Υπερπόλωση

ο Υπερπόλωση είναι μια βιολογική διαδικασία στην οποία η τάση της μεμβράνης αυξάνεται και υπερβαίνει την τιμή ηρεμίας. Αυτός ο μηχανισμός είναι σημαντικός για τη λειτουργία των μυών, των νεύρων και των αισθητηρίων κυττάρων στο ανθρώπινο σώμα. Επιτρέπει σε ενέργειες όπως μυϊκές κινήσεις ή όραση να ενεργοποιούνται και να ελέγχονται από το σώμα.

Τι είναι η υπερπόλωση;

Τα κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα περικλείονται από μια μεμβράνη. Είναι επίσης γνωστή ως μεμβράνη πλάσματος και αποτελείται από διπλή στιβάδα λιπιδίων. Διαχωρίζει την ενδοκυτταρική περιοχή, το κυτταρόπλασμα, από τη γύρω περιοχή.

Η τάση της μεμβράνης των κυττάρων στο ανθρώπινο σώμα, όπως μυών, νεύρων ή αισθητηρίων κυττάρων στο μάτι, έχει δυνατότητα ηρεμίας όταν βρίσκεται σε ηρεμία. Αυτή η τάση της μεμβράνης προκύπτει από το γεγονός ότι υπάρχει ένα αρνητικό φορτίο εντός του κυττάρου και στην εξωκυτταρική περιοχή, δηλ. έξω από τα κελιά, υπάρχει ένα θετικό φορτίο.

Η τιμή για το δυναμικό ανάπαυσης διαφέρει ανάλογα με τον τύπο του κελιού. Εάν ξεπεραστεί αυτό το δυναμικό ηρεμίας της τάσης της μεμβράνης, συμβαίνει υπερπόλωση της μεμβράνης. Αυτό καθιστά την τάση μεμβράνης πιο αρνητική από ό, τι κατά τη διάρκεια του δυναμικού ηρεμίας, δηλαδή το φορτίο μέσα στο κελί γίνεται ακόμη πιο αρνητικό.

Αυτό συμβαίνει συνήθως μετά το άνοιγμα ή το κλείσιμο καναλιών ιόντων στη μεμβράνη. Αυτά τα κανάλια ιόντων είναι κανάλια καλίου, ασβεστίου, χλωριδίου και νατρίου που λειτουργούν με τρόπο που εξαρτάται από την τάση.

Η υπερπόλωση εμφανίζεται λόγω καναλιών καλίου που εξαρτώνται από την τάση και χρειάζονται κάποιο χρόνο για να κλείσουν μετά την υπέρβαση του δυναμικού ηρεμίας. Μεταφέρουν τα θετικά φορτισμένα ιόντα καλίου στην εξωκυτταρική περιοχή. Αυτό οδηγεί εν συντομία σε ένα πιο αρνητικό φορτίο μέσα στο κελί, την υπερπόλωση.

Λειτουργία & εργασία

Η υπερπόλωση της κυτταρικής μεμβράνης είναι μέρος του λεγόμενου δυναμικού δράσης. Αυτό αποτελείται από διαφορετικά στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι η υπέρβαση του δυναμικού κατωφλίου της κυτταρικής μεμβράνης, ακολουθούμενη από αποπόλωση, υπάρχει ένα πιο θετικό φορτίο εντός του κυττάρου. Αυτό οδηγεί στη συνέχεια σε επαναπόλωση, πράγμα που σημαίνει ότι το δυναμικό ανάπαυσης επιτυγχάνεται ξανά. Στη συνέχεια, η υπερπόλωση λαμβάνει χώρα προτού το κύτταρο φτάσει ξανά στο δυναμικό ηρεμίας.

Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται για τη μετάδοση σημάτων. Τα νευρικά κύτταρα σχηματίζουν δυναμικά δράσης στην περιοχή του αναχώματος του άξονα αφού λάβουν ένα σήμα. Αυτό στη συνέχεια μεταδίδεται κατά μήκος του άξονα με τη μορφή δυναμικών δράσης.

Οι συνάψεις των νευρικών κυττάρων μετά μεταδίδουν το σήμα στο επόμενο νευρικό κύτταρο με τη μορφή νευροδιαβιβαστών. Αυτά μπορεί να έχουν ένα ενεργοποιητικό αποτέλεσμα ή επίσης να έχουν ένα ανασταλτικό αποτέλεσμα. Η διαδικασία είναι απαραίτητη για τη μετάδοση σημάτων, για παράδειγμα στον εγκέφαλο.

Η παρακολούθηση γίνεται με παρόμοιο τρόπο. Τα κύτταρα στο μάτι, οι λεγόμενες ράβδοι και κώνοι, λαμβάνουν το σήμα από το εξωτερικό ερέθισμα φωτός. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό του δυναμικού δράσης και το ερέθισμα μεταφέρεται στον εγκέφαλο. Είναι ενδιαφέρον ότι η ανάπτυξη ερεθίσματος δεν πραγματοποιείται μέσω αποπόλωσης, όπως συμβαίνει με άλλα νευρικά κύτταρα.

Στη θέση ηρεμίας τους, τα νευρικά κύτταρα έχουν δυναμικό μεμβράνης -65mV, ενώ τα οπτικά κύτταρα έχουν δυναμικό μεμβράνης -40mV σε δυναμικό ηρεμίας. Έχουν ένα πιο θετικό δυναμικό μεμβράνης από τα νευρικά κύτταρα ακόμη και όταν βρίσκονται σε ηρεμία. Στα οπτικά κύτταρα, το ερέθισμα αναπτύσσεται μέσω υπερπόλωσης. Ως αποτέλεσμα, τα οπτικά κύτταρα απελευθερώνουν λιγότερους νευροδιαβιβαστές και τα κατάντη νευρικά κύτταρα μπορούν να προσδιορίσουν την ένταση του φωτεινού σήματος με βάση τη μείωση των νευροδιαβιβαστών. Αυτό το σήμα στη συνέχεια υποβάλλεται σε επεξεργασία και αξιολογείται στον εγκέφαλο.

Η υπερπόλωση ενεργοποιεί ένα ανασταλτικό μετασυναπτικό δυναμικό (IPSP) στην περίπτωση της όρασης ή σε ορισμένους νευρώνες. Αντιθέτως, οι νευρώνες συχνά ενεργοποιούν μετασυναπτικά δυναμικά (APSP).

Μια άλλη σημαντική λειτουργία της υπερπόλωσης είναι ότι εμποδίζει το κύτταρο να προκαλέσει εκ νέου ένα δυναμικό δράσης πολύ γρήγορα με βάση άλλα σήματα. Έτσι αναστέλλει προσωρινά τον σχηματισμό ερεθισμάτων στο νευρικό κύτταρο.

Ασθένειες και παθήσεις

Τα κύτταρα της καρδιάς και των μυών έχουν κανάλια HCN. Το HCN σημαίνει κανάλια κατιόντων με κυκλικό νουκλεοτίδιο ενεργοποιημένο με υπερπόλωση. Αυτά είναι κανάλια κατιόντων που ρυθμίζονται από την υπερπόλωση του κυττάρου. 4 μορφές αυτών των καναλιών HCN είναι γνωστές στους ανθρώπους. Αναφέρονται ως HCN-1 έως HCN-4. Συμμετέχουν στη ρύθμιση του καρδιακού ρυθμού και στη δραστηριότητα της αυθόρμητης ενεργοποίησης των νευρικών κυττάρων. Στους νευρώνες, εξουδετερώνουν την υπερπόλωση έτσι ώστε το κύτταρο να μπορεί να φτάσει στο δυναμικό ηρεμίας πιο γρήγορα. Έτσι συντομεύουν τη λεγόμενη πυρίμαχη περίοδο, η οποία περιγράφει τη φάση μετά την αποπόλωση. Στα καρδιακά κύτταρα, από την άλλη πλευρά, ρυθμίζουν τη διαστολική αποπόλωση, η οποία δημιουργείται στον κόλπο της καρδιάς.

Σε μελέτες με ποντίκια, η απώλεια του HCN-1 έχει αποδειχθεί ότι δημιουργεί κινητικό ελάττωμα. Η απουσία HCN-2 οδηγεί σε νευρωνική και καρδιακή βλάβη και η απώλεια του HCN-4 οδηγεί σε θάνατο των ζώων. Έχει υποτεθεί ότι αυτά τα κανάλια μπορεί να συνδέονται με επιληψία σε ανθρώπους.

Επιπλέον, είναι γνωστές μεταλλάξεις στη μορφή HCN-4 που οδηγούν σε καρδιακή αρρυθμία στους ανθρώπους. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένες μεταλλάξεις του καναλιού HCN-4 μπορούν να οδηγήσουν σε διαταραχή του καρδιακού ρυθμού.Τα κανάλια HCN επομένως είναι επίσης ο στόχος των ιατρικών θεραπειών για καρδιακές αρρυθμίες, αλλά και για νευρολογικά ελαττώματα στα οποία η υπερπόλωση των νευρώνων διαρκεί πολύ.

Οι ασθενείς με καρδιακές αρρυθμίες που μπορούν να εντοπιστούν σε δυσλειτουργία του καναλιού HCN-4 αντιμετωπίζονται με ειδικούς αναστολείς. Ωστόσο, πρέπει να αναφερθεί ότι οι περισσότερες θεραπείες που σχετίζονται με τα κανάλια HCN βρίσκονται ακόμη στο πειραματικό στάδιο και επομένως δεν είναι ακόμη προσβάσιμες στον άνθρωπο.