Darbības potenciāls: kā tas rodas un izplatās

Lai darbības potenciāls varētu notikt, šūnai jābūt iepriekš sagatavotai. Sagatavošanos veic nātrija un kālija sūknis, kas izsūknē trīs nātrija jonus pret diviem ievilktiem kālija joniem, kā arī kālija noplūdes kanāli, kas ir atvērti visu laiku.

Rezultātā membrānas iekšpusē uzkrājas negatīvs lādiņš, un vienlaikus pastāv spēcīga nātrija tieksme ieplūst uz iekšu: to velk gan koncentrācijas starpība, gan elektriskais lādiņš. Šī uzkrātā tieksme ir tas, kas depolarizācijas brīdī izlādējas dažās milisekundēs.

Darbības potenciāls ir precīzi noteikta notikumu virkne, kuru nosaka divu kanālu veidu atšķirīgā ātrumu attiecība: nātrija kanāli atveras ātri un ātri arī aizveras paši no sevis, bet kālija kanāli atveras lēnāk un paliek atvērti ilgāk.

Tieši šī laika nobīde, nevis kāds atsevišķs regulators, rada visu impulsa formu.

1. Kairinājums pakāpeniski depolarizē membrānu; ja slieksnis netiek sasniegts, viss atgriežas miera stāvoklī.
2. Sasniedzot slieksni, aptuveni mīnus 55 milivoltu tuvumā, sprieguma vadītie nātrija kanāli atveras lavīnveidīgi un nātrijs ieplūst šūnā.
3. Membrānas potenciāls strauji kļūst pozitīvs; tā ir depolarizācijas fāze.
4. Nātrija kanāli inaktivējas, bet kālija kanāli ir pilnībā atvērti, un kālijs plūst ārā; notiek repolarizācija.
5. Kālija kanāli aizveras lēni, tāpēc potenciāls uz brīdi kļūst negatīvāks par miera līmeni; tā ir hiperpolarizācija.
6. Sūknis un noplūdes kanāli atjauno sākotnējo stāvokli, un šūna ir gatava nākamajam impulsam.

Nātrija kanālam ir divi vārti: aktivācijas vārti, kas atveras ātri, un inaktivācijas vārti, kas aizveras ar nelielu nokavēšanos. Tieši šī divu vārtu sistēma padara impulsu īslaicīgu un neļauj nātrijam ieplūst bez apstājas.

Šādu uzbūvi ir svarīgi saprast, jo daudzas zāles un indes darbojas tieši uz konkrētu kanāla stāvokli, nevis uz kanālu vispār.

Uzreiz pēc impulsa šūna kādu brīdi nespēj radīt jaunu darbības potenciālu neatkarīgi no kairinājuma stipruma, jo nātrija kanāli ir inaktivēti. Šo laiku sauc par absolūto refraktāro periodu. Tam seko relatīvais periods, kad jauns impulss iespējams, bet nepieciešams stiprāks kairinājums.

Refraktārajam periodam ir divas sekas, ko bieži nenovērtē. Pirmkārt, tas nosaka maksimālo impulsu biežumu, un tādējādi arī to, cik stipru sajūtu vai cik spēcīgu muskuļa saraušanos nervu sistēma vispār spēj kodēt. Otrkārt, tas nodrošina, ka impulss izplatās tikai uz priekšu: aiz tā palikušais membrānas gabals vēl ir refraktārs un nevar tikt atkārtoti ierosināts.

Šis pats mehānisms sirdī ir dzīvībai svarīgs. Ilgs refraktārais periods neļauj sirds muskulim sarauties nepārtraukti un dod laiku kambariem piepildīties ar asinīm.

Depolarizētā membrānas vieta rada vietējas elektriskās strāvas, kas depolarizē blakus esošo membrānas posmu līdz sliekšņa līmenim, un tur rodas jauns darbības potenciāls. Tādā veidā signāls netiek nodots tālāk kā vājinoša viļņa, bet tiek atjaunots pilnā apjomā katrā solī.

Mielinizētās šķiedrās membrāna ir izolēta, un kanāli koncentrēti pārtvērumos starp mielīna segmentiem. Impulss faktiski lec no viena pārtvēruma uz nākamo, un tas ir gan ātrāk, gan enerģētiski lētāk, jo jonu apmaiņa notiek tikai nelielos membrānas laukumos.

