5__

CHƯƠNG 5 :

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.

CƠ S

V T LÍ C A ĐI N TH MÀNG

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.

ĐI N TH MÀNG ĐƯ C T O RA B I N NG Đ CÁC ION SBASIC khác PHYSICS nhau 2 OF bên màng bán th m có ch n l c.

Trong hình 5- 1A, m t s i th n kinh, bên trong màng có n ng đ ion k 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.

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.

DIFFUSION POTENTIALS Nerve fiber (Anions)– Nerve fiber – + – + + – – + (Anions)– – + (Anions) + – + + – – + + – + + – – + + – + + – K+ Na+ K+ Na+ – + + – + + – – + + – + + – – + + – + + – (–94 mV) (+61 mV) + – + – + + – + + – – + + + – – +

(Anions)–

A

– – – – – – – – – –

B

Figure 5­1. A, Establishment of a diffusion potential across a nerve fiber membrane, caused by diffusion of potassium ions from inside the cell to outside through a membrane that is selectively permeable only to potassium. B, Establishment of a diffusion potential when the nerve fiber membrane is permeable only to sodium ions. Note that nal membrane potential is negative when potassium ions the inter diffuse and positive when sodium ions diffuse because of opposite concentration gradients of these two ions.

61

UNIT II

Đi n th màng và đi n th ho t đ ng

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

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. 61 ×log n ng đ bên trong C)

EMF(millivolts) = ±

z

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 ClEMF (millivolts ) = −61 × log

CNa+ PNa+ + CK+ PK+ + CCIo− PCI− i

i

CNao+ PNa+ + CKo+ PK+ + CCIi− PCI−

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,

62

0 —

+ I

KC

+++++++++++ ––––––––––

+++++ –––––

Silver–silver chloride electrode

– – – – – – – – – (–90 – – – – – – – + + + + + + + + + mV) + + + + + + + + Figure 5­2. Measurement of the membrane potential of the nerve fiber using a microelectrode.

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.

Chương 5: Đi n th Nerve fiber

Electrical potential (millivolts)

–90

Figure 5­3. Distribution of positively and negatively charged ions in the extracellular fluid surrounding a nerve fiber and in the fluid inside . Note the alignment of negative charges along the inside the fiber surface of the membrane and positive charges along the outside surface. The lower panel displays the abrupt changes in membrane potential that occur at the membranes on the two sides of the fiber.

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.

ATP

Selectivity filter

3Na+ 2K+ + + Na -K pump

ADP

Na+

K+

UNIT II

0

ho t đ ng

Outside

3Na+ 2K+

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

màng và đi n th

K+

K+ "leak" channels

Figure 5­4. Functional characteristics of the Na+-K+ pump and of the K+ “leak” channels. ADP, adenosine diphosphate; ATP, adenosine triphosphate. The K+ leak channels also leak Na+ ions into the cell slightly but are much more permeable to K+.

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 natri, 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 natri 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 The Na+-K+ pump also causes large concentration gradients for sodium and potassium across the resting nerve membrane. These gradients are as follows: 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 63

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

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:

K+ 4 mEq/L K+ 140 mEq/L

(–94 mV)

(–94 mV)

A Na+

K+

142 mEq/L

4 mEq/L

Na+ 14 mEq/L

140 mEq/L

(+61 mV)

(–94 mV)

K+ (–86 mV)

B + – + – Diffusion Na+

+

–

pump + – 142 mEq/L + – + – + –

Na+ 14 mEq/L

Diffusion + – pump + – 4 mEq/L + – + – + – + – – (Anions) + – K+

C

K+ 140 mEq/L (–90 mV) (Anions)–

– – – – – – – – – – – – – – – – – – –

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

Figure 5­5. Establishment of resting membrane potentials in nerve fibers under three conditions: A, when the membrane potential is caused entirely by potassium diffusion alone; B, when the membrane potential is caused by diffusion of both sodium and potassium ions; and C, when the membrane potential is caused by diffusion of both sodium and potassium ions plus pumping of both these ions by the Na+-K+ pump.

