В нейронауке реполяризация относится к изменению мембранного потенциала , которое возвращает его к отрицательному значению сразу после фазы деполяризации потенциала действия , которая изменила мембранный потенциал на положительное значение. Фаза реполяризации обычно возвращает мембранный потенциал обратно к мембранному потенциалу покоя . Отток ионов калия (K + ) приводит к падающей фазе потенциала действия. Ионы проходят через селективный фильтр поры канала K + .
Реполяризация обычно является результатом перемещения положительно заряженных ионов K + из клетки. Фаза реполяризации потенциала действия первоначально приводит к гиперполяризации , достижению мембранного потенциала, называемого постгиперполяризацией , который более отрицателен, чем потенциал покоя . Реполяризация обычно занимает несколько миллисекунд. [1]
Реполяризация — это стадия потенциала действия, на которой клетка испытывает снижение напряжения из-за оттока ионов калия (K + ) по ее электрохимическому градиенту. Эта фаза наступает после того, как клетка достигает своего наивысшего напряжения от деполяризации. После реполяризации клетка гиперполяризуется, достигая покоящегося мембранного потенциала (−70 мВ в нейроне). Ионы натрия (Na + ) и калия внутри и снаружи клетки перемещаются натрий-калиевым насосом, гарантируя, что электрохимическое равновесие остается недостигнутым, чтобы позволить клетке поддерживать состояние покоящегося мембранного потенциала. [2] На графике потенциала действия участок гиперполяризации выглядит как нисходящий провал, который идет ниже линии покоящегося мембранного потенциала. В этой постгиперполяризации (нисходящий провал) клетка находится при более отрицательном потенциале, чем в состоянии покоя (около −80 мВ) из-за медленной инактивации потенциалзависимых каналов задержанного выпрямления K + , которые являются основными каналами K + , связанными с реполяризацией. [3] При таких низких напряжениях все потенциалзависимые каналы K + закрываются, и клетка возвращается к потенциалу покоя в течение нескольких миллисекунд. Клетка, которая испытывает реполяризацию, находится в абсолютном рефрактерном периоде. Другие потенциалзависимые каналы K + , которые способствуют реполяризации, включают каналы типа А и активируемые Ca 2+ каналы K + . [4] Молекулы белкового транспорта отвечают за выход Na + из клетки и K + в клетку для восстановления исходных концентраций ионов покоя. [5]
Блокировки реполяризации могут возникать из-за модификаций потенциалзависимых каналов K + . Это демонстрируется при селективной блокировке потенциалзависимых каналов K + антагонистом тетраэтиламмонием (TEA). Блокируя канал, реполяризация эффективно останавливается. [6] Дендротоксины являются еще одним примером селективных фармакологических блокаторов потенциалзависимых каналов K + . Отсутствие реполяризации означает, что нейрон остается при высоком напряжении, что замедляет дезактивацию натриевого канала до точки, когда нет достаточного внутреннего тока Na + для деполяризации и поддержания возбуждения. [7]
Структура потенциалзависимого K + канала представляет собой структуру из шести трансмембранных спиралей вдоль липидного бислоя . Селективность этого канала к напряжению опосредуется четырьмя из этих трансмембранных доменов (S1–S4) – доменом, чувствительным к напряжению. Два других домена (S5, S6) образуют пору, через которую проходят ионы. [8] Активация и деактивация потенциалзависимого K + канала запускается конформационными изменениями в домене, чувствительном к напряжению. В частности, домен S4 движется таким образом, что он активирует и деактивирует пору. Во время активации происходит внешнее движение S4, вызывающее более тесную связь VSD-поры. Деактивация характеризуется внутренним движением S4. [9]
Переход от деполяризации к реполяризации зависит от кинетических механизмов как потенциалзависимых каналов K +, так и Na + . Хотя оба потенциалзависимых канала Na + и K + активируются примерно при одинаковом напряжении (−50 мВ ), каналы Na + имеют более быструю кинетику и активируются/деактивируются гораздо быстрее. [10] Реполяризация происходит, когда приток Na + уменьшается (каналы деинактивируются), а отток ионов K + увеличивается по мере открытия каналов. [11] Снижение проводимости ионов натрия и увеличение проводимости ионов калия приводят к тому, что мембранный потенциал клетки очень быстро возвращается к остаточному мембранному потенциалу и выходит за его пределы, что вызывает гиперполяризацию из-за медленного закрытия калиевых каналов, что позволяет большему количеству калия проходить через мембранный потенциал после достижения остаточного мембранного потенциала. [10]
После потенциала действия, характерно генерируемого притоком Na + через потенциалзависимые Na + каналы, наступает период реполяризации, в течение которого Na + каналы инактивируются, в то время как K + каналы активируются. Дальнейшее изучение K + каналов показывает, что существует четыре типа, которые влияют на реполяризацию клеточной мембраны, чтобы восстановить потенциал покоя. Четыре типа - это K v 1, K v 2, K v 3 и K v 4. Канал K v 1 в первую очередь влияет на реполяризацию аксона. Канал K v 2 характерно активируется медленнее. Каналы K v 4 характерно активируются быстро. Когда каналы K v 2 и K v 4 блокируются, потенциал действия предсказуемо расширяется. [12] Каналы K v 3 открываются при более положительном мембранном потенциале и деактивируются в 10 раз быстрее, чем другие каналы K v . Эти свойства обеспечивают высокочастотную активацию, которая требуется нейронам млекопитающих . Области с плотными каналами K v 3 включают неокортекс , базальные ганглии , ствол мозга и гиппокамп, поскольку эти области создают микросекундные потенциалы действия, требующие быстрой реполяризации. [13]
Используя данные о фиксации напряжения из экспериментов на нейронах грызунов, каналы K v 4 связаны с первичной реполяризационной проводимостью после периода деполяризации нейрона. Когда канал K v 4 блокируется, потенциал действия становится шире, что приводит к расширенному периоду реполяризации, задерживая нейрон от возможности снова сработать. Скорость реполяризации тесно регулирует количество ионов Ca 2+ , поступающих в клетку. Когда большие количества ионов Ca 2+ поступают в клетку из-за расширенного периода реполяризации, нейрон может погибнуть, что приводит к развитию инсульта или судорог. [12]
Каналы K v 1, как было обнаружено, способствуют реполяризации пирамидальных нейронов , что, вероятно, связано с повышением регуляции каналов K v 4. Каналы K v 2 не способствуют скорости реполяризации, поскольку блокирование этих каналов не приводит к изменениям в скорости реполяризации нейронов. [12]
Другой тип K + -канала, который помогает опосредовать реполяризацию в предсердиях человека, - это SK-канал , который представляет собой K + -каналы, активируемые увеличением концентрации Ca 2+ . «SK-канал» означает калиевый канал с малой проводимостью, активируемый кальцием, и эти каналы находятся в сердце. SK-каналы действуют в частности в правом предсердии сердца и не были признаны функционально важными в желудочках человеческого сердца. Каналы активны во время реполяризации, а также во время фазы диастолы предсердий, когда ток подвергается гиперполяризации. [14] В частности, эти каналы активируются, когда Ca 2+ связывается с кальмодулином (CaM), поскольку N-доля CaM взаимодействует с линкером S4/S5 канала, вызывая конформационные изменения. [15] Когда эти каналы K + активируются, ионы K + устремляются из клетки во время пика ее потенциала действия, заставляя клетку реполяризоваться, поскольку приток ионов Ca2 + превышается ионами K + , постоянно покидающими клетку. [16]
В желудочках человека реполяризация может быть видна на ЭКГ ( электрокардиограмме ) через зубец J (Осборна), сегмент ST , зубец T и зубец U. Из-за сложности сердца, в частности, из-за того, что оно содержит три слоя клеток ( эндокард , миокард и эпикард ), существует множество физиологических изменений, влияющих на реполяризацию, которые также будут влиять на эти волны. [17] Помимо изменений в структуре сердца, которые влияют на реполяризацию, существует множество фармацевтических препаратов, которые имеют тот же эффект.
Вдобавок ко всему, реполяризация также изменяется в зависимости от местоположения и продолжительности начального потенциала действия . В потенциалах действия, стимулированных на эпикарде, было обнаружено, что продолжительность потенциала действия должна быть 40–60 мс , чтобы дать нормальную вертикальную волну T, тогда как продолжительность 20–40 мс даст изоэлектрическую волну, а все, что меньше 20 мс, приведет к отрицательной волне T. [18]
Ранняя реполяризация — это явление, которое можно увидеть на ЭКГ-записях желудочковых клеток, где есть приподнятый сегмент ST, также известный как волна J. Волна J становится заметной, когда в эпикарде наблюдается больший выходящий ток по сравнению с эндокардом. [19] Исторически это считалось нормальным вариантом сердечного ритма, но недавние исследования показывают, что это связано с повышенным риском остановки сердца. Ранняя реполяризация происходит в основном у мужчин и связана с большим током калия, вызванным гормоном тестостероном . Кроме того, хотя риск неизвестен, у афроамериканцев, по-видимому, чаще наблюдается ранняя реполяризация. [20]
Как упоминалось в предыдущем разделе, ранняя реполяризация известна как проявление приподнятых сегментов волны на ЭКГ. Недавние исследования показали связь между ранней реполяризацией и внезапной сердечной смертью , которая определяется как синдром ранней реполяризации. Состояние проявляется как фибрилляцией желудочков без других структурных дефектов сердца, так и ранним паттерном деполяризации, который можно увидеть на ЭКГ. [21]
Первичный корень синдрома ранней реполяризации проистекает из нарушений электропроводности в ионных каналах, которые могут быть вызваны генетическими факторами. Нарушения синдрома включают колебания токов натрия, калия и кальция. Изменения этих токов могут привести к перекрытию областей миокарда, одновременно подвергающихся различным фазам потенциала действия, что приводит к риску фибрилляции желудочков и аритмий . [22]
После постановки диагноза большинству людей не требуется немедленное вмешательство, поскольку ранняя реполяризация на ЭКГ не указывает на какую-либо опасную для жизни чрезвычайную медицинскую ситуацию. [23] У трех-тринадцати процентов здоровых людей наблюдается ранняя реполяризация на ЭКГ. [21] Однако пациентам, у которых наблюдается ранняя реполяризация после того, как они пережили событие синдрома ранней реполяризации (внезапная сердечная смерть), настоятельно рекомендуется имплантируемый кардиовертер-дефибриллятор (ИКД). [23] Кроме того, пациент может быть более склонен к фибрилляции предсердий, если у него синдром ранней реполяризации и ему меньше шестидесяти лет. [21]
Пациенты, страдающие обструктивным апноэ сна , могут испытывать нарушение реполяризации сердца, что значительно увеличивает заболеваемость и смертность от этого состояния. Особенно на больших высотах пациенты гораздо более восприимчивы к нарушениям реполяризации. Это можно несколько смягчить с помощью таких лекарств, как ацетазоламид , но эти препараты не обеспечивают достаточной защиты. Известно, что ацетазоламид и подобные препараты способны улучшать оксигенацию и апноэ сна у пациентов, находящихся на больших высотах, но преимущества препарата наблюдались только при временном путешествии на высоте, а не у людей, которые остаются на большой высоте в течение длительного времени. [24]
{{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )