Darbības potenciāla repolarizācija

Miera potenciāls nav līdzsvara stāvoklis bez darba. To uztur pastāvīgi atvērtie kālija noplūdes kanāli, salīdzinoši zemā membrānas caurlaidība nātrijam un nātrija un kālija sūknis, kas ar katru ciklu izvada trīs nātrija jonus pret diviem ievadītajiem kālija joniem. Šī nevienlīdzīgā apmaiņa nedaudz palielina iekšpuses negatīvumu, bet tās galvenā nozīme ir koncentrāciju gradienta uzturēšana.

Ārpus šūnas dominē nātrijs un hlorīds, šūnas iekšpusē dominē kālijs un lielas organiskās anjonu molekulas. Tieši šis sadalījums nosaka, kurā virzienā katrs jons plūdīs, kad atvērsies attiecīgais kanāls. Nātrijs vienmēr tiecas ieplūst šūnā, kālijs vienmēr tiecas izplūst no tās.

• Nātrijs (Na+): daudz vairāk ārpus šūnas; ieplūšana šūnā padara iekšpusi pozitīvāku, tas ir, depolarizē.
• Kālijs (K+): daudz vairāk šūnā; izplūšana no šūnas padara iekšpusi negatīvāku, tas ir, repolarizē.
• Hlorīds (Cl-): vairāk ārpus šūnas; tā ieplūšana parasti stabilizē membrānu un apgrūtina uzbudināšanu.
• Kalcijs (Ca2+): koncentrācija šūnā ir ļoti zema; tā ieplūšana ir svarīga sinapsēs un sirds muskulī.
• Nātrija un kālija sūknis: patērē ATF un ilgtermiņā uztur visu iepriekš minēto sadalījumu.

Darbības potenciāls ir viss vai nekas notikums. Ja stimuls membrānu depolarizē līdz sliekšņa vērtībai, tālākā norise vairs nav atkarīga no stimula stipruma. Zemāks stimuls darbības potenciālu neizraisa vispār, stiprāks stimuls to nepadara lielāku, bet tikai biežāku.

1. Miera stāvoklis: nātrija kanāli slēgti, membrāna caurlaidīga galvenokārt kālijam, potenciāls stabili negatīvs.
2. Vietējā depolarizācija: stimuls nedaudz samazina iekšpuses negatīvumu.
3. Sliekšņa sasniegšana: atveras ar spriegumu vadāmie nātrija kanāli, un nātrijs strauji ieplūst šūnā.
4. Depolarizācijas virsotne: iekšpuse īslaicīgi kļūst pozitīva.
5. Nātrija kanālu inaktivācija: kanāli aizveras ar iekšējo inaktivācijas mehānismu, un nātrija plūsma apstājas.
6. Repolarizācija: atveras ar spriegumu vadāmie kālija kanāli, kālijs izplūst, un potenciāls strauji atgriežas negatīvs.
7. Hiperpolarizācija: kālija kanāli aizveras lēni, tāpēc potenciāls īsu brīdi kļūst negatīvāks nekā miera stāvoklī.
8. Atgriešanās mierā: kanāli atgriežas sākotnējā konfigurācijā, un šūna atkal spēj reaģēt uz stimulu.

Repolarizācijas sākumu nosaka nevis kālija kanāli, bet nātrija kanālu uzvedība. Šiem kanāliem ir divi neatkarīgi vārti: aktivācijas vārti, kas atveras ātri, un inaktivācijas vārti, kas aizveras lēnāk. Tāpēc kanāls pats sevi aizver jau dažas milisekundes pēc atvēršanās, pat ja membrāna joprojām ir depolarizēta. Šis mehānisms ir iemesls, kāpēc darbības potenciāls ir īss, nevis ilgstošs.

Ar nelielu nokavēšanos atveras ar spriegumu vadāmie kālija kanāli. Tā kā kālija koncentrācija šūnā ir augsta un membrānas iekšpuse šajā brīdī ir pozitīva, kālijam abi dzinējspēki darbojas vienā virzienā, un tas plūst ārā ļoti ātri. Pozitīvā lādiņa aizplūšana atjauno iekšpuses negatīvumu.

Svarīgi, ka faktiskais jonu daudzums, kas pārvietojas viena darbības potenciāla laikā, ir niecīgs salīdzinājumā ar kopējo jonu daudzumu šūnā. Koncentrācijas praktiski nemainās; mainās tikai lādiņu sadalījums tieši pie membrānas. Tāpēc nervs spēj vadīt daudzus impulsus pēc kārtas, pat ja sūknis uz brīdi tiktu apturēts.

Kamēr nātrija kanāli atrodas inaktivētā stāvoklī, nekāds stimuls jaunu darbības potenciālu izraisīt nevar. Šo laiku sauc par absolūto refraktāro periodu. Tam seko relatīvais refraktārais periods, kurā daļa kanālu jau ir atguvusies, bet membrāna vēl ir hiperpolarizēta, tāpēc jaunu izlādi var izraisīt tikai stiprāks stimuls nekā parasti.

Šiem periodiem ir divas būtiskas sekas. Pirmkārt, impulss pa aksonu izplatās tikai vienā virzienā, jo tikko izietais posms vēl ir refraktārs un tāpēc nevar tikt uzbudināts atkārtoti. Otrkārt, refraktārais periods nosaka maksimālo impulsu biežumu, ko nervs spēj vadīt, un tādējādi arī to, cik stipru stimulu nervu sistēma spēj kodēt.

Sirdī refraktārais periods ir īpaši garš, un tas ir dzīvībai svarīgi: tas neļauj sirds muskulim ieiet tetaniskā, nepārtrauktā kontrakcijā, kas apturētu sūkņa darbību.

