Aby sme pochopili, ako funguje neurón, musíme sa pozrieť na akčný potenciál, ktorý súvisí s tým, čo sa deje vo vnútri neurónu, keď informácia prechádza dopredu. Nervový impulz je elektrochemický signál, ktorý je hlavným mechanizmom prenosu informácií v neuróne. Dendrity niektorých neurónov detekujú a prijímajú impulz z predchádzajúcej bunky. Nervový impulz sa šíri pozdĺž smerujúc od dendritov na jadro ako na axón a nakoniec na terminál axónu, keď sa impulz odovzdá ďalšiemu neurónu. Elektrochemický signál vzniká v dôsledku pohybu iónov medzi vnútornou a vonkajšou časťou plazmatickej membrány neurónu. Ióny prechádzajú z vonkajšej do vnútornej časti, čím vzniká rozdiel potenciálov v membráne.
Pokojový membránový potenciál
V pokoji je bunka v polarizovanom stave. Rozdiel elektrochemických potenciálov na obidvoch stranách membrány v pokoji bunky sa volá pokojový membránový potenciál. Kardiomyocyt a ostatné živé bunky majú rozdielne koncentrácie katiónov a aniónov na obidvoch stranách membrány. Najdôležitejšie ióny pre potenciál bunky sú K+, Na+, Ca2+, Cl- a proteíny, ktoré majú negatívny elektrický náboj. V bunke sa nachádzajú proteíny, ktoré neprechádzajú membránou a majú negatívny elektrický náboj. V pokoji je membrána bunky priepustná hlavne pre K+. Pre ostatné ióny je pokojová membrána nepriepustná. K+ a jeho takmer "100%" difundibilita zohráva kľúčovú úlohu na udržiavaní pokojového membránového potenciálu.
Intracelulárna koncentrácia K+ je 150 mmol a extracelulárna 5 mmol. Tak K+ difunduje po koncentračnom spáde smerom z bunky. Stúpa tak negatívny intracelulárny náboj. Tento negatívny intracelulárny náboj proteínov ťahá extracelulárny K+ naspäť do bunky. V okamihu, keď sa tieto dve sily vyrovnajú (chemický gradient = elektrický gradient), nastane rovnovážny stav, čiže rovnovážny potenciál K+ na oboch stranách membrány. Záporné znamienko -96 mV znamená, že intracelulárna strana membrány má negatívny náboj. Ak stúpne extracelulárna koncentrácia K+ z 5 na 40 mmol, chemický gradient sa zníži. Bude tak potrebný menší elektrický potenciál, v tomto prípade cca -35 mV.
Membrána bunky je v pokoji priepustná pre K+ a minimálne pre Na+, Cl-. Na udržanie K+ v bunke je potrebný potenciál membrány -96mV, len membrána má -90 mV. K+ sa presúva cez membránu z bunky von. Chemický gradient sa tak bude pomaly strácať. Bunka preto vynakladá energiu vo forme ATP za pomoci 3Na/2K pumpy, aby tento chemický gradient K+ (150 mmol vs. 5 mmol) udržala. Extracelulárna koncentrácia Na+ je väčšia ako intracelulárna. Rovnovážny potenciál pre Na+ dľa Nernstovej rovnice je 52 mV. Bunka musí tlačiť proti chemickému gradientu Na+ elektrickou silou 52 mV. Membránový potenciál je -90 mV, ktorý ťahá Na+ do bunky. Tak potenciál Na+ 52 mV a potenciál membrány -92mV pôsobia jedným smerom. Čistá elektrochemická sila, ktorá ťahá Na+ do bunky je -142 mV. Na+ je malá. Počas akčného potenciálu sa otvoria sodíkové kanály a Na+ vstupuje masívne do bunky. V bunke sa hromadí Na+. Membrána tak po každom cykle akčného potenciálu stráca rovnovážny potenciál.
