng cũng làm cho c ng đi n th c a kênh kali m ch m hơn m t ph n nh c a m t ph n nghìn giây sau khi các kênh natri m

Đ cân b ng v i nh hư ng c a các dòng ion mong

mu n thi t l p đi n th n i bào, dòng đi n đư c tiêm

t đ ng thông qua các đi n c c c a k p đi n th đ duy trì đi n áp n i bào n đ nh c n thi t m c không

Đ đ t đư c m c này, lư ng tiêm vào ph i b ng nhưng chi u đ i ngư c v i dòng ch y thông qua các kênh trên màng Đ đo dòng ch y hi n t i đang di n

ra t i m i th i đi m như th nào, đi n c c đư c n i

v i m t nghi m dao đ ng ghi l i dòng ch y hi n t i, như đã ch ng minh trên màn hình c a nghi m dao

đ ng trong hình 5-8 Cu i cùng, các nhà khoa h c

đi u ch nh n ng đ c a các ion đ khác hơn so v i

m c bình thư ng c bên trong và bên ngoài các s i

th n kinh và l p đi l p l i nghiên c u Thí nghi m này có th đư c th c hi n d dàng khi s d ng các

s i dây th n kinh l n l y t m t s v t không xương

s ng, đ c bi t là các s i th n kinh m c ng kh ng

l , mà trong m t s trư ng h p đư ng kính l n t i

1 mm Khi natri là ion duy nh t th m vào dung d ch bên trong và bên ngoài s i tr c m c, k p đi n th

ch đo dòng ch y thông qua các kênh natri Tương

t v i kênh kali

M t phương pháp khác đ nghiên c u các dòng ion qua m t lo i kênh riêng bi t là đ ch n m t lo i kênh t i m t th i đi m Ví d , các kênh natri có th

b ch n b i m t ch t đ c g i là tetrodotoxin khi nó

đư c g n vào bên ngoài c a màng t bào, nơi là v trí các c a ho t hóa natri Ngư c l i, ion tetraety-lammoni ch n các kênh kali khi nó đư c g n vào bên trong các s i th n kinh

Hình 5-9 cho th y thay đ i đi n hình trong đ

d n c a cánh c ng đi n th kênh natri và kali khi th màng đ t nhiên thay đ i thông qua vi c s d ng k p

đi n th t -90 mV đ n 10 mV và 2 mili giây sau đó,

tr l i -90 mV Lưu ý s m đ t ng t c a các kênh natri (giai đo n kích ho t) trong m t ph n nh c a

m t ph n nghìn giây sau khi đi n th màng tăng lên

đ n giá tr dương Tuy nhiên, trong m t ph n nghìn giây ti p ho c lâu hơn, các kênh natri t đ ng đóng

l i (giai đo n b t ho t)

Voltage­Gated Potassium Channel

and Its Activation

The lower panel of Figure 5-7 shows the voltage-gated

potassium channel in two states: during the resting state

(left) and toward the end of the action potential (right)

During the resting state, the gate of the potassium channel

is closed and potassium ions are prevented from passing

through this channel to the exterior When the membrane

potential rises from −90 millivolts toward zero, this

voltage change causes a conformational opening of the

gate and allows increased potassium diffusion outward

through the channel However, because of the slight delay

in opening of the potassium channels, for the most part,

they open just at the same time that the sodium channels

are beginning to close because of inactivation Thus, the

decrease in sodium entry to the cell and the simultaneous

increase in potassium exit from the cell combine to speed

the repolarization process, leading to full recovery of the

resting membrane potential within another few 10,000ths

of a second

The “Voltage Clamp” Method for Measuring the Effect

of Voltage on Opening and Closing of the Voltage­Gated

Channels The original research that led to quantitative

understanding of the sodium and potassium channels was

so ingenious that it led to Nobel Prizes for the scientists

responsible, Hodgkin and Huxley The essence of these

studies is shown in Figures 5-8 and 5-9.

