Реполяризация мембраны: механизмы и значение в нейрофизиологии.

Введение

Изменение потенциала мембраны

В нейробиологии реполяризация – это изменение потенциала мембраны, возвращающее его к отрицательному значению сразу после фазы деполяризации потенциала действия, которая изменила потенциал мембраны до положительного значения. Фаза реполяризации обычно возвращает потенциал мембраны к потенциалу покоя. Выход ионов калия (K+) из клетки приводит к фазе спада потенциала действия. Ионы проходят через фильтр селективности поры K+-канала. Реполяризация обычно происходит в результате движения положительно заряженных ионов K+ из клетки. Фаза реполяризации потенциала действия изначально приводит к гиперполяризации, достижению мембранного потенциала, называемого послегиперполяризацией, который более отрицателен, чем потенциал покоя. Реполяризация обычно занимает несколько миллисекунд. Реполяризация – это стадия потенциала действия, в которой клетка испытывает снижение напряжения из-за выхода ионов калия (K+) по их электрохимическому градиенту. Эта фаза наступает после того, как клетка достигает максимального напряжения при деполяризации. После реполяризации клетка гиперполяризуется, достигая потенциала мембраны покоя (−70 мВ в нейроне). Натриевые (Na+) и калийные ионы внутри и снаружи клетки перемещаются натрий-калиевым насосом, обеспечивая, чтобы электрохимическое равновесие не достигалось, позволяя клетке поддерживать состояние потенциала мембраны покоя. На графике потенциала действия участок гиперполяризации выглядит как нисходящий провал, опускающийся ниже линии потенциала мембраны покоя. В этой послегиперполяризации (нисходящий провал) клетка находится на более отрицательном потенциале, чем в состоянии покоя (около −80 мВ) из-за медленной инактивации вольтаж-зависимых K+-каналов с задержкой выпрямления, которые являются основными K+-каналами, связанными с реполяризацией. При таких низких напряжениях все вольтаж-зависимые K+-каналы закрываются, и клетка возвращается к потенциалу покоя в течение нескольких миллисекунд. Клетка, переживающая реполяризацию, находится в своей абсолютной рефрактерной фазе. Другие вольтаж-зависимые K+-каналы, способствующие реполяризации, включают A-типа каналы и Ca2+-активированные K+-каналы. Белки-транспортеры отвечают за выведение Na+ из клетки и ввод K+ в клетку для восстановления исходных концентраций ионов в состоянии покоя.

In neuroscience, repolarization refers to the change in membrane potential that returns it to a negative value just after the depolarization phase of an action potential which has changed the membrane potential to a positive value. The repolarization phase usually returns the membrane potential back to the resting membrane potential. The efflux of potassium (K+) ions results in the falling phase of an action potential. The ions pass through the selectivity filter of the K+ channel pore. Repolarization typically results from the movement of positively charged K+ ions out of the cell. The repolarization phase of an action potential initially results in hyperpolarization, attainment of a membrane potential, termed the afterhyperpolarization, that is more negative than the resting potential. Repolarization usually takes several milliseconds. Repolarization is a stage of an action potential in which the cell experiences a decrease of voltage due to the efflux of potassium (K+) ions along its electrochemical gradient. This phase occurs after the cell reaches its highest voltage from depolarization. After repolarization, the cell hyperpolarizes as it reaches resting membrane potential (−70 mV in neuron). Sodium (Na+) and potassium ions inside and outside the cell are moved by a sodium potassium pump, ensuring that electrochemical equilibrium remains unreached to allow the cell to maintain a state of resting membrane potential. In the graph of an action potential, the hyper polarization section looks like a downward dip that goes lower than the line of resting membrane potential. In this afterhyperpolarization (the downward dip), the cell sits at more negative potential than rest (about −80 mV) due to the slow inactivation of voltage gated K+ delayed rectifier channels, which are the primary K+ channels associated with repolarization. At these low voltages, all of the voltage gated K+ channels close, and the cell returns to resting potential within a few milliseconds. A cell which is experiencing repolarization is said to be in its absolute refractory period. Other voltage gated K+ channels which contribute to repolarization include A type channels and Ca2+ activated K+ channels. Protein transport molecules are responsible for Na+ out of the cell and K+ into the cell to restore the original resting ion concentrations.

