Akčný potenciál: Pomalá a rýchla depolarizácia – mechanizmus
Rozdelenie telesných tekutín v tele.
Podiel vody na telesnej hmotnosti dospelého muža s hmotnosťou 70 kg je 60 %, čo predstavuje 42 litrov. Táto celková telesná voda (CTV) sa delí na intracelulárnu tekutinu (ICT) (40 % telesnej hmotnosti, teda 28 litrov) a extracelulárnu tekutinu (ECT) (20 % telesnej hmotnosti, teda 14 litrov). ECT sa ďalej rozdeľuje na krvnú plazmu (intravaskulárnu tekutinu) (5 % telesnej hmotnosti, teda 3,5 l) a extravaskulárnu tekutinu - tkanivový mok (15 % telesnej hmotnosti, teda 3,5 l).Krv je hlavnou súčasťou vnútorného prostredia organizmu a tvorí približne 7 % telesnej hmotnosti, čo je asi 4,5-5 litrov. Krvná plazma obsahuje anorganické látky, ako sú sodík (Na+), draslík (K+), vápnik (Ca++), horčík (Mg++), chloridy (Cl-) a bikarbonát (HCO3-).Tab. 1 Zastúpenie najdôležitejších prvkov v krvnej plazme:| Prvok | Koncentrácia v plazme | Fyziologický význam |
|---|---|---|
| Sodík (Na) | 137 - 142 mmol/l | Osmotický tlak, stálosť objemu, udržovanie pH, hlavný katión ECT |
| Draslík (K) | 3,8 - 5,1 mmol/l | Aktivácia enzýmov, dráždivosť nervov a svalov, hlavný katión ICT |
| Vápnik (Ca) | 2,25-2,75 mmol/l | Krvná zrážanlivosť, nervovosvalový prenos, svalová kontrakcia, činnosť srdca |
| Horčík (Mg) | 0,7-1,2 mmol/l | Aktivácia enzýmov, tlmivé účinky na nervový systém |
| Chloridy (Cl) | 90-100 mmol/l | Spolu s Na udržuje osmolaritu, stály objem i pH, žalúdková šťava |
| Bikarbonát (HCO3-) | 24-35 mmol/l | Transport CO2, udržovanie pH |
| Fosfor (P) | 0,6-1,6 mmol/l | Udržuje pH, kostné tkanivo |
Pokojový membránový potenciál
V pokoji je bunka v polarizovanom stave. Rozdiel elektrochemických potenciálov na obidvoch stranách membrány v pokoji bunky sa volá pokojový membránový potenciál. Kardiomyocyt a ostatné živé bunky majú rozdielne koncentrácie katiónov a aniónov na obidvoch stranách membrány. Najdôležitejšie ióny pre potenciál bunky sú K+, Na+, Ca2+, Cl- a proteíny, ktoré majú negatívny elektrický náboj. V bunke sa nachádzajú proteíny, ktoré neprechádzajú membránou a majú negatívny elektrický náboj. V pokoji je membrána bunky priepustná hlavne pre K+. Pre ostatné ióny je pokojová membrána nepriepustná. K+ a jeho takmer "100%" difundibilita zohráva kľúčovú úlohu na udržiavaní pokojového membránového potenciálu.
Schéma pokojového membránového potenciálu.
Intracelulárna koncentrácia K+ je 150 mmol a extracelulárna 5 mmol. Tak K+ difunduje po koncentračnom spáde smerom z bunky. Stúpa tak negatívny intracelulárny náboj. Tento negatívny intracelulárny náboj proteínov ťahá extracelulárny K+ naspäť do bunky. V okamihu, keď sa tieto dve sily vyrovnajú (chemický gradient = elektrický gradient), nastane rovnovážny stav. Čiže rovnovážny potenciál K+ na oboch stranách membrány. Záporné znamienko -96 mV znamená, že intracelulárna strana membrány má negatívny náboj.
