Giả thuyết về sự khuếch tán ion qua cổng Đây là giả thuyết được ủng hộ nhiều nhất hiện nay.

a) Điện thếN em st

Giả sử ta có hai miền không gian A và B chứa những phần tử có kích thước nhỏ (các phân tử hay ion trong dung dịch chẳng hạn)

với nồng độ khác nhau thì sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán. Sự

khuếch tán xảy ra do thế năng (PE) của các phần tử được hình thành bởi sự chênh lệch nồng độ giữa hai miền nói trên gọi là th ế khuếch

tán. Thế khuếch tán tương quan với nhiệt độ môi trường (T) và mật

độ các phần tử (N). Tuy nhiên, mối tương quan này không giống nhau. Đối với nhiệt độ (T) thì có môi tương quan là tuyến tính

P E » T (V.10)

Đối với mật độ (N) thì mối tương quan này là hàm mũ (Expeniention)

PE * lnN (V .ll)

Kết hợp hai biểu thức trên chúng ta có thể biểu thị thế khuếch tán bằng công thức sau:

PE = kTlnN (V.12)

k- hằng số Boltzmann ; k = 1.38 X 10 23 jy° K Nếu mật độ môi trường 1 là Ni và môi trường 2 là N2 với Ni * N2 thì sẽ xuất hiện hiệu thế khuếch tán. Nó được tính bằng biểu thức sau:

kTlnN, - kTlnN2 = kTln^J- (V.13)

1 2 N2

Nếu thay mật độ ion bằng nồng độ (C) chúng ta có hiệu thế khuếch tán (gadient khuếch tán) như sau:

kTln— (V.14)

^2

Nếu các hạt ấy là ion thì, bên cạnh lực khuếch tán, chứng còn chịu tác động của lực ữnh điện với điện thế V. Điện lực này đối với ion hoá trị 1 sẽ là:

eV (V.15)

Các ion không chuyển động khi có sự cân bằng giữa điện lực với gradien khuếch tán:

eV = KTln— (V.16)

c

K”T c

Hay: V = — ln-^L (V.17)

Trong điều kiện sinh lý bình thường nồng độ ion K+ bên trong tế bào cao gấp nhiều lần nồng độ của nó bên ngoài tế bào; còn ion Na+ thì ngược lại. Dựa vào đặc điểm này mà Bernstein đã đưa ra giả thuyết màng bán thấm để giải thích sự xuất hiện điện thế màng (1906). Mặc dù có một số khiếm khuyết ban đầu, nhiửig giả thuyết này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Hàng loạt công tìn h nghiên cứu của nhiều tác giả khác (Cole,Curtis 1939; Hodgkin, Kazt 1949; Na-xô-nôp 1949; Hodgkin, Huxley, Kazt 1952...), đặc biệt là của Hodgkin (1958), đã hoàn chỉnh giả thuyết của Bernstein.

Theo giả thuyết này thì điện thế màng được quyết định bởi sự phân bố nồng độ các ion không đồng đều nhau giữa bên trong và bên ngoài tế bào và sự khác nhau về tính thấm (gi) của chúng. Độ lớn và chiều của điện thế màng được tính theo công thức sau:

E = — In tg|tKo + g "-Na° + gcic l o] (V18)

ZF [gKK ,+ g N,N ai+gclCli]

Vì hàm lượng anion Cl' rất nhỏ nên gci có thể ghép vào loại dòng dò (lacked) và được bỏ qua. Cho nên công thức tổng quát còn lại như sau:

Em= — *(V, 19)

Z F [gKK ,+ g „.N a,]

Độ dẫn ion qua màng (gi) phụ thuộc vào trạrig thái sinh lý của cơ thể.

Trong điều kiện sinh lý bình thường thì: g K » gNa Khi tổn thương thì: g K = gNa

Khi hưng phấn thì:

• Trong khoảng thời gian ngắn (vài mS)

g K « < g N a

• Sau đó tính thấm có chọn lọc hồi phục

g K » gNa

b) Điện th ế nghỉ

Dòng ion Na+ đi qua màng ở trạng thái nghỉ không đáng kể

(g N a ~ 0) cho nên có thể bỏ qua. Biểu thức tính điện thế màng như

sau:

Em= — ln Ị^ 4 (V.20)

zF [ K j

Như vậy điện thế nghĩ được quyết định bởi nồng* độ ion K+ giữa bên tong và bên ngoài màng tế bào.

Để chứng minh cho giả thuyết này người ta đã tiến hành thí nghiệm như sau: Giảm nồng độ ion K+ ở môi trường chung quanh (giảm gradien nồng độ K+ giữa bên trong và bên ngoài tế bào) thì điện thế màng trong trạng thái nghỉ ngơi (tức điện thế nghỉ ngơi) tăng lên. Trái lại khi tăng nồng ion độ K+ ở môi trường chung quanh thì điện thế nghỉ ngơi giảm xuống. Bằng cách này người ta có thể làm cho điện thế nghĩ ngơi bằng không. Hơn thế nữa, nếu tiếp tục tăng nồng độ ion K+ ỏ môi trường chung quanh cao hơn nồng độ ion K+ bên trong tế bào thì có thể làm đảọ cực màng tế bào (trong dương ngoài âm). Trong khi đó nếu làm thay đổi nồng độ ion Na+ ở môi trường chung quanh thì sự thay đổi của điện thế nghỉ ngơi không đáng kể.

