Hiperpolarizācija ir bioloģisks process, kurā membrānas spriegums palielinās un pārsniedz atpūtas vērtību. Šis mehānisms ir svarīgs muskuļu, nervu, kā arī maņu šūnu darbībai cilvēka ķermenī. Izmantojot to, ķermenis var iespējot un kontrolēt tādas darbības kā muskuļu kustību vai redzi.
Kas ir hiperpolarizācija?
Hiperpolarizācija ir bioloģisks process, kurā membrānas spriegums palielinās un pārsniedz atpūtas vērtību. Šis mehānisms ir svarīgs muskuļu, nervu, kā arī maņu šūnu darbībai cilvēka ķermenī. Šūnas cilvēka ķermenī ir slēgtas ar membrānu. To sauc arī par plazmas membrānu un sastāv no lipīdu divslāņa. Tas atdala intracelulāro zonu, citoplazmu, no apkārtējās zonas. Šūnu membrānas spriedze cilvēka ķermenī, piemēram, muskuļu šūnās, nervu šūnās vai acs maņu šūnās, ir miera potenciāls miera stāvoklī. Šo membrānas spriegumu izraisa fakts, ka šūnas iekšpusē ir negatīvs lādiņš un pozitīvs lādiņš ārpusšūnu zonā, ti, ārpus šūnām. Atpūtas potenciāla vērtība mainās atkarībā no šūnas veida. Ja tiek pārsniegts šis membrānas sprieguma atpūtas potenciāls, notiek membrānas hiperpolarizācija. Tā rezultātā membrānas spriegums kļūst negatīvāks nekā miera potenciāla laikā, ti, lādiņš šūnas iekšienē kļūst vēl negatīvāks. Tas parasti notiek pēc jonu kanālu atvēršanas vai pat aizvēršanas membrānā. Šie jonu kanāli ir kālijs, kalcijs, hlorīds , un nātrijs kanāli, kas darbojas atkarībā no sprieguma. Hipolarizācija notiek atkarībā no sprieguma kālijs kanāli, kuru slēgšana prasa laiku pēc atpūtas potenciāla pārsniegšanas. Viņi transportē pozitīvi uzlādēto kālijs jonus ārpusšūnu reģionā. Tas īsumā rada negatīvāku lādiņu šūnas iekšienē, hiperpolarizāciju.
Funkcija un uzdevums
Hiperpolarizācija šūnu membrānu ir daļa no tā sauktās darbības potenciāls. Tas sastāv no vairākiem posmiem. Pirmais posms ir šūnu membrānu, kam seko depolarizācija, šūnas iekšpusē ir pozitīvāks lādiņš. Pēc tam seko repolarizācija, kas nozīmē, ka atpūtas potenciāls atkal tiek sasniegts. Tam seko hiperpolarizācija, pirms šūna atkal sasniedz miera potenciālu. Šis process kalpo signālu pārraidei. Nervu šūnas veido darbības potenciālu Aksons paugura reģions pēc signāla saņemšanas. Pēc tam tas tiek pārraidīts pa Aksons darbības potenciālu veidā. The sinapses no nervu šūnām pārraida signālu uz nākamo nervu šūna neirotransmiteru formā. Tiem var būt aktivējošs vai kavējošs efekts. Process ir būtisks signālu pārraidei smadzenes, piemēram. Vīzija notiek arī līdzīgā veidā. Šūnas acī, tā sauktie stieņi un konusi, saņem signālu no ārējā gaismas stimula. Tā rezultātā veidojas darbības potenciāls un stimuls tiek pārnests uz smadzenes. Interesanti, ka šeit stimula attīstība nenotiek depolarizējoties kā citās nervu šūnās. Nervu šūnām ir membrānas potenciāls -65mV miera stāvoklī, savukārt fotoreceptoru membrānas potenciāls ir -40mV miera stāvoklī. Tādējādi viņiem jau ir pozitīvāks membrānas potenciāls nekā nervu šūnām miera stāvoklī. Fotoreceptoru šūnās stimula attīstība notiek, veicot hiperpolarizāciju. Tā rezultātā fotoreceptori atbrīvo mazāk neiromeditors un pakārtotie neironi var noteikt gaismas signāla intensitāti, pamatojoties uz neirotransmitera samazināšanos. Pēc tam šis signāls tiek apstrādāts un novērtēts smadzenes. Hiperpolarizācija izraisa inhibējošu postsinaptisko potenciālu (IPSP) redzes vai noteiktu neironu gadījumā. No otras puses, neironu gadījumā tas bieži aktivizē postsinaptiskos potenciālus
(APSP). Vēl viena svarīga hiperpolarizācijas funkcija ir tā, ka tā novērš šūnu atkārtotu iedarbināšanu darbības potenciāls pārāk ātri citu signālu dēļ. Tādējādi tas īslaicīgi kavē stimulu veidošanos nervu šūna.
Slimības un traucējumi
sirds un muskuļu šūnām ir HCN kanāli. HCN šeit apzīmē ar hiperpolarizāciju aktivētus cikliskos nukleotīdu novadītos katjonu kanālus. Tie ir katjonu kanāli, kurus regulē šūnas hiperpolarizācija. Cilvēkiem ir zināmas 4 šo HCN kanālu formas. Caur HCN-1 tos sauc par HCN-4. Viņi ir iesaistīti sirds ritma regulēšanā, kā arī spontāni aktivizējošu neironu darbībā. Neironos tie neitralizē hiperpolarizāciju, lai šūna ātrāk sasniegtu atpūtas pontenci. Tādējādi tie saīsina tā saukto ugunsizturīgo periodu, kas raksturo fāzi pēc depolarizācijas. In sirds no otras puses, tās regulē diastolisko depolarizāciju, kas rodas pie sinusa mezgls no sirds. Pētījumos ar pelēm ir pierādīts, ka HCN-1 zudums rada kustību kustību defektu. HCN-2 neesamība izraisa neironu un sirds bojājumus, un HCN-4 zudums izraisa dzīvnieku nāvi. Tiek spekulēts, ka šie kanāli var būt saistīti epilepsija cilvēkiem. Turklāt ir zināms, ka mutācijas HCN-4 formā izraisa sirds aritmija cilvēkiem. Tas nozīmē, ka noteiktas HCN-4 kanāla mutācijas var vadīt uz sirds aritmija. Tāpēc HCN kanāli ir arī medicīniskās terapijas mērķis sirds aritmijas, bet arī neiroloģiskiem defektiem, kuros neironu hiperpolarizācija ilgst pārāk ilgi. Pacienti ar sirds aritmijas HCN-4 kanālu disfunkcijas dēļ tiek ārstēti ar specifiskiem inhibitoriem. Tomēr jāpiemin, ka lielākā daļa terapiju, kas attiecas uz HCN kanāliem, joprojām ir eksperimentālā stadijā un tāpēc vēl nav pieejama cilvēkiem.