Отклонения от нормальной реполяризации

Блокады реполяризации могут возникать из-за модификаций вольтаж-зависимых K⁺-каналов. Это демонстрируется селективным блокированием вольтаж-зависимых K⁺-каналов антагонистом тетраэтиламмонием (TEA). Блокирование канала эффективно останавливает реполяризацию. Дендротоксины – еще один пример селективного фармакологического блокатора вольтаж-зависимых K⁺-каналов. Отсутствие реполяризации означает, что нейрон остается в состоянии высокого потенциала, что замедляет деактивацию натриевых каналов до такой степени, что входящего тока Na⁺ недостаточно для деполяризации и поддержания генерации потенциала действия.

К+ механизмы с ограничением напряжения

Структура вольтаж-зависимого K⁺-канала состоит из шести трансмембранных спиралей, расположенных в липидном бислое. Селективность этого канала к напряжению обусловлена четырьмя из этих трансмембранных доменов (S1–S4) – доменом, определяющим напряжение. Другие два домена (S5, S6) формируют пору, через которую происходит транспорт ионов. Активация и деактивация вольтаж-зависимого K⁺-канала запускается конформационными изменениями в домене, определяющем напряжение. В частности, домен S4 перемещается таким образом, что активирует и деактивирует пору. Во время активации происходит движение S4 наружу, что приводит к усилению связи поры с доменом, определяющим напряжение. Деактивация характеризуется движением S4 внутрь. Переход от деполяризации к реполяризации зависит от кинетических механизмов как вольтаж-зависимых K⁺-, так и Na⁺-каналов. Хотя оба вольтаж-зависимых Na⁺- и K⁺-каналы активируются примерно при одном и том же напряжении (−50 мВ), Na⁺-каналы обладают более быстрой кинетикой и активируются/деактивируются значительно быстрее. Реполяризация происходит по мере уменьшения притока Na⁺ (деактивация каналов) и увеличения оттока ионов K⁺ при открытии каналов. Снижение проводимости ионов натрия и увеличение проводимости ионов калия приводят к быстрому возвращению мембранного потенциала клетки к потенциалу покоя и даже за его пределы, что вызывает гиперполяризацию из-за медленного закрытия калиевых каналов, позволяя большему количеству калия выходить после достижения потенциала покоя. Kv3-каналы открываются при более положительном мембранном потенциале и деактивируются в 10 раз быстрее, чем другие Kv-каналы. Эти свойства обеспечивают высокочастотную активность, необходимую нейронам млекопитающих. Области с высокой плотностью Kv3-каналов включают неокортекс, базальные ганглии, ствол мозга и гиппокамп, поскольку эти области генерируют микросекундные потенциалы действия, требующие быстрой реполяризации. Анализ данных вольтаж-зажима, полученных в экспериментах на нейронах грызунов, показал, что Kv4-каналы связаны с основной проводимостью реполяризации после периода деполяризации нейрона. При блокировке Kv4-канала потенциал действия становится шире, что приводит к увеличению периода реполяризации и задержке повторной активации нейрона. Скорость реполяризации тесно регулирует количество ионов Ca²⁺, поступающих в клетку. При поступлении большого количества ионов Ca²⁺ из-за продолжительных периодов реполяризации нейрон может погибнуть, что приводит к развитию инсульта или судорог. В частности, эти каналы активируются при связывании Ca²⁺ с кальмодулином (CaM), поскольку N-доля CaM взаимодействует с линкером S4/S5 канала, вызывая конформационные изменения. При активации этих K⁺-каналов ионы K⁺ быстро покидают клетку в пике потенциала действия, вызывая реполяризацию клетки, поскольку отток ионов K⁺ превышает приток ионов Ca²⁺.

