Akční potenciál

Téměř všechny buněčné membrány živočichů, rostlin a hub udržují rozdíl napětí mezi vnitřním prostředím buňky a vnějším prostředím. Napětí se v těchto případech měří v milivoltech (mV). Běžné napětí napříč membránou živočišné buňky je přibližně -65 mV. Díky velmi malé tloušťce buněčné membrány vytváří již tyto hodnoty napětí velmi silné elektrické síly v okolí membrány.

Ve většině buněk bývá napětí téměř vždy stálé. Existují však typy buněk, které jsou elektricky aktivní a jejich napětí se mění. V některých může napětí výrazně vzrůstat a klesat na určité stálé hodnoty. Tyto cykly klesání a vzrůstání napětí se nazývají akční potenciály. Trvání AP se může velmi různit, v důsledku toho jsou to vlastně analogové signály. V mozkových buňkách živočichů může celý cyklus proběhnout za méně než tisícinu sekundy. V jiných typech buněk může trvat i několik sekund.

Elektrické vlastnosti živočišné buňky jsou určeny strukturou membrány, která ji obklopuje. Buněčná membrána se skládá z dvojité vrstvy lipidů, ve které jsou zakotveny větší molekuly proteinů. Lipidová vrstva je velmi odolná vůči průchodu elektricky nabitých iontů, takže funguje jako izolant. Naproti tomu molekuly proteinů vytváří v membráně kanály, kterými mohou proudit ionty. Některé molekuly dokonce mohou určité ionty aktivně přenášet z jedné strany membrány na druhou.

Obrázek 1. A. ukazuje průběh ideálního akčního potenciálu a jeho fází u jedné části membrány. B. Záznamy skutečného akčního potenciálu se většinou liší od vzorových schémat, protože k záznamu jsou používány různé elektrofyziologické metody.

Všechny buňky v tkáních těl živočichů jsou polarizované. Udržují rozdíl napětí napříč membránou, tzv. membránový potenciál. Polarizace je výsledkem komplexní souhry mezi membránovými strukturami proteinů, neboli iontovými pumpami, a iontovými kanály. V neuronu se iontové kanály vyskytují v různých částech buňky, což zajišťuje různé vlastnosti dendritů, axonů a těla buňky. Výsledkem toho jsou určité části membrány vzrušivé (schopné vytvářet akční potenciál), zatímco ostatní ne. Za nejvíce vzrušivou část neuronu se současně považuje tzv. iniciální segment (místo, kde axon opouští tělo neuronu). Axon a buněčné tělo bývají většinou také vzrušivé.

Každá vzrušivá část membrány má dvě důležité hodnoty membránového potenciálu: klidový potenciál, což je hodnota membránového potenciálu po dobu, kdy buňku nic nerozrušuje, a vyšší hodnotu, zvanou prahový potenciál. Na iniciálním segmentu neuronu je hodnota klidového potenciálu asi -70 mV a prahového -55 mV. Excitační postsynaptický potenciál, resp.inhibiční postsynaptický potenciál z dendritů neuronu způsobují na membráně depolarizaci, resp.hyperpolarizaci. Tedy zvyšují, či snižují membránový potenciál. Akční potenciál vzniká při dostatečně velké depolarizaci, která zvýší membránový potenciál na hodnotu prahového potenciálu. Když vznikne AP, tak hodnota membránového potenciálu doslova "vystřelí" až k hodnotám kolem +100 mV. Pak stejně rychle klesá, většinou až pod prahovou hodnotu, kde nějakou chvíli zůstane. Tento průběh bývá stále stejný. Výchylky při stoupání a klesání hodnoty potenciálu jsou u jedné buňky stejné, stejně tak trvání tohoto procesu. Jak již bylo řečeno, proces trvá většinou v tisícinách sekundy. Mnoho druhů neuronů tvoří AP konstantně 10× až 100× za sekundu. Některé typy jsou však méně aktivní a mezi jednotlivými AP mohou být prodlevy v délce několika minut.

Předtím, než budeme uvažovat o tom, jak se AP šíří po axonech a co se děje v synapsích, tak je důležité poznat způsoby, kterými může AP v iniciačním segmentu vznikat. Základním požadavkem je zvýšení membránového potenciálu na iniciačním segmentu nad prahovou hodnotu. Existuje několik způsobů, jak depolarizace vzniká.