Figure 5-8 shows the voltage clamp method, which is

used to measure the flow of ions through the different

channels In using this apparatus, two electrodes are

inserted into the nerve fiber One of these electrodes is used

to measure the voltage of the membrane potential, and the

other is used to conduct electrical current into or out of

the nerve fiber This apparatus is used in the following

way: The investigator decides which voltage to establish

inside the nerve fiber The electronic portion of the

appa-ratus is then adjusted to the desired voltage, automatically

injecting either positive or negative electricity through the

current electrode at whatever rate is required to hold the

voltage, as measured by the voltage electrode, at the level

set by the operator When the membrane potential is

sud-denly increased by this voltage clamp from −90 millivolts

to zero, the voltage-gated sodium and potassium channels

open and sodium and potassium ions begin to pour through

Hình 5-9: Nh ng thay đ i đi n hình trong đ d n c a kênh ion natri và kali khi đi n th màng thya đ i đ t ng t tăng t giá tr bình thư ng là -90mV lên t i +10mV trong 2 mili giây Hình v này ch ra r ng nh ng kênh natri m ( ho t hóa) và đóng( b t ho t)

bư c khi 2 mili giây k t thúc Hình v này ch ra kênh natri đang

ho t hóa và b t ho t trư c khi 2 mili giây k t thúc trong khi kênh kali ch m ( ho t hóa), và t c đ m kênh này ch m hơn nhi u so

v i kênh natri.

2 )

Th i gian( mili giây)

20 10 0 30

Đi n th màng Hot hóa

kênh ion natri

kênh ion kali

Hình 5-10 Nh ng thay đ i đ d n c a kênh natri và kali trong

su t quá trình có đi n th ho t đ ng Đ d n c a kênh natri cao

g p 4 l n kênh kali trong su t giai đo n s m c a đi n th

ho t đ ng, trong khi đó đ d n c a kênh khali tăng kho ng

30 l n trong các giai đo n sau trong m t th i gian ng n sau đó.( Nh ng đư ng cong này đư c c u trúc t nh ng nguyên lí đư c xu t hi n trên gi y c a Hodgkin và Huxley nhưng v n chuy n qua các s i tr c g n li n v i đi n th ho t

đ ng s i th n kinh l n c a đ ng v t có vú.

Đ dn (mmho/cm

2 )