Ak stúpne extracelulárna koncentrácia K+ z 5 na 40 mmol, chemický gradient sa zníži. Bude tak potrebný menší elektrický potenciál, v tomto prípade cca -35 mV. Lenže, membrána bunky je v pokoji priepustná pre K+ a minimálne pre Na+, Cl-. Na udržanie K+ v bunke je potrebný potenciál membrány -96mV, len membrána má -90 mV. Cez membránu z bunky von. Chemický gradient sa tak bude pomaly strácať. Bunka preto vynakladá energiu vo forme ATP za pomoci 3Na/2K pumpy, aby tento chemický gradient K+ 150 mml vs. 5 mmol udržala.
Membrána je minimálne priepustná aj pre ióny Na+, ktoré difundujú do bunky a K+ z bunky. Extracelulárna koncentrácia Na+ je väčšia ako intracelulárna. Rovnovážny potenciál pre Na+ dľa Nernstovej rovnice je 52 mV. Tak bunka musí tlačiť proti chemickému gradientu Na+ elektrickou silou 52 mV. Lenže membránový potenciál je -90 mV, ktorý ťahá Na+ do bunky. Tak potenciál Na+ 52 mV a potenciál membrány -92mV pôsobia jedným smerom. Čistá elektrochemická sila, ktorá ťahá Na+ do bunky je -142 mV. Na+ je malá. Počas akčného potenciálu sa otvoria sodíkové kanály a Na+ vstupuje masívne do bunky. V bunke sa hromadí Na+. Membrána tak po každom cykle akčného potenciálu stráca rovnovážny potenciál.
3Na/2K pumpa sa nachádza v membráne bunky. Čerpá 2K+ do bunky za 3Na+ z bunky proti chemickému gradientu. Prenáša tak jeden pozitívny elektrický náboj extracelulárne, do bunky prinesie 2K+ a z bunky vynesie 3Na+ (++ vs. +++). Elektronegativite intracelulárneho prostredia hodnotou -10 mV. V pokoji Na+ difunduje do bunky a K+ z bunky. A K+ vystupuje z bunky. Ak sa akčný potenciál zopakuje niekoľko krát, tak nastanú výrazné iónové intracelulárne a extracelulárne zmeny. Tieto zmeny upravuje sodno-draselná pumpa a udržuje východzie koncentrácie Na+ a K+.
Extracelulárna koncentrácia Ca2+ je 2,5mmol a intracelulárna 0,0001mmol. Rovnovážny potenciál Ca2+ dľa Nernstovej rovnice je 134mV a pokojový membránový potenciál membrány je -96mV. Po každom cykle akčného potenciálu sa v bunke hromadí Ca2+. Ca2+ je z bunky odčerpávané dvomi spôsobmi. 3Na+ sú transportované z bunky za 1Ca2+ do bunky. V pokoji vstupuje do bunky malé množstvo Na+ po chemickom gradiente výmenou za Ca2+. Pri depolarizácii bunky stúpne intracelulárna koncentrácia Na+ a membránový potenciál sa zmení na pozitívny. Elektrochemický gradient začne vytláčať Na+ z bunky a smer 3Na/1Ca výmenníka sa otočí.
Ak sa zvýši intracelulárna koncentrácia Na+ oproti extracelulárnej koncentrácii napr. 50 mmol vs. Kedy sa to stane? Pri hypoxii, keď je znížená syntéza ATP, alebo pri inhibícii pumpy liekmi - digoxínom. Toto je mechanizmus inotropného účinku digoxínu. Ca2+ sa viažú na troponín C a zabezpečujú kontrakciu kardiomyocytu.
Rýchla a pomalá depolarizácia
Kardiomyocyty majú schopnosť tvoriť autonómne a spontánne akčný potenciál, ide o tzv. automaticitu. Akčný potenciál sa začína depolarizáciou membrány kardiomyocytu. Podľa rýchlosti depolarizácie delíme bunky srdca na rýchle a pomalé. Rýchlo depolarizujúce bunky sú v komorách, predsieňach a majú schopnosť kontrakcie. Pomaly depolarizujúce bunky obsahuje SA, AV uzol, Hisov zväzok a Purkyňové vlákna. Tieto bunky majú schopnosť autonómne vytvárať akčný potenciál a rozvádzať ho do celého srdca v určitom poradí. Sinoatriálny uzol - SA uzol, ktorý sa nachádza v pravej predsieni sa spontánne depolarizuje s frekvenciou 60-100/min. a označuje sa ako pacemaker (z angl. udávač tempa).Akčné potenciály srdca
Purkyňové vlákne prenesú akčný potenciál do myokardu komôr. Srdcovú frekvenciu určuje oblasť srdca s najvyššou frekvenciou depolarizácie. Napr. tak predbehne SA uzol a srdce pôjde 150 úderov za min. Ide o akčný potenciál s pomalou, ale spontánnou depolarizáciu.