Když akční potenciál dorazí na konec presynaptického axonu (žlutě), tak to způsobí uvolnění molekul neurotransmiteru, který otevře iontové kanály postsynaptického neuronu (zeleně). Kombinace excitačních a inhibičních postsynaptických potenciálů může způsobit vznik dalšího akčního potenciálu v postsynaptickém neuronu.

AP jsou většinou iniciovány excitačními postsynaptickými potenciály z presynaptických neuronů. Ty uvolňují molekuly neurotransmiteru, které se následně navážou na receptory postsynaptické buňky. Tato vazba způsobuje otevření iontových kanálů. To má další vliv na propustnost membrány buňky a tedy i na změnu membránového potenciálu. Pokud vazba zvýší napětí (depolarizuje membránu), tak se synapse stane vodivou. Pokud ale vazba sníží napětí (hyperpolarizace), tak dojde k inhibici.

Ať je napětí změněno jakkoliv, tak změny se pasivně přenáší do okolních částí membrány (jak popisuje teorie kabelu). Síla napěťového stimulu klesá exponenciálně se vzdáleností od synapse a časem navázání neurotransmiteru. Zlomky tohoto excitačního napětí mohou dojít až k iniciálnímu segmentu a výjimečně mohou dostatečně depolarizovat membránu, aby vznikl AP. Většinou ale musí několik excitačních potenciálů z různých synapsí pracovat společně skoro ve stejnou chvíli, aby dokázaly vybudit vznik nového AP. Jejich společná snaha však může být zmařena protichůdnými inhibičními postsynaptickými potenciály.

Neurotransmitery mohou projít i přes elektrické synapse. Díky přímému spojení dvou vzrušivých buněk pomocí tzv. gap junctions (nexů) může být AP obousměrně přenesen přímo z jedné buňky do druhé. Volný tok iontů mezi buňkami vyvolá rapidní ne-chemicky zprostředkovanou transmisi. Usměrňovací kanály zajišťují, že AP bude elektrickou synapsí procházet je jedním směrem. Elektrické se nachází ve všech nervových soustavách, včetně lidského mozku, i když jen v malém množství.

Amplituda akčního potenciálu je nezávislá na počtu impulzů, které jej vyvolaly. Jinými slovy, větší proud neznamená větší AP. Akční potenciály jsou signály "vše nebo nic", což znamená, že buď se vytvoří, nebo vůbec ne. Nic mezi tím. Oproti tomu receptorové potenciály mohou mít různou amplitudu závislou na intenzitě stimulu.

AP obvykle vzniká na v iniciálním segmentu, vlivem silné depolarizace, tedy stimulem, který zvýší Vm. Depolarizace je vyvolána přítokem sodných kationtů do buňky. Tyto kationty mohou přijít z několika zdrojů (synapse, smyslové neurony).

U neuronu je v klidovém stavu v extracelulární tekutině vysoká koncentrace iontů chloru a sodíku v porovnání s vnitřkem buňky, zatímco uvnitř buňky je vysoká koncentrace iontů draslíku oproti mimobuněčné tekutině. Tento koncentrační gradient, společně s draselnými kanály v membráně neuronu, způsobí odtok draselných iontů a klidový potenciál se blíží hodnotě -75mV. Depolarizace otevře kanály sodíku i draslíku, což umožní obousměrný tok iontů v axonu. Pokud je depolarizace malá (-70mv až -60mV), tak odtok iontů draslíku převládne nad přítokem iontů sodíku a membrána se repolarizuje zpět na klidovou hodnotu kolem -70mV. Když je však depolarizace dostatečná, tak se zvýší proud sodných iontů do buňky a převládne nad draselným. Díky pozitivní vazbě platí: větší přísun iontů znamená větší rozdíl Vm, což dále vede k většímu přísunu. Dostatečná depolarizace (zvýšení Vm) způsobí otevření napěťově řízených kanálů sodíku, zvyšující se propustnost membrány směřuje k hodnotě rovnoměrného napětí sodíku (ENa = +55mV). Zvyšující se napětí otevírá ještě více kanálů sodíku, což sune hodnotu Vm stále blíže ENa. Prudký vzrůst Vm a propustnosti pro sodík odpovídá fázi růstu AP.