Na Đ dn

Mili giây

0.5

0.1 0.01 0.005

1 10 100 0.001 0.01 0.1 1 10 100

Quá ngư ng

Positive afterpotential

+60 +40 +20 0 –20 –40 –60 –80

Đi n th ho t đ ng

T s đ d n

Ph n II: Sinh lí màng t bào, th n kinh và cơ

68

Vào cu i đi n th ho t đ ng, đi n th màng âm tr l i

gây ra các kênh kali đ đóng quay l i tình tr ng ban đ u

c a chúng, nhưng m t l n n a, ch sau m t ph n nghìn

giây b sung ho c ch m tr

Ph n gi a c a Hình 5-10 cho th y t l tính d n natri

và kali t i m i th i đi m trong đi n th ho t đ ng, và

phía trên mô t đây là đi n th ho t đ ng c a chính nó

Trong ph n đ u c a đi n th ho t đ ng, t l d n natri

kali tăng hơn 1000 l n Do đó, nhi u ion natri ch y vào

bên trong s i th n kinh hơn ion kali ra bên ngoài Đây

là nh ng gì gây ra đi n th màng tr nên dương đi m

kh i đ u đi n th ho t đ ng Sau đó, các kênh natri b t

đ u đóng c a và các kênh kali b t đ u m , và do đó t

l d n truy n thay đ i nhi u hơn trong vi c tăng đ d n

kali cao nhưng đ d n natri th p S thay đ i này cho

phép hao h t r t nhanh chóng m t các ion kali ra bên

ngoài, nhưng h u như không dòng ch y c a các ion natri

vào bên trong Do đó, đi n th ho t đ ng nhanh chóng

tr l i m c ban đ u c a nó

Vai trò c a các ion khác trong đi n th

ho t đ ng

Như v y cho đ n th i đi m này, chúng ta đã ch

xem xét vai trò c a các ion natri và kali trong vi c

t o ra đi n th ho t đ ng Ít nh t là hai lo i ion khác

ph i đư c xem xét: các anion âm và các ion canxi

Ion mang đi n tích âm bên trong s i tr c dây

th n kinh Bên trong s i th n kinh r t nhi u các ion

mang đi n tích âm mà không th đi qua các kênh

trên màng Chúng bao g m các anion c a các phân

t protein và nhi u h p ch t h u cơ phosphate, các

h p ch t sulfate, và vv B i vì các ion này không

th ra kh i bên trong các s i th n kinh, b t k s

thâm h t c a các ion dương bên trong màng đ l i

m t s dư th a c a các anion âm không th m này

Do đó, các ion âm không th m ch u trách nhi m cho

các đi n tích âm bên trong s i dây th n kinh khi có

s thâm h t dòng đi n tích dương c a các ion kali

và ion dương khác

Ion Canxi: Các màng c a g n như t t c các t

bào c a cơ th có m t bơm canxi tương t như các

bơm natri, canxi cùng v i (ho c thay th ) natri trong

m t s t bào gây ra h u h t các đi n th ho t đ ng

Gi ng như các bơm natri, bơm canxi v n chuy n

ion canxi t n i bào ra ngo i bào qua màng t bào

(ho c vào m ng lư i n i ch t c a t bào), t o ra m t

s chênh l ch n ng đ ion canxi kho ng 10.000 l n

Quá trình này đ l i n ng đ ion canxi bên trong

n i bào kho ng 10-7 mol, trái ngư c v i m t n ng

đ bên ngoài kho ng 10-3 mol

Ngoài ra, có nh ng cánh c ng đi n th c a kênh

kênh canxi B i vì n ng đ ion canxi trong d ch

ngo i bào nhi u hơn 10.000 l n d ch n i bào, có

m t gradient khu ch tán l n cho dòng ion canxi th

đ ng vào các t bào Các kênh này có tính th m nh

v i các ion natri và ion canxi, nhưng đ th m c a

chúng v i canxi l n hơn na kho ng 1000 l n trong

đi u ki n sinh lý bình thư ng

Khi các kênh m đ đáp ng v i m t kích thích làm phân c c màng t bào, các ion canxi tràn vào bên trong t bào

M t ch c năng quan tr ng c a cánh c ng đi n

th canxi là góp ph n vào giai đo n kh c c c a

đi n th ho t đ ng trong m t s t bào Tuy nhiên

s ho t hóa c a kênh canxi ch m, ch m g p 10-20

l n kênh natri Vì lý do này, kênh canxi đư c g i là kênh ch m, trái ngư c v i kênh natri đư c g i là kênh nhanh Do đó, vi c m c a các kênh canxi cung c p m t s kh c c b n v ng hơn, trong khi các kênh natri đóng m t vai trò quan tr ng trong th

ho t đ ng ban đ u

Các kênh canxi r t nhi u trong c hai cơ tim và

cơ trơn Trong th c t , trong m t s lo i cơ trơn, các kênh natri nhanh h u như không có m t; Vì v y,

đi n th ho t đ ng đư c t o ra g n như hoàn toàn

b ng cách kích ho t các kênh calci ch m

Tăng th m c a kênh natri khi có m t s thâm h t ion canxi N ng đ c a các ion canxi trong d ch ngo i bào cũng có m t nh hư ng sâu s c đ n m c đi n

th mà t i đó các kênh natri tr nên kích ho t Khi có

s thâm h t c a các ion canxi, các kênh natri b kích

ho t (m ) b ng m t s gia tăng nh đi n th màng

t giá tr bình thư ng c a nó, m t giá tr r t âm Do

đó, các s i th n kinh tr nên r t d b kích đ ng, đôi khi l p l i kích thích nhi u l n mà không có s kích thích hơn m c duy trì giai đo n ngh Trong th c

t , n ng đ ion canxi c n gi m ch có 50 ph n trăm

dư i m c bình thư ng trư c khi t phát xung x y ra

m t s dây th n kinh ngo i biên, thư ng gây ra co

cơ liên t c g i là “tetany.” Co cơ tetany đôi khi gây

ch t ngư i vì co c ng các cơ hô h p

Cách các ion canxi có th nh hư ng đ n các kênh natri là như sau: Nh ng ion xu t hi n liên k t v i các b m t bên ngoài c a các phân t protein kênh

na Các đi n tích dương c a các ion canxi trong l n

lư t thay đ i tr ng thái đi n c a protein kênh na-tri, do đó làm thay đ i m c đi n th c n thi t đ m

c ng natri

S PHÁT SINH ĐI N TH HO T Đ NG

Tính đ n th i đi m này, chúng ta đã gi i thích s thay đ i tính th m natri và kali qua màng t bào, cũng như s phát tri n c a đi n th ho t đ ng, nhưng chúng ta đã không

gi i thích s phát sinh đi n th ho t đ ng

M t vòng feedback dương m kênh natri: Đ u tiên,

mi n là màng c a các s i th n kinh v n còn nguyên v n, không có đi n th ho t đ ng x y ra trong các dây th n kinh bình thư ng Tuy nhiên, n u có m t y u t nào đó làm tăng đôi chút đi n th màng t -90mV hư ng t i

m c b ng không, đi n th tăng cao s gây ra vi c m m t

s kênh natri có c ng đi n th Đi u này cho phép dòng

ch y nhanh chóng vào trong c a các ion natri, gây ra m t

s gia tăng hơn n a đi n th màng, d n đ n vi c m cánh

c ng đi n th và cho phép nhi u dòng natri vào trong t bào dây th n kinh

Chương 5: Đi n th màng và đi n th ho t đ ng

Hình 5-11A cho th y m t s i dây th n kinh đi u ki n ngh bình thư ng, và hình 5-11B cho th y m t s i dây

th n kinh đã đư c kích thích trong ph n gi a c a nó,

ph n gi a đ t nhiên tăng tính th m v i natri Các mũi tên hi n th m t “m ch đi n t i ch ” gi a vùng đang kh

c c và ph n màng vùng li n k : đi n tích dương đư c mang vào bên trong nh khu ch tán na trong su t quá trình kh c c màng lan d c đi vài mm c 2 phía c a lõi

s i tr c th n kinh, đi n th dương c a ion na trong s i

tr c s đi d c theo s i tr c xa t i 1 đ n 3 mm dây th n kinh l n có myelin và làm phát sinh đi n th ho t đ ng vùng ti p giáp Vì v y kênh natri nh ng vùng m i này ngay l p t c đư c m , như đư c ch ra trong hình 5-11C,

D và lan truy n đi n th ho t đ ng m t cách bùng n

Nh ng khu v c này m i đư c phân c c v n còn s n xu t các m ch đi n t i ch nhi u dòng ch y xa hơn d c theo màng, khi n càng ngày càng kh c c nhi u hơn Như

v y, quá trình kh c c di chuy n d c theo toàn b chi u dài dây th n kinh S lan truy n c a quá trình kh c c

d c theo m t dây th n kinh ho c s i cơ đư c g i là m t xung đ ng th n kinh hay cơ

Hư ng lan truy n: Như th hi n trong hình 5-11, m t

màng d b kích đ ng không có d u hi u c a s lan truy n, nhưng đi n th ho t đ ng di chuy n theo t t c các hư ng t v trí kích thích, th m chí d c theo t t c các nhánh c a dây th n kinh cho đ n khi toàn b màng

đã phân c c

Đ nh lu t t t c ho c là không: Khi m t đi n th ho t

đ ng đã đư c xu t hi n t i b t k đi m nào trên màng

c a m t s i bình thư ng, quá trình kh c c đi qua toàn

b màng n u các đi u ki n đ u th a mãn, nhưng nó không đư c lan truy n n u t t c n u đi u ki n là không đúng Nguyên t c này đư c g i là nguyên t c t t c ho c không có gì, và nó áp d ng cho t t c các mô có th kích thích Th nh tho ng, đi n th ho t đ ng đ t đ n m t đi m trên màng mà nó không t o ra đ đi n th đ kích thích các khu v c k ti p c a màng Khi tình tr ng này x y ra,

s lan truy n c a quá trình kh c c d ng l i Do đó, đ

ti p t c lan truy n m t xung đ ng x y ra, t s đi n th

ho t đ ng và ngư ng kích thích m i l n ph i l n hơn

1 Yêu c u “l n hơn 1” đư c g i là h s an toàn cho s lan truy n

TÁI L P CHÊNH L CH N NG Đ ION NATRI VÀ KALI SAU KHI ĐI N

TH HO T Đ NG K T THÚC

V N Đ QUAN TR NG C A CHUY N HÓA NĂNG LƯ NG

Vi c lan truy n đi n th ho t đ ng theo chi u dài m t s i dây th n kinh làm gi m nh s chênh l ch n ng đ natri

và kali bên trong và bên ngoài màng b i vì các ion natri khu ch tán vào bên trong trong quá trình kh c c và kali khu ch tán ra bên ngoài trong quá trình tái c c

Quá trình này là m t vòng feedback dương, m t khi feedback đ m nh, quá trình ti p t c cho đ n khi t t c các c ng đi n th đư c kích ho t (m ) Sau đó, trong m t

ph n nh c a m t ph n nghìn giây, đi n th màng tăng gây ra vi c đóng c a các kênh natri và m c a c a các kênh kali, và đi n th ho t đ ng nhanh chóng k t thúc

Ngư ng t o đi n th ho t đ ng M t th ho t đ ng s

không x y ra cho đ n khi s gia tăng đi n th màng là

đ l n đ t o ra feedback dương đư c mô t đo n trên

Đi u này x y ra khi s lư ng c a các ion natri vào dây

th n kinh tr nên l n hơn so v i s lư ng các ion kali ra ngoài M t s gia tăng đ t ng t đi n th màng c a 15-30

mV là c n thi t Do đó, m t s gia tăng đ t ng t trong

th màng trong m t s i dây th n kinh l n t -90 mV lên

đ n kho ng -65 mV thư ng gây ra s phát tri n bùng n

c a đi n th ho t đ ng M c -65 mV đư c cho là ngư ng kích thích

S LAN TRUY N

ĐI N TH HO T Đ NG

Trong các đo n trư c, chúng ta đã th o lu n v đi n th

ho t đ ng khi nó x y ra t i m t đi m trên màng Tuy nhiên, m t đi n th ho t đ ng t o ra b t k m t đi m trên m t màng thư ng kích thích ph n li n k c a màng

t bào, d n đ n ho t đ ng lan truy n đi n th ho t đ ng

d c theo màng Cơ ch này đư c ch ng t trong hình 5-11

after the sodium channels open At the end of the action

potential, the return of the membrane potential to the

negative state causes the potassium channels to close back

to their original status, but again, only after an additional

millisecond or more delay

The middle portion of Figure 5-10 shows the ratio of

sodium to potassium conductance at each instant during

the action potential, and above this depiction is the action

potential itself During the early portion of the action

potential, the ratio of sodium to potassium conductance

increases more than 1000-fold Therefore, far more

sodium ions flow to the interior of the fiber than do

potassium ions to the exterior This is what causes the

membrane potential to become positive at the action

potential onset Then the sodium channels begin to close

and the potassium channels begin to open, and thus the

ratio of conductance shifts far in favor of high potassium

conductance but low sodium conductance This shift

allows very rapid loss of potassium ions to the exterior

but virtually zero flow of sodium ions to the interior

Consequently, the action potential quickly returns to its

baseline level

Roles of Other Ions During the Action Potential

Thus far, we have considered only the roles of sodium and

potassium ions in the generation of the action potential At

least two other types of ions must be considered: negative

anions and calcium ions.

Impermeant Negatively Charged Ions (Anions) Inside

the Nerve Axon Inside the axon are many negatively

charged ions that cannot go through the membrane

chan-nels They include the anions of protein molecules and of

many organic phosphate compounds, sulfate compounds,

and so forth Because these ions cannot leave the interior

of the axon, any deficit of positive ions inside the

mem-brane leaves an excess of these impermeant negative

anions Therefore, these impermeant negative ions are

responsible for the negative charge inside the fiber when

there is a net deficit of positively charged potassium ions

and other positive ions.

Calcium Ions The membranes of almost all cells of the

body have a calcium pump similar to the sodium pump,

and calcium serves along with (or instead of) sodium in

some cells to cause most of the action potential Like the

sodium pump, the calcium pump transports calcium ions

from the interior to the exterior of the cell membrane (or

into the endoplasmic reticulum of the cell), creating a

calcium ion gradient of about 10,000-fold This process

leaves an internal cell concentration of calcium ions of

In addition, there are voltage-gated calcium channels

Because calcium ion concentration is more than 10,000

times greater in the extracellular fluid than in the

intracel-lular fluid, there is a tremendous diffusion gradient for

passive flow of calcium ions into the cells These channels

are slightly permeable to sodium ions and calcium ions, but

hư ng d c theo m t s i d n.

+ + + + + + + + + + + + – – + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + – – + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + – – – – + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + – – – – + + + + + + + +

– – + + + + + + + + + + + + + + + + + + – – – – + + + + + + + + + + + + + + + + + + – – + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – + +

+ + – – – – – – – – – – – – – – – – – – + +

– – – – – – – – – – – – + + – – – – – – – – –

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –

– – – – – – – – – – – – + + – – – – – – – – –

– – – – – – – – – – + + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + + + – – – – – – – –

A

B

C

D

than to sodium under normal physiological conditions

When the channels open in response to a stimulus that depolarizes the cell membrane, calcium ions flow to the

interior of the cell.

A major function of the voltage-gated calcium ion chan-nels is to contribute to the depolarizing phase on the action

potential in some cells The gating of calcium channels, however, is slow, requiring 10 to 20 times as long for

activa-tion as for the sodium channels For this reason they are

often called slow channels, in contrast to the sodium chan-nels, which are called fast channels Therefore, the opening

of calcium channels provides a more sustained depolariza-tion, whereas the sodium channels play a key role in

initiat-ing action potentials.

Calcium channels are numerous in both cardiac muscle and smooth muscle In fact, in some types of smooth muscle, the fast sodium channels are hardly present;

there-fore, the action potentials are caused almost entirely by activation of slow calcium channels.

Increased Permeability of the Sodium Channels When There Is a Deficit of Calcium Ions The concentration of calcium ions in the extracellular fluid also has a profound effect on the voltage level at which the sodium channels become activated When there is a deficit of calcium ions, the sodium channels become activated (opened) by a small increase of the membrane potential from its normal, very negative level Therefore, the nerve fiber becomes highly excitable, sometimes discharging repetitively without

provocation rather than remaining in the resting state In fact, the calcium ion concentration needs to fall only 50 percent below normal before spontaneous discharge occurs

in some peripheral nerves, often causing muscle “tetany.”

Muscle tetany is sometimes lethal because of tetanic con-traction of the respiratory muscles.

The probable way in which calcium ions affect the sodium channels is as follows: These ions appear to bind

to the exterior surfaces of the sodium channel protein molecule The positive charges of these calcium ions in turn alter the electrical state of the sodium channel protein,

thus altering the voltage level required to open the sodium gate

INITIATION OF THE ACTION POTENTIAL

Up to this point, we have explained the changing sodium and potassium permeability of the membrane, as well as the development of the action potential, but we have not

explained what initiates the action potential

A Positive­Feedback Cycle Opens the Sodium Chan­

remains undisturbed, no action potential occurs in the normal nerve However, if any event causes enough initial rise in the membrane potential from −90 millivolts toward the zero level, the rising voltage will cause many

voltage-gated sodium channels to begin opening This occurrence allows rapid inflow of sodium ions, which causes a further rise in the membrane potential, thus opening still more voltage-gated sodium channels and allowing more

Ph n II: Sinh lí màng t bào, th n kinh và cơ

70

Có th s n sàng nhìn th y cao nguyên cao kéo dài

su t quá trình kh c c Đây là lo i đi n th ho t đ ng

x y ra trong s i cơ tim, nơi cao nguyên kéo dài càng lâu 0,2-0,3 giây và gây co bóp c a cơ tim kéo dài trong cùng kho ng th i gian dài này

Nguyên nhân c a cao nguyên là m t s k t h p c a nhi u y u t Đ u tiên, trong cơ tim, hai lo i kênh tư ng

ni m đ n quá trình kh c c: (1) các kênh na ho t hóa, còn g i là kênh nhanh chóng, và (2) các kênh canxi ho t hóa natri đi n áp kích ho t (kênh canxi lo i L)- m ch m

và do đó đư c g i là kênh ch m M kênh nhanh chóng gây ra s tăng v t c a đi n th ho t đ ng, trong khi vi c kéo dài th i gian m c a kênh calci-natri ch m ch y u

là cho phép các ion canxi đ nh p các ch t xơ, đi u này

ch u trách nhi m l n cho ph n cao nguyên c a đi n th

ho t đ ng

Y u t th hai mà có th là m t ph n t o ra cao nguyên

là các kênh cánh c ng đi n th kali m ch m hơn bình thư ng, thư ng xuyên không ph i m nhi u cho đ n khi

