Funkcjonowanie narządów i tkanek naszego organizmu zależy od wielu czynników. Niektóre komórki (kardiomiocyty i nerwy) zależą od przekazywania impulsów nerwowych generowanych w specjalnych składnikach komórki lub węzłach. Podstawą impulsu nerwowego jest powstanie specyficznej fali wzbudzenia, zwanej potencjałem czynnościowym.
Co to jest?
Potencjał czynnościowy jest powszechnie nazywany falą pobudzenia przemieszczającą się z komórki do komórki. Ze względu na jej powstawanie i przechodzenie przez błony komórkowe następuje krótkotrwała zmiana ich ładunku (zwykle wewnętrzna strona membrany jest naładowana ujemnie, a zewnętrzna jest naładowana dodatnio). Wygenerowana fala przyczynia się do zmiany właściwości kanałów jonowych komórki, co prowadzi do ponownego naładowania błony. W momencie, gdy potencjał czynnościowy przechodzi przez błonę, następuje krótkotrwała zmiana jego ładunku, co prowadzi do zmiany właściwości ogniwa.
Utworzenie tej fali leży u podstaw funkcjonowania włókna nerwowego, a także systemu dróg serca.
Kiedy jego powstawanie jest zaburzone, rozwija się wiele chorób, co sprawia, że określenie potencjału czynnościowego jest niezbędne wkompleks środków diagnostycznych i leczniczych.
Jak powstaje potencjał czynnościowy i co go charakteryzuje?
Historia badań
Badania nad występowaniem wzbudzeń w komórkach i włóknach rozpoczęto dość dawno temu. Pierwszymi, którzy zauważyli jego występowanie, byli biolodzy, którzy badali wpływ różnych bodźców na odsłonięty nerw piszczelowy żaby. Zauważyli, że po wystawieniu na działanie stężonego roztworu soli kuchennej zaobserwowano skurcze mięśni.
W przyszłości badania kontynuowali neurolodzy, ale główną nauką po fizyce, która bada potencjał czynnościowy, jest fizjologia. To fizjolodzy udowodnili istnienie potencjału czynnościowego w komórkach serca i nerwach.
Gdy zagłębialiśmy się głębiej w badanie potencjałów, udowodniono również obecność potencjału spoczynkowego.
Od początku XIX wieku zaczęto tworzyć metody wykrywania obecności tych potencjałów i mierzenia ich wielkości. Obecnie utrwalanie i badanie potencjałów czynnościowych odbywa się w dwóch badaniach instrumentalnych - usuwanie elektrokardiogramów i elektroencefalogramów.
Potencjał działania mechanizm
Pobudzenie następuje w wyniku zmian wewnątrzkomórkowego stężenia jonów sodu i potasu. Normalnie komórka zawiera więcej potasu niż sodu. Stężenie zewnątrzkomórkowe jonów sodu jest znacznie wyższe niż w cytoplazmie. Zmiany wywołane potencjałem czynnościowym przyczyniają się do zmiany ładunku na błonie, powodując przepływ jonów sodu do komórki. Z tego powoduładunki na zewnątrz i wewnątrz komórki zmieniają się (cytoplazma jest naładowana dodatnio, a środowisko zewnętrzne jest naładowane ujemnie.
Ma to na celu ułatwienie przejścia fali przez komórkę.
Po przejściu fali przez synapsę ładunek jest odwracany z powodu prądu wewnątrz ogniwa jonów chlorkowych naładowanych ujemnie. Początkowy poziom naładowania na zewnątrz i wewnątrz ogniwa zostaje przywrócony, co prowadzi do powstania potencjału spoczynkowego.
Okresy odpoczynku i podniecenia zmieniają się naprzemiennie. W patologicznej komórce wszystko może się wydarzyć inaczej, a powstawanie AP będzie podlegać nieco innym prawom.
Fazy PD
Przebieg potencjału czynnościowego można podzielić na kilka faz.
Pierwsza faza przebiega aż do wytworzenia krytycznego poziomu depolaryzacji (przechodzący potencjał czynnościowy stymuluje powolne wyładowanie błony, które osiąga maksymalny poziom, zwykle około -90 meV). Ta faza nazywa się prespike. Odbywa się to dzięki wejściu jonów sodu do ogniwa.
Następna faza, potencjał szczytowy (lub szczyt), tworzy parabolę o ostrym kącie, gdzie rosnąca część potencjału oznacza depolaryzację błony (szybka), a opadająca część oznacza repolaryzację.
Trzecia faza - ujemny potencjał śladowy - wykazuje śladową depolaryzację (przejście od szczytu depolaryzacji do stanu spoczynku). Spowodowane przedostaniem się jonów chlorkowych do ogniwa.
Na czwartym etapie faza pozytywówpotencjał śladowy, poziomy ładunku membrany powracają do pierwotnego.
Fazy te, określone przez potencjał czynnościowy, ściśle następują po sobie.
Potencjalne funkcje działania
Niewątpliwie rozwój potencjału czynnościowego jest ważny w funkcjonowaniu niektórych komórek. Pobudzenie odgrywa ważną rolę w pracy serca. Bez niej serce byłoby po prostu nieaktywnym narządem, ale z powodu rozchodzenia się fali przez wszystkie komórki serca kurczy się, co pomaga przepchnąć krew przez łożysko naczyniowe, wzbogacając nią wszystkie tkanki i narządy.
Układ nerwowy również nie mógłby normalnie wykonywać swojej funkcji bez potencjału czynnościowego. Narządy nie mogłyby odbierać sygnałów do wykonania określonej funkcji, przez co byłyby po prostu bezużyteczne. Ponadto poprawa transmisji impulsu nerwowego we włóknach nerwowych (pojawienie się mieliny i przechwyceń Ranviera) umożliwiła przesłanie sygnału w ciągu ułamków sekundy, co doprowadziło do rozwoju odruchów i świadomości ruchy.
Oprócz tych układów narządów, potencjał czynnościowy powstaje również w wielu innych komórkach, ale w nich odgrywa on rolę tylko w wykonywaniu określonych funkcji komórki.
Potencjał czynnościowy w sercu
Głównym organem, którego praca opiera się na zasadzie tworzenia potencjału czynnościowego jest serce. Ze względu na istnienie węzłów do tworzenia impulsów wykonywana jest praca tego narządu, którego funkcją jest dostarczanie krwi do tkanek iwładze.
Potencjał czynnościowy w sercu jest generowany w węźle zatokowym. Znajduje się u zbiegu żyły głównej w prawym przedsionku. Stamtąd impuls rozchodzi się wzdłuż włókien układu przewodzącego serca - od węzła do połączenia przedsionkowo-komorowego. Przechodząc wzdłuż wiązki Jego, a dokładniej wzdłuż nóg, impuls przechodzi do prawej i lewej komory. W ich grubości znajdują się mniejsze ścieżki - włókna Purkinjego, którymi pobudzenie dociera do każdej komórki serca.
Potencjał czynnościowy kardiomiocytów jest złożony, tj. zależy od skurczu wszystkich komórek tkanki serca. W obecności blokady (blizna po zawale serca) zaburzone jest tworzenie potencjału czynnościowego, co jest rejestrowane na elektrokardiogramie.
Układ nerwowy
Jak powstaje PD w neuronach - komórkach układu nerwowego. Tutaj wszystko jest trochę łatwiejsze.
Zewnętrzny impuls jest odbierany przez wyrostki komórek nerwowych - dendrytów związanych z receptorami zlokalizowanymi zarówno w skórze, jak i we wszystkich innych tkankach (potencjał spoczynkowy i potencjał czynnościowy również zastępują się). Podrażnienie wywołuje w nich powstawanie potencjału czynnościowego, po czym impuls przechodzi przez ciało komórki nerwowej do jej długiego procesu - aksonu, a od niego przez synapsy do innych komórek. W ten sposób generowana fala wzbudzenia dociera do mózgu.
Cechą układu nerwowego jest obecność dwóch rodzajów włókien - pokrytych mieliną i bez niej. Występowanie potencjału czynnościowego i jego transmisja w tych włóknach, w których znajduje się mielina,przeprowadzane znacznie szybciej niż w przypadku demielinizacji.
Zjawisko to jest obserwowane ze względu na fakt, że propagacja AP wzdłuż mielinowanych włókien następuje w wyniku „skoków” - impuls przeskakuje nad odcinkami mieliny, co w rezultacie skraca jego drogę i odpowiednio przyspiesza jego propagacja.
Potencjał spoczynkowy
Bez rozwoju potencjału spoczynkowego nie byłoby potencjału czynnościowego. Potencjał spoczynkowy jest rozumiany jako normalny, niewzbudzony stan ogniwa, w którym ładunki wewnątrz i na zewnątrz jej błony są znacząco różne (tzn. błona jest naładowana dodatnio na zewnątrz i ujemnie naładowana wewnątrz). Potencjał spoczynkowy pokazuje różnicę między ładunkami wewnątrz i na zewnątrz ogniwa. Zwykle waha się od -50 do -110 meV. We włóknach nerwowych wartość ta wynosi zwykle -70 meV.
Jest to spowodowane migracją jonów chlorkowych do komórki i wytworzeniem ujemnego ładunku wewnątrz membrany.
Zmieniając stężenie jonów wewnątrzkomórkowych (jak wspomniano powyżej), PP zastępuje PD.
Normalnie wszystkie komórki ciała są w stanie niewzbudzonym, więc zmianę potencjałów można uznać za fizjologicznie niezbędny proces, ponieważ bez nich układ sercowo-naczyniowy i nerwowy nie mogłyby wykonywać swoich czynności.
Znaczenie badań potencjału spoczynkowego i czynnościowego
Potencjał spoczynkowy i czynnościowy pozwalają określić stan organizmu, a także poszczególnych narządów.
Utrwalenie potencjału czynnościowego z serca (elektrokardiografia) pozwalaokreślić jego stan, a także sprawność funkcjonalną wszystkich jej działów. Jeśli przestudiujesz normalne EKG, zobaczysz, że wszystkie zęby na nim są przejawem potencjału czynnościowego i późniejszego potencjału spoczynkowego (odpowiednio występowanie tych potencjałów w przedsionkach wyświetla falę P, a rozprzestrzenianie się wzbudzenia w komory - załamek R).
Jeśli chodzi o elektroencefalogram, występowanie na nim różnych fal i rytmów (w szczególności fal alfa i beta u zdrowej osoby) jest również spowodowane występowaniem potencjałów czynnościowych w neuronach mózgu.
Te badania umożliwiają szybkie wykrycie rozwoju określonego procesu patologicznego i określenie prawie 50 procent skutecznego leczenia pierwotnej choroby.