Sodno-draselná pumpa a jej úloha
3Na/2K pumpa sa nachádza v membráne bunky. Čerpá 2K+ do bunky za 3Na+ z bunky proti chemickému gradientu. Prenáša tak jeden pozitívny elektrický náboj extracelulárne, do bunky prinesie 2K+ a z bunky vynesie 3Na+ (++ vs. +++). Elektronegativite intracelulárneho prostredia hodnotou -10 mV. V pokoji Na+ difunduje do bunky a K+ z bunky. Ak sa akčný potenciál zopakuje niekoľko krát, tak nastanú výrazné iónové intracelulárne a extracelulárne zmeny. Tieto zmeny upravuje sodno-draselná pumpa a udržuje východzie koncentrácie Na+ a K+.
Extracelulárna koncentrácia Ca2+ je 2,5mmol a intracelulárna 0,0001mmol. Rovnovážny potenciál Ca2+ dľa Nernstovej rovnice je 134mV a pokojový membránový potenciál membrány je -96mV. Po každom cykle akčného potenciálu sa v bunke hromadí Ca2+. Ca2+ je z bunky odčerpávané dvomi spôsobmi. 3Na+ sú transportované z bunky za 1Ca2+ do bunky. V pokoji vstupuje do bunky malé množstvo Na+ po chemickom gradiente výmenou za Ca2+. Pri depolarizácii bunky stúpne intracelulárna koncentrácia Na+ a membránový potenciál sa zmení na pozitívny. Elektrochemický gradient začne vytláčať Na+ z bunky a smer 3Na/1Ca výmenníka sa otočí.
Ak sa zvýši intracelulárna koncentrácia Na+ oproti extracelulárnej koncentrácii napr. 50 mmol vs. Kedy sa to stane? Pri hypoxii, keď je znížená syntéza ATP, alebo pri inhibícii pumpy liekmi - digoxínom. Toto je mechanizmus inotropného účinku digoxínu. Ca2+ sa viažu na troponín C a zabezpečujú kontrakciu kardiomyocytu.
Akčný potenciál: Depolarizácia a Repolarizácia
Keď bunka nie je vystavená podnetom, keď je membrána v pokoji, medzi vnútornou a vonkajšou časťou neurónu sa udržiava rozdiel potenciálov. V pokoji má membrána potenciál -70 mV, teda záporný potenciál, zatiaľ čo vonkajšia časť má potenciál kladný. Pod vplyvom elektrických napäťových podnetov sa rozdiel membránových potenciálov začne invertovať, sodíkové kanály sa otvoria a umožnia mnohým sodíkovým iónom prejsť dovnútra bunky, čím sa membrána na chvíľu zmení depolarizovaná. Sodíkové ióny zmenia vnútornú oblasť membrány na kladnú sieť. Tento pohyb depolarizácie je známy ako akčný potenciál; membránový potenciál rýchlo stúpa a klesá.
Na obnovenie pokojového membránového potenciálu sa sodíkové kanály zatvoria a napäťovo riadené draslíkové kanály sa otvoria, čím sa draslíkové ióny dostanú dovnútra bunky, čím sa membrána repolarizuje a vnútorná časť membrány sa opäť nabije záporne a vonkajšia časť kladne. Zatiaľ čo v axóne máme napäťovo riadené iónové kanály, ktoré generujú a šíria nervový impulz, v dendritoch tieto kanály neexistujú. Sodíkový ión je zodpovedný za šírenie akčného potenciálu a draslíkový za obnovenie pokojového stavu. Nedostatok týchto iónov v organizme môže spôsobiť problémy s kvalitou a účinnosťou akčného potenciálu, čo znamená problémy na synapsách a pri prechode informácií nervovým systémom.
Akčný potenciál - Prenos nervových impulzov - Neuróny - Biologický seriál
Akčný potenciál (vzruch) vzniká zmenou kľudovej rovnováhy (zmena polarizácie) na membráne. Ke vzniku vzruchu dochádza v mieste, kde prevažujú napäťovo riadené iontové kanály. Tie sa riadia zákonom všetko alebo nič. To znamená, že vzruch vznikne iba dostatočne intenzívnym podnetom, ktorý nazývame ako prahový podnet (najčastejšie o 5 až 15 mV vyšší, než je hodnota KMP). Pri tejto hodnote dochádza k otvoreniu Na+ napäťovo riadených iontových kanálov. Sodné kationty potom prostupujú do intracelulárneho priestoru (dle koncentračního i elektrického gradientu). Vnitřní strana membrány sa stává pozitivnější oproti strane vnější. Tento jev pak nazýváme depolarizace. Společně s Na+ kanály se pomaly otevírají i opožděné K+ kanály. Otevření týchto kanálov dosahuje svého maxima pri uzavření Na+ kanálů. V důsledku proudění draselných iontů po směru jeho koncentračního gradientu se polarita začíná vracet k původním hodnotám a mluvíme o repolarizaci.