k t thúc c a cao nguyên Y u t này làm trì hoãn s tr

l i c a đi n th màng đ i v i giá tr âm bình thư ng -80

Đ n 90 mV Cao nguyên k t thúc khi các kênh canxi -natri đóng và th m đ kali tăng

TÍNH NH P ĐI U C A M T S MÔ D B KÍCH THÍCH

S PHÓNG ĐI N L P L I

Ho t đ ng phóng đi n t l p đi l p l i trong tim, trong h u h t các cơ trơn, và trong r t nhi u các t bào

th n kinh c a h th n kinh trung ương S phóng đi n

nh p nhàng gây ra (1) nh p đ p c a tim, (2) nhu đ ng

nh p nhàng c a ru t, và (3) ho t đ ng th n kinh như

đi u khi n nh p th Ngoài ra, g n như t t c các mô d b kích thích khác

có th phóng đi n l p đi l p l i n u ngư ng kích thích

c a các t bào mô đư c gi m xu ng m t m c đ th p

Ví d , th m chí v i các s i th n kinh l n và các s i cơ xương- thư ng r t n đ nh, s phóng đi n l p l i khi chúng đư c đ t trong m t dung d ch có ch a các thu c

Đ i v i m t đi n th ho t đ ng đơn l , tác đ ng

này ng n đ n n i mà không th đo lư ng Th t v y, t

100.000 đ n 50 tri u xung có th đư c truy n qua các s i

dây th n kinh l n trư c khi s khác bi t n ng đ đ t t i

đi m ch m d t c a đi n th ho t đ ng M c dù v y, v i

th i gian, nó tr nên c n thi t đ thi t l p l i s chênh

l ch n ng đ natri và kali màng, đi u này đ t đư c

b ng ho t đ ng c a bơm Na + -K + trong cùng m t

cách như mô t trư c đó đ thi t l p đi n th ngh Đó

là, các ion natri đã khu ch tán vào bên trong các t bào

trongsu t quá trình đi n th ho t đ ng và các ion kali

v a khu ch tán ra ngoài ph i đư c tr l i tr ng thái ban

đ u c a chúng nh bơm Na + -K + Vì bơm này đòi h i

năng lư ng đ ho t đ ng, quá trình “n p l i” c a các

s i th n kinh là m t quá trình trao đ i ch t tích c c, s

d ng năng lư ng có ngu n g c t h th ng năng lư ng

adenosine triphosphate c a t bào Hình 5-12 cho th y

các s i th n kinh s n xu t tăng nhi t trong quá trình n p

l i, đó là thư c đo tiêu hao năng lư ng khi các xung

đ ng th n kinh tăng t n s

M t tính năng đ c bi t c a Na + -K + triphospha-

adenosinetase bơm là m c đ c a các ho t đ ng đư c

kích thích m nh m khi các ion natri dư th a tích t bên

trong màng t bào Trong th c t , các ho t đ ng bơm

tăng x p x t l thu n v i s c m nh th ba c a n ng

đ natri trong t bào này Khi n ng đ natri n i bào

tăng 10-20 mEq / L, các ho t đ ng c a bơm không ch

đơn thu n là tăng g p đôi mà tăng kho ng tám l n Vì

v y, th c s r t d dàng đ hi u cách “n p” quá trình

c a các s i th n kinh có th đư c thi t l p nhanh chóng

vào chuy n đ ng b t c khi nào t p trung nh ng khác

bi t c a các ion natri và kali qua màng b t đ u “gi m

xu ng.”

D NG CAO NGUYÊN C A ĐI N TH HO T Đ NG

Trong m t s trư ng h p, màng b kích thích đã không

tái c c ngay l p t c sau khi kh c c;thay vào đó, đi n

th màng duy trì d ng cao nguyên g n đ nh c a đi n

th trong kho ng vài mili giây, và ch sau đó mư i b t

đ u tái c c Như đư c ch ra trong hình 5-13 ;

Hình 5-12 Sinh nhi t trong m t s i th n kinh khi ngh và trong

quá trình tăng t c đ c a kích thích.

T n s m ch m i phút

At rest

Hình 5-13 Đi n th ho t đ ng( mV) t s i Purkinje c a tim,

ch ra m t đ th d ng cao nguyên

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

+60 +40 +20 0 –20 –40 –60 –80 –100

Cao nguyên

Giây