Akcijski potencijal i refraktarnost

Akcijski potencijal je kratkotrajna, regenerativna promjena membranskog napona kojom ekscitabilna ćelija prenosi signal. Njegova posebnost nije samo depolarizacija, nego sposobnost da izazove isti tip odgovora u susjednom dijelu membrane. Refraktarnost predstavlja privremenu promjenu dostupnosti membrane za novi odgovor. Zajedno, ova dva svojstva omogućavaju prenos impulsa i ograničavaju koliko često membrana može odgovoriti.

Prag i prelazak sa lokalnog na regenerativni odgovor

Mali podražaj može izazvati graduisanu promjenu napona. Njena veličina zavisi od podražaja, a pri pasivnom širenju opada sa udaljenošću. Takvi lokalni odgovori mogu se sabirati. Akcijski potencijal nastaje kada unutrašnja depolarizujuća struja nadvlada struje koje joj se suprotstavljaju i započne regenerativno otvaranje kanala.

Prag zato nije jedinstvena brojka za sve ćelije i uslove. Zavisi od trenutnog napona, dostupnosti kanala i njihovih osobina. Membrana koja je upravo odgovorila može imati drugačiji prag od iste membrane nakon potpunog oporavka.

Za pojedinačno vlakno u istom funkcijskom stanju važi princip sve ili ništa. Nadpražni podražaj pokreće puni odgovor, dok podpražni ne pokreće regenerativni impuls. Jači nadpražni podražaj ne proizvodi proporcionalno veći akcijski potencijal tog vlakna. Ovaj princip ne znači da svi neuroni imaju istu amplitudu ili da oblik impulsa nikada ne zavisi od uslova.

Jedan pregledan nastavni model natrijum-zavisnog neuronskog impulsa uzima mirovanje oko −70 mV i prag oko −55 mV. Guyton pri objašnjenju aktivacije kanala navodi prag približno 15 mV iznad mirovanja od −70 mV, a Ganong daje neuronski primjer praga oko −55 mV. Depolarizacija u tom modelu mora premostiti približno 15 mV, a tokom rastuće faze može preći nulti napon i dati pozitivan overshoot. To nije obavezan niz vrijednosti za svaki neuron: soma, akson i različite vrste vlakana imaju različite kanale i početne uslove. Prag je i dalje dinamički uslov ravnoteže struja, a ne trajno fiksirana oznaka na jednoj univerzalnoj skali.

Jonski slijed u nervnom vlaknu

U tipičnom nervnom vlaknu depolarizacija brzo aktivira naponski zavisne natrijumove kanale i povećava natrijumovu provodljivost. Natrijum ulazi po elektrohemijskom gradijentu i dodatno depolarizuje membranu, čime se otvara još kanala. To je pozitivna povratna sprega rastuće faze: električna promjena pojačava proces koji ju je izazvao.

Istovremeno se priprema završetak impulsa. Natrijumovi kanali prelaze u inaktivisano stanje, a kalijumova provodljivost povećava se sa zakašnjenjem. Smanjen ulazak natrijuma i pojačan izlazak kalijuma vraćaju napon prema negativnim vrijednostima. Ako kalijumova provodljivost ostane povišena i nakon te faze, slijedi naknadna hiperpolarizacija.

Izraz pokazuje da struja zavisi i od otvorenosti puta i od razlike između Vm i Ejon. Tokom impulsa ne mijenja se samo broj otvorenih kanala: promjena Vm mijenja i pogonsku razliku. Membranski napon zato ne mora dostići ravnotežni potencijal natrijuma prije početka repolarizacije.

Na⁺/K⁺-ATPaza održava koncentracione gradijente potrebne za ponovljene impulse. Brzu repolarizaciju pojedinačnog impulsa, međutim, prvenstveno stvaraju promjene kanalnih struja. Zamjena ove dvije uloge prikazuje pumpu kao trenutni prekidač napona, iako je ona prije svega dio kontinuiranog održavanja gradijenata.

Zašto postoji apsolutna refraktarnost

Zatvoren kanal u stanju mirovanja nije isto što i inaktivisan kanal. Mirujući natrijumov kanal može se aktivirati odgovarajućom depolarizacijom. Inaktivisan kanal mora prethodno proći oporavak povezan sa repolarizacijom.

Tokom apsolutnog refraktarnog perioda novi akcijski potencijal ne može se izazvati ni jačim podražajem. Ključni razlog je nedostupnost dovoljnog broja kanala koji stvaraju rastuću struju. Početak ovog perioda obuhvata nastajanje impulsa, a završetak zavisi od oporavka kanala tokom repolarizacije.

U relativnom refraktarnom periodu novi odgovor postaje moguć, ali zahtijeva jači podražaj nego nakon potpunog oporavka. Povišena kalijumova provodljivost i nepotpuno vraćena dostupnost natrijumovih kanala otežavaju dostizanje uslova za regenerativnu depolarizaciju. Refraktarnost zato oblikuje vremenski razmak između impulsa, umjesto da samo označava neaktivnost ćelije.

Propagacija i mijelin

Aktivirani dio membrane stvara lokalne struje koje depolarizuju susjedni dio. Kada susjedna membrana dostigne prag, ona proizvodi svoj akcijski potencijal. Impuls se tako obnavlja duž zdravog vlakna i ne slabi kao pasivna graduisana promjena.

Dio koji je upravo odgovorio nalazi se u refraktarnom stanju, pa se normalno napredujući impuls ne vraća odmah unazad. To ne znači da sama membrana ima samo jedan dozvoljeni smjer provođenja. Vještački nadražaj sredine mirujućeg vlakna može pokrenuti talase u oba smjera, jer su obje susjedne strane tada dostupne.

Mijelin smanjuje gubitak struje kroz omotanu membranu. Regenerativni odgovori nastaju na Ranvierovim čvorovima, pa se provođenje naziva skokovitim. Veći prečnik vlakna smanjuje unutrašnji otpor i takođe olakšava brže širenje. Brzina provođenja i amplituda pojedinačnog impulsa zato su različita svojstva signala.

Integracija sa mišićima i srcem

U skeletnom mišiću akcijski potencijal prethodi oslobađanju kalcijuma i kontrakciji. Električni i mehanički odgovor nisu ista pojava: moguće je sabiranje mišićnih trzaja iako se sami akcijski potencijali ne sabiraju kao graduisani naponi.

Srčana ćelija ima drugačiji kanalni obrazac. U radnim kardiomiocitima ulazak kalcijuma doprinosi platou, produženom akcijskom potencijalu i dugoj refraktarnosti. Nervni šiljak zato nije univerzalan crtež za svako ekscitabilno tkivo.

Zapamti

• Prag je uslov za regenerativni odgovor, a ne univerzalan napon.
• Repolarizacija i oporavak od inaktivacije omogućavaju naredni impuls.
• Akcijski potencijal regeneriše se duž vlakna, dok refraktarnost uređuje mogućnost narednog odgovora.