Kritická hodnota pro tento děj je obvykle asi -45mV, ale závisí to na předchozí aktivitě axonu. Membrána, která právě vytvořila AP nemůže ihned vytvořit další, protože iontové kanály se ještě nevrátily do deaktivovaného stavu. Doba, po kterou nemůže být vytvořen nový AP se nazývá absolutní refrakterní perioda. Po delší době, kdy se část kanálů obnoví, může vzniknout další AP, ale prahová hodnota je vyšší a musí tak dojít k mnohem silnější depolarizaci (až -30mV). Doba, po kterou je obtížnější vytvořit AP se nazývá relativní refrakterní perioda.

Pozitivní zpětná vazba se v průběhu fáze růstu zpomaluje, a když se kanály sodíku maximálně otevřou, tak se nakonec zastaví. Při vrcholu AP je propustnost pro sodík maximální a membránové napětí Vm je téměř na hodnotě rovnoměrného napětí ENa. Vzrůst napětí, který původně otevřel kanály sodíku, je také pomalu uzavírá. Kanály se stanou neaktivními. To sníží propustnost pro sodík ve prospěch draslíku, což vede k poklesu membránového napětí zpět na klidovou hodnotu. Ve stejnou chvíli se otevřou kanály pro draslík, což vede ke zvýšení propustnosti pro draslík a hodnota membránového napětí míří k rovnovážné hodnotě draslíku EK. Kombinací těchto změn v propustnosti pro sodík a draslík se hodnota Vm rychle sníží, dojde k repolarizaci membrány, a tedy k fázi poklesu AP.

Zvýšení napětí otevřelo mnohem více kanálů draslíku, než je obvyklé a některé z nich se nezavřou ihned v dobu, kdy se napětí membrány vrací do klidové hodnoty. Navíc se další kanály draslíku otevírají jako odpověď na přítok iontů vápníku během AP. Propustnost membrány pro draslík je dočasně velmi vysoká, což posouvá hodnotu Vm blíže k rovnovážné hodnotě draslíku EK. Následuje tedy podkmit, neboli hyperpolarizace. (Hodnota KMP se tedy dostává ještě níže, než byla původní hodnota.) Ta trvá, dokud se propustnost pro draslík nevrátí do normálu.

Po každém AP následuje refrakterní doba. Dělí se na absolutní a relativní. Tyto dvě periody vznikají vlivem změn molekul sodných a draselných kanálů. Při uzavření po AP jsou kanály sodíku v deaktivovaném stavu, kdy je nelze otevřít, bez ohledu na membránový potenciál. Takto vzniká absolutní refrakterní perioda. I po tom, co se některé kanály vrátí do aktivního stavu, se často stává, že zlomek draselných kanálů zůstává otevřených, a je tedy obtížnější vyvolat depolarizaci. A tehdy se jedná o relativní refrakterní periodu. Protože se množství a podtypy draselných kanálů mohou velmi lišit u jednotlivých typů neuronů, tak bývá doba trvání relativní refrakterní periody dosti odlišná.

Absolutní refrakterní perioda se velkou měrou podílí na jednosměrném šíření AP na axonech. V daný moment je refrakterní segment ten, který se nachází za segmentem právě aktivním. Segment, který se nachází před ním však ještě nebyl aktivován a může být depolarizován akčním potenciálem.

Aby byl elektrických signál přenášen rychleji, tak jsou některé axony obaleny myelinovou pochvou. Myelin tvoří vícevrstvé membrány, které obalují části axonu a rozdělují jej tzv. Ranvierovými zářezy na segmenty. Myelin je tvořen Schwannovými buňkami (PNS), nebo oligodendrocyty (CNS). Myelin snižuje kapacitu a zvyšuje odpor membrány, takže signál putuje rychleji. Myelinizované axony se vyskytují především u obratlovců. Ale ne u všech neuronů je přítomna myelinová pochva. Např. axony postgangliových neuronů autonomního nervového systému většinou nejsou myelinizované.

Myelin také zabraňuje pohybu iontů. Myelin obecně zvyšuje rychlost vedení AP a přenos je tak efektivnější. Rychlost může být 1-100 m/s, přičemž větší průměr axonu znamená vyšší rychlost. AP nemohou putovat po membráně v myelinizovaných úsecích axonu. Proud však putuje cytoplazmou, která je schopna depolarizovat 1 až 2 následující Ranvierovy zářezy. Proud iontů z AP na jednom zářezu vytvoří další AP na následujícím zářezu. Toto zjevné "hopsání" akčního potenciálu ze zářezu do zářezu se nazývá saltatorické šíření. Poprvé s touto myšlenkou přišel Ralph Lillie, ale experimentálně ji dokázali až Ichiji Tasaki a Taiji Takeuch, a také Andrew Huxley a Robert Stämpfli. U nemyelinizovaných axonů se AP přenáší po membráně a šíří se kontinuálně jako vlna.