Vậy điện thế nghĩ ngơi được quyết định bởi ion K*.

c) Điện thếhoạt động

Khi hưng phân thì màng cho dòng Na+ đi qua với cường độ lớn hơn dòng ion K+ nhiều lần và tạo nên dòng hoạt động. Trong khoảng thời gian này, gK có giá trị ktiểng đáng kể so với dòng gN a- Vì vậy có

R T lnị N ạ J m zF [Nat]

Như vậy điện thế hoạt động được (ỊŨyết định bởi nồng độ ion Na+ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào.

Hodgkin, Huxley và Kazt (1952) dùng phương pháp cố định điện thế màng cùng với thiết bị ghi nhận dòng ion đi qua màng eủa dây thần kinh cá mực cho kết quả được giới thiệu trong hình V.6. Trong điều kiện bình thường (dây thần kinh cá mực ngâm trong môi trường nước biển - hình A) với điện thế cố định ở mức 442 mV khi bị kích thích hầu như không có dòng ion đi vào (đường biểu diễn hướng lên trên) hoặc đi ra (đường biểu điễn hướng xuống dưới). Khi cố định điện thế ở mức -14 mV thì dòng ion qua màng cũng chưa có gì thay đổi đáng kể, ngoại trừ có sự đi ra yếu và muộn màng của ion. Khi điện thế cố định đạt đến giá trị -28 mV thì xuất hiện dòng ion đi vào mạnh và rất sớm; sau đó nhanh chóng suy giảm và thay vào đó là dòng đi vào của các ion. Tiếp tục tăng sự phân cực của màng bằng điện thế cố định - 42 mV thì dòng vào vẫn còn nhưng yếu hơn so với trường hợp trước. Tiếp tục tăng mức độ âm của điện thế cố định thì dòng vào càng giảm, còn dòng ra càng lớn dần. Khi điện thế phân cực đạt đến giá trị - 84 mV hoặc cao hơn thì dòng đi vào của ion không còn nữa, còn dòng ra không những càng mạnh hơn mà còn phát triển rất sớm.

Chuyển dây thần kinh ấy sang môi tường loại bỏ hoàn toàn ion Na+ và thay vào đó là các ion Cholin và lặp lại thí nghiệm với các mức cố định điện thế như trên. Kết quả thi nghiệm cho thấy dòng đỉ vào của ion không còn nữa (Hình B).

+42 nW •14mV ■28 mV •42 nW -56 nW •70 nW •84 mV -33 mV

Hình V.6: Sự biến thiên dòng ion đi qua màng tế bào trong trường hợp

có và không eó ion Na+ ở môi trường bên ngoài

Chuyển dây thần kinh ấy trở lại môi trường cũ và lặp lại thí nghiệm. Kết quả cho thấy dòng ion đi vào lại xuất hiện như cũ (Hình V.6.C).

Người ta cũng thực hiện thí nghiệm này đối với ion K+ và thấy rằng sự thay đổi nồng độ ion K+ giữa bên trong và bên ngoài tế bào không tạo nên sự thay đổi đáng kể đối với dòng ion đi vào.

Những thí nghiệm nêu trên cho thấy dòng ion đi vào chính là dòng Na+ vì nó chỉ có khi trong môi trường có ion Na+. Hơn nữa,

động học của dòng ion Na+ cũng phù hợp với điện thế hoạt động khi bị kích thích. Vì vậy người ta cho rằng điện thế hoạt động được quyết

định bời ion Na+.

d) Bơm ion Nơ+-K+

Kết quả tính toán cho thấy với mỗi lần tạo thành điện thế hoạt động sẽ có khoảng 20.000 ion Na+ thấm vào bên trong tế bào trên

ỉụ 2. Do màng tế bào cho ion Na+ đi qua trong một thời gian rất ngắn

khi hưng phấn sau đó trở lại trạng thái không thấm đối với Na+ nên các ion Na+ đã thấm vào sẽ bị giữ lại trong màng tế bào. Nếu duy trì tình trạng này thì chẳng bao lâu sẽ xảy ra sự cân bằng nồng độ ion Na+ giữa bên trong và bên ngoài tế bào và do đó cũng sẽ không còn điện thế hoạt động nữa. Tuy nhiên điều đó không xảy ra nhờ trong tế bào tồn tại một hệ thống vận chuyển ion Na+ từ trong ra ngoài màng tế bào và mang ion K+ từ bên ngoài vào trong tế bào (xem phần Vận chuyển tích cực ở chương 3).

IV. S ự DẪN TRUYỀN XUNG ĐỘNG THẦN KINH