Chương 6: Điện sinh học

Trong cơ thể sống, từ nhịp đập của trái tim đến những suy nghĩ phức tạp trong não bộ, tất cả đều được điều khiển bởi những tín hiệu điện tinh vi. Ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng điện phát sinh trong các tế bào, mô và cơ quan sống được gọi là Điện sinh học.

Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các khái niệm cốt lõi của điện sinh học, bao gồm:

1. Điện thế nghỉ: Trạng thái “chờ” của tế bào.
2. Điện thế hoạt động: Xung điện của sự sống.
3. Sự lan truyền xung thần kinh: Cách tín hiệu di chuyển trong cơ thể.
4. Truyền tin qua Synapse: Giao tiếp giữa các tế bào thần kinh.
5. Điện thế tổn thương: Tín hiệu điện khi mô bị tổn thương.

---

1. ĐIỆN THẾ NGHỈ (RESTING POTENTIAL)

1.1. Khái niệm

Khi một tế bào (đặc biệt là tế bào thần kinh và cơ) ở trạng thái không bị kích thích, luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế giữa hai bên màng tế bào. Sự chênh lệch này được gọi là điện thế nghỉ.

Qua các thí nghiệm, các nhà khoa học đã xác định được các đặc điểm quan trọng của điện thế nghỉ:

• Mang giá trị âm: Điện thế bên trong màng tế bào luôn thấp hơn bên ngoài. Ví dụ, ở tế bào thần kinh, giá trị này khoảng -90 mV.
• Phân cực điện: Mặt trong của màng tế bào tích điện âm, trong khi mặt ngoài tích điện dương.
• Tạo ra bởi ion: Sự chênh lệch này chủ yếu được tạo ra bởi sự phân bố và di chuyển của các ion như K+, Na+, Cl-, và các anion protein (A-).

1.2. Cơ chế hình thành Điện thế nghỉ

Điện thế nghỉ được hình thành và duy trì bởi ba yếu tố chính:

a. Sự phân bố ion không đồng đều

Nồng độ các ion giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào có sự khác biệt rất lớn.

Bảng: Nồng độ các ion chính qua màng tế bào thần kinh (Đơn vị: mmol/L)

Ion	Nồng độ bên ngoài (Co)	Nồng độ bên trong (Ci)	Tỷ lệ (Ngoài/Trong)
Na+	142	10	14.2
K+	5	150	0.033
Cl-	103	4	25.75
Anion (A-)	–	Cao	–

Từ bảng trên, ta thấy:

• Bên trong tế bào: Nồng độ K+ và các anion protein (A-) rất cao.
• Bên ngoài tế bào: Nồng độ Na+ và Cl- rất cao.

b. Tính thấm chọn lọc của màng tế bào

Màng tế bào có các kênh ion, cho phép một số ion đi qua dễ dàng hơn các ion khác. Ở trạng thái nghỉ, màng tế bào có đặc điểm:

• Thấm rất mạnh với K+: Có nhiều “kênh rò rỉ K+” (K+ leak channels) luôn mở, cho phép K+ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao (trong tế bào) ra ngoài.
• Thấm rất yếu với Na+: Hầu hết các kênh Na+ đều đóng.

Do đó, các ion K+ mang điện dương di chuyển ồ ạt ra ngoài, để lại bên trong màng các anion protein (A-) không thể đi qua, làm cho mặt trong màng tích điện âm so với bên ngoài.

c. Vai trò của Bơm Natri-Kali (Na+-K+ ATPase)

Kênh rò rỉ K+ và Na+ có thể làm mất đi sự chênh lệch nồng độ ion theo thời gian. Để duy trì trạng thái ổn định, bơm Na+-K+ hoạt động liên tục.