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 Goldman 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

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

0 Resting Stage.

The resting stage is the resting

KÊNH CÓ CÁNH C NG ĐI N TH NATRI VÀ KALI

ĐI N TH TH N KINH

HO T Đ NG C A T

BÀO

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.

membrane potential before the action potential — + begins. The membrane is said to be “polarized” during this stage I

KC

++++ ––––

–––– ++++

+++++ –––––

–––– ++++

++++ ––––

–––––– ++++++

Silver–silver chloride electrode

Overshoot +35

Millivolts

o rizati Repola

n

De p olarizat io n

0

–90 Resting 0

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.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Milliseconds

Figure 5­6. Typical action potential recorded by the method shown in the upper panel of the figure.

65

UNIT II

Nh ng giai đo n liên ti p nhau c a 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.

ĐI N TH HO T Đ NG C A T BÀO TH N KINH

Ph n II: Sinh lí màng t Activation gate

Na+

bào, th n kinh và cơ

Na+

Selectivity filter

Amplifier

Na+

Electrode in fluid Inactivation gate Resting (−90 mV)

Voltage electrode Activated (−90 to +35 mV)

Inactivated (+35 to −90 mV, delayed)

Current electrode

Figure 5­8. The “voltage clamp” method for studying flow of ions through specific channels.

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

Inside

Resting (−90 mV)

K+

K+ Slow activation (+35 to −90 mV)

Figure 5­7. Characteristics of the voltage-gated sodium (top) and potassium (bottom) channels, showing successive activation and inactivation of the sodium channels and delayed activation of the potassium channels when the membrane potential is changed from the normal resting negative value to a positive value.

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

66

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.

–90 mV

n

+10 mV Membrane potential 0

Action potential

100 iva t io

1 2 Time (milliseconds)

–90 mV

3

Figure 5­9. Typical changes in conductance of sodium and potassium ion channels when the membrane potential is suddenly increased fr om the normal resting value of −90 millivolts to a positive value of +10 millivolts for 2 milliseconds. This figure shows that the sodium channels open (activate) and then close (inactivate) before the end of the 2 milliseconds, whereas the potassium channels only open (activate), and the rate of opening is much slower than that of the sodium channels.

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 tetraetylammoni 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).

0

–20 –40 –60 –80 –100

10 1 Positive afterpotential

0.1 0.01

Ratio of conductances

0.001 100 10

K+

1 0.1 Na+

0.01 0.005 0

0.5 1.0 Milliseconds

1.5

Figure 5­10. Changes in sodium and potassium conductance during the course of the action potential. Sodium conductance increases several thousand–fold during the early stages of the action potential, whereas potassium conductance increases only about 30-fold during the latter stages of the action potential and for a short period thereafter. (These curves were constructed from theory presented in papers by Hodgkin and Huxley but transposed from squid axon to apply to the membrane potentials of large mammalian nerve fibers.)

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 HO T Đ NG

KI N GÂY RA ĐI N TH

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 .

67

UNIT II

0

ct

Na+ conductance K+ conductance

10

Conductance (mmho/cm2)

Activation

20

+60 +40 +20

Overshoot K+ channel

a In

Conductance (mmho/cm2)

Na+ channel

30

Membrane potential (mV)

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

Ph n II: Sinh lí màng t

bào, th n kinh và cơ

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.

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 natri, do đó làm thay đ i m c đi n th c n thi t đ m c ng natri.

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 68

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

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. +++++++++++++++++++++++ –––––––––––––––––––––––

A

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

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

B

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

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

C

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

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

D

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

Figure 5­11. Propagation of action potentials in both directions along a conductive fiber.

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.

