Điện thế màng được tạo ra bởi nồng độ các ion

Sự khác nhau ở 2 bên màng bán thấm có chọn lọc

Trong hình A, ở một sợi thần kinh, bên trong màng có nồng độ ion k rất cao, ngoài màng nồng độ kali thấp. Giả sử lúc này màng trở nên rất thấm một loại ion là kali mà không thấm ion nào khác. Vì chênh lệch nồng độ cao giữa trong và ngoài tế bào, có một xu hướng các ion kali khuếch tán ra ngoài qua màng bán thấm, như vậy kali mang theo các điện tích dương ra ngoài màng, để lại các điện tích âm bên trong (vì các ion âm không khuếch tán qua màng cùng ion kali). Trong thời gian mili giây, chênh lêch điện thế giữa trong và ngoài màng tế bào gọi là điện thế khuếch tán, điện thế này đạt tới mức ngăn không cho kali ra ngoài màng tế bào nữa, tuy nồng độ kali bên trong vẫn cao hơn bên ngoài. Ở sợi thần kinh động vật có vú, sự chênh lệch điện thế là khoảng 94 mV, âm bên trong màng.

Trong hình B, chỉ ra hiệu ứng tương tự hình A. Nhưng lúc này là ion natri với nồng độ cao bên ngoài và nồng độ thấp bên trong màng tế bào. Những ion này cũng mang điện tích dương. Thời điểm này màng có tính thấm cao vs ion Na mà ko cho các ion khác thấm qua.

Sự khuếch tán của ion dương natri tạo điện thế màng trái dấu với với trường hợp ion kali như hình A, tức là ngoài màng âm, trong màng dương. Trong vài mili giây , điện thế tăng vọt đủ ngăn không cho ion na khuếch tán thêm vào nữa. Lúc này, ở sợi thần kinh đọng vật có vú điện thế là khoảng 61mV, điện tích dương ở bên trong màng.

Như vậy, ở cả 2 hình, chúng ta thấy rằng dưới điều kiện thích hợp sự chênh lệch nồng độ các ion qua màng bán thấm chọn lọc, tạo nên điện thế màng.

Phương trình Nernst mô tả tương quan giữa điện thế khuếch tán và hiệu nồng độ ion

Điện thế giữa hai bên màng, khi đạt giá trị vừa đủ để ngăn sự khuếch tán thực một ion qua màng gọi là điện thế Nernst đối với ion đó.

Hình. A, Thiết lập khả năng khuếch tán qua màng sợi thần kinh, gây ra bởi sự khuếch tán các ion kali từ bên trong tế bào ra bên ngoài thông qua một màng chỉ có thể thấm qua kali. B, Thiết lập khả năng khuếch tán khi màng sợi thần kinh chỉ thấm vào các ion natri. Lưu ý rằng điện thế màng trong là âm khi các ion kali khuếch tán và dương khi các ion natri khuếch tán do nồng độ ngược nồng độ của hai ion này.

Giá trị của điện thế N được quyết định bởi tỉ lệ nồng độ các ion đặc biệt hai bên màng, tỉ lệ nồng độ ion càng lớn thì xu thế khuếch tán ion càng mạnh và điện thế N càng cao để ngăn cản sự khuếch tán thực tiếp tục xảy ra nữa.

Phương trình sau gọi là phương trình N, có thể được dùng để tính toán điện thế N cho bất kì ion có hóa trị 1 nào ở điều kiện nhiệt độ cơ thể bình thường 98,6 độ F(37 độ C).

EMF(millivolts) = ±61/z ×log (nồng độ bên trong)/(nồng độ bên ngoài)

EMF: lực điện động, z: điện tích của ion vd: +1 đối với K+

Khi dùng phương trình này, ta luôn thừa nhận rằng điện thế ngoài màng tế bào bao giờ cũng bằng 0, và điện thế N là điện thế bên trong màng tế bào. Dấu của điện thế là (+) nếu ion khuếch tán từ trong ra ngoài màng tế bào là ion âm, và dấu của điện thế là âm khi ta có ion dương khuếch tán. Vì vậy với ví dụ trên khi nồng độ ion dương K+ bên trong cao gấp 10 lần bên ngoài , thì log của 10 là 1, điện thế N sẽ được tính là 61mV bên trong màng.

Phương trình Goldman được dùng để tính điện thế khuếch tán khi màng thấm nhiều ion khác nhau

Khi màng thấm nhiều ion khác nhau thì điện thế khuếch tán phụ thuộc 3 yếu tố:

(1) dấu của điện tích ion, (2) tính thấm P của màng đối với mỗi ion và (3) nồng độ các ion (C) tương ứng bên trong( i) và bên ngoài màng (o). vì vậy phương trình sau gọi là phương trình Goldman hay phương trình Goldman- hoagkin Katz đưa ra cách tính điện thế bên trong màng tế bào khi có 2 ion dương hóa trị một là Na+ và K+ và một ion âm hóa trị một là Cl-.

Những điểm đáng chú ý của Phương trình Goldman là : thứ nhất: các ion Na, K và Cl đều rất quan trọng trong việc tạo điện thế màng ở dây thần kinh cũng như tế bào nơ ron trong hệ thần kinh trung ương. Sự chênh lệch nồng độ các ion này qua màng sẽ giúp xác định điện thế màng. Thứ 2: mức độ quan trọng của mỗi ion trong việc tạo điện thế tỉ lệ với tính thấm của ion đó qua màng. Ví dụ nếu màng không thấm K+ và Cl - , điện thế màng chỉ phụ thuộc chênh lệch nồng độ na và sẽ bằng đúng trị số phương trình Nernst đối với ion Na.

Hình. Đo điện thế màng của sợi thần kinh bằng vi điện cực

Thứ 3: nếu nồng độ ion dương bên trong màng cao hơn bên ngoài màng sẽ tạo ra điện thế âm bên trong màng. Lí do của hiệu ứng này là quá nhiều ion dương sẽ khuếch tán ra ngoài, sự khuếch tán này sẽ mang theo diện tích dương ra bên ngoài để lại các ion âm không lọt màng, ở lại tạo điện thế âm trong màng. Hiệu ứng ngược lại xảy ra khi có một sự chênh lệch nồng độ ion âm. Ví dụ chệnh lệch nồng độ ion clo ở bên ngoài và trong màng tạo ra âm bên trong màng vì sự khuếch tán quá mức ion clo mang điện tích âm vào bên trong, trong khi đó không có sự khuếch tán các ion dương ra ngoài.

Thứ 4: tính thấm của kênh na và k biến đổi cực nhanh khi có xung động thần kinh, trong khi tính thấm của ion kênh clo biến đổi chậm, cho nên tính thấm na và k có ý nghĩa chủ yếu đối với sự truyền đạt tín hiệu trên dây thần kinh.