• Bơm này sử dụng năng lượng (ATP) để chủ động vận chuyển 3 ion Na+ từ trong ra ngoài và 2 ion K+ từ ngoài vào trong.
• Quá trình này không chỉ giúp duy trì sự chênh lệch nồng độ ion mà còn góp phần làm cho bên trong tế bào âm hơn do bơm ra nhiều điện tích dương hơn là bơm vào.

---

2. ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG (ACTION POTENTIAL)

2.1. Khái niệm

Điện thế hoạt động là sự biến đổi điện thế đột ngột, nhanh chóng và ngắn ngủi trên màng tế bào khi nó bị kích thích đủ mạnh (đạt tới ngưỡng). Đây chính là “xung thần kinh” hay “tín hiệu điện” mà cơ thể dùng để truyền thông tin.

Đặc điểm: Điện thế màng thay đổi từ âm (ví dụ: -90mV) sang dương (ví dụ: +35mV) rồi nhanh chóng trở về trạng thái nghỉ.

2.2. Các giai đoạn của Điện thế hoạt động

Quá trình này diễn ra qua các giai đoạn nối tiếp nhau, được thể hiện rõ trên đồ thị điện thế theo thời gian.

a. Giai đoạn Mất phân cực (Depolarization)

• Khi có kích thích đạt ngưỡng, các kênh Na+ mở ra ồ ạt.
• Ion Na+ mang điện dương tràn từ ngoài vào trong tế bào theo gradient nồng độ.
• Sự di chuyển này làm cho bên trong màng trở nên bớt âm và nhanh chóng trở nên dương (gọi là đảo cực).

b. Giai đoạn Tái phân cực (Repolarization)

• Ngay sau khi đạt đỉnh, các kênh Na+ đóng lại và các kênh K+ mở ra.
• Ion K+ mang điện dương di chuyển mạnh từ trong ra ngoài tế bào.
• Điều này làm cho điện thế bên trong màng giảm xuống, trở về trạng thái âm.

c. Giai đoạn Ưu phân cực (Hyperpolarization)

• Các kênh K+ đóng lại khá chậm, khiến một lượng K+ dư thừa đi ra ngoài, làm cho điện thế màng tạm thời âm hơn cả mức nghỉ (ví dụ: -95mV).
• Cuối cùng, bơm Na+-K+ sẽ tái lập lại sự cân bằng ion và điện thế nghỉ ban đầu.

2.3. Quy luật “Tất cả hoặc không” (All-or-None)

Điện thế hoạt động tuân theo quy luật này:

• Dưới ngưỡng: Nếu kích thích quá yếu (không đạt ngưỡng), sẽ không có điện thế hoạt động nào được tạo ra.
• Đạt ngưỡng: Một khi kích thích đạt đến ngưỡng, một điện thế hoạt động với biên độ tối đa và không đổi sẽ được hình thành.
• Trên ngưỡng: Tăng cường độ kích thích trên ngưỡng không làm thay đổi biên độ của điện thế hoạt động, mà chỉ làm tăng tần số xuất hiện của chúng.

Kết luận: Sợi thần kinh hoặc là không đáp ứng, hoặc là đáp ứng tối đa.

---

3. SỰ LAN TRUYỀN XUNG THẦN KINH

Điện thế hoạt động sau khi được tạo ra sẽ không đứng yên mà lan truyền dọc theo sợi thần kinh để truyền thông tin.

3.1. Lan truyền trên sợi thần kinh không có bao Myelin

• Xung thần kinh lan truyền một cách liên tục từ điểm này đến điểm kế tiếp trên sợi trục.
• Tại vùng đang hoạt động (khử cực), dòng ion dương cục bộ sẽ kích thích vùng kế cận đạt đến ngưỡng và tạo ra một điện thế hoạt động mới. Quá trình này cứ lặp lại dọc theo sợi trục.
• Tốc độ: Tương đối chậm.