• Absolūtais refraktārais periods: nātrija kanāli inaktivēti, jauns darbības potenciāls nav iespējams nekādā gadījumā.
• Relatīvais refraktārais periods: daļa kanālu atguvusies, bet nepieciešams pārsniegt paaugstinātu slieksni.
• Sekas nervā: impulss izplatās vienvirzienā un nevar atgriezties atpakaļ.
• Sekas sirdī: novērš nepārtrauktu saraušanos un ierobežo pārāk ātru ritmu vadīšanu.
• Ietekme uz kodēšanu: stimula stiprumu nervu sistēma kodē ar impulsu biežumu, ko ierobežo refraktārais periods.

Šie trīs termini bieži tiek sajaukti, jo visi apraksta membrānas potenciāla izmaiņas. Atšķirība ir virzienā, galapunktā un iesaistītajos jonos.

Ļoti bieži var sastapt apgalvojumu, ka repolarizāciju veic nātrija un kālija sūknis, kas pēc darbības potenciāla izsūknē nātriju atpakaļ. Tas nav pareizi. Sūknis darbojas pārāk lēni, lai izskaidrotu repolarizāciju, kas noris dažu milisekunžu laikā, un tas darbojas nepārtraukti, ne tikai pēc impulsa.

Sūkņa patiesā loma ir ilgtermiņa: tas uztur koncentrāciju gradientus, bez kuriem darbības potenciāls vispār nebūtu iespējams. To var salīdzināt ar sūkni, kas lēni uzpilda ūdens tvertni kalnā, kamēr repolarizācija ir vārsta aizvēršana pēc straujas izlaišanas. Ja sūkni apturētu ar indi, piemēram, ar sirds glikozīdiem lielā devā, nervs vēl kādu laiku turpinātu vadīt impulsus, bet pakāpeniski gradienti izlīdzinātos un uzbudināmība zustu.

Otrs izplatīts pārpratums ir tas, ka darbības potenciāls pārvietojas pa aksonu kā jonu plūsma tā garumā. Patiesībā pa aksonu ceļo nevis joni, bet secīgi atkārtota vietējā notikumu virkne: katrs depolarizētais posms uzbudina blakus esošo. Mielinizētos aksonos šie notikumi notiek tikai Ranvjē pārtvērumos, un tieši tas padara vadīšanu daudzkārt ātrāku.

Sirds kambaru muskuļa šūnā darbības potenciāls ir daudz garāks nekā neironā, jo pēc sākotnējās straujās repolarizācijas seko plato fāze, kurā kalcija ieplūšana un kālija izplūšana aptuveni līdzsvarojas. Tikai pēc tam kālija kanāli pārsvaru iegūst un notiek galīgā repolarizācija.

Elektrokardiogramma atspoguļo šos procesus visā sirdī kopumā. QRS komplekss atbilst kambaru depolarizācijai, bet T vilnis atbilst kambaru repolarizācijai. Priekškambaru repolarizācija parastā pierakstā nav redzama, jo tā sakrīt ar daudz lielāko QRS kompleksu.

QT intervāls mēra depolarizācijas un repolarizācijas kopējo ilgumu. Tā pagarināšanās nozīmē, ka repolarizācija noris lēni un nevienmērīgi, un tas rada risku bīstamai kambaru aritmijai. QT intervālu pagarina gan iedzimtas kālija kanālu mutācijas, gan zems kālija vai magnija līmenis asinīs, gan vairāki medikamenti, tostarp daži antibiotiskie un psihiatriskie līdzekļi. Tieši tāpēc ārsti pirms šādu zāļu nozīmēšanas dažkārt lūdz veikt elektrokardiogrammu.

Slimības, kurās bojāti jonu kanāli, sauc par kanalopātijām. Kālija kanālu darbības traucējumi var izpausties kā iedzimts garā QT sindroms, ko ārstē kardiologs aritmologs. Nātrija un kālija kanālu mutācijas skeleta muskulī rada periodiskas paralīzes un miotonijas, ar kurām nodarbojas neirologs. Smadzenēs kanālu darbības traucējumi ir viens no epilepsijas mehānismiem.

Uzbudināmību spēcīgi ietekmē arī kālija līmenis asinīs. Gan pārāk zems, gan pārāk augsts kālija līmenis maina repolarizācijas gaitu un var izraisīt muskuļu vājumu un sirds ritma traucējumus, tāpēc kālija koriģēšana ir viena no biežākajām neatliekamās palīdzības darbībām.

Ja parādās ģībonis fiziskas slodzes vai stipru emociju laikā, sirdsklauves ar apziņas zudumu vai ja ģimenē ir bijusi pēkšņa neizskaidrota nāve jaunā vecumā, nepieciešama neatliekama ārsta konsultācija, jo tie var būt repolarizācijas traucējumu izraisītas aritmijas simptomi.

• Elektrokardiogramma: novērtē kambaru repolarizāciju pēc T viļņa, ST segmenta un QT intervāla.
• Elektroencefalogramma: fiksē smadzeņu garozas neironu summāro elektrisko aktivitāti.
• Elektroneirogrāfija un elektromiogrāfija: mēra impulsu vadīšanas ātrumu nervos un muskuļa elektrisko atbildi.
• Asins elektrolītu analīzes: kālijs, nātrijs, kalcijs un magnijs tieši ietekmē uzbudināmību.
• Ģenētiskā izmeklēšana: izmanto, ja ir aizdomas par iedzimtu kanalopātiju ģimenē.