69

UNIT II

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.

màng và đi n th

Ph n II: Sinh lí màng t bào, th n kinh và cơ +60 Heat production

+40

Millivolts

+20 0 –20 –40 –60 –80

At rest 0

100

200

300

Impulses per second Figure 5­12. oduction Heat pr in a nerve fiber at rest and at progressively incr easing rates of stimulation.

. 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 + triphosphaadenosinetase 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 ; 70

Plateau

–100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Seconds Figure 5­13. Action potential (in millivolts) from a Purkinje fiber of the heart, showing a plateau.

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 S PHÓNG ĐI N L P L I THÍCH

MÔ D B KÍCH

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

Chương 5: Đi n th

+60

màng và đi n th

ho t đ ng

Rhythmical action Potassium conductance potentials Threshold

+20 0

UNIT II

Millivolts

+40

–20 –40 –60 0

1

2 Seconds

3

Hyperpolarization Figure 5­14. Rhythmical action potentials (in millivolts) similar to thooose ec rded r in the rhythmical control center of the heart. Note their r elationship to potassium conductance and to the state of hyperpolarization.

veratridine mà kích ho t các kênh ion natri, ho c khi n ng đ ion canxi gi m dư i m t giá tr quan tr ng, làm tăng tính th m natri c a màng t bào.

Quá trình l p l i kích thích c n thi t cho nh p t đ ng. Đ i v i nh p t đ ng x y ra, các màng ngay c trong tr ng thái t nhiên c a nó ph i th m đ các ion natri (ho c ion canxi và natri qua các kênh calcium-natri ch m) đ cho phép màng t kh c c Như v y, Hình 5-14 cho th y đi n th ngh trung tâm ki m soát nh p c a tim ch là -60 đ n -70 tri u livolts, mà không đ đi n th âm đ gi cho các kênh natri và canxi hoàn toàn đóng. Do đó, trình t sau đây x y ra: (1) m t s ion natri và canxi ch y vào bên trong; (2) ho t đ ng này làm tăng đi n th màng theo chi u dương, ti p t c làm tăng tính th m c a màng; (3) v n còn nhi u ion ch y vào bên trong; và (4) tính th m tăng nhi u hơn, và như v y, cho đ n khi m t đi n th ho t đ ng đư c t o ra. Sau đó, vào cu i đi n th ho t đ ng, màng tái c c. Sau khi m t s ch m tr vài mili giây ho c vài giây, kích thích t đ ng gây kh c c m t l n n a và 1 đi n th ho t đ ng m i x y ra m t cách t nhiên. Chu k này ti p t c hơn nhi u hơn và gây ra t gây ra kích thích nh p đi u c a các mô d b kích đ ng.

T i sao màng t bào c a trung tâm đi u khi n tim không kh c c ngay l p t c sau khi nó đã tái c c, ch không ph i trì hoãn g n m t giây trư c khi kh i đ u c a đi n th ho t đ ng ti p theo? Câu tr l i có th đư c tìm th y b ng cách quan sát các đư ng cong có nhãn “đ d n c a kali” trong hình 5-14. Đư ng cong này cho th y vào cu i m i đi n th ho t đ ng, và ti p t c trong m t th i gian ng n sau đó, màng càng tr nên th m nhi u ion kali hơn. Các dòng ch y c a các ion kali tăng lên mang s lư ng l n c a các đi n tích dương ra bên ngoài c a màng t bào, đ l i m t lư ng đáng k ion âm hơn trong t bào xơ hơn trư ng h p khác. Đi u này ti p t c trong g n m t giây sau khi đi n th ho t đ ng k t thúc, do đó v các đi n th ho t đ ng g n v i đi n th Nernst c a kali. Tr ng thái này, đư c g i là tăng phân c c, cũng đư c hi n th trong Hình 5-14.

Figure 5­15. Cross section of a small nerve trunk containing both myelinated and unmyelinated fibers.