3.2. Lan truyền trên sợi thần kinh có bao Myelin

• Bao myelin là một lớp vỏ cách điện, được ngắt quãng bởi các eo Ranvier.
• Điện thế hoạt động không thể hình thành ở vùng có myelin, mà chỉ xuất hiện tại các eo Ranvier.
• Do đó, xung thần kinh lan truyền bằng cách “nhảy cóc” từ eo Ranvier này sang eo Ranvier kế tiếp.
• Tốc độ: Rất nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với sợi không có myelin.

---

4. TRUYỀN TIN QUA SYNAPSE

Synapse là vị trí kết nối và truyền thông tin giữa một tế bào thần kinh với một tế bào khác (thần kinh, cơ, hoặc tuyến).

4.1. Cấu tạo Synapse Hóa học

Một synapse hóa học điển hình bao gồm 3 phần chính:

1. Chùy Synapse (Màng trước): Phần cuối của sợi trục, chứa các bóng synapse. Bên trong các bóng này là các chất trung gian hóa học (neurotransmitters).
2. Khe Synapse: Khoảng không gian hẹp giữa màng trước và màng sau.
3. Màng sau Synapse: Màng của tế bào tiếp theo, chứa các thụ thể (receptors) đặc hiệu với chất trung gian hóa học.

4.2. Quá trình truyền tin

1. Xung thần kinh (điện thế hoạt động) lan truyền đến chùy synapse.
2. Xung điện làm mở các kênh Ca²+, khiến ion Ca²+ tràn vào bên trong chùy synapse.
3. Sự gia tăng Ca²+ làm các bóng synapse di chuyển đến màng trước, hòa màng và giải phóng chất trung gian hóa học vào khe synapse.
4. Chất trung gian hóa học khuếch tán qua khe và gắn vào các thụ thể trên màng sau.
5. Sự gắn kết này làm thay đổi tính thấm của màng sau, gây ra một tín hiệu điện trên tế bào tiếp theo (gây hưng phấn hoặc ức chế).
6. Chất trung gian hóa học sau đó bị loại bỏ khỏi khe synapse (bằng enzyme phân giải hoặc tái hấp thu) để kết thúc tín hiệu.

Quá trình truyền tin qua synapse hóa học chỉ diễn ra theo một chiều: từ màng trước đến màng sau.

4.3. Các chất dẫn truyền thần kinh tiêu biểu

• Acetylcholine: Liên quan đến trí nhớ, học tập và co cơ.
• Dopamine: Hormone “hạnh phúc”, kiểm soát vận động và hệ thống thưởng phạt của não.
• Noradrenaline (Adrenaline): Phản ứng “chiến đấu hay bỏ chạy”, tăng sự tỉnh táo và nhịp tim.
• Serotonin: Điều chỉnh tâm trạng, giấc ngủ và cảm giác thèm ăn.
• Endorphins: Chất giảm đau tự nhiên của cơ thể.

4.4. So sánh Synapse Hóa học và Synapse Điện

Tiêu chí	Synapse Hóa học	Synapse Điện
Tác nhân truyền tin	Chất trung gian hóa học	Dòng ion trực tiếp
Chiều truyền tin	Một chiều	Hai chiều
Tốc độ	Chậm	Rất nhanh
Khe synapse	Rộng (10 – 20 nm)	Rất hẹp (0.2 nm)
Phổ biến ở	Động vật bậc cao	Động vật bậc thấp

---

5. ĐIỆN THẾ TỔN THƯƠNG

Khái niệm

Khi một mô sống bị tổn thương (do cơ học, nhiệt, hóa học…), một hiệu điện thế sẽ xuất hiện giữa vùng bị tổn thương và vùng lành lặn xung quanh. Đây được gọi là điện thế tổn thương.

Đặc điểm

• Vùng bị tổn thương có màng tế bào bị phá vỡ, làm rò rỉ các ion và trở nên âm hơn so với vùng bình thường.
• Giá trị của điện thế tổn thương sẽ giảm dần theo thời gian khi quá trình chữa lành diễn ra.