Avpolarisering - Depolarization

För annan användning, se Depolarisering (disambiguation) .

Inom biologin är depolarisering (brittisk engelska: Depolarisation) en förändring inom en cell , under vilken cellen genomgår en förändring i elektrisk laddningsfördelning , vilket resulterar i mindre negativ laddning inuti cellen jämfört med utsidan. Depolarisering är avgörande för många cellers funktion, kommunikation mellan celler och en övergripande fysiologi hos en organism.

Handlingspotential i ett neuron , som visar depolarisering, där cellens inre laddning blir mindre negativ (mer positiv) och repolarisering, där den inre laddningen återgår till ett mer negativt värde.

De flesta celler i högre organismer upprätthåller en inre miljö som är negativt laddad i förhållande till cellens yttre. Denna skillnad i laddning kallas cellens membranpotential . I depolarisationsprocessen blir cellens negativa inre laddning tillfälligt mer positiv (mindre negativ). Detta skift från en negativ till en mer positiv membranpotential sker under flera processer, inklusive en åtgärdspotential . Under en åtgärdspotential är depolarisationen så stor att potentialskillnaden över cellmembranet kort vänder polaritet, med insidan av cellen blir positivt laddad.

Den förändring i laddning sker typiskt på grund av att ett inflöde av natriumjoner in i en cell, även om det kan förmedlas av en tillströmning av någon form av katjon eller utflöde av någon form av anjon . Motsatsen till en depolarisering kallas hyperpolarisering .

Användning av termen "depolarisering" i biologi skiljer sig från dess användning i fysik, där det hänvisar till situationer där någon form av polaritet (  dvs närvaron av någon elektrisk laddning, vare sig den är positiv eller negativ) ändras till ett värde av noll.

Depolarisation ibland till som "hypopolarization" (i motsats till hyp er polarisation).

Fysiologi

Depolarisationsprocessen är helt beroende av de flesta cellers inneboende elektriska karaktär. När en cell är i vila, behåller cellen det som kallas en vilopotential . Den vilopotential som genereras av nästan alla celler resulterar i att cellens inre har en negativ laddning jämfört med cellens utsida. För att upprätthålla denna elektriska obalans transporteras mikroskopiska positivt och negativt laddade partiklar som kallas joner över cellens plasmamembran. Transporten av jonerna över plasmamembranet sker genom flera olika typer av transmembranproteiner inbäddade i cellens plasmamembran som fungerar som vägar för joner både in och ut ur cellen, såsom jonkanaler , natriumkaliumpumpar och spännings- gated ion -kanaler .

Vilande potential

Vilopotentialen måste etableras i en cell innan cellen kan depolariseras. Det finns många mekanismer genom vilka en cell kan upprätta en vilopotential, men det finns ett typiskt mönster för att generera denna vilopotential som många celler följer. Cellen använder jonkanaler, jonpumpar och spänningsstyrda jonkanaler för att generera en negativ vilopotential inom cellen. Processen att generera vilopotentialen i cellen skapar emellertid också en miljö utanför cellen som gynnar depolarisering. Det natrium, kalium pump är till stor del ansvarig för optimering av förhållandena på både insidan och utsidan av cellen för depolarisation. Genom att pumpa ut tre positivt laddade natriumjoner (Na + ) ur cellen för varje två positivt laddade kaliumjoner (K + ) som pumpas in i cellen, upprättas inte bara cellens vilopotential, utan en ogynnsam koncentrationsgradient skapas av öka koncentrationen av natrium utanför cellen och öka koncentrationen av kalium i cellen. Även om det finns en överdriven mängd kalium i cellen och natrium utanför cellen, håller den genererade vilopotentialen de spänningsstyrda jonkanalerna i plasmamembranet stängda, vilket förhindrar att jonerna som har pumpats över plasmamembranet diffunderar till ett område med lägre koncentration. Trots den höga koncentrationen av positivt laddade kaliumjoner innehåller de flesta celler dessutom inre komponenter (av negativ laddning), som ackumuleras för att upprätta en negativ inre laddning.