Khi tình tr ng này t n t i, s l p l i kích thích s không x y ra. Tuy nhiên, vi c tăng đ d n kali (và tình tr ng tăng phân c c) bi n m t, như th hi n sau m i đi n th ho t đ ng đư c hoàn thành trong hình, do đó m t l n n a cho phép đi n th màng tăng lên đ n ngư ng cho s kích thích. Sau đó, đ t nhiên, m t k t qu là có đi n th ho t đ ng m i và quá trình này x y ra m t l n n a và m t l n n a.

Đ C TRƯNG C A S LAN TRUY N TÍN HI U TRÊN THÂN DÂY TH N KINH S i th n kinh có myelin và không có bao myelin.

Hình 5-15 cho th y m t m t c t ngang c a m t dây th n kinh nh đi n hình, b c l nhi u s i th n kinh l n chi m ph n l n di n tích m t c t ngang. Tuy nhiên, m t cái nhìn th n tr ng hơn cho th y nhi u s i nh hơn n m gi a nh ng s i l n. Các s i l n đư c bao b i bao myelin, và nh ng s i nh không đư c bao b i myelin. Nh ng thân dây th n kinh trung bình bao g m nh ng s i không myelin g p 2 l n s i có myelin.

Hình 5-16 cho th y m t s i myelin hóa đi n hình.

Lõi trung tâm c a s i là s i tr c, và màng t bào c a s i tr c là màng mà th c s ti n hành đi n th ho t đ ng.

Các s i tr c đư c g n trung tâm c a nó v i ch t s i tr c- m t ch t dính bên trong d ch n i bào. Xung quanh các s i th n kinh là m t v b c myelin thư ng là dày hơn nhi u so v i các s i tr c c a chính nó. Kho ng m i 1-3 mm d c theo chi u dài c a v myelin là m t nút Ranvier.

Các v myelin đư c l ng đ ng xung quanh s i tr c c a t bào Schwann theo cách th c sau đây: Các màng c a m t t bào Schwann đ u tiên bao b c các s i th n kinh.

71

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

Axoplasm

Node of Ranvier

Axon Myelin sheath Schwann cell cytoplasm Schwann cell nucleus Node of Ranvier

1

2

3

Figure 5­17. Saltatory conduction along a myelinated axon. The flow of electrical current from node to node is illustrated by the arrows.

A

Unmyelinated axons Schwann cell nucleus

Schwann cell cytoplasm

B Figure 5­16. Function of the Schwann cell to insulate nerve fibers.

A,rapping W of a Schwann cell membrane around a large axon to form the myelin sheath of the myelinated nerve fiber. B, Partial wrapping of the membrane and cytoplasm of a Schwann cell around multiple unmyelinated nerve fibers (shown in cross section).

(A, Modified from Leeson TS, Leeson R: Histology. Philadelphia: WB Saunders, 1979.)

Các t bào Schwann sau đó quay xung quanh tr c th n kinh nhi u l n, đ t xu ng nhi u l p màng t bào Schwann ch a h p ch t lipid là sphingomyelin. Ch t này cách đi n r t t t, làm gi m dòng ion qua màng kho ng 5000 l n. T i các đi m n i gi a m i hai t bào Schwann ti p d c theo s i tr c, m t khu v c không cách đi n nh ch 2-3 micromet chi u dài v n còn nơi các ion v n có th ch y m t cách d dàng thông qua các màng s i tr c gi a d ch ngo i bào và các ch t l ng bên trong n i bào s i tr c. Khu v c này đư c g i là nút c a Ranvier.

D n đi n nh y cóc t nút này sang nút khác. M c dù h u như không có các ion có th ch y qua các màng b c myelin dày c a dây th n kinh myelin, chúng có th ch y m t cách d dàng thông qua các nút Ranvier. Do đó, đi n th ho t đ ng ch x y ra t i các nút. Đi n th ho t đ ng đư c d n truy n t nút này t i nút ti p, như th hi n trong hình 5-17; này đư c g i là D n đi n nh y cóc. Đó là, dòng đi n ch y qua xung quanh d ch ngo i bào bên ngoài v myelin, cũng như thông qua các ch t s i tr c bên trong t nút t i nút, kích thích thành công nút ti p theo. Do đó, các xung đ ng th n kinh nh y d c theo s i tr c, đó là ngu n g c c a thu t ng “nh y cóc”.