Porovnání rychlostí šíření vzruchu u myelinizovaných a nemyelinizovaných axonů u kočky. Rychlost "v" myelinizovaného neuronu má téměř lineární průběh v závislosti na průměru axonu "d" (přímá úměrnost), zatímco křivka rychlosti u nemyelinizovaného axonu má tvar paraboly (kvadratická závislost). Červené a modré křivky jsou výsledkem experimentů, zatímco přerušované čáry jsou teoretické představy.

Myelin má dvě hlavní výhody: rychlost přenosu a energetická výhodnost. U axonů s minimálním průměrem (asi 1 mikrometr) myelin zvyšuje rychlost desetinásobně. Naopak myelinová vlákna jsou menší než nemyelinizovaná. Například, akční potenciály se v myelinizovaných i nemyelinizovaných axonech žáby šíří zhruba stejnou rychlostí, asi 25m/s. Ale žabí axon má asi třicetkrát menší průměr a tisíckrát menší plochu průřezu. Pokud jsou ionty hromaděny v Ranvierových zářezech, tak projde membránou mnohem méně iontů, což šetří energii. To je velmi výhodné, jelikož nervový systém člověka využívá asi 20% energie metabolismu.

Délka myelinizovaných segmentů je důležitá pro úspěšné saltatorické šíření. Měly by být co nejdelší, aby byla maximalizována rychlost, ale ne tak dlouhé, aby byl signál příliš slabý. V přírodě jsou většinou axony dost dlouhé na to, aby přenesly signál minimálně přes dva zářezy. Faktor bezpečnosti saltatorického šíření je tedy vysoký, umožňující obejít přenos přes zářezy v případě zranění. AP může skončit předčasně v místech s nízkým faktorem bezpečnosti. Příkladem je místo, kde se axon různě větví.

Některé choroby ničí myelin a narušují saltatorické šíření, a tedy snižují rychlost přenosu AP. Nejznámější je roztroušená skleróza, kde degradací myelinu dochází k problémům s koordinací.

Zjednodušený model nervového vlákna dle teorie kabelu. Propojené RC obvody odpovídají segmentům neaktivního neuritu. Mimobuněčný ani vnitrobuněčný odpor nejsou zobrazeny, jelikož jsou zanedbatelně malé. Dá se říci, že mimobuněčné medium má všude stejné napětí.

Tok proudu v axonech lze kvantitativně popsat teorií kabelu a jejím zpracováním, jako je například komparmentový model. Tuto teorii vytvořil v roce 1855 Lord Kelvin, aby vytvořil model transatlantického telegrafního kabelu. V roce 1946 Hodgkin a Rushton ukázali, že tento model je podobný pro neurony. V zjednodušené teorii je neuron považován za elektricky neutrální a dokonale propustný kabel, který lze popsat parciální diferenciální rovnicí,

${\displaystyle \tau {\frac {\partial V}{\partial t}}=\lambda ^{2}{\frac {\partial ^{2}V}{\partial x^{2}}}-V}$

kde V(x,t) je napětí membrány v čase t a na pozici x podél neuronu, a kde jsou lambda a tau (${\displaystyle \lambda ,\tau }$) charakteristické škály délky a času, dle kterých se napětí poklesne reakcí na stimul. Dle schématu obvodu na obrázku lze tyto škály určit z odporu a kapacity na jednotku délky.

${\displaystyle \tau =\ r_{m}c_{m}\,}$

${\displaystyle \lambda ={\sqrt {\frac {r_{m}}{r_{l}}}}}$

Z těchto škál lze odvodit závislost rychlosti vzruchu na průměru neuronu v nemyelinizovaných vláknech. Například časová škála t se zvyšuje s odporem i kapacitou membrány. Když se zvýší kapacita, tak musí být převeden větší náboj, aby vzniklo odpovídající napětí (dle rovnice Q=CV). Když se zvýší odpor, tak je za jednotku času přenesen menší náboj, což zpomaluje vyrovnání. A podobně, když je vnitřní odpor v závislosti na jednotce délky nižší v jednom axonu oproti druhému (protože poloměr původního je větší). Prostorová délka útlumu lambda se prodlužuje a rychlost AP by se měla zvětšovat. Pokud se zvýší vnitřní odpor membrány r_m, tak se sníží průměrný "průchod" proudu membránou, což rovněž vede k prodloužení lambda a zvýšení rychlosti.