Rýchla a Pomalá Depolarizácia v Srdci
Kardiomyocyty majú schopnosť tvoriť autonómne a spontánne akčný potenciál, ide o tzv. automaticitu. Akčný potenciál sa začína depolarizáciou membrány kardiomyocytu. Podľa rýchlosti depolarizácie delíme bunky srdca na rýchle a pomalé. Rýchlo depolarizujúce bunky sú v komorách, predsieňach a majú schopnosť kontrakcie. Pomaly depolarizujúce bunky obsahuje SA, AV uzol, Hisov zväzok a Purkyňové vlákna. Tieto bunky majú schopnosť autonómne vytvárať akčný potenciál a rozvádzať ho do celého srdca v určitom poradí. Sinoatriálny uzol - SA uzol, ktorý sa nachádza v pravej predsieni sa spontánne depolarizuje s frekvenciou 60-100/min. a označuje sa ako pacemaker (z angl. udávač tempa).
Purkyňové vlákna prenesú akčný potenciál do myokardu komôr. Srdcovú frekvenciu určuje oblasť srdca s najvyššou frekvenciou depolarizácie. Ak napríklad predbehne SA uzol a srdce pôjde 150 úderov za minútu, ide o akčný potenciál s pomalou, ale spontánnou depolarizáciou.
Pomalá Depolarizácia (SA, AV uzol)
V SA uzle sa Ca+ a Na+ pomaly dostávajú do bunky. Membránový potenciál dosiahne hodnotu -40 mV a otvoria sa ďalšie pomalé L-type Ca kanály (long lasting - dlho trvajúce). Vtekanie Ca+ a Na+ do bunky je pomalé, tak depolarizačná krivka fázy 0 nemá strmý až kolmý priebeh. Krivka fázy 0 by bola takmer kolmá pri rýchlej depolarizácii, ale to nechceme, lebo srdce by išlo 200 úderov za minútu. Ca kanály sa uzavrú a otvoria sa K kanály a K+ začne vytekať po chemickom gradiente z bunky. V tejto fáze je v bunke stále prevaha pozitívnych katiónov Ca+, Na+, K+ oproti pokojovému stavu. Na konci 3. fázy sa cyklus spontánne opakuje. Po každom cykle sa ale v bunke hromadí Na+, Ca+ a z bunky vystúpi K+. Cyklus obnovuje Ca ATP pumpa a Na/Ca výmenník.
Rýchla Depolarizácia (Kardiomyocyty)
Kardiomyocyty sú nonpacemaker bunky. K kanály ostávajú otvorené pri repolarizácii dlhšie ako pri bunkách SA uzla. V tejto fáze má kardiomyocyt kľudový membránový potenciál -90 mV. Povrch je elektropozitívny a vnútro je elektronegatívne. Táto fáza zodpovedá diastole. Intracelulárne je vysoká koncentrácia K+, extracelulárne je vysoká koncentrácia Na+ a Ca+. Tento stav udžiava 3Na/2K ATP pumpa, Ca ATP pumpa a 3Na/1Ca výmenník.
Je fáza depolarizácie. Pri podráždení od susednej bunky sa uzavrú K kanály a otvoria sa rýchle Na kanály a dochádza k masívnemu influxu Na+ do kardiomyocytu. Výsledok je rýchla zmena polarity membrány. Povrch kardiomyocytu sa tak stáva elektronegatívny. Elektrický potenciál sa zmení z -90 mV na +30 mV. Vnútro bunky sa zmenilo na kladné - transpolarizácia.