72

D n đi n nh y cóc có giá tr vì hai lý do. Đ u tiên, b ng cách gây ra quá trình kh c c đ nh y đo n dài d c theo tr c c a s i th n kinh, cơ ch này làm tăng v n t c c a d n truy n th n kinh trong s i myelin nhi u như 5 đ n 50 l n. Th hai, ti t ki m năng lư ng duy trì cho các s i th n kinh b i vì ch có các nút kh c c, cho phép ít hơn kho ng 100 l n m t mát c a các ion n u không c n thi t, và do đó vi c yêu c u tiêu hao năng lư ng ít cho vi c tái thi t l p s khác bi t n ng đ na và kali trên màng sau m t lo t các xung đ ng th n kinh.

T c đ d n truy n c a các s i th n kinh: V n t c d n trong s i th n kinh. T c đ lan truy n c a đi n th ho t đ ng s i th n kinh t r t nh 0,25 m / giây trong s i không có myelin đ n l n như 100 m / giây (hơn chi u dài c a m t sân bóng đá trong 1 giây) trong s i l n có myelin.

KÍCH THÍCH - QUÁ TRÌNH KH I Đ U CHO ĐI N TH HO T Đ NG

V cơ b n, b t k y u t gây ra các ion natri đ b t đ u khu ch tán vào bên trong qua màng t bào v i s lư ng đ có th thi t l p t t m t đ ng các kênh natri. Vi c hình thành m t đ ng này có th do r i lo n cơ h c c a màng t bào, tác d ng hóa h c trên màng, ho c thông qua đi n tích qua màng. T t c các phương pháp này đư c s d ng t i các đi m khác nhau trong cơ th đ g i ra đi n th ho t đ ng c a nh ng dây th n kinh ho c cơ. áp l c hóa h c đ kích thích các t n cùng th n kinh c m giác da, ch t d n truy n th n kinh đ truy n tín hi u t m t t bào th n kinh lên não, và dòng đi n đ truy n tín hi u gi a các t bào cơ tim và ru t. Đ i v i m c đích tìm hi u quá trình kích thích, chúng ta hãy b t đ u b ng vi c th o lu n các nguyên t c c a kích thích đi n.

Chương 5: Đi n th màng và đi n th ho t đ ng 60 Action potentials

40 0

20 40

Acute subthreshold potentials Threshold

60 A 0

B 1

C 2 3 Milliseconds

D 4

Figure 5­18. Effect of stimuli of increasing voltages to elicit an action potential. Note development of acute subthreshold potentials when the stimuli are below the threshold value required for eliciting an action potential.

Kích thích c a m t s i dây th n kinh b i m t đi n c c kim lo i tích đi n âm. Các phương ti n thư ng dùng đ kích thích cho m t dây th n kinh hay cơ trong phòng thí nghi m là đ g n sát dòng đi n lên b m t dây th n kinh hay cơ thông qua hai đi n c c nh , m t tích đi n âm và đi n c c còn l i tích đi n dương. Khi dòng đi n đư c g n vào theo cách này, các màng d b kích đ ng b kích thích các đi n c c âm.

