Hyperpolarisatie

De Hyperpolarisatie is een biologisch proces waarbij de membraanspanning toeneemt en de rustwaarde overschrijdt. Dit mechanisme is belangrijk voor de functie van spier-, zenuw- en sensorische cellen in het menselijk lichaam. Het maakt het mogelijk acties zoals spierbewegingen of visie mogelijk te maken en te controleren door het lichaam.

Wat is hyperpolarisatie?

Cellen in het menselijk lichaam zijn omsloten door een membraan. Het is ook bekend als het plasmamembraan en bestaat uit een lipide dubbellaag. Het scheidt het intracellulaire gebied, het cytoplasma, van het omliggende gebied.

De membraanspanning van cellen in het menselijk lichaam, zoals spier-, zenuw- of sensorische cellen in het oog, kunnen in rust rusten. Deze membraanspanning komt voort uit het feit dat er een negatieve lading is in de cel en in het extracellulaire gebied, d.w.z. buiten de cellen is er een positieve lading.

De waarde voor het rustpotentieel verschilt afhankelijk van het celtype. Als dit rustpotentieel van de membraanspanning wordt overschreden, treedt hyperpolarisatie van het membraan op. Dit maakt de membraanspanning negatiever dan tijdens de rustpotentiaal, d.w.z. de lading in de cel wordt nog negatiever.

Meestal gebeurt dit na het openen of ook sluiten van ionenkanalen in het membraan. Deze ionenkanalen zijn kalium-, calcium-, chloride- en natriumkanalen die spanningsafhankelijk functioneren.

De hyperpolarisatie treedt op als gevolg van spanningsafhankelijke kaliumkanalen die een bepaalde tijd nodig hebben om te sluiten nadat het rustpotentieel is overschreden. Ze transporteren de positief geladen kaliumionen naar het extracellulaire gebied. Dit leidt kortstondig tot een meer negatieve lading in de cel, de hyperpolarisatie.

Functie en taak

De hyperpolarisatie van het celmembraan maakt deel uit van het zogenaamde actiepotentiaal. Dit bestaat uit verschillende fasen. De eerste fase is het overschrijden van de drempelpotentiaal van het celmembraan, gevolgd door depolarisatie, er is een positievere lading in de cel. Dit leidt vervolgens tot repolarisatie, wat betekent dat het rustpotentieel weer wordt bereikt. Dan vindt de hyperpolarisatie plaats voordat de cel weer het rustpotentieel bereikt.

Dit proces wordt gebruikt om signalen door te geven. Zenuwcellen vormen actiepotentialen in het gebied van de axonheuvel nadat ze een signaal hebben ontvangen. Dit wordt vervolgens doorgegeven in de vorm van actiepotentialen langs het axon.

De synapsen van de zenuwcellen geven het signaal vervolgens door aan de volgende zenuwcel in de vorm van neurotransmitters. Deze kunnen activerend werken of ook remmend werken. Het proces is essentieel bij de overdracht van signalen, bijvoorbeeld in de hersenen.

Zien gebeurt ook op een vergelijkbare manier. Cellen in het oog, de zogenaamde staafjes en kegeltjes, ontvangen het signaal van de externe lichtprikkel. Dit leidt tot de vorming van het actiepotentiaal en de stimulus wordt doorgegeven aan de hersenen. Interessant is dat de stimulusontwikkeling niet plaatsvindt via depolarisatie, zoals bij andere zenuwcellen het geval is.

In hun rustpositie hebben zenuwcellen een membraanpotentiaal van -65mV, terwijl visuele cellen een membraanpotentiaal hebben van -40mV bij een rustpotentiaal. Dit betekent dat ze in rust al een positievere membraanpotentiaal hebben dan zenuwcellen. In het geval van visuele cellen ontwikkelt de stimulus zich door hyperpolarisatie. Als gevolg hiervan geven de visuele cellen minder neurotransmitters af en kunnen de stroomafwaartse zenuwcellen de intensiteit van het lichtsignaal bepalen op basis van de vermindering van neurotransmitters. Dit signaal wordt vervolgens verwerkt en geëvalueerd in de hersenen.

De hyperpolarisatie veroorzaakt een remmend postsynaptisch potentieel (IPSP) in het geval van zicht of in bepaalde neuronen. Neuronen daarentegen activeren vaak postsynaptische potentialen (APSP).

Een andere belangrijke functie van hyperpolarisatie is dat het voorkomt dat de cel een actiepotentiaal te snel opnieuw activeert op basis van andere signalen. Het remt dus tijdelijk het genereren van prikkels in de zenuwcel.

Ziekten en aandoeningen

Hart- en spiercellen hebben HCN-kanalen. HCN staat voor hyperpolarisatie-geactiveerde cyclische nucleotide-gated kationkanalen. Dit zijn kationkanalen die worden gereguleerd door de hyperpolarisatie van de cel. Er zijn 4 vormen van deze HCN-kanalen bekend bij mensen. Ze worden HCN-1 tot en met HCN-4 genoemd. Ze zijn betrokken bij de regulatie van het hartritme en bij de activiteit van spontaan activerende zenuwcellen. In neuronen gaan ze hyperpolarisatie tegen, zodat de cel sneller het rustpotentieel kan bereiken. Ze verkorten dus de zogenaamde refractaire periode, die de fase na depolarisatie beschrijft. In hartcellen regelen ze echter de diastolische depolarisatie, die wordt gegenereerd bij de sinusknoop van het hart.

In studies met muizen is aangetoond dat het verlies van HCN-1 een motorische bewegingsstoornis veroorzaakt. De afwezigheid van HCN-2 leidt tot neuronale en hartbeschadiging en het verlies van HCN-4 leidt tot de dood van de dieren. Er is gespeculeerd dat deze kanalen mogelijk verband houden met epilepsie bij mensen.

Bovendien zijn er mutaties in de HCN-4-vorm bekend die bij mensen tot hartritmestoornissen leiden. Dit betekent dat bepaalde mutaties van het HCN-4-kanaal kunnen leiden tot een verstoring van het hartritme.De HCN-kanalen zijn daarom ook het doelwit van medische therapieën voor hartritmestoornissen, maar ook voor neurologische defecten waarbij de hyperpolarisatie van de neuronen te lang duurt.

Patiënten met hartritmestoornissen die terug te voeren zijn op een storing van het HCN-4-kanaal worden behandeld met specifieke remmers. Er moet echter worden vermeld dat de meeste therapieën met betrekking tot de HCN-kanalen nog in de experimentele fase verkeren en daarom nog niet toegankelijk zijn voor mensen.