Hiperpolarizacija

The Hiperpolarizacija je biološki proces, pri katerem se napetost membrane poveča in presega vrednost počitka. Ta mehanizem je pomemben za delovanje mišičnih, živčnih in senzoričnih celic v človeškem telesu. Omogoča, da telo, kot so gibanje mišic ali vid, omogoči in nadzoruje telo.

Kaj je hiperpolarizacija?

Celice v človeškem telesu so obdane z membrano. Znan je tudi kot plazemska membrana in je sestavljen iz lipidnega dvosloja. Medcelično celico, citoplazmo, loči od okolice.

Membranska napetost celic v človeškem telesu, kot so mišice, živci ali senzorične celice v očesu, ima v mirovanju potencial za počitek. Ta membranska napetost izhaja iz dejstva, da je znotraj celice in v zunajceličnem območju negativen naboj, tj. zunaj celic je pozitiven naboj.

Vrednost potenciala za počitek se razlikuje glede na vrsto celice. Če je ta potencial za počitek membranske napetosti presežen, pride do hiperpolarizacije membrane. Zaradi tega je napetost membrane bolj negativna kot v času počitka, tj. naboj znotraj celice postane še bolj negativen.

To ponavadi poteka po odpiranju ali zapiranju ionskih kanalov v membrani. Ti ionski kanali so kalijev, kalcijev, kloridni in natrijev kanal, ki delujejo na napetostni način.

Hiperpolarizacija se pojavi zaradi napetostno odvisnih kalijevih kanalov, ki potrebujejo določen čas, da se zaprejo, potem ko je presežen potencial počitka. Pozitivno nabite kalijeve ione prevažajo v zunajtelesno območje. To na kratko privede do bolj negativnega naboja znotraj celice, hiperpolarizacije.

Funkcija in naloga

Hiperpolarizacija celične membrane je del tako imenovanega akcijskega potenciala. Ta je sestavljen iz različnih stopenj. Prva stopnja je preseganje mejnega potenciala celične membrane, sledi depolarizacija, znotraj celice je pozitivnejši naboj. To nato vodi v repolarizacijo, kar pomeni, da se potencial za počitek doseže znova. Potem pride do hiperpolarizacije, preden celica ponovno doseže potencial počitka.

Ta postopek se uporablja za prenašanje signalov. Ko prejmejo signal, živčne celice tvorijo akcijske potenciale na območju aksonskega nabrežja. To se nato prenese po aksonu v obliki akcijskih potencialov.

Sinapsi živčnih celic nato oddajo signal v naslednjo živčno celico v obliki nevrotransmiterjev. Te imajo lahko aktivacijski učinek ali pa tudi zavirajoč učinek. Postopek je bistven pri prenosu signalov, na primer v možganih.

Videnje poteka na podoben način. Celice v očesu, tako imenovane palice in stožci, prejemajo signal iz zunanjega svetlobnega dražljaja. To vodi k oblikovanju akcijskega potenciala in dražljaj se prenese na možgane. Zanimivo je, da razvoj dražljaja ne poteka z depolarizacijo, kot to velja za druge živčne celice.

V svojem počivalnem položaju imajo živčne celice membranski potencial -65mV, medtem ko imajo vidne celice membranski potencial -40mV pri stanju počitka. Imajo bolj pozitiven membranski potencial kot živčne celice, tudi ko so v mirovanju. V vizualnih celicah se dražljaj razvije s hiperpolarizacijo. Posledično vizualne celice sprostijo manj nevrotransmiterjev, živčne celice na spodnji strani pa lahko določijo intenzivnost svetlobnega signala na podlagi zmanjšanja nevrotransmiterjev. Ta signal se nato obdela in oceni v možganih.

Hiperpolarizacija sproži zaviralni postsinaptični potencial (IPSP) v primeru vida ali pri določenih nevronih. Nasprotno pa nevroni pogosto aktivirajo postsinaptične potenciale (APSP).

Druga pomembna funkcija hiperpolarizacije je ta, da preprečuje, da bi celica prehitro sprožila akcijski potencial na podlagi drugih signalov. Tako začasno zavira nastajanje dražljajev v živčni celici.

Bolezni in bolezni

Srčne in mišične celice imajo kanale HCN. HCN pomeni hipopolarizacijsko ciklične nukleotidne zaporne kationske kanale. To so kationski kanali, ki jih uravnava hiperpolarizacija celice. Pri ljudeh so znane 4 oblike teh kanalov HCN. Navedene so kot HCN-1 prek HCN-4. Sodelujejo pri uravnavanju srčnega ritma in pri aktivnosti spontano aktiviranja živčnih celic. Pri nevronih preprečujejo hiperpolarizacijo, da bi celica hitreje dosegla potencial počitka. Tako skrajšajo tako imenovano ognjevzdržno obdobje, ki opisuje fazo po depolarizaciji. V srčnih celicah po drugi strani uravnavajo diastolično depolarizacijo, ki nastaja na sinusnem vozlišču srca.

V študijah na miših je bilo dokazano, da izguba HCN-1 povzroča motnjo v gibalnem gibanju. Odsotnost HCN-2 vodi v poškodbe nevronov in srca, izguba HCN-4 pa vodi v smrt živali. Ugibalo se je, da so ti kanali pri ljudeh lahko povezani z epilepsijo.

Poleg tega so znane mutacije v obliki HCN-4, ki vodijo do srčne aritmije pri ljudeh. To pomeni, da lahko nekatere mutacije kanala HCN-4 privedejo do motenj srčnega ritma.Kanali HCN so zato tudi tarča medicinskih terapij za srčno aritmijo, pa tudi za nevrološke okvare, pri katerih hiperpolarizacija nevronov traja predolgo.

Bolnike s srčno aritmijo, ki jih je mogoče zaslediti do okvare kanala HCN-4, zdravimo s specifičnimi zaviralci. Vendar je treba omeniti, da je večina terapij, ki se nanašajo na kanale HCN, še vedno v fazi eksperimenta in zato še niso dostopne ljudem.