Hi u ng này x y ra vì các lý do sau: Hãy nh r ng đi n th ho t đ ng đư c kh i đ u b i vi c m cánh c ng đi n th kênh na. Hơn n a, các kênh đư c m ra b i vi c gi m đi n th ngh bình thư ng qua màng-đó là, dòng đi n âm t các đi n c c làm gi m đi n áp trên bên ngoài c a màng đ n m t g n hơn giá tr tiêu c c v i đi n áp c a các ti m năng tiêu c c bên trong ch t xơ. Hi u ng này làm gi m đi n th qua màng và cho phép các kênh natri đ m , t o ra m t đi n th ho t đ ng. Ngư c l i, các đi n c c dương, vi c tiêm đi n tích dương bên ngoài c a các dây th n kinh làm tăng s chênh l ch đi n áp trên màng hơn là gi m b t nó. Hi u ng này gây ra tình tr ng phân c c quá m c, th c s làm gi m kích thích c a s i thay vì gây ra m t đi n th ho t đ ng.

Ngư ng kích thích và “đi n th t i ch c p.”

M t kích thích đi n âm y u có th không có kh năng kích thích m t s i. Tuy nhiên, khi đi n áp c a s kích thích đư c tăng lên, t i m t đi m mà t i đó s kích thích không di n ra. Hình 5-18 cho th y nh ng tác đ ng c a các kích thích liên t c v i cư ng đ tăng d n. M t kích thích y u t i đi m A gây ra đi n th màng thay đ i t -90 đ n -85 mV, nhưng s thay đ i này là không đ cho quá trình tái sinh t đ ng c a đi n th ho t đ ng đ phát tri n. T i đi m B, kích thích l n hơn, nhưng cư ng đ v n là chưa đ . Tuy nhiên, Có kích thích làm r i lo n đi n th màng t i ch cho đ n khi 1 mili giây ho c hơn. sau khi c hai kích thích y u, chúng đư c g i là đi n th dư i ngư ng c p tính.

”GIAI ĐO N TRƠ” SAU M T ĐI N TH HO T Đ NG, TRONG ĐÓ KHÔNG CÓ KÍCH THÍCH NÀO ĐƯ C THI T L P M t đi n th ho t đ ng m i không th x y ra trong s i th n kinh d b kích ho t mi n là màng v n đư c phân c c t đi n th ho t đ ng trư c đó. Lý do cho s h n ch này là ngay sau khi đi n th ho t đ ng đư c b t đ u, các kênh natri (ho c kênh canxi, ho c c hai) tr nên b t ho t và không có lư ng tín hi u kích thích áp d ng cho các kênh này vào th i đi m này s m c a b t ho t. Đi u ki n duy nh t cho phép h m l i đ đi n th màng tr l i g n m c đi n th màng lúc ngh ban đ u.

Sau đó, trong m t ph n nh c a m t giây, cánh c a c a các kênh ng ng ho t đ ng và đi n th ho t đ ng m i có th đư c b t đ u. trong su t giai đo n này, m t đi n th ho t đ ng th hai không th đư c thi t l p, ngay c v i m t kích thích m nh, đư c g i là giai đo n trơ tuy t đ i. Giai đo n này v i các s i th n kinh l n có myelin là kho ng 1/2500 giây. Vì v y, có th d dàng tính toán r ng m t dây th n kinh có th truy n t i đa là kho ng 2500 xung m i giây. myelinated nerve fibers is about 1/2500 second.

Therefore, one can readily calculate that such a fiber can c ch tr ng thái kích thích- “Các ch t n transmit a gây maximum of about 2500 impulses per đ nh” và mê vùng. second.

Ngư c l i v i các y u t làm tăng kích thích th n kinh, v n còn nh ng y u t khác, đư c g i là các y u t n đ nh màng, có th làm gi m kích thích.

Ví d , n ng đ ion canxi d ch ngo i bào cao làm gi m tính th m c a màng các ion natri và đ ng th i làm gi m tính kích thích. Do đó, các ion canxi đư c cho là m t y u t “ n đ nh.”

