Akční potenciál je elektrický jev, který se vyskytuje v excitovatelných buňkách, jako jsou neurony a svalové buňky, a hraje zásadní roli v komunikaci mezi těmito buňkami. Tento proces zahrnuje šíření elektrického signálu podél buněčné membrány, což spouští řadu událostí, které vedou k přenosu informací a provádění různých fyziologických funkcí. V této souvislosti je důležité porozumět fázím a šíření akčního potenciálu, abychom pochopili, jak buňky reagují na podněty a koordinují své aktivity.
Fáze akčního potenciálu: seznamte se s celým procesem podrobně a krok za krokem.
Akční potenciál je základní jev pro přenos nervových impulsů a komunikaci mezi buňkami v našem těle. Pro lepší pochopení tohoto procesu je důležité pochopit kroky, kterými se akční potenciál šíří nervovou buňkou.
První fází akčního potenciálu je depolarizace buněčné membrány. V tomto bodě se v membráně otevřou sodíkové kanály, které umožňují kladným iontům vstup do buňky. Tento příliv sodíku vede k obrácení membránového potenciálu, čímž se stává kladnějším.
Druhým krokem je repolarizace membrány. Po depolarizaci se otevřou draslíkové kanály, které umožňují kladným iontům opustit buňku. Tím se membránový potenciál obnoví do klidového stavu a připraví se na nový akční potenciál.
Konečně třetí fází akčního potenciálu je hyperpolarizace membrány. V tomto bodě zůstávají draslíkové kanály po krátkou dobu otevřené, což způsobuje, že membránový potenciál se stává negativnějším než obvykle. Tato hyperpolarizace zabraňuje vzniku nového akčního potenciálu bezprostředně po předchozím.
Tyto procesy jsou nezbytné pro efektivní přenos nervových impulsů a zajišťují správnou komunikaci mezi buňkami v našem těle.
Jakou roli hraje akční potenciál v těle?
Akční potenciál hraje v těle zásadní roli, je zodpovědný za přenos elektrických signálů nervovými a svalovými buňkami. Tento proces je nezbytný pro komunikaci mezi různými částmi těla a pro koordinaci různých fyziologických funkcí.
Akční potenciál je elektrický jev, který se vyskytuje v reakci na podnět a vede k rychlé a dočasné změně membránového potenciálu buňky. Tento jev se skládá z několika fází, včetně depolarizace, repolarizace a hyperpolarizace.
Během depolarizace se v buněčné membráně otevírají sodíkové iontové kanály, což vede k rychlému přílivu sodíkových iontů do buňky. To má za následek obrácení membránového potenciálu, čímž se vnitřek buňky stává pozitivnějším oproti vnějšímu prostředí.
Během repolarizace se pak otevřou draslíkové iontové kanály, které umožňují draslíkovým iontům opustit buňku. Tím se membránový potenciál obnoví do klidového stavu a buňka se připraví na nový akční potenciál.
Konečně, při hyperpolarizaci membránový potenciál krátce klesne pod klidovou úroveň, než se vrátí do základního stavu. Tato refrakterní perioda zajišťuje, že se akční potenciál šíří jednosměrně a zabraňuje zpětnému toku při přenosu elektrického impulsu.
Jeho efektivní šíření a dobře definované fáze zajišťují adekvátní koordinaci fyziologických funkcí a správné fungování organismu jako celku.
Pochopení akčního potenciálu buněčné membrány: koncept a význam v buněčné fyziologii.
Akční potenciál je klíčový jev v buněčné fyziologii, zodpovědný za šíření nervových impulsů a komunikaci mezi buňkami. Jedná se o elektrický mechanismus, který probíhá v buněčné membráně a zahrnuje rychlou změnu elektrické polarity buňky.
Pro pochopení akčního potenciálu je nutné pochopit strukturu buněčné membrány. Membrána se skládá z fosfolipidů a proteinů, které tvoří polopropustnou bariéru regulující vstup a výstup látek. V klidu má membrána rozdíl v elektrickém náboji mezi vnitřkem a vnějškem buňky, známý jako klidový potenciál.
Když se buňka dostane do stimulu, dochází k náhlé změně membránového potenciálu, která se nazývá depolarizace. Při tomto procesu se otevírají iontové kanály, které umožňují ionty, jako je sodík a draslík, vstoupit do buňky. Tento příliv iontů způsobuje invertování elektrického potenciálu membrány a vzniká akční potenciál.
Akční potenciál se šíří podél buněčné membrány a spouští postupné otevírání a zavírání iontových kanálů v různých oblastech buňky. Tento proces umožňuje rychlý přenos nervových impulsů a efektivní komunikaci mezi buňkami.
Jeho pochopení je zásadní pro buněčnou fyziologii a pro pochopení biologických procesů.
Počáteční fáze tvorby akčního potenciálu v lidském těle.
Akční potenciál je elektrický jev, který se vyskytuje v buňkách lidského těla, zejména v neuronech. Tento proces je nezbytný pro přenos elektrických signálů v celém nervovém systému. V počáteční fázi tvorby akčního potenciálu dochází k depolarizaci buněčné membrány.
Když buňka přijme podnět, aktivují se specifické iontové kanály a ionty Na+ vstupují do buňky. To způsobí, že se elektrický náboj uvnitř buňky stane méně záporným, což vede k vytvoření akčního potenciálu. Tento proces je nezbytný pro šíření nervového impulsu podél neuronu.
Po depolarizaci se buněčná membrána repolarizuje, aktivuje K+ iontové kanály a způsobuje, že ionty opouštějí buňku. Tím se obnoví negativní elektrický náboj uvnitř buňky a připraví ji na nový akční potenciál. Tento cyklus depolarizace a repolarizace je nezbytný pro efektivní přenos nervových impulsů.
Tento proces je nezbytný pro šíření elektrických signálů v nervovém systému a pro efektivní komunikaci mezi buňkami.
Akční potenciál: šíření a fáze
O akční potenciál je krátkodobý elektrický nebo chemický jev, který se vyskytuje v neuronech mozku. Dá se říci, že je to zpráva, kterou neuron přenáší do jiných neuronů.
Akční potenciál vzniká v buněčném těle (jádru), nazývaném také soma. Putuje podél axonu (lanovité prodloužení neuronu), dokud nedosáhne svého konce, nazývaného terminální výstupek.
Akční potenciály v daném axonu mají vždy stejnou dobu trvání a intenzitu. Pokud se axon rozvětví do dalších prodloužení, akční potenciál se rozdělí, ale jeho intenzita se nesníží.
Když akční potenciál dosáhne terminálních buněk neuronu, ty vylučují chemické látky zvané neurotransmitery. Tyto látky excitují nebo inhibují přijímající neuron a mohou v něm generovat akční potenciál.
Hodně z toho, co víme o neuronálních akčních potenciálech, pochází z experimentů s axony obřích chobotnic. Díky své velikosti, která sahá od hlavy k ocasu, se snadno studují. Umožňují zvířeti pohyb.
Membránový potenciál neuronu
Neurony mají odlišný elektrický náboj uvnitř a vně. Tento rozdíl se nazývá membránový potenciál .
Když je neuron v klidový potenciál , to znamená, že jeho elektrický náboj není měněn excitačními ani inhibičními synaptickými potenciály.
Na druhou stranu, když na něj působí jiné potenciály, může se membránový potenciál snížit. Toto se nazývá depolarizace .
Na druhou stranu, když se membránový potenciál zvýší oproti svému normálnímu potenciálu, dochází k jevu nazývanému hyperpolarizace .
Když dojde k