• Šķiedras diametrs: jo biezāka šķiedra, jo mazāka iekšējā pretestība un ātrāka vadīšana.
• Mielinizācija: lēcienveida vadīšana daudzkārt paātrina signālu.
• Temperatūra: atdzesēti audi vada lēnāk, un tieši tāpēc aukstums mazina sāpju sajūtu.
• Ārpusšūnas kālija līmenis: paaugstināts kālijs padara membrānu mazāk uzbudināmu pēc sākotnējas uzbudināmības palielināšanās.
• Kalcija līmenis asinīs: pazemināts kalcijs padara nervus vieglāk uzbudināmus un var izraisīt muskuļu krampjus.

Neirona impulss ir īss, apmēram milisekundes kārtas notikums. Sirds kambara muskuļšūnā darbības potenciālam ir garš plato posms, ko uztur kalcija ieplūde, un kopumā tas ilgst simtiem reižu ilgāk. Šis garums ir tieši tas, kas nepieļauj sirds muskuļa sastingumu.

Sirds ritma vadītāja šūnās sinusa mezglā vispār nav stabila miera potenciāla: to membrāna lēni depolarizējas pati no sevis, līdz sasniedz slieksni, un tieši tāpēc sirds sitas bez ārējas komandas. Aizkuņģa dziedzera beta šūnās darbības potenciāls ir saistīts ar glikozes līmeni un noved pie insulīna izdalīšanās. Gludās muskulatūras šūnās elektriskā aktivitāte ir daudz lēnāka un bieži viļņveida.

Tā kā viss process balstās uz jonu koncentrāciju atšķirībām un kanālu darbību, tā traucējumi rodas divos veidos: mainās jonu līmenis asinīs vai mainās paši kanāli.

Ar šādām problēmām sastopas dažādi speciālisti: elektrolītu traucējumus ārstē internists un nefrologs, sirds ritma traucējumus kardiologs, epilepsiju un nervu vadīšanas slimības neirologs, bet iedzimtas kanālu slimības nereti diagnosticē kopā ar medicīnas ģenētiķi.

• Vietējie anestēzijas līdzekļi bloķē nātrija kanālus, tāpēc sāpju signāls neizveidojas.
• Daļa pretepilepsijas zāļu stabilizē nātrija kanālus un mazina pārmērīgu impulsu veidošanos.
• Pazemināts kalcija līmenis paaugstina nervu uzbudināmību un var izraisīt tetāniju.
• Paaugstināts kālija līmenis maina sirds šūnu uzbudināmību un ir bīstams ritma traucējumu dēļ.
• Mielīna bojājums, piemēram, multiplās sklerozes vai Gijēna un Barē sindroma gadījumā, palēnina vai pilnībā aptur vadīšanu.
• Iedzimtas kanalopātijas var izpausties kā ritma traucējumi, periodiskas paralīzes vai sāpju sajūtas traucējumi.

Atsevišķas šūnas darbības potenciālu laboratorijā mēra ar mikroelektrodiem un membrānas plāksnītes metodi, kas ļauj reģistrēt pat viena kanāla strāvu. Cilvēkam klīnikā mēra nevis atsevišķus impulsus, bet daudzu šūnu summāro aktivitāti: elektrokardiogramma atspoguļo sirds šūnu elektrisko darbību, elektroencefalogramma smadzeņu garozas aktivitāti, bet elektroneiromiogrāfija nerva un muskuļa vadīšanu.

Biežākā jēdzienu sajaukšana ir starp darbības potenciālu un sinaptisko potenciālu. Sinaptiskais potenciāls ir pakāpenisks: tas var būt lielāks vai mazāks, vājinās attālumā un summējas ar citiem. Darbības potenciāls ir vienāds katru reizi un nevājinās. Pirmais ir lēmuma pieņemšana, otrais ir lēmuma pārraide.

Otrs pārpratums ir domāt, ka stiprāks kairinājums rada lielāku impulsu. Impulsa amplitūda nemainās; mainās tikai to biežums un aktivēto šķiedru skaits. Tieši tāpēc sāpju stiprums nervu sistēmā tiek kodēts kā biežums, nevis kā spriegums.