Avpolarisering

Spänningsstyrd natriumkanal . Öppen kanal (överst) bär en tillströmning av Na + -joner, vilket ger upphov till depolarisering. När kanalen blir stängd/inaktiverad (botten) slutar depolariseringen.

Efter att en cell har etablerat en vilopotential har den cellen kapacitet att genomgå depolarisering. Under depolarisering skiftar membranpotentialen snabbt från negativ till positiv. För att denna snabba förändring ska äga rum inom cellens inre måste flera händelser inträffa längs cellens plasmamembran. Medan natrium-kaliumpumpen fortsätter att fungera, öppnas de spänningsstyrda natrium- och kalciumkanalerna som hade stängts medan cellen var i vilopotential som svar på en initial spänningsförändring. När natriumjoner rusar tillbaka in i cellen, lägger de till positiv laddning till cellens inre och förändrar membranpotentialen från negativ till positiv. När cellens inre blir mer positivt laddad är depolarisering av cellen klar och kanalerna stängs igen.

Repolarisering

Efter att en cell har depolariserats genomgår den en sista förändring i intern laddning. Efter depolarisering stängs de spänningsstyrda natriumjonkanalerna som hade varit öppna medan cellen genomgick depolarisering igen. Den ökade positiva laddningen i cellen gör att kaliumkanalerna öppnas. Kaliumjoner (K + ) börjar röra sig nedåt den elektrokemiska gradienten (till förmån för koncentrationsgradienten och den nyetablerade elektriska gradienten). När kalium rör sig ut ur cellen minskar potentialen i cellen och närmar sig dess vilopotential igen. Natriumkaliumpumpen fungerar kontinuerligt under hela denna process.

Hyperpolarisering

Repolarisationsprocessen orsakar en överskridande av cellens potential. Kaliumjoner fortsätter att röra sig ur axonen så mycket att vilopotentialen överskrids och den nya cellpotentialen blir mer negativ än vilopotentialen. Vilopotentialen återupprättas slutligen genom att alla spänningsstyrda jonkanaler stängs och natriumkaliumjonpumpens aktivitet.

Neuroner

Struktur av en neuron

Depolarisering är avgörande för funktionerna hos många celler i människokroppen, vilket exemplifieras av överföring av stimuli både inom en neuron och mellan två neuroner. Mottagandet av stimuli, neural integration av dessa stimuli och neurons svar på stimuli är alla beroende av neurons förmåga att använda depolarisering för att överföra stimuli antingen inom en neuron eller mellan neuroner.

Svar på stimulans

Stimuli till neuroner kan vara fysiska, elektriska eller kemiska och kan antingen hämma eller excitera neuronen som stimuleras. En hämmande stimulans överförs till dendrit av en neuron, vilket orsakar hyperpolarisering av neuron. Hyperpolarisationen efter en inhiberande stimulans orsakar en ytterligare minskning av spänningen inom neuronen under vilopotentialen. Genom att hyperpolarisera en neuron resulterar en inhiberande stimulans i en större negativ laddning som måste övervinnas för att depolarisering ska inträffa. Excitationstimuli ökar å andra sidan spänningen i neuronet, vilket leder till en neuron som är lättare att depolarisera än samma neuron i viloläge. Oavsett att det är stimulerande eller hämmande, rör sig stimulansen nerför dendriterna hos en neuron till cellkroppen för integration.

Integrering av stimuli

Summering av stimuli vid en axonback

När stimuli har nått cellkroppen måste nerven integrera de olika stimuli innan nerven kan svara. De stimuli som har färdats ner i dendriterna konvergerar vid axonbacken , där de summeras för att bestämma neuronsvaret. Om summan av stimuli når en viss spänning, känd som tröskelpotentialen , fortsätter depolarisationen från axonbacken nerför axonen.

Svar

Ökningen av depolarisering som reser från axonbacken till axonterminalen är känd som en åtgärdspotential . Åtgärdspotentialer når axonterminalen, där åtgärdspotentialen utlöser frisättning av signalsubstanser från neuron. Neurotransmittorerna som frigörs från axonen fortsätter att stimulera andra celler som andra neuroner eller muskelceller. Efter att en åtgärdspotential rör sig ner i en neurons axon måste axonets vilande membranpotential återställas innan en annan åtgärdspotential kan resa axonen. Detta är känt som neuronens återhämtningsperiod, under vilken neuron inte kan överföra en annan åtgärdspotential.

