Điện thế hoạt động
Điện thế hoạt động đối với các loại tế bào khác > Điện thế hoạt động đối với tế bào thực vật

Nhiều loại thực vật khác nhau cũng triển khai điện thế hoạt động truyền theo mạch rây (phloem) để phối hợp các hoạt động sinh hóa có hiệu quả. Về khía cạnh sinh lý học của những dòng chuyển động hạt điện tích đã được nghiên cứu rất nhiều trên đối tượng là tảo chẳng hạn như luân tảo (charophyta). Điểm khác nhau chủ yếu giữa thực vật và động vật đó là, chu kỳ điện thế hoạt động của thực vật diễn ra dựa trên các dòng chảy calci và kali, trong khi đó ở động vật, điện thế hoạt động cần có dòng ion kali và natri. Những tín hiệu xung điện này là khả năng của thực vật nhằm tải thông tin nhanh chóng từ các tín hiệu môi trường ví dụ như là nhiệt độ, ánh sáng, tác động cơ học và các tổn thương. Trên thực vật, cấu trúc mạch rây (mạng lưới các tế bào nối kết lẫn nhau) bên trong hệ gân lá có thể được xem là 'dây thần kinh xanh' cho phép truyền đi các điện thế hoạt động gây ra bởi kích thích, và dòng điện thực vật này do các kênh ion đặc hiệu phụ thuộc điện thế đảm nhiệm.
Giới thực vật và giới nấm trong đó bao gồm các sinh vật với những tế bào có thể kích thích và phát sinh ra dòng điện. Năm 1906, J. C. Bose đã sáng chế ra công cụ rất tài tình, giúp đo lường được điện thế hoạt động trên loài thực vật, mà trước đó hiện tượng điện trên các loài thực vật ăn sâu bọ đã được khám phá ra bởi Burdon-Sanderson và Darwin (nhưng chưa xác thực rõ). Thành công mà Bose mang lại cho giới khoa học đã nhận được sự đánh giá cao từ giới chuyên môn, theo Shepherd (2005): "... ông ấy là người đầu tiên nhận ra được sự tồn tại của các tín hiệu điện có mặt ở khắp nơi giữa những tế bào thực vật, được xem là một trong những chức năng quan trọng giúp phối hợp các đáp ứng với môi trường. Bose đã chứng minh được qua việc đưa ra các chứng cứ xác thực về việc diễn ra quá trình chuyển tải các tín hiệu điện vừa nhanh, vừa truyền đến được những nơi xa, kích thích sự chuyển động của lá trong loài Mimosa pudica (cây trinh nữ) và loài Desmodium gyrans (cây nhảy múa, hay cây điện báo), và đồng thời cho thấy rằng các tế bào thực vật sản sinh ra nhiều xung điện liên tục và lan tỏa cả hệ thống." Ngoài ra, ông cũng đưa ra kết luận rằng hiện tượng điện không chỉ giới hạn ở hai loài thực vật trên, mà còn xảy ra đối với tất cả những loài thực vật. Sự tăng cường dòng ion Ca2+ vào trong chất nguyên sinh sẽ gây ra tác động lực thúc đẩy anion vào trong tế bào. Điều này làm cho ion calci được ví như là "tiền ion" cho sự chuyển động của các ion khác, chẳng hạn như là dòng ion âm chloride vào nội bào, và dòng ion dương kali đi ra, như quan sát thấy ở phần lá của cây đại mạch.
Dòng ion calci khởi đầu vào bên trong màng sẽ khiến tế bào tăng khử cực với mức độ nhỏ, sau đó các kênh cổng ion điện thế mở ra và cho phép dòng ion Cl− đi vào gây nên sự khử cực hoàn toàn và lan truyền sang khu vực lân cận.
Một số loại thực vật (chẳng hạn như loài Dionaea muscipula, được biết đến với cái tên cây bắt ruồi Venus) sử dụng các kênh cổng Na+ để điều khiển sự cử động và về bản chất là "sự tính toán". Cây bắt ruồi Venus được tìm thấy ở những miền đất ẩm cận nhiệt đới thuộc phía Bắc và phía Nam của tiểu bang Carolina. Khi những thành phần dinh dưỡng trong đất không được phong phú, loài cây này dựa vào các bữa ăn khác đó là côn trùng và động vật. Dù đã nghiên cứu trên thực vật, thế nhưng vẫn còn khá mơ hồ về nền tảng phân tử đối với loài cây bắt ruồi nói riêng, và tất cả các loài cây ăn sâu bọ nói chung.
Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã tìm ra được cơ sở của điện thế hoạt động và cho thấy dòng điện trong loài cây bắt ruồi Venus đã ảnh hưởng đến sự chuyển động nhịp nhàng và chính xác như thế nào. Đầu tiên, người ta nhận ra rằng giá trị điện thế màng trong trạng thái nghỉ của loài cây bắt ruồi Venus là khoảng -120mV, âm hơn giá trị điện thế của tế bào động vật (thường là từ -90mV đến -40mV). Chính giá trị điện thế nghỉ của màng càng thấp khiến cho nó dễ bị kích hoạt thành điện thế hoạt động hơn. Vì thế, khi các loài côn trùng nằm trong phạm vi "bẫy" của thực vật, có các lông là các thụ thể nhận cảm cơ học vô cùng nhạy với kích thích từ môi trường, và khi con mồi đã chạm vào lông tương ứng khởi tạo điện thế hoạt động. Điện thế hoạt động diễn ra trong thời gian 1.5 ms. Con mồi càng cố gắng vùng vẫy và trốn thoát, nó sẽ chạm nhiều lông thụ thể hơn, và như thế các chu kỳ điện thế hoạt động được tạo ra liên tục một cách vô hạn (∞ APs). Loài sinh vật này có thể nhớ và ra quyết định, cũng như 'đếm' số lượng các điện thế hoạt động để ước tính kích thước và chất dinh dưỡng của loài côn trùng bị nó làm mồi. Cuối cùng, điện thế hoạt động sẽ làm hoạt hóa dòng ion Ca2+ và làm tích tụ nồng độ ion Ca2+, gây ra làn sóng tín hiệu thứ hai. Bộ máy ion Ca2+ được vận hành sẽ khởi động nên nhiều chu trình sinh hóa khác, có liên quan đến sự sống còn của sinh vật.
Tuy vậy, cây bắt ruồi không đóng lại khi chỉ có một lông được kích thích. Thay vào đó, cần xung động thần kinh đến từ hai hay nhiều lông. Nếu chỉ một lông được kích thích, sự hoạt hóa được xem là giả vì không gây những thay đổi đáng kể nào. Hơn nữa, lông thứ hai phải được hoạt hóa trong khoảng thời gian nhất định (0.75 giây - 40 giây) kể từ thời điểm lông thứ nhất đã bị kích thích. Khi lông thứ nhất bị kích thích, có sự tăng lưu lượng ion calci nhưng sau đó giảm xuống chậm. Khi điện thế hoạt động thứ hai được phóng ra trong thời gian hiệu lực, nồng độ ion calci đã đạt đến ngưỡng xác định, lúc này cái bẫy của cây bắt ruồi Venus đóng lại chỉ trong 100 miligiây.
Cùng với giai đoạn sau của điện thế hoạt động, sự giải phóng các ion dương kali ra ngoài màng đã làm giảm áp suất thẩm thấu nội màng (KCl). Trong khi đó, điện thế hoạt động của loài động vật có khuynh hướng cân bằng áp suất thẩm thấu là do dòng chảy ion natri vào bên trong tế bào tương đương với dòng chảy ion kali ra ngoài tế bào thế nên triệt tiêu đi sự thay đổi về tính thẩm thấu bên trong và bên ngoài màng. Đối với tế bào thực vật, sự tương tác của các enzyme điện hóa then chốt và nồng độ ion nội bào ảnh hưởng đến trạng thái thẩm thấu ổn định, điều này cũng ngụ ý rằng trong thời kỳ môi trường muối vẫn đang chịu sự biến đổi, những loài sinh vật thủy tổ đơn bào chung của thực vật và động vật mang khả năng phát sinh ra dòng điện và điều này đã tạo ra hiện tượng thẩm thấu. Hơn thế nữa, chức năng vận chuyển tín hiệu nhanh được thấy ở những tế bào thuộc nhóm động vật đa bào như một sự hoàn thiện chưa từng có trong môi trường thẩm thấu đặc biệt ổn định. Rất có khả năng rằng thuộc tính điện thế hoạt động trong những loài thực vật có mạch phát triển độc lập với dạng điện thế hoạt động của những loài động vật đa bào với tế bào có tính kích thích và tạo ra điện.
Không như giai đoạn tăng khử cực, giai đoạn tăng tái phân cực và giai đoạn siêu phân cực dường như phụ thuộc chủ yếu trên những cation nhưng không phải calci. Để khởi động giai đoạn tăng tái phân cực, tế bào tích cực vận chuyển ion K+ ra bên ngoài qua màng thông qua cơ chế thụ động. Điều này được cho là khác với tế bào nơron là vì trong pha suy giảm điện thế màng không phụ thuộc hoàn toàn vào sự di chuyển của ion K+; trên thực tế, để thực hiện quá trình tăng tái phân cực toàn phần, tế bào thực vật cần năng lượng dưới dạng ATP để hỗ trợ trong việc giải phóng H+ ra ngoài tế bào – qua khai thác chức năng của bơm vận chuyển H+-ATPase.