V SA uzle sa pomaly do bunky. Bunky na hodnotu -40 mV a otvoria sa ďalšie pomalé L-type Ca kanály (long lasting - dlho trvajúce). Vtekanie Ca+ a Na+ do bunky je pomalé, tak depolarizačná krivka fázy 0 nemá strmý až kolmý priebeh. A krivka fázy 0 by bola takmer kolmá. Ale to nechceme, lebo srdce by išlo 200 úderov za min. Ca kanály sa uzavrú a otvoria sa K kanály a K+ začne vytekať po chemickom gradiente z bunky. V tejto fáze je v bunke stále prevaha pozitívnych katiónov Ca+, Na+, K+ oproti pokojovému stavu. Na konci 3. fázy sa cyklus spontánne opakuje. Po každom cykle sa ale v bunke hromadí Na+, Ca+ a z bunky vystúpi K+. Cyklus obnovuje Ca ATP pumba a Na/Ca výmenník, viď pokojový membránový potenciál.
Kardiomyocyty sú to nonpacemeker bunky. Pretože K kanály ostávajú otvorené pri repolarizácii dlhšie ako pri bunkách SA uzla. V tejto fáze má kardiomyocyt kľudový membránový potenciál -90 mV. Povrch je elektropozitívny a vnútro je elektronegatívne. Táto fáza zodpovedá diastole. Intracelulárne je vysoká koncentrácia K+, extracelulárne je vysoká koncentrácia Na+ a Ca+. Tento stav udžiava 3Na/2K ATP pumpa, Ca ATP pumpa a 3Na/1Ca výmenník viď.
Je fáza depolarizácie. Pri podráždení od susednej bunky sa uzavrú K kanály a otvoria sa rýchle Na kanály a dochádza k masívnemu influxu Na+ do kardiomyocytu. Výsledok je rýchla zmena polarity membrány. Povrch kardiomyocytu sa tak stáva elektronegatívny. Elektrický potenciál sa zmení z -90 mV na +30 mV. Vnútro bunky sa zmenilo na kladné - transpolarizácia.
Je začiatok repolarizácie, ktorý začne otvorením K kanálov a efluxom K+. Membrána sa začne repolarizovať. K otvoria sa i pomalé L-Type Ca kanály, ktoré zabezpečia pomalý influx Ca+ a fáza repolarizácie sa začne predlžovať a môže vzniknúť - plató (plošina, rovina). Influx Ca+ cez pomalé L-Type Ca kanály zabraňuje náhlej repolarizácii bunky, preto má krivká vodorovný priebeh - plató. Fáza 2 sa tak zvykne označovať ako plató. Intracelulárna koncentrácia Ca+ sa tak ešte zvýši.
Pomalé L-type Ca kanály sa uzavrú a K+, začne vystupovať z bunky po elektrochemickom gradiente. Na konci 3 fázy sa cyklus po podráždení opakuje. Po každom cykle sa ale v bunke hromadí Na+, Ca+ a z bunky vystúpia ióny K+. Cyklus obnovuje Ca ATP pumba a Na/Ca výmenník, viď pokojový membránový potenciál.
Počas absolútnej refraktérnej periódy tak v ňom nevznikne nová depolarizácia. Na kanály sú "inaktivované". Tento mechanizmus chráni srdce pred príliš vysokou frekvenciou kontracií srdca. Relatívna refraktérna perióda znamená, že v priebehu repolarizácie sa začína postupne obnovovať schopnosť bunky reagovať na podnety. Fyziologický akčný potenciál, ktorý začne z hranice - 90 mV sa označuje ako efektívna refraktérna perióda. Fyziologický tvar a nerozšíri sa po tkanivách srdca.
Krivky akčného potenciálu v prevodovom systéme a v pracovnom myokarde.
tags: #akcny #potencial #pomala #a #rychla #depolarizacia
