Drempelpotentieel

De Drempelpotentieel beschrijft een specifiek ladingsverschil op het membraan van exciteerbare cellen. Als de membraanpotentiaal in de loop van de depolarisatie tot een bepaalde waarde afneemt, wordt een actiepotentiaal opgewekt via het openen van spanningsafhankelijke ionenkanalen. De telkens te bereiken waarde, die nodig is voor het opwekken van een actiepotentiaal, is essentieel voor de geleiding van excitatie vanwege het alles-of-niets-principe.

Wat is het drempelpotentieel?

Het cellulaire interieur is gescheiden van het omringende externe medium door een membraan, dat slechts gedeeltelijk doorlaatbaar is voor bepaalde stoffen. Dit betekent dat ionen, d.w.z. geladen deeltjes, er niet ongecontroleerd doorheen kunnen. Door de ongelijke verdeling van de ionen tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel ontstaat er een meetbaar elektrochemisch potentiaal, de zogenaamde drempelpotentiaal.

Zolang de cel niet gestimuleerd wordt, is deze rustmembraanpotentiaal negatief. De elektrische impuls die bij de cel aankomt, activeert deze of brengt deze in een aangeslagen toestand. De negatieve rustmembraanpotentiaal wordt gedepolariseerd door een veranderde ionenpermeabiliteit, d.w.z. positiever. Of er een neurale respons optreedt, hangt af van de mate van deze pre-depolarisatie. Volgens het alles-of-niets-principe ontstaat er pas een actiepotentiaal als een bepaalde kritische waarde wordt bereikt of overschreden. Anders gebeurt er niets. Deze specifieke waarde die nodig is voor het geleiden van excitatie door middel van actiepotentialen wordt het drempelpotentiaal genoemd.

Functie en taak

Het aanspreekpunt voor alle inkomende excitatie-impulsen is de axonheuvel. Dit markeert de plaats waar de actiepotentiaal wordt gevormd, aangezien de drempelpotentiaal daar lager is dan op andere membraandelen vanwege een bijzonder hoge dichtheid van spanningsafhankelijke ionenkanalen.

Zodra in de loop van de pre-depolarisatie de drempelpotentiaal wordt bereikt of overschreden treedt er een soort kettingreactie op. Een groot aantal spanningsafhankelijke natriumionkanalen gaat plotseling open. De tijdelijke, lawine-achtige natriuminstroom langs de spanningsgradiënt versterkt de depolarisatie tot de volledige ineenstorting van het rustmembraanpotentiaal. Er wordt een actiepotentiaal vastgesteld, d.w.z.gedurende ongeveer een milliseconde veroorzaken de overtollige positieve ladingen in de cel een omkering van de polariteit.

Nadat een actiepotentiaal met succes is geactiveerd, wordt het oorspronkelijke membraanpotentieel geleidelijk hersteld. Terwijl de natriuminstroom langzaam is, gaan vertraagde kaliumkanalen open. De toenemende kaliumuitstroom compenseert de afnemende natriuminstroom en gaat de depolarisatie tegen. Tijdens deze zogenaamde repolarisatie wordt de membraanpotentiaal weer negatief en daalt zelfs kort onder de waarde van de rustpotentiaal.

De natrium-kaliumpomp herstelt vervolgens de oorspronkelijke ionenverdeling. De excitatie verspreidt zich in de vorm van het actiepotentiaal via het axon naar de volgende zenuw- of spiercel.

De excitatiegeleiding vindt plaats in een constant mechanisme. Om de depolarisatie te compenseren, migreren naburige ionen naar de plaats waar het actiepotentiaal wordt gevormd. Deze migratie van ionen leidt ook tot een depolarisatie in de aangrenzende regio, die met een vertraging een nieuw actiepotentiaal induceert wanneer de drempelpotentiaal wordt bereikt.

Bij neuronen zonder myeline kan een continue transmissie van de excitatie langs het membraan worden waargenomen, terwijl de excitatie van ring naar ring springt in zenuwvezels die zijn omgeven door een myeline-omhulsel. De respectievelijke sectie van het membraan waarop de actiepotentiaal wordt geactiveerd, kan niet worden geëxciteerd totdat de rustende membraanpotentiaal is hersteld, waardoor de excitatie slechts in één richting kan worden doorgegeven.

Ziekten en aandoeningen

Het drempelpotentieel is de voorwaarde voor het creëren van actiepotentialen, waarop uiteindelijk de volledige overdracht van zenuwimpulsen of excitatie is gebaseerd. Aangezien de geleiding van excitatie essentieel is voor alle fysiologische functies, kan elke verstoring van deze gevoelige elektrofysiologie tot fysieke beperkingen leiden.

Hypokaliëmie, d.w.z. een kaliumtekort, heeft een vertragend effect op de depolarisatie en versnelt de repolarisatie door de rustmembraanpotentiaal te verzwakken, wat gepaard gaat met een langzamere geleiding van excitatie en het risico op spierzwakte of verlamming. Bij ziekten die de myeline-omhulling van zenuwvezels beschadigen (bijv. Multiple sclerose), worden de onderliggende kaliumkanalen blootgesteld, wat resulteert in een ongecontroleerde uitstroom van kaliumionen vanuit de binnenkant van de cel en dus ook de volledige afwezigheid of verzwakking van het actiepotentiaal.

Bovendien kunnen genetische mutaties in de kanaaleiwitten voor natrium en kalium functionele beperkingen in verschillende mate veroorzaken, afhankelijk van de locatie van de aangetaste kanalen. Defecten in de kaliumkanalen in het binnenoor worden bijvoorbeeld geassocieerd met gehoorverlies in het binnenoor. Pathologisch veranderde natriumkanalen in de skeletspieren veroorzaken zogenaamde myotonie, die wordt gekenmerkt door verhoogde of aanhoudende spanning en vertraagde ontspanning van de spieren. De reden hiervoor is een onvoldoende afsluiting of blokkering van de natriumkanalen en dus het genereren van overmatige actiepotentialen.

Een verstoring van de natrium- of kaliumkanalen in de hartspier kan aritmieën veroorzaken, d.w.z. hartritmestoornissen zoals een versnelde hartslag (tachycardie), aangezien alleen de juiste geleiding van excitatie in het hart een stabiel, onafhankelijk hartritme garandeert. Bij tachycardie kunnen verschillende elementen in de transmissieketen worden verstoord: bijvoorbeeld het ritme van de automatische depolarisatie of de temporele koppeling van de depolarisatie van spiercellen of de frequentie van excitatie door gebrek aan rustfasen.

In de regel wordt de therapie uitgevoerd met natriumkanaalblokkers, die de instroom van natrium remmen en zo enerzijds de membraanpotentiaal stabiliseren en anderzijds de hernieuwde prikkelbaarheid van de cel vertragen. In principe kunnen alle soorten ionenkanalen selectief worden geblokkeerd. Bij spanningsafhankelijke natriumkanalen gebeurt dit via zogenaamde lokale anesthetica. Maar neurotoxinen zoals het gif van de mamba (dendrotoxine) of het gif van de kogelvis (tetrodotoxine) kunnen de prikkelbaarheid van de cel verminderen of uitschakelen door de instroom van natrium te remmen en de ontwikkeling van een actiepotentiaal te voorkomen.