The structure of the voltage gated K+ channel is that of six transmembrane helices along the lipid bilayer. The selectivity of this channel to voltage is mediated by four of these transmembrane domains (S1–S4) – the voltage sensing domain. The other two domains (S5, S6) form the pore by which ions traverse. Activation and deactivation of the voltage gated K+ channel is triggered by conformational changes in the voltage sensing domain. Specifically, the S4 domain moves such that it activates and deactivates the pore. During activation, there is outward S4 motion, causing tighter VSD pore linkage. Deactivation is characterized by inward S4 motion. The switch from depolarization into repolarization is dependent on the kinetic mechanisms of both voltage gated K+ and Na+ channels. Although both voltage gated Na+ and K+ channels activate at roughly the same voltage (−50 mV), Na+ channels have faster kinetics and activate/deinactivate much more quickly. Repolarization occurs as the influx of Na+ decreases (channels deinactivate) and the efflux of K+ ions increases as its channels open. The decreased conductance of sodium ions and increased conductance of potassium ions cause the cell's membrane potential to very quickly return to, and past the resting membrane potential, which causes the hyperpolarization due to the potassium channels closing slowly, allowing more potassium to flow through after the resting membrane potential has been reached. The Kv3 channels open at a more positive membrane potential and deactivate 10 times faster than the other Kv channels. These properties allow for the high frequency firing that mammalian neurons require. Areas with dense Kv3 channels include the neocortex, basal ganglia, brain stem and hippocampus as these regions create microsecond action potentials that requires quick repolarization. Utilizing voltage clamp data from experiments based on rodent neurons, the Kv4 channels are associated with the primary repolarization conductance following the depolarization period of a neuron. When the Kv4 channel is blocked, the action potential becomes broader, resulting in an extended repolarization period, delaying the neuron from being able to fire again. The rate of repolarization closely regulates the amount of Ca2+ ions entering the cell. When large quantities of Ca2+ ions enter the cell due to extended repolarization periods, the neuron may die, leading to the development of stroke or seizures. Specifically, these channels are activated when Ca2+ binds to calmodulin (CaM) because the N lobe of CaM interacts with the channel's S4/S5 linker to induce conformational change. When these K+ channels are activated, the K+ ions rush out of the cell during the peak of its action potential causing the cell to repolarize as the influx of Ca2+ ions are exceeded by K+ ions leaving the cell continuously.

Вентрикулярная реполяризация

В желудочках человека реполяризацию можно увидеть на ЭКГ (электрокардиограмме) по волне J (Осборна), сегменту ST, волне T и волне U. В силу сложности строения сердца, а именно наличия трех слоев клеток (эндокарда, миокарда и эпикарда), существует множество физиологических факторов, влияющих на реполяризацию и, соответственно, на эти волны. Помимо изменений в структуре сердца, влияющих на реполяризацию, существует ряд фармацевтических препаратов, оказывающих аналогичное воздействие. Более того, реполяризация также изменяется в зависимости от локализации и продолжительности исходного потенциала действия. При стимуляции потенциалов действия на эпикарде было установлено, что для формирования нормальной, положительной волны T необходима продолжительность потенциала действия 40–60 мс, в то время как продолжительность 20–40 мс приводит к изоэлектрической волне, а менее 20 мс – к отрицательной волне T. Ранняя реполяризация – это явление, которое можно наблюдать на ЭКГ желудочковых клеток, характеризующееся подъемом сегмента ST, также известного как волна J. Волна J наиболее выражена при большем выходящем токе в эпикарде по сравнению с эндокардом. Ранее это считалось нормальным вариантом сердечного ритма, однако недавние исследования показывают связь с повышенным риском внезапной остановки сердца. Ранняя реполяризация чаще встречается у мужчин и связана с усиленным калиевым током, вызванным гормоном тестостероном. Кроме того, хотя степень риска неизвестна, у афроамериканцев чаще наблюдается ранняя реполяризация.

Синдром ранней реполяризации

Как упоминалось в предыдущем разделе, ранняя реполяризация проявляется в виде повышенных сегментов волн на ЭКГ. Недавние исследования выявили связь между ранней реполяризацией и внезапной сердечной смертью, которая определяется как синдром ранней реполяризации. Это состояние проявляется как желудочковая фибрилляция без других структурных пороков сердца, так и паттерном ранней деполяризации, который можно увидеть на ЭКГ. Первопричиной синдрома ранней реполяризации являются нарушения электропроводности в ионных каналах, которые могут быть обусловлены генетическими факторами. Нарушения при этом синдроме включают колебания токов натрия, калия и кальция. Изменения в этих токах могут приводить к одновременному перекрытию миокардиальных зон, находящихся на разных фазах потенциала действия, что повышает риск развития желудочковой фибрилляции и аритмий. После постановки диагноза большинству пациентов не требуется немедленное вмешательство, так как ранняя реполяризация на ЭКГ не свидетельствует о какой-либо угрожающей жизни неотложной ситуации. Кроме того, пациенты с синдромом ранней реполяризации в возрасте до шестидесяти лет могут быть более склонны к развитию фибрилляции предсердий.