Hiperpolarizācija

Hiperpolarizācija ir bioloģisks process, kurā membrānas spriedze palielinās un pārsniedz miera vērtību. Šis mehānisms ir svarīgs cilvēka ķermeņa muskuļu, nervu un maņu šūnu funkcionēšanai. Tas ļauj ķermenim iespējot un kontrolēt tādas darbības kā muskuļu kustības vai redzi.

Kāda ir hiperpolarizācija?

Šūnas cilvēka ķermenī ir norobežotas ar membrānu. To sauc arī par plazmas membrānu un sastāv no lipīdu divslāņa. Tas atdala intracelulāro zonu, citoplazmu, no apkārtējās zonas.

Cilvēka ķermeņa šūnu, piemēram, acs muskuļu, nervu vai maņu šūnu, membrānas spriedzei ir miera potenciāls miera stāvoklī. Šī membrānas spriedze rodas no tā, ka šūnā un ārpusšūnu rajonā ir negatīvs lādiņš, t.i. ārpus šūnām ir pozitīvs lādiņš.

Atpūtas potenciāla vērtība atšķiras atkarībā no šūnas veida. Ja šis membrānas sprieguma atpūtas potenciāls tiek pārsniegts, notiek membrānas hiperpolarizācija. Tas membrānas spriegumu padara negatīvāku nekā atpūtas potenciāla laikā, t.i. lādiņš šūnas iekšpusē kļūst vēl negatīvāks.

Tas parasti notiek pēc jonu kanālu atvēršanas vai aizvēršanas membrānā. Šie jonu kanāli ir kālija, kalcija, hlorīda un nātrija kanāli, kas darbojas atkarībā no sprieguma.

Hiperpolarizācija rodas no sprieguma atkarīgu kālija kanālu dēļ, kuriem ir nepieciešams zināms laiks, lai aizvērtos pēc atpūtas potenciāla pārsniegšanas. Viņi pārvadā pozitīvi lādētos kālija jonus ārpusšūnu apgabalā. Tas īsi noved pie negatīvāka lādiņa šūnas iekšienē, hiperpolarizācijas.

Funkcija un uzdevums

Šūnas membrānas hiperpolarizācija ir daļa no tā dēvētā darbības potenciāla. Tas sastāv no dažādiem posmiem. Pirmais posms ir šūnas membrānas sliekšņa potenciāla pārsniegšana, kam seko depolarizācija, šūnas iekšienē ir vairāk pozitīvu lādiņu. Pēc tam tas noved pie repolarizācijas, kas nozīmē, ka atpūtas potenciāls tiek atkal sasniegts. Tad hiperpolarizācija notiek, pirms šūna atkal sasniedz miera potenciālu.

Šis process tiek izmantots signālu pārsūtīšanai. Nervu šūnas pēc darbības signāla saņemšanas veido darbības potenciālu aksonu pilskalna rajonā. Pēc tam to nodod darbības potenciālu veidā pa aksonu.

Pēc tam nervu šūnu sinapses neirotransmiteru veidā pārraida signālu uz nākamo nervu šūnu. Tiem var būt aktivizējoša iedarbība vai arī kavējoša iedarbība. Process ir būtisks signālu pārraidē, piemēram, smadzenēs.

Redzēšana tiek veikta līdzīgi. Acs šūnas, tā sauktie stieņi un konusi, saņem signālu no ārējā gaismas stimula. Tas noved pie darbības potenciāla veidošanās, un stimuls tiek nodots smadzenēm. Interesanti, ka stimula attīstība šeit nenotiek tāpat kā citās nervu šūnās, izmantojot depolarizāciju.

Atpūtas stāvoklī nervu šūnām ir membrānas potenciāls -65mV, turpretim redzes šūnām membrānas potenciāls ir -40mV miera stāvoklī. Tas nozīmē, ka miera stāvoklī viņiem jau ir pozitīvāks membrānas potenciāls nekā nervu šūnām. Vizuālo šūnu gadījumā stimuls attīstās ar hiperpolarizācijas palīdzību. Tā rezultātā redzes šūnas atbrīvo mazāk neirotransmiteru, un pakārtotās nervu šūnas var noteikt gaismas signāla intensitāti, pamatojoties uz neirotransmiteru samazinājumu. Pēc tam šis signāls tiek apstrādāts un novērtēts smadzenēs.

Hiperpolarizācija izraisa inhibējošu postsinaptisko potenciālu (IPSP) redzes gadījumā vai noteiktos neironos. Turpretī neironi bieži aktivizē postsinaptiskos potenciālus (APSP).

Vēl viena svarīga hiperpolarizācijas funkcija ir tā, ka tā neļauj šūnai pārāk ātri atkārtot darbības potenciālu, pamatojoties uz citiem signāliem. Tātad tas īslaicīgi kavē stimulu veidošanos nervu šūnā.

Slimības un kaites

Sirds un muskuļu šūnām ir HCN kanāli. HCN apzīmē hiperpolarizācijas aktivizētus cikliskos nukleotīdu-katjonu kanālus. Tie ir katjonu kanāli, kurus regulē šūnas hiperpolarizācija. Cilvēkiem ir zināmas 4 šo HCN kanālu formas. Tos sauc par HCN-1 līdz HCN-4. Viņi ir iesaistīti sirds ritma regulēšanā un nervu šūnu spontāni aktivizējošā darbībā. Neironos tie neitralizē hiperpolarizāciju, lai šūna ātrāk sasniegtu miera potenciālu. Tātad viņi saīsina tā saukto ugunsizturīgo periodu, kas raksturo posmu pēc depolarizācijas. Sirds šūnās tie tomēr regulē diastolisko depolarizāciju, kas rodas sirds sinusa mezglā.

Pētījumos ar pelēm tika pierādīts, ka HCN-1 zudums rada motora kustības defektu. HCN-2 neesamība izraisa neironu un sirds bojājumus, un HCN-4 zaudēšana noved pie dzīvnieku nāves. Ir spekulēts, ka šie kanāli var būt saistīti ar epilepsiju cilvēkiem.

Turklāt ir zināmas mutācijas HCN-4 formā, kas cilvēkiem izraisa sirds aritmiju. Tas nozīmē, ka noteiktas HCN-4 kanāla mutācijas var izraisīt sirds ritma traucējumus.Tāpēc HCN kanāli ir arī sirds aritmiju medicīniskās terapijas mērķis, kā arī neiroloģiski defekti, kuru gadījumā neironu hiperpolarizācija notiek pārāk ilgi.

Pacientus ar sirds aritmijām, kuras var izsekot līdz HCN-4 kanāla darbības traucējumiem, ārstē ar īpašiem inhibitoriem. Tomēr jāmin, ka lielākā daļa terapiju, kas attiecas uz HCN kanāliem, joprojām ir eksperimentālā stadijā, un tāpēc tās vēl nav pieejamas cilvēkiem.