hyperpolarization

De hyperpolarization er en biologisk prosess der membranspenningen øker og overskrider hvileverdien. Denne mekanismen er viktig for funksjonen til muskel-, nerve- og sanseceller i menneskekroppen. Det gjør at handlinger som muskelbevegelser eller syn kan aktiveres og kontrolleres av kroppen.

Hva er hyperpolarisering?

Celler i menneskekroppen er omsluttet av en membran. Det er også kjent som plasmamembranen og består av et lipid-dobbeltlag. Det skiller det intracellulære området, cytoplasma, fra det omkringliggende området.

Membranspenningen til celler i menneskekroppen som muskel-, nerve- eller sanseceller i øyet har et hvilepotensial når du er i ro. Denne membranspenningen oppstår ved at det er en negativ ladning inne i cellen og i det ekstracellulære området, d.v.s. utenfor cellene er det en positiv ladning.

Verdien for hvilepotensialet varierer avhengig av celletypen. Hvis dette hvilepotensialet til membranspenningen overskrides, oppstår hyperpolarisering av membranen. Dette gjør membranspenningen mer negativ enn under hvilepotensialet, d.v.s. ladningen inne i cellen blir enda mer negativ.

Dette skjer vanligvis etter åpning eller lukking av ionekanaler i membranen. Disse ionekanalene er kalium-, kalsium-, klorid- og natriumkanaler som fungerer på en spenningsavhengig måte.

Hyperpolarisasjonen skjer på grunn av spenningsavhengige kaliumkanaler, som trenger en viss tid for å lukke etter at hvilepotensialet er overskredet. De transporterer de positivt ladede kaliumionene inn i det ekstracellulære området. Dette fører kort til en mer negativ ladning inne i cellen, hyperpolarisering.

Funksjon & oppgave

Hyperpolarisering av cellemembranen er en del av det såkalte handlingspotensialet. Dette består av forskjellige stadier. Det første trinnet er overskridelsen av terskelpotensialet til cellemembranen, etterfulgt av depolarisering, det er en mer positiv ladning inne i cellen. Dette fører da til ompolarisering, noe som betyr at hvilepotensialet blir nådd igjen. Deretter skjer hyperpolarisasjonen før cellen når hvilepotensialet igjen.

Denne prosessen brukes til å videresende signaler. Nerveceller danner handlingspotensialer i området til aksonhaugen etter at de har mottatt et signal. Dette blir deretter gitt videre i form av handlingspotensialer langs aksonet.

Synapser av nervecellene overfører deretter signalet til neste nervecelle i form av nevrotransmittere. Disse kan ha en aktiverende effekt eller også ha en hemmende effekt. Prosessen er viktig for overføring av signaler, for eksempel i hjernen.

Det å se blir gjort på en lignende måte. Celler i øyet, de såkalte stenger og kjegler, mottar signalet fra den ytre lysstimuleringen. Dette fører til dannelse av handlingspotensialet og stimulansen føres videre til hjernen. Interessant nok foregår ikke stimulusutviklingen her som med andre nerveceller gjennom depolarisering.

I sin hvileposisjon har nerveceller et membranpotensial på -65 mV, mens visuelle celler har et membranpotensial på -40 mV ved et hvilepotensial. Dette betyr at de allerede har et mer positivt membranpotensial enn nerveceller når de er i ro. I visuelle celler utvikles stimulansen gjennom hyperpolarisering. Som et resultat frigjør de visuelle cellene færre nevrotransmittere, og de nedstrøms nervecellene kan bestemme intensiteten til lyssignalet basert på reduksjonen i nevrotransmittere. Dette signalet blir deretter behandlet og evaluert i hjernen.

Hyperpolarisasjonen utløser et hemmende postsynaptisk potensial (IPSP) i tilfelle av syn eller i visse nevroner. I kontrast aktiverer nevroner ofte postsynaptiske potensialer (APSP).

En annen viktig funksjon ved hyperpolarisering er at den hindrer cellen i å utløse et handlingspotensial for raskt basert på andre signaler. Så det hemmer generasjonen av stimuli i nervecellen midlertidig.

Sykdommer og plager

Hjerte- og muskelceller har HCN-kanaler. HCN står for hyperpolarisasjonsaktiverte sykliske nukleotid-gated kationkanaler. Dette er kationskanaler som er regulert av hyperpolarisering av cellen. 4 former for disse HCN-kanalene er kjent hos mennesker. De blir referert til som HCN-1 til HCN-4. De er involvert i reguleringen av hjerterytmen og i aktiviteten til spontan aktivering av nerveceller. I nevroner motvirker de hyperpolarisering slik at cellen kan nå hvilepotensialet raskere. Så de forkorter den såkalte ildfaste perioden, som beskriver fasen etter depolarisering. I hjerteceller regulerer de imidlertid den diastoliske depolarisasjonen, som genereres ved sinusknuten til hjertet.

I studier med mus har tapet av HCN-1 vist seg å skape en motorisk bevegelsesdefekt. Fraværet av HCN-2 fører til nerveskader og hjerteskader, og tapet av HCN-4 fører til døden til dyrene. Det har blitt spekulert i at disse kanalene kan være knyttet til epilepsi hos mennesker.

I tillegg er mutasjoner i HCN-4-formen kjent som fører til hjertearytmi hos mennesker. Dette betyr at visse mutasjoner av HCN-4-kanalen kan føre til forstyrrelse i hjerterytmen.HCN-kanalene er derfor også målet for medisinske terapier for hjertearytmier, men også for nevrologiske defekter der hyperpolarisasjonen av nevronene varer for lang tid.

Pasienter med hjertearytmier på grunn av en funksjonsfeil i HCN-4-kanalen blir behandlet med spesifikke hemmere. Imidlertid må det nevnes at de fleste terapier relatert til HCN-kanalene fremdeles er i eksperimentstadiet og derfor ikke er tilgjengelige ennå for mennesker.