-

Local Among most important Gây mêAnesthetics. vùng: n mthe trong các ch t n stabiliz đ nh quan tr ng nh t hay s d ng trong lâm sàng bao g m c procain và tetracain. H u h t các ch t này tác đ ng tr c ti p vào c ng kích ho t các kênh natri, làm cho nó khó m c ng hơn, do đó làm gi m kích thích màng. Khi kích thích đã gi m xu ng quá th p đ n ngư ng kích thích (g i là “h s an toàn”) đư c gi m xu ng dư i 1.0, xung th n kinh không vư t qua cùng các dây th n kinh đã b gây mê.

73

UNIT II

Millivolts

20

T i đi m C trong hình 5-18, các kích thích th m chí còn m nh hơn. Bây gi các đi n th t i ch đã h u như không đ t đ n m c c n thi t đ t o ra m t đi n th ho t đ ng, đư c g i là các m c ngư ng, nhưng đi u này ch x y ra sau m t th i gian ng n “th i gian ti m n.” T i th i đi m D, các gói kích thích v n m nh hơn, đi n th t i ch c p tính m nh m hơn và đi n th ho t đ ng xu t hi n m t ít sau m t giai đo n ti m n.

Như v y, con s này ch ra r ng ngay c m t kích thích y u gây ra m t s thay đ i đi n th t i ch màng, nhưng cư ng đ c a đi n th t i ch ph i tăng lên m t ngư ng trư c khi đi n th ho t đ ng đư c thi t l p.

Unit II  Membrane Physiology, Nerve, and Muscle

Bibliography Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al: Molecular Biology of the Cell, 5th ed. New York: Garland Science, 2008.

Bean BP: The action potential in mammalian central neurons. Nat Rev Neurosci 8:451, 2007.

Biel M, Wahl-Schott C, Michalakis S, Zong X: Hyperpolarizationactivated cation channels: from genes to function. Physiol Rev 89:847, 2009.

Blaesse P, Airaksinen MS, Rivera C, Kaila K: Cation-chloride cotransporters and neuronal function. Neuron 61:820, 2009.

Dai S, Hall DD, Hell JW: Supramolecular assemblies and localized regulation of voltage-gated ion channels. Physiol Rev 89:411, 2009.

Debanne D, Campanac E, Bialowas A, et al: Axon physiology. Physiol Rev 91:555, 2011.

Delmas P, Hao J, Rodat-Despoix L: Molecular mechanisms of mechanotransduction in mammalian sensory neurons. Nat Rev Neurosci 12:139, 2011.

Dib-Hajj SD, Yang Y, Black JA, Waxman SG: The Na(V)1.7 sodium channel: from molecule to man. Nat Rev Neurosci 14:49, 2013.

Hodgkin AL, Huxley AF: Quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve.

J Physiol (Lond) 117:500, 1952.

74

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM: Principles of Neural Science, 5th ed. New York: McGraw-Hill, 2012.

Kleber AG, Rudy Y: Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias. Physiol Rev 84:431, 2004.

LujĂĄn R, Maylie J, Adelman JP: New sites of action for GIRK and SK channels. Nat Rev Neurosci 10:475, 2009.

Mangoni ME, Nargeot J: Genesis and regulation of the heart automaticity. Physiol Rev 88:919, 2008.

Perez-Reyes E: Molecular physiology of low-voltage-activated T-type calcium channels. Physiol Rev 83:117, 2003.

Poliak S, Peles E: The local differentiation of myelinated axons at nodes of Ranvier. Nat Rev Neurosci 12:968, 2003.

Rasband MN: The axon initial segment and the maintenance of neuronal polarity. Nat Rev Neurosci 11:552, 2010.

Ross WN: Understanding calcium waves and sparks in central neurons. Nat Rev Neurosci 13:157, 2012.

Schafer DP, Rasband MN: Glial regulation of the axonal membrane at nodes of Ranvier. Curr Opin Neurobiol 16:508, 2006.

Vacher H, Mohapatra DP, Trimmer JS: Localization and targeting of voltage-dependent ion channels in mammalian central neurons.

Physiol Rev 88:1407, 2008.