Потенциал действия и ионные каналы

Сердечный потенциал действия — это транзиторное изменение мембранного напряжения, сигнализирующее об электрической активности кардиальной клетки, которое возникает в результате открытия и закрытия ионных каналов, селективных для натрия, кальция и калия. Характерное длительное плато сердечного потенциала действия, устанавливаемое балансом входящих и исходящих токов, отличает кардиальные клетки от нервных и лежит в основе пролонгированной рефрактерности сердца.

Definition

Сердечный потенциал действия — это стереотипное, регенеративное изменение трансмембранного потенциала, генерируемое зависящим от времени и напряжения потоком ионов через селективные каналы, которое распространяет возбуждение по сердечной ткани; ионные каналы — это мембранные белки, чья регулируемая проницаемость для специфических ионов создает эти токи.

Scope

Эта статья охватывает фазы сердечного потенциала действия, основные ионные токи и каналы, которые его формируют, концепцию рефрактерности и различия в свойствах потенциала действия между типами клеток сердца. Эти темы рассматриваются как физиологические, а не как клинические рекомендации по аритмиям или эффектам лекарственных средств.

Core questions

• Каковы фазы сердечного потенциала действия?
• Какие ионные токи формируют деполяризацию, плато и реполяризацию?
• Почему сердечный потенциал действия намного длиннее потенциала действия нерва?
• Что такое рефрактерность и почему она важна?

Key concepts

• Потенциал покоя мембраны
• Деполяризация (фаза 0)
• Фаза плато
• Реполяризация
• Натриевые, кальциевые и калиевые токи
• Потенциал-зависимые ионные каналы
• Абсолютный и относительный рефрактерные периоды
• Порог и ответ «все или ничего»

Key theories

Ионная (теория Ходжкина-Хаксли) теория возбудимости

Потенциал действия объясняется зависящими от напряжения и времени изменениями мембранной проводимости для отдельных ионов; эта количественная основа, первоначально разработанная для нерва, обеспечивает базу для описания сердечных потенциалов действия как суммы различных ионных токов.

Mechanisms

В работающем желудочковом миоците потенциал действия условно делится на фазы. Быстрая деполяризация (фаза 0) обусловлена большим, быстрым входящим натриевым током после достижения порогового значения. Кратковременная ранняя реполяризация (фаза 1) отражает транзиторный исходящий калиевый ток. Плато (фаза 2), характерная черта кардиальных клеток, является результатом баланса между устойчивым входящим кальциевым током L-типа и исходящими калиевыми токами, что пролонгирует потенциал действия. Реполяризация (фаза 3) следует за преобладанием калиевых токов и снижением кальциевого тока, возвращая мембрану к ее потенциалу покоя (фаза 4), который стабилизируется входящим выпрямляющим калиевым током. Поскольку натриевые каналы восстанавливаются после инактивации только после реполяризации, клетка рефрактерна на протяжении большей части потенциала действия, что предотвращает преждевременное повторное возбуждение и тетанус; молекулярная идентичность и кинетика лежащих в основе каналов определяют реполяризацию и рефрактерность.

Clinical relevance

Форма потенциала действия и каналы, которые его создают, составляют физиологическую основу для понимания нарушений реполяризации и действия агентов, изменяющих ионные токи. Эта статья описывает нормальную клеточную электрофизиологию и является образовательным материалом, а не основой для индивидуальной диагностики или лечения.

History

Концептуальной основой стало описание Ходжкиным и Хаксли потенциала действия нерва в 1952 году, которое выражало возбуждение как зависящие от напряжения и времени ионные проводимости. Эти принципы позднее были применены к кардиальным клеткам, где были охарактеризованы длительное плато и более богатый набор ионных токов, а молекулярное клонирование в конечном итоге связало специфические канальные белки с каждым током, формирующим реполяризацию сердца.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Почему сердечный потенциал действия имеет плато?

Плато отражает устойчивый баланс между входящим кальциевым током и исходящими калиевыми токами, что значительно продлевает деполяризацию по сравнению с потенциалом действия нерва и способствует длительному рефрактерному периоду сердца.

Что делает рефрактерность?

В течение рефрактерного периода клетка не может быть повторно возбуждена, поскольку натриевые каналы еще не восстановились после инактивации, что предотвращает преждевременные сокращения и устойчивое тетаническое сокращение сердечной мышцы.