Akční potenciál, který dosáhne terminálního butonu způsobí uvolnění neurotransmiteru do synaptické štěrbiny. Neurotransmitery jsou malé molekuly, které mohou otevřít iontové kanály v postsynaptické buňce. S příchodem AP se v presynaptické membráně otevřou napěťově řízené iontové kanály pro vápník. Přísun vápenatých iontů způsobí pohyb vezikulů s neurotransmiterem na povrch buňky, kde uvolní svůj obsah do synaptické štěrbiny. Tento komplexní proces je inhibován neurotoxinem tetanospasminem a botulinum toxinem, jež způsobují tetanus a botulismus.

Elektrické synapse mezi vzrušivými buňkami umožňují průchod iontů mezi buňkami a jsou mnohem rychlejší než chemické synapse.

AP může být přenášen i mezibuněčnými spoji, jako třeba gap junctions (nexy). Iontový proud může tedy přímo stimulovat postsynaptickou buňku. Tento způsob je rychlejší, protože není třeba pomalé difuze neurotransmiterů skrz štěrbinu. Tyto synapse se používají, když je třeba okamžitá reakce a časová koordinace je kritická, například při únikových reflexech, v sítnici obratlovců, v srdci.

Fáze srdečního akčního potenciálu. Prudký růst napětí (0) odpovídá přítoku sodných iontů, zatímco dva poklesy (1 a 3) odpovídají deaktivaci sodných kanálů a repolarizaci odtokem draselných iontů. Charakteristické plató je výsledkem otevření vápenatých kanálů.

Tento AP se liší tím, že trvá mnohem déle, fáze vrcholu na grafu připomíná plošinu (plató). Membrána je po delší dobu držena na vysoké hodnotě napětí, dokud nedojde k poklesu tokem iontů draslíku, jako obvykle. Tento delší průběh je způsoben pomalejším otevíráním vápenatých kanálů, které si udržují rovnovážnou hodnotu i po tom, co byly deaktivovány sodné kanály.

Srdeční akční potenciál hraje důležitou roli při koordinaci stahů srdce. Buňky sinoatriálního uzlu vytváří rytmický potenciál (pacemaker potencial), který řídí srdce. Tento AP putuje do atrioventrikulárního uzlu, který je běžně jediným vodivým spojením mezi komorami a síněmi. AP pak jde přes Hisův svazek a ten se rozděluje na Purkyňova vlákna. Poruchy srdeční AP vedou k různým nemocem, například arytmiím. Několik antiarytmických léku má vliv na tento AP, například quinidin, lidokain, beta blokátory, verapamil.

Je podobný jako AP neuronů. AP je výsledkem depolarizace membrány (sarkolemy), otevřou se sodné kanály, které jsou pak deaktivovány a dojde k repolarizaci a toku draselných iontů ven. Klidový potenciál bývá kolem -90 mV, tedy o něco nižší než u neuronů. AP trvá asi 2-4 ms, absolutní refrakterní perioda trvá 1-3 ms a rychlost šíření je asi 5 m/s. AP uvolní vápenaté ionty, které uvolní tropomyozin a umožní kontrakci svalu. AP vznikají v nervosvalové ploténce, která je častým terčem neurotoxinů.

Buňky rostlin a hub jsou také vzrušivé. Hlavní rozdíl je v tom, že depolarizace není vyvolána zvýšením počtu sodných iontů, ale uvolněním aniontů chloru. Společně s následným uvolněním draselných iontů, jejichž role je společná i u zvířat, AP vyvolá rozdíl v osmotickém tlaku (KCl), zatímco u zvířat je osmotický tlak neutrální. Tlak je vyrovnán přesunem draselných i chloridových iontů. Vztah mezi osmózou a elektřinou v rostlinných buňkách svědčí o společné funkci osmózy a elektrické vzrušivosti, při změnách podmínek slanosti u jednobuněčných předků rostlin a zvířat, zatímco současná funkce rychlého přenosu signálu je viděna jako mladší úspěch živočišných buněk v stabilnějším osmotickém prostředí. Je třeba předpokládat, že podobná signalizační funkce AP u některých cévnatých rostlin (Mimosa pudica) se vyvinula nezávisle na živočišných vzrušivých buňkách.