Je začiatok repolarizácie, ktorý začne otvorením K kanálov a efluxom K+. Membrána sa začne repolarizovať. K otvoria sa i pomalé L-Type Ca kanály, ktoré zabezpečia pomalý influx Ca+ a fáza repolarizácie sa začne predlžovať a môže vzniknúť - plató (plošina, rovina). Influx Ca+ cez pomalé L-Type Ca kanály zabraňuje náhlej repolarizácii bunky, preto má krivka vodorovný priebeh - plató. Fáza 2 sa tak zvykne označovať ako plató. Intracelulárna koncentrácia Ca+ sa tak ešte zvýši. Pomalé L-type Ca kanály sa uzavrú a K+, začne vystupovať z bunky po elektrochemickom gradiente. Na konci 3 fázy sa cyklus po podráždení opakuje. Po každom cykle sa ale v bunke hromadí Na+, Ca+ a z bunky vystúpia ióny K+. Cyklus obnovuje Ca ATP pumpa a Na/Ca výmenník.
Počas absolútnej refraktérnej periódy tak v ňom nevznikne nová depolarizácia. Na kanály sú "inaktivované". Tento mechanizmus chráni srdce pred príliš vysokou frekvenciou kontrakcií srdca. Relatívna refraktérna perióda znamená, že v priebehu repolarizácie sa začína postupne obnovovať schopnosť bunky reagovať na podnety. Fyziologický akčný potenciál, ktorý začne z hranice - 90 mV sa označuje ako efektívna refraktérna perióda.
Význam Iónov pre Akčný Potenciál
Telesné tekutiny zohrávajú rozhodujúcu úlohu pre homeostázu organizmu. Každá bunka v ľudskom tele je "obtekaná" intersticiálnou tekutinou (tkanivový mok), ktorá prináša živiny a udržuje stabilitu vnútorného prostredia. Vysoká stabilita komponentov vnútorného prostredia je nevyhnutná pre správnu funkciu organizmu.
Podiel vody na telesnej hmotnosti dospelého muža s hmotnosťou 70 kg je 60 %, čo predstavuje 42 litrov. Táto celková telesná voda (CTV) sa delí na intracelulárnu tekutinu (ICT) (40 % telesnej hmotnosti, teda 28 litrov) a extracelulárnu tekutinu (ECT) (20 % telesnej hmotnosti, teda 14 litrov). ECT sa ďalej rozdeľuje na krvnú plazmu (intravaskulárnu tekutinu) (5 % telesnej hmotnosti, teda 3,5 l) a extravaskulárnu tekutinu - tkanivový mok (15 % telesnej hmotnosti, teda 3,5 l).
Krv je hlavnou súčasťou vnútorného prostredia organizmu a tvorí približne 7 % telesnej hmotnosti, čo je asi 4,5-5 litrov. Krvná plazma obsahuje anorganické látky, ako sú sodík (Na+), draslík (K+), vápnik (Ca++), horčík (Mg++), chloridy (Cl-) a bikarbonát (HCO3-).
| Prvok | Koncentrácia v plazme | Fyziologický význam |
|---|---|---|
| Sodík (Na) | 137 - 142 mmol/l | Osmotický tlak, stálosť objemu, udržovanie pH, hlavný katión ECT |
| Draslík (K) | 3,8 - 5,1 mmol/l | Aktivácia enzýmov, dráždivosť nervov a svalov, hlavný katión ICT |
| Vápnik (Ca) | 2,25-2,75 mmol/l | Krvná zrážanlivosť, nervovosvalový prenos, svalová kontrakcia, činnosť srdca |
| Horčík (Mg) | 0,7-1,2 mmol/l | Aktivácia enzýmov, tlmenie nervového systému |
| Chloridy (Cl) | 90-100 mmol/l | Spolu s Na udržuje osmolaritu, stály objem i pH, žalúdková šťava |
| Bikarbonát (HCO3-) | 24-35 mmol/l | Transport CO2, udržovanie pH |
| Fosfor (P) | 0,6-1,6 mmol/l | Udržuje pH, kostné tkanivo |
tags: #akcny #potencial #pomala #a #rychla #depolarizacia