Hiperpolarizacija je biološki proces, pri katerem se napetost membrane poveča in preseže počivalno vrednost. Ta mehanizem je pomemben za delovanje mišic, živcev in senzoričnih celic v človeškem telesu. Z njim lahko telo, kot so gibanje mišic ali vid, omogoči in nadzira.
Kaj je hiperpolarizacija?
Hiperpolarizacija je biološki proces, pri katerem se napetost membrane poveča in preseže počivalno vrednost. Ta mehanizem je pomemben za delovanje mišic, živcev in senzoričnih celic v človeškem telesu. Celice v človeškem telesu so zaprte z membrano. Imenuje se tudi plazemska membrana in je sestavljen iz lipidnega dvosloja. Ločuje znotrajcelično območje, citoplazmo, od okolice. Napetost membran celic v človeškem telesu, kot so mišične celice, živčne celice ali senzorične celice v očesu, lahko v stanju mirovanja počiva. Ta membranska napetost je posledica dejstva, da je v celici negativen naboj, v zunajceličnem območju, torej zunaj celic, pa pozitiven naboj. Vrednost potenciala mirovanja se razlikuje glede na vrsto celice. Če je ta potencial mirovanja membranske napetosti presežen, pride do hiperpolarizacije membrane. Posledično membranska napetost postane bolj negativna kot med počitkom, tj. Naboj v celici postane še bolj negativen. Običajno se to zgodi po odprtju ali celo zapiranju ionskih kanalov v membrani. Ti ionski kanali so kalij, kalcij, klorid in natrijev kanali, ki delujejo napetostno odvisno. Do hiperpolarizacije pride zaradi napetosti kalij kanali, ki potrebujejo čas, da se zaprejo, ko je potencial počitka presežen. Prevozijo pozitivno nabito kalij ioni v zunajcelično regijo. To na kratko povzroči bolj negativni naboj znotraj celice, hiperpolarizacijo.
Funkcija in naloga
Hiperpolarizacija celična membrana je del ti akcijski potencial. Ta je sestavljen iz več stopenj. Prva stopnja je prestop praga potenciala celična membranačemur sledi depolarizacija, je znotraj celice bolj pozitiven naboj. Sledi repolarizacija, kar pomeni, da je potencial počitka spet dosežen. Sledi hiperpolarizacija, preden celica spet doseže počitek. Ta postopek služi za prenos signalov. Živčne celice tvorijo v akson gričevje po prejemu signala. Ta se nato prenese po akson v obliki akcijskih potencialov. The sinapse živčnih celic nato signal prenašajo na naslednjo živčne celice v obliki nevrotransmiterjev. Ti imajo lahko aktivacijski ali zaviralni učinek. Postopek je bistven za prenos signalov v možganov, na primer. Na podoben način se pojavlja tudi vid. Celice v očesu, tako imenovane palice in stožci, sprejemajo signal od zunanjega svetlobnega dražljaja. To ima za posledico oblikovanje akcijski potencial in dražljaj se nato prenese na možganov. Zanimivo je, da se tu dražljaj ne pojavi z depolarizacijo kot v drugih živčnih celicah. Živčne celice imajo membranski potencial -65mV v mirujočem položaju, medtem ko imajo fotoreceptorji membranski potencial -40mV v mirovalnem potencialu. Tako imajo v počitku že pozitivnejši membranski potencial kot živčne celice. V fotoreceptorskih celicah razvoj dražljaja poteka s hiperpolarizacijo. Posledično fotoreceptorji sproščajo manj nevrotransmiter in spodnji nevroni lahko na podlagi zmanjšanja nevrotransmiterja določijo jakost svetlobnega signala. Ta signal se nato obdela in oceni v možganov. Hiperpolarizacija sproži zaviralni postsinaptični potencial (IPSP) v primeru vida ali nekaterih nevronov. Po drugi strani pa pri nevronih pogosto aktivira postsinaptične potenciale
(APSP). Druga pomembna funkcija hiperpolarizacije je, da preprečuje, da bi celica ponovno sprožila akcijski potencial prehitro zaradi drugih signalov. Tako začasno zavira nastajanje dražljajev v živčne celice.
Bolezni in motnje
Srce in mišične celice imajo HCN kanale. HCN tukaj pomeni hiperpolarizacijsko aktivirane ciklične kationne kanale z nukleotidnimi kanali, ki so kationni kanali, regulirani s hiperpolarizacijo celice. Pri ljudeh so znane 4 oblike teh HCN kanalov. Označujejo se kot HCN-1 do HCN-4. Sodelujejo pri uravnavanju srčnega ritma, pa tudi pri aktivnosti spontano aktivirajočih nevronov. V nevronih preprečujejo hiperpolarizacijo, tako da lahko celica hitreje doseže potencial v mirovanju. Tako skrajšajo tako imenovano refrakcijsko obdobje, ki opisuje fazo po depolarizaciji. V srce celice pa uravnavajo diastolično depolarizacijo, ki nastaja pri sinusno vozlišče srca. V študijah na miših je bilo dokazano, da izguba HCN-1 povzroči napako v gibalnih gibih. Odsotnost HCN-2 vodi do nevronskih in srčnih okvar, izguba HCN-4 pa povzroči smrt živali. Ugiba se, da so ti kanali lahko povezani z epilepsija pri ljudeh. Poleg tega je znano, da povzročajo mutacije v obliki HCN-4 srčna aritmija pri ljudeh. To pomeni, da lahko nekatere mutacije kanala HCN-4 vodi do srčna aritmija. Zato so kanali HCN tudi tarča medicinskih terapij za srčne aritmije, ampak tudi za nevrološke okvare, pri katerih hiperpolarizacija nevronov traja predolgo. Bolniki z srčne aritmije zaradi disfunkcije kanala HCN-4 zdravimo s posebnimi zaviralci. Vendar je treba omeniti, da je večina terapij v zvezi s kanali HCN še vedno v poskusni fazi in zato še ni dostopna ljudem.
