Акционен потенциал и йонни канали

Сърдечният акционен потенциал е преходната промяна в мембранното напрежение, сигнализираща електрическата активност на сърдечната клетка, пораждана от отварянето и затварянето на йонни канали, селективни за натрий, калций и калий. Характерното дълго плато на сърдечния акционен потенциал, обусловено от баланса между входящи и изходящи токове, отличава сърдечните клетки от нервните и е в основата на продължителния рефрактерен период на сърцето.

Definition

Сърдечният акционен потенциал е стереотипна, регенеративна промяна в трансмембранния потенциал, генерирана от зависимия от времето и напрежението поток на йони през селективни канали, разпространяваща се като възбуждане из сърдечната тъкан; йонните канали са мембранни протеини, чиято регулируема пропускливост за специфични йони поражда тези токове.

Scope

Настоящото описание обхваща фазите на сърдечния акционен потенциал, главните йонни токове и канали, формиращи го, понятието за рефрактерност и разликите в свойствата на акционния потенциал между различните видове клетки в сърцето. Тези въпроси се разглеждат като физиологични теми, а не като клинични насоки относно аритмии или медикаментозни ефекти.

Core questions

• Какви са фазите на сърдечния акционен потенциал?
• Кои йонни токове оформят деполяризацията, платото и реполяризирането?
• Защо сърдечният акционен потенциал е значително по-дълъг от нервния?
• Какво е рефрактерността и защо е важна?

Key concepts

• Потенциал на покой на мембраната
• Деполяризация (фаза 0)
• Фаза на плато
• Реполяризиране
• Натриеви, калциеви и калиеви токове
• Потенциал-зависими йонни канали
• Абсолютен и относителен рефрактерен период
• Праг и реакция по принципа «всичко или нищо»

Key theories

Йонна (Hodgkin–Huxley) теория на възбудимостта

Акционният потенциал се обяснява с зависими от напрежението и времето промени в мембранната проводимост за отделни йони; тази количествена рамка, първоначално разработена за нервната тъкан, служи за основа на описанието на сърдечните акционни потенциали като сума от отделни йонни токове.

Mechanisms

В работещ вентрикуларен миоцит акционният потенциал се разделя условно на фази. Бързата деполяризация (фаза 0) се задвижва от голям, бърз входящ натриев ток, след достигане на прага. Краткото ранно реполяризиране (фаза 1) отразява транзиторния изходящ калиев ток. Платото (фаза 2), характерен белег на сърдечните клетки, е следствие от баланса между устойчив входящ L-тип калциев ток и изходящи калиеви токове, удължавайки акционния потенциал. Реполяризирането (фаза 3) настъпва, когато калиевите токове надделяват и калциевият ток намалява, връщайки мембраната към нейния потенциал на покой (фаза 4), стабилизиран от вътрешно-изправящ калиев ток. Тъй като натриевите канали се възстановяват от инактивирането си едва след реполяризиране, клетката е рефрактерна за по-голямата часто на акционния потенциал, предотвратявайки преждевременна реексцитация и тетанус; молекулярните идентичности и кинетиките на лежащите в основата канали определят реполяризирането и рефрактерността.

Clinical relevance

Формата на акционния потенциал и каналите, пораждащи го, съставляват физиологичната основа за разбиране на нарушенията на реполяризирането и действията на агентите, модифициращи йонните токове. Настоящото описание представлява нормална клетъчна електрофизиология и служи за образователен фон, а не като основа за индивидуална диагностика или лечение.

History

Концептуалната основа е заложена от описанието на нервния акционен потенциал по Hodgkin–Huxley от 1952 г., което изразява възбудимостта като зависими от напрежението и времето йонни проводимости. По-късно тези принципи са приложени към сърдечните клетки, при които са характеризирани дългото плато и по-богатата съвкупност от йонни токове, а молекулярното клониране в крайна сметка свързва конкретни канални протеини с всеки ток, формиращ сърдечното реполяризиране.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Jeanne Nerbonne
• Robert Kass
• Denis Noble

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• nerbonne-kass-2005

Frequently asked questions

Защо сърдечният акционен потенциал има плато?

Платото отразява устойчив баланс между входящ калциев ток и изходящи калиеви токове, удължавайки деполяризацията далеч отвъд нервния акционен потенциал и допринасяйки за дългия рефрактерен период на сърцето.

Каква е функцията на рефрактерността?

По време на рефрактерния период клетката не може да бъде реексцитирана, тъй като натриевите канали все още не са се възстановили от инактивирането си, което предотвратява преждевременни импулси и устойчиво тетанично свиване на сърдечния мускул.