ο Δυνατότητα κατωφλίου περιγράφει μια συγκεκριμένη διαφορά φορτίου στη μεμβράνη διεγερμένων κυττάρων. Εάν το δυναμικό της μεμβράνης εξασθενεί σε μια συγκεκριμένη τιμή κατά τη διάρκεια της αποπόλωσης, ένα δυναμικό δράσης προκαλείται μέσω του ανοίγματος καναλιών ιόντων που εξαρτώνται από την τάση. Η αξία που πρέπει να επιτευχθεί σε κάθε περίπτωση, η οποία είναι απαραίτητη για τη δημιουργία δυναμικού δράσης, είναι απαραίτητη για τη διεξαγωγή διέγερσης λόγω της αρχής «όλα ή τίποτα».
Ποιο είναι το δυναμικό κατωφλίου;
Το κυψελοειδές εσωτερικό διαχωρίζεται από το περιβάλλον εξωτερικό μέσο από μια μεμβράνη, η οποία είναι μόνο μερικώς διαπερατή από ορισμένες ουσίες. Αυτό σημαίνει ότι τα ιόντα, δηλαδή φορτισμένα σωματίδια, δεν μπορούν να τα περάσουν με ανεξέλεγκτο τρόπο. Λόγω της άνισης κατανομής των ιόντων μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κελιού, συσσωρεύεται ένα μετρήσιμο ηλεκτροχημικό δυναμικό, το οποίο αναφέρεται ως δυναμικό κατωφλίου.
Εφόσον το κύτταρο δεν διεγείρεται, αυτό το δυναμικό ηρεμικής μεμβράνης είναι αρνητικό. Η ηλεκτρική ώθηση που φτάνει στο κελί το ενεργοποιεί ή το βάζει σε μια διεγερμένη κατάσταση. Το αρνητικό δυναμικό μεμβράνης ηρεμίας αποπολώνεται από μια μεταβαλλόμενη διαπερατότητα ιόντων, δηλαδή πιο θετική. Το αν συμβαίνει νευρική απόκριση εξαρτάται από την έκταση αυτής της προπόλωσης. Σύμφωνα με την αρχή «όλα ή τίποτα», ένα δυναμικό δράσης δημιουργείται μόνο όταν επιτευχθεί ή ξεπεραστεί μια συγκεκριμένη κρίσιμη τιμή. Διαφορετικά δεν συμβαίνει τίποτα. Αυτή η ειδική τιμή που είναι απαραίτητη για τη διεξαγωγή διέγερσης μέσω δυναμικών δράσης αναφέρεται ως δυναμικό κατωφλίου.
Λειτουργία & εργασία
Το σημείο επαφής για όλες τις εισερχόμενες παρορμήσεις διέγερσης είναι το ανάχωμα του άξονα. Αυτό σηματοδοτεί τον τόπο όπου σχηματίζεται το δυναμικό δράσης, καθώς το δυναμικό κατωφλίου είναι χαμηλότερο εκεί από ό, τι σε άλλα τμήματα μεμβράνης λόγω μιας ιδιαίτερα υψηλής πυκνότητας καναλιών ιόντων που εξαρτώνται από την τάση.
Μόλις επιτευχθεί ή ξεπεραστεί το δυναμικό κατωφλίου κατά τη διάρκεια της προπόλωσης, εμφανίζεται ένα είδος αλυσιδωτής αντίδρασης. Ένας μεγάλος αριθμός καναλιών ιόντων νατρίου που εξαρτώνται από την τάση ανοίγουν ξαφνικά. Η προσωρινή εισροή νατρίου που μοιάζει με χιονοστιβάδα κατά μήκος της βαθμίδας τάσης εντείνει την αποπόλωση μέχρι την πλήρη κατάρρευση του δυναμικού ηρεμίας. Έχει δημιουργηθεί ένα δυναμικό δράσης, δηλ.για περίπου ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου, τα υπερβολικά θετικά φορτία μέσα στο κελί προκαλούν αντιστροφή της πολικότητας.
Αφού ενεργοποιηθεί επιτυχώς ένα δυναμικό δράσης, το αρχικό δυναμικό μεμβράνης αποκαθίσταται σταδιακά. Ενώ η εισροή νατρίου είναι αργή, ανοίγουν τα καθυστερημένα κανάλια καλίου. Η αυξανόμενη εκροή καλίου αντισταθμίζει τη μείωση της εισροής νατρίου και εξουδετερώνει την αποπόλωση. Κατά τη διάρκεια αυτής της λεγόμενης επαναπόλωσης, το δυναμικό της μεμβράνης γίνεται ξανά αρνητικό και ακόμη και για λίγο πέφτει κάτω από την τιμή του δυναμικού ηρεμίας.
Στη συνέχεια, η αντλία νατρίου-καλίου αποκαθιστά την αρχική κατανομή ιόντων. Η διέγερση εξαπλώνεται με τη μορφή του δυναμικού δράσης μέσω του άξονα στο επόμενο νευρικό ή μυϊκό κύτταρο.
Η διέγερση διέγερσης λαμβάνει χώρα σε έναν σταθερό μηχανισμό. Για να αντισταθμιστεί η αποπόλωση, τα γειτονικά ιόντα μεταναστεύουν στον τόπο όπου σχηματίζεται το δυναμικό δράσης. Αυτή η μετανάστευση ιόντων οδηγεί επίσης σε μια αποπόλωση στη γειτονική περιοχή, η οποία προκαλεί ένα νέο δυναμικό δράσης με καθυστέρηση όταν επιτευχθεί το όριο.
Σε νευρώνες χωρίς μυελίνη, μπορεί να παρατηρηθεί συνεχής μετάδοση της διέγερσης κατά μήκος της μεμβράνης, ενώ η διέγερση πηδά από δακτύλιο σε δακτύλιο σε νευρικές ίνες που περιβάλλονται από θήκη μυελίνης. Το αντίστοιχο τμήμα της μεμβράνης στην οποία ενεργοποιείται το δυναμικό δράσης δεν μπορεί να διεγερθεί έως ότου αποκατασταθεί το δυναμικό ηρεμικής μεμβράνης, το οποίο επιτρέπει την διέγερση να περάσει σε μία μόνο κατεύθυνση.
Ασθένειες και παθήσεις
Το δυναμικό κατωφλίου είναι η προϋπόθεση για τη δημιουργία δυνατοτήτων δράσης, στις οποίες βασίζεται τελικά ολόκληρη η μετάδοση νευρικών παλμών ή διέγερσης. Δεδομένου ότι η διεξαγωγή διέγερσης είναι απαραίτητη για όλες τις φυσιολογικές λειτουργίες, οποιαδήποτε διαταραχή αυτής της ευαίσθητης ηλεκτροφυσιολογίας μπορεί να οδηγήσει σε φυσικούς περιορισμούς.
Η υποκαλιαιμία, δηλ. Ανεπάρκεια καλίου, έχει επιβραδυντική επίδραση στην αποπόλωση και επιταχύνει την επαναπόλωση αποδυναμώνοντας το δυναμικό ηρεμικής μεμβράνης, το οποίο σχετίζεται με βραδύτερη διεξαγωγή διέγερσης και τον κίνδυνο μυϊκής αδυναμίας ή παράλυσης. Σε ασθένειες που βλάπτουν το περίβλημα μυελίνης των νευρικών ινών (π.χ. σκλήρυνση κατά πλάκας), εκτίθενται τα υποκείμενα κανάλια καλίου, με αποτέλεσμα την ανεξέλεγκτη εκροή ιόντων καλίου από το εσωτερικό του κυττάρου και έτσι επίσης την πλήρη απουσία ή αποδυνάμωση του δυναμικού δράσης.
Επιπλέον, οι γενετικές μεταλλάξεις στις πρωτεΐνες του διαύλου για νάτριο και κάλιο μπορούν να προκαλέσουν λειτουργικές διαταραχές διαφόρων βαθμών, ανάλογα με τη θέση των προσβεβλημένων διαύλων. Για παράδειγμα, ελαττώματα στα κανάλια καλίου στο εσωτερικό αυτί σχετίζονται με απώλεια ακοής στο εσωτερικό αυτί. Παθολογικά αλλοιωμένα κανάλια νατρίου στους σκελετικούς μύες προκαλούν τη λεγόμενη μυοτονία, τα οποία χαρακτηρίζονται από αυξημένη ή παρατεταμένη ένταση και καθυστερημένη χαλάρωση των μυών. Ο λόγος για αυτό είναι ένα ανεπαρκές κλείσιμο ή απόφραξη των καναλιών νατρίου και συνεπώς η δημιουργία υπερβολικών δυνατοτήτων δράσης.
Η διακοπή των καναλιών νατρίου ή καλίου στους καρδιακούς μυς μπορεί να προκαλέσει αρρυθμίες, δηλαδή καρδιακές αρρυθμίες όπως αυξημένο καρδιακό ρυθμό (ταχυκαρδία), καθώς μόνο η σωστή διεξαγωγή διέγερσης στην καρδιά εγγυάται έναν σταθερό, ανεξάρτητο καρδιακό ρυθμό. Στην περίπτωση ταχυκαρδίας, μπορεί να διαταραχθούν διάφορα στοιχεία εντός της αλυσίδας μετάδοσης: για παράδειγμα ο ρυθμός της αυτόματης αποπόλωσης ή η χρονική σύζευξη της αποπόλωσης των μυϊκών κυττάρων ή η συχνότητα διέγερσης λόγω έλλειψης φάσεων ανάπαυσης.
Κατά κανόνα, η θεραπεία πραγματοποιείται με αναστολείς διαύλων νατρίου, οι οποίοι αναστέλλουν την εισροή νατρίου και έτσι αφενός σταθεροποιούν το δυναμικό της μεμβράνης και αφετέρου καθυστερούν την εκ νέου διέγερση του κυττάρου. Κατ 'αρχήν, όλοι οι τύποι καναλιών ιόντων μπορούν να αποκλειστούν επιλεκτικά. Στην περίπτωση των καναλιών νατρίου που εξαρτώνται από την τάση, αυτό γίνεται μέσω των λεγόμενων τοπικών αναισθητικών. Αλλά οι νευροτοξίνες, όπως το δηλητήριο του mamba (δενδροτοξίνη) ή το δηλητήριο του ψαριού puffer (τετροδοτοξίνη) μπορούν να μειώσουν ή να απενεργοποιήσουν τη διέγερση του κυττάρου αναστέλλοντας την εισροή νατρίου και εμποδίζοντας την ανάπτυξη δυναμικού δράσης.
