Điện thế sinh vật là sự chênh lệch điện thế tồn tại giữa hai vị trí của hệ sống, thường là giữa trong và ngoài màng tế bào, hoặc giữa hai vùng mô khác nhau. Đây là cơ sở của các hiện tượng điện sinh học như điện thế nghỉ, điện thế hoạt động và điện thế tổn thương. Tài liệu nêu rõ giữa tế bào sống và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế.

Điện thế nghỉ, còn gọi là điện thế tĩnh, là điện thế đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của tế bào khi chưa bị kích thích. Nó không phải điện thế của tế bào chết, cũng không phải điện thế chỉ xuất hiện lúc hoạt động.

Ở tế bào thần kinh, điện thế nghỉ điển hình khoảng -70 mV, nghĩa là mặt trong màng âm hơn mặt ngoài khoảng 70 mV. Trong lý sinh, đây là giá trị kinh điển thường dùng để mô tả trạng thái nghỉ của nơron.

Ở tế bào thần kinh, điện thế nghỉ điển hình khoảng -70 mV, nghĩa là mặt trong màng âm hơn mặt ngoài khoảng 70 mV. Trong lý sinh, đây là giá trị kinh điển thường dùng để mô tả trạng thái nghỉ của nơron.

Trong cơ chế hình thành điện thế nghỉ, hai ion có vai trò nổi bật nhất là Na⁺ và K⁺. K⁺ đặc biệt quan trọng vì màng nghỉ thấm K⁺ nhiều hơn Na⁺, nhưng Na⁺ vẫn rất quan trọng trong việc duy trì chênh lệch ion cùng với bơm Na⁺/K⁺.

Bơm Na⁺/K⁺ không chỉ “chuyển ion”, mà chức năng cốt lõi là duy trì sự chênh lệch nồng độ ion giữa trong và ngoài tế bào. Nhờ gradient này, màng mới giữ được điện thế nghỉ và có thể phát sinh điện thế hoạt động khi bị kích thích. Trong đề cương, đáp án đúng cho bơm kali–natri là bơm Na⁺ ra ngoài và K⁺ vào trong.

Điện thế hoạt động chỉ xuất hiện khi kích thích đủ mạnh để đưa màng đến ngưỡng khử cực. Kích thích dưới ngưỡng thì không tạo được điện thế hoạt động. Đây là cơ sở của quy luật tất cả hoặc không trong kích thích thần kinh.

Giải thích:
Điện thế hoạt động tuân theo quy luật tất cả hoặc không:

• Kích thích chưa tới ngưỡng thì không phát sinh điện thế hoạt động
• Kích thích đạt hoặc vượt ngưỡng thì điện thế hoạt động xuất hiện với biên độ cơ bản gần như không đổi

Đây là đặc điểm rất quan trọng để phân biệt điện thế hoạt động với điện thế cục bộ. Tài liệu cũng nêu cơ chế đáp ứng kích thích tuân theo quy luật này.

Khử cực là giai đoạn điện thế màng tăng từ giá trị âm của điện thế nghỉ về 0 rồi có thể lên dương. Nói cách khác, mặt trong màng bớt âm dần, rồi đảo dấu nếu khử cực mạnh. Tài liệu mô tả giai đoạn đầu của điện thế hoạt động là khử cực, sau đó là quá khử cực.

Khi bị kích thích tới ngưỡng, kênh Na⁺ mở mạnh, Na⁺ đi ồ ạt từ ngoài vào trong tế bào, làm điện thế màng tăng nhanh. Đây là cơ chế trực tiếp gây ra khử cực. Tài liệu mô tả rất rõ: trong giai đoạn này tính thấm với Na⁺ tăng vọt và ion Na⁺ ào ạt đi vào trong tế bào.

