Hüperpolarisatsioon on bioloogiline protsess, mille käigus membraani pinge suureneb ja ületab puhkeväärtuse. See mehhanism on oluline inimkeha lihaste, närvide ja sensoorsete rakkude funktsioneerimiseks. See võimaldab kehal lubada ja juhtida selliseid toiminguid nagu lihasliigutused või nägemine.
Mis on hüperpolarisatsioon?
Inimese keha rakud on suletud membraaniga. Seda nimetatakse ka plasmamembraaniks ja see koosneb lipiidide kaksikkihist. See eraldab rakusisese piirkonna, tsütoplasma, ümbritsevast piirkonnast.
Inimese keharakkude, näiteks silma lihas-, närvi- või sensoorsete rakkude membraanipingetel on puhkeasendis puhkepotentsiaal. See membraanipinge tuleneb asjaolust, et raku sees ja rakuvälises piirkonnas on negatiivne laeng, s.o. väljaspool rakke on positiivne laeng.
Puhkepotentsiaali väärtus sõltub lahtri tüübist. Kui see membraanipinge puhkepotentsiaal ületatakse, toimub membraani hüperpolariseerumine. See muudab membraani pinge negatiivsemaks kui puhkepotentsiaali ajal, s.o. lahtri sees olev laeng muutub veelgi negatiivsemaks.
Tavaliselt toimub see pärast ioonikanalite avanemist või sulgemist membraanis. Need ioonkanalid on kaaliumi, kaltsiumi, kloriidi ja naatriumi kanalid, mis toimivad pingest sõltuval viisil.
Hüperpolarisatsioon toimub pingest sõltuvate kaaliumikanalite tõttu, mille sulgemiseks on vaja teatud aega pärast puhkepotentsiaali ületamist. Nad transpordivad positiivselt laetud kaaliumioonid rakuvälisse piirkonda. See viib korraks raku sees negatiivsema laenguni ehk hüperpolariseerumiseni.
Funktsioon ja ülesanne
Rakumembraani hüperpolarisatsioon on osa nn aktsioonipotentsiaalist. See koosneb erinevatest etappidest. Esimene etapp on rakumembraani lävipotentsiaali ületamine, millele järgneb depolarisatsioon, raku sees on positiivsem laeng. See viib repolarisatsioonini, mis tähendab, et puhkepotentsiaal saavutatakse uuesti. Siis toimub hüperpolariseerumine enne, kui rakk taas puhkepotentsiaali saavutab.
Seda protsessi kasutatakse signaalide edastamiseks. Närvirakud moodustavad pärast signaali saamist aksoni künka piirkonnas aktsioonipotentsiaalid. Seejärel antakse see aktsioonipotentsiaalidena edasi.
Seejärel edastavad närvirakkude sünapsid signaali järgmisesse närvirakku neurotransmitterite kujul. Neil võib olla aktiveeriv toime või ka pärssiv toime. Protsess on oluline signaalide edastamisel, näiteks ajus.
Nägemine toimub sarnaselt. Silma rakud, nn vardad ja koonused, saavad signaali välise valguse stiimulist. See viib aktsioonipotentsiaali moodustumiseni ja stiimul kandub edasi aju. Huvitav on see, et stiimuli areng ei toimu depolarisatsiooni kaudu, nagu teiste närvirakkude puhul.
Puhkeasendis on närvirakkude membraanipotentsiaal -65mV, samas kui visuaalsete rakkude membraanipotentsiaal on -40mV puhkepotentsiaalil. See tähendab, et puhkeasendis on neil juba positiivsem membraanipotentsiaal kui närvirakkudel. Visuaalsetes rakkudes arendatakse stiimul hüperpolarisatsiooni kaudu. Selle tulemusel vabastavad visuaalsed rakud vähem neurotransmittereid ja allavoolu asuvad närvirakud saavad neurotransmitterite vähenemise põhjal kindlaks määrata valgussignaali intensiivsuse. Seejärel aju seda signaali töödeldakse ja hinnatakse.
Hüperpolarisatsioon käivitab nägemise või teatud neuronite korral inhibeeriva postsünaptilise potentsiaali (IPSP). Seevastu neuronid aktiveerivad sageli postsünaptilist potentsiaali (APSP).
Hüperpolarisatsiooni teine oluline funktsioon on see, et see takistab rakul muude signaalide põhjal liiga kiiresti aktiveerimispotentsiaali vallandada. Seega pärsib see ajutiselt närvirakku kuuluvate stiimulite teket.
Haigused ja tervisehäired
Südame- ja lihasrakkudel on HCN-kanalid. HCN tähistab hüperpolariseerumisega aktiveeritud tsüklilisi nukleotiididega katioonikanaleid. Need on katioonikanalid, mida reguleerib raku hüperpolarisatsioon. Inimestel on teada nendest HCN-kanalite 4 vormist. Neid nimetatakse HCN-4 kaudu HCN-1. Nad osalevad südame rütmi reguleerimises ja närvirakkude spontaanselt aktiveeruvas tegevuses. Neuronites neutraliseerivad nad hüperpolarisatsiooni, nii et rakk saaks kiiremini puhkepotentsiaali saavutada. Nii lühendavad nad niinimetatud tulekindlat perioodi, mis kirjeldab faasi pärast depolarisatsiooni. Kuid südamerakkudes reguleerivad nad diastoolset depolarisatsiooni, mis tekib südame siinussõlmes.
Hiirtega tehtud uuringutes on näidatud, et HCN-1 kadu põhjustab motoorse liikumise defekti. HCN-2 puudumine põhjustab neuronaalseid ja südamekahjustusi ning HCN-4 kadumine põhjustab loomade surma. On spekuleeritud, et need kanalid võivad olla seotud inimeste epilepsiaga.
Lisaks on teada HCN-4 vormis esinevad mutatsioonid, mis põhjustavad inimestel südame rütmihäireid. See tähendab, et HCN-4 kanali teatud mutatsioonid võivad põhjustada südamerütmi häireid.HCN-kanalid on seetõttu ka südame rütmihäirete, aga ka neuroloogiliste defektide, mille korral neuronite hüperpolarisatsioon kestab liiga kaua, meditsiinilise ravi sihtmärk.
Patsiente, kellel on südame rütmihäired, mille põhjuseks võib olla HCN-4 kanali talitlushäire, ravitakse spetsiifiliste inhibiitoritega. Siiski tuleb mainida, et enamik HCN-kanalitega seotud raviviise on alles katsejärgus ja seetõttu pole need inimestele veel kättesaadavad.
