Δυναμικό ενέργειας και ιοντικά κανάλια

Το καρδιακό δυναμικό ενέργειας είναι η παροδική μεταβολή του τάσης μεμβράνης που σηματοδοτεί την ηλεκτρική δραστηριότητα ενός καρδιακού κυττάρου, και παράγεται από το άνοιγμα και κλείσιμο ιοντικών καναλιών εκλεκτικών για νάτριο, ασβέστιο και κάλιο. Η χαρακτηριστικά παρατεταμένη οροφή του καρδιακού δυναμικού ενέργειας, που καθορίζεται από ισορροπία εισερχόμενων και εξερχόμενων ρευμάτων, διακρίνει τα καρδιακά κύτταρα από τα νευρικά και αποτελεί τη βάση της παρατεταμένης ανθεκτικότητάς τους.

Definition

Το καρδιακό δυναμικό ενέργειας είναι μια στερεότυπη, αναγεννητική μεταβολή του διαμεμβρανικού δυναμικού, που παράγεται από τη χρόνο- και τάσιο-εξαρτώμενη ροή ιόντων μέσα από επιλεκτικά κανάλια, και μεταδίδει τη διέγερση στον καρδιακό ιστό· τα ιοντικά κανάλια είναι οι μεμβρανικές πρωτεΐνες των οποίων η ελεγχόμενη διαπερατότητα σε συγκεκριμένα ιόντα παράγει αυτά τα ρεύματα.

Scope

Το παρόν λήμμα καλύπτει τις φάσεις του καρδιακού δυναμικού ενέργειας, τα κύρια ιοντικά ρεύματα και κανάλια που το διαμορφώνουν, την έννοια της ανθεκτικότητας, καθώς και τις διαφορές ιδιοτήτων δυναμικού ενέργειας μεταξύ τύπων κυττάρων στην καρδιά. Τα θέματα αντιμετωπίζονται ως φυσιολογικά, όχι ως κλινική καθοδήγηση για αρρυθμίες ή δράσεις φαρμάκων.

Core questions

• Ποιες είναι οι φάσεις του καρδιακού δυναμικού ενέργειας;
• Ποια ιοντικά ρεύματα διαμορφώνουν την αποπόλωση, την οροφή και την επαναπόλωση;
• Γιατί το καρδιακό δυναμικό ενέργειας είναι πολύ μακρύτερο από ένα νευρικό;
• Τι είναι η ανθεκτικότητα και γιατί έχει σημασία;

Key concepts

• Δυναμικό ηρεμίας μεμβράνης
• Αποπόλωση (φάση 0)
• Φάση οροφής
• Επαναπόλωση
• Ρεύματα νατρίου, ασβεστίου και καλίου
• Τάσιο-ελεγχόμενα ιοντικά κανάλια
• Απόλυτες και σχετικές ανθεκτικές περίοδοι
• Κατώφλι και απόκριση τύπου «όλα ή τίποτα»

Key theories

Ιοντική θεωρία διέγερσης (Hodgkin-Huxley)

Το δυναμικό ενέργειας εξηγείται από τάσιο- και χρόνο-εξαρτώμενες μεταβολές της μεμβρανικής αγωγιμότητας σε μεμονωμένα ιόντα· αυτό το ποσοτικό πλαίσιο, αρχικά παραγόμενο για νευρικά κύτταρα, παρέχει τη βάση για την περιγραφή καρδιακών δυναμικών ενέργειας ως αθροίσματος διακριτών ιοντικών ρευμάτων.

Mechanisms

Σε ένα εργαζόμενο κοιλιακό μυοκύτταρο το δυναμικό ενέργειας διαιρείται συμβατικά σε φάσεις. Η ταχεία αποπόλωση (φάση 0) οφείλεται σε μεγάλο, ταχύ εισερχόμενο ρεύμα νατρίου μόλις επιτευχθεί το κατώφλι. Μια σύντομη πρώιμη επαναπόλωση (φάση 1) αντανακλά παροδικό εξερχόμενο ρεύμα καλίου. Η οροφή (φάση 2), χαρακτηριστικό γνώρισμα των καρδιακών κυττάρων, προκύπτει από ισορροπία μεταξύ διαρκούς εισερχόμενου ρεύματος ασβεστίου τύπου L και εξερχόμενων ρευμάτων καλίου, παρατείνοντας το δυναμικό ενέργειας. Η επαναπόλωση (φάση 3) ακολουθεί καθώς τα ρεύματα καλίου υπερισχύουν και το ρεύμα ασβεστίου μειώνεται, επαναφέροντας τη μεμβράνη προς το δυναμικό ηρεμίας (φάση 4), που σταθεροποιείται από ρεύμα καλίου εσωτερικής διόρθωσης (inward-rectifier). Επειδή τα κανάλια νατρίου ανακάμπτουν από αδρανοποίηση μόνο μετά την επαναπόλωση, το κύτταρο είναι ανθεκτικό κατά το μεγαλύτερο μέρος του δυναμικού ενέργειας, αποτρέποντας πρόωρη επαναδιέγερση και τέτανο· η μοριακή ταυτότητα και οι κινητικές ιδιότητες των υποκείμενων καναλιών καθορίζουν την επαναπόλωση και την ανθεκτικότητα.

Clinical relevance

Το σχήμα του δυναμικού ενέργειας και τα κανάλια που το παράγουν αποτελούν τη φυσιολογική βάση για την κατανόηση των ανωμαλιών επαναπόλωσης και της δράσης παραγόντων που τροποποιούν τα ιοντικά ρεύματα. Το παρόν λήμμα περιγράφει την κανονική κυτταρική ηλεκτροφυσιολογία και αποτελεί εκπαιδευτικό υπόβαθρο, όχι βάση για εξατομικευμένη διάγνωση ή θεραπεία.

History

Η εννοιολογική θεμελίωση ήταν η περιγραφή Hodgkin-Huxley του νευρικού δυναμικού ενέργειας το 1952, που εξέφρασε τη διέγερση ως τάσιο- και χρόνο-εξαρτώμενες ιοντικές αγωγιμότητες. Αυτές οι αρχές εφαρμόστηκαν αργότερα στα καρδιακά κύτταρα, όπου χαρακτηρίστηκαν η μακρά οροφή και ένα πλουσιότερο σύνολο ιοντικών ρευμάτων, ενώ η μοριακή κλωνοποίηση συνέδεσε τελικώς συγκεκριμένες πρωτεΐνες καναλιών με κάθε ρεύμα που διαμορφώνει την καρδιακή επαναπόλωση.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Γιατί έχει οροφή το καρδιακό δυναμικό ενέργειας;

Η οροφή αντανακλά μια διαρκή ισορροπία μεταξύ εισερχόμενου ρεύματος ασβεστίου και εξερχόμενων ρευμάτων καλίου, που παρατείνει την αποπόλωση πολύ πέρα από ένα νευρικό δυναμικό ενέργειας και συμβάλλει στη μακρά ανθεκτική περίοδο της καρδιάς.

Τι επιτελεί η ανθεκτικότητα;

Κατά την ανθεκτική περίοδο το κύτταρο δεν μπορεί να επαναδιεγερθεί επειδή τα κανάλια νατρίου δεν έχουν ακόμη ανακάμψει από αδρανοποίηση, κάτι που αποτρέπει πρόωρες εξωσυστολές και διαρκή τετανική συστολή του καρδιακού μυός.