Sau khi khử cực đạt đỉnh, kênh Na⁺ dần bất hoạt, đồng thời kênh K⁺ mở, K⁺ đi từ trong ra ngoài, kéo điện thế màng trở lại âm hơn. Đó là cơ sở của tái cực. Nói ngắn gọn:

• Na⁺ vào → khử cực
• K⁺ ra → tái cực

Ngưỡng kích thích là mức kích thích nhỏ nhất nhưng đủ để khởi phát điện thế hoạt động. Dưới ngưỡng chỉ có thể tạo biến đổi nhỏ hoặc điện thế cục bộ, chứ chưa phát sinh xung hoàn chỉnh. Trong đề cương ôn tập, chỉ kích thích đạt ngưỡng khử cực màng mới dẫn đến việc hình thành điện thế hoạt động.

Điện thế cục bộ khác điện thế hoạt động ở chỗ nó không lan truyền nguyên vẹn, mà giảm dần biên độ theo khoảng cách. Vì vậy nó chỉ có tác dụng tại vùng gần nơi xuất hiện, trừ khi đủ lớn để đưa màng tới ngưỡng và chuyển thành điện thế hoạt động. Điện thế hoạt động thì ngược lại: có thể lan truyền mà biên độ cơ bản được giữ nguyên.

Điện thế hoạt động không “trượt” nguyên xi như một vật chuyển động, mà nó được tái tạo liên tiếp tại từng đoạn màng kế tiếp. Đoạn màng trước khử cực sẽ kích thích đoạn màng kế bên đạt ngưỡng, từ đó phát sinh điện thế hoạt động mới. Vì vậy nói điện thế hoạt động lan truyền theo cơ chế tái sinh là chính xác. Đây cũng là lý do biên độ xung không giảm trong quá trình dẫn truyền.

Bao myelin làm giảm mất mát dòng ion qua màng và tạo điều kiện cho xung thần kinh nhảy từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác, nên dẫn truyền nhanh hơn rõ rệt. Ngoài ra, sợi thần kinh có đường kính lớn cũng dẫn nhanh hơn, nhưng trong các lựa chọn ở đây, “có myelin” là đáp án đúng và rõ nhất.

Myelin là lớp cách điện sinh học bao quanh sợi trục. Nó giúp xung thần kinh không phải khử cực toàn bộ màng liên tục, mà chỉ cần tái sinh mạnh tại các eo Ranvier, nên tốc độ dẫn truyền tăng lên rất nhiều. Vì vậy bao myelin có vai trò rất quan trọng trong truyền xung nhanh và hiệu quả.

Dẫn truyền nhảy cóc là kiểu dẫn truyền đặc trưng của sợi thần kinh có bao myelin. Xung thần kinh không lan liên tục trên toàn bộ màng mà “nhảy” từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác. Điều này vừa làm tăng tốc độ, vừa tiết kiệm năng lượng cho tế bào thần kinh.

Kích thích dưới ngưỡng có thể gây biến đổi điện thế nhỏ tại chỗ, nhưng không đủ để khởi phát điện thế hoạt động hoàn chỉnh. Điện thế hoạt động chỉ xuất hiện khi kích thích đạt hoặc vượt ngưỡng. Đây là hệ quả trực tiếp của quy luật tất cả hoặc không.

Điện thế hoạt động là một hiện tượng rất ngắn, chỉ kéo dài cỡ vài mili giây. Nó không kéo dài hàng giây hay hàng phút. Chính vì rất ngắn nên tế bào thần kinh có thể phát nhiều xung liên tiếp trong một thời gian ngắn nếu được kích thích phù hợp.

Bơm Na⁺/K⁺ có nhiệm vụ duy trì chênh lệch nồng độ Na⁺ và K⁺ giữa hai bên màng. Nếu bơm này ngừng hoạt động trong thời gian dài, gradient ion sẽ dần mất đi, làm điện thế nghỉ giảm dần rồi mất. Lúc đó màng không còn duy trì được trạng thái phân cực bình thường.

Khử cực là giai đoạn do Na⁺ đi nhanh vào trong tế bào. Nếu Na⁺ không vào được, điện thế màng sẽ không tăng nhanh lên phía dương, nên không thể có khử cực đúng nghĩa. Do đó điện thế hoạt động cũng không hình thành bình thường.

Sau khử cực, để màng trở về gần điện thế nghỉ, cần có K⁺ đi từ trong ra ngoài. Nếu K⁺ không thoát ra được, màng sẽ không trở về giá trị âm như bình thường, tức là tái cực bị cản trở hoặc không xảy ra đúng. Đây là vai trò chính của dòng K⁺ trong giai đoạn sau đỉnh điện thế hoạt động.

Điện thế hoạt động được tái tạo lại ở từng đoạn màng kế tiếp, nên biên độ về cơ bản được giữ nguyên khi lan truyền. Nó khác với điện thế cục bộ, vốn giảm dần theo khoảng cách. Trong đề cương bạn gửi, đặc điểm đúng của xung thần kinh là lan truyền dọc sợi thần kinh và biên độ không đổi trong quá trình lan truyền.

Sợi thần kinh đường kính lớn có điện trở trong thấp hơn, nên dòng điện nội bào lan xa và hiệu quả hơn, làm tốc độ dẫn truyền tăng. Vì vậy, đường kính sợi càng lớn thì dẫn truyền càng nhanh, nhất là khi kết hợp thêm bao myelin.

Điện thế nghỉ hình thành do sự chênh lệch nồng độ ion và tính thấm chọn lọc của màng đối với các ion đó, đặc biệt là K⁺ và Na⁺. Nếu gradient ion thay đổi nhiều thì điện thế nghỉ cũng thay đổi theo. Vì vậy nói điện thế nghỉ phụ thuộc mạnh vào gradient ion là chính xác nhất.

Bình thường K⁺ có xu hướng đi ra ngoài, góp phần làm mặt trong màng âm. Nếu nồng độ K⁺ ngoài tế bào tăng lên, chênh lệch K⁺ giữa trong và ngoài giảm, nên K⁺ thoát ra ít hơn. Kết quả là màng bớt phân cực, tức điện thế nghỉ ít âm hơn. Đây là một ý rất hay ra trong câu hỏi lý thuyết.

Khi điện thế màng đã ở gần ngưỡng, chỉ cần một kích thích nhỏ nữa cũng có thể đưa màng tới mức khởi phát điện thế hoạt động. Vì vậy tế bào sẽ dễ hưng phấn hơn hay dễ kích thích hơn. Đây là ý nghĩa sinh lý quan trọng của mức phân cực màng.

Thời kỳ trơ là giai đoạn mà vùng màng vừa phát điện thế hoạt động không hoặc khó đáp ứng lại với kích thích mới. Nhờ đó, xung thần kinh chỉ lan theo một chiều sinh lý, chứ không quay ngược trở lại vùng vừa bị kích thích. Trong đề cương, phát biểu đúng là tính trơ của màng tế bào đảm bảo cho việc truyền xung thần kinh theo một chiều nhất định.

Giải thích:
Biên độ = 30−(−70)=10030 - (-70) = 10030−(−70)=100 mV
→ đặc trưng của điện thế hoạt động.

Giải thích:
Khử cực phụ thuộc Na⁺ → giảm gradient → giảm dòng Na⁺ → giảm điện thế.

Giải thích:
Giảm chênh lệch K⁺ → giảm phân cực → điện thế tiến về 0.

Giải thích:
Myelin giúp dẫn truyền nhảy cóc → mất → dòng điện rò rỉ → chậm hoặc mất truyền.

Giải thích:
Quy luật tất cả hoặc không.

Giải thích:
Điện thế cục bộ suy giảm theo khoảng cách, khác điện thế hoạt động.

Giải thích:
Nhiều kênh → nhiều Na⁺ vào → khử cực mạnh hơn.

Giải thích:
Thời gian không đáp ứng dài → giảm số xung/giây.

Giải thích:
Gần ngưỡng hơn → dễ phát điện thế hoạt động.

Giải thích:
Bản chất điện thế sinh vật gồm:

• Gradient ion (Na⁺, K⁺…)

• Tính thấm chọn lọc của màng

• Bơm Na⁺/K⁺
  → Tạo nên điện thế nghỉ và điện thế hoạt động.