Stångceller i ögat

Betydelsen och mångsidigheten av depolarisering inom celler kan ses i förhållandet mellan stavceller i ögat och deras associerade neuroner. När stavceller är i mörkret depolariseras de. I stavcellerna upprätthålls denna depolarisering av jonkanaler som förblir öppna på grund av stångcellens högre spänning i det depolariserade tillståndet. Jonkanalerna tillåter kalcium och natrium att passera fritt in i cellen, vilket bibehåller det depolariserade tillståndet. Stavceller i det depolariserade tillståndet frigör ständigt neurotransmittorer som i sin tur stimulerar nerverna associerade med stavceller. Denna cykel bryts när stavceller utsätts för ljus; absorptionen av ljus av stavcellen gör att kanalerna som hade underlättat inträdet av natrium och kalcium i stavcellen stängs. När dessa kanaler stängs producerar stavcellerna färre signalsubstanser, vilket uppfattas av hjärnan som en ökning av ljus. Därför, när det gäller stavceller och deras associerade neuroner, förhindrar depolarisering faktiskt en signal från att nå hjärnan i motsats till att stimulera överföringen av signalen.

Vaskulärt endotel

Endotel är ett tunt lager av enkla skivepitelceller som kantar insidan av både blod och lymfkärl. Endotelet som leder blodkärl är känt som vaskulärt endotel, som är föremål för och måste motstå krafterna i blodflöde och blodtryck från det kardiovaskulära systemet. För att motstå dessa kardiovaskulära krafter måste endotelceller samtidigt ha en struktur som kan motstå cirkulationskrafterna samtidigt som den upprätthåller en viss plasticitet i strukturen. Denna plasticitet i det vaskulära endotelets strukturella styrka är avgörande för det kardiovaskulära systemets övergripande funktion. Endotelceller i blodkärlen kan ändra styrkan i deras struktur för att bibehålla kärltonen i blodkärlet de kantar, förhindra vaskulär stelhet och till och med hjälpa till att reglera blodtrycket i det kardiovaskulära systemet. Endotelceller uppnår dessa prestationer genom att använda depolarisering för att ändra deras strukturella styrka. När en endotelcell genomgår depolarisering blir resultatet en markant minskning av cellens styvhet och strukturella styrka genom att ändra nätet av fibrer som ger dessa celler sitt strukturella stöd. Depolarisering i kärlendotel är inte bara avgörande för endotelcellernas strukturella integritet, utan också för det vaskulära endotelets förmåga att hjälpa till med reglering av kärlton, förebyggande av vaskulär stelhet och reglering av blodtryck.

Hjärta

Elektrokardiogram

Depolarisering sker i hjärtats fyra kamrar: både atria först och sedan båda ventriklarna.

  1. Den sinoatriella (SA) noden på väggen i höger förmak initierar depolarisering i höger och vänster förmak och orsakar sammandragning, vilket motsvarar P -vågen på ett elektrokardiogram.
  2. SA -noden skickar depolarisationsvågen till atrioventrikulär (AV) nod som - med cirka 100 ms fördröjning för att låta förmaken avsluta sammandragning - sedan orsakar kontraktion i båda ventriklarna, sett i QRS -vågen. Samtidigt polariseras och slappnar förmaken igen.
  3. Kammarna är ompolariserade och avslappnade vid T-vågen.

Denna process fortsätter regelbundet, såvida det inte finns ett problem i hjärtat.

Depolarisationsblockerare

Det finns läkemedel, kallade depolarisationsblockerare , som orsakar långvarig depolarisering genom att öppna kanaler som är ansvariga för depolarisering och inte låta dem stängas, vilket förhindrar repolarisering. Exempel inkluderar nikotinagonisterna , suxametonium och decametonium .

Referenser

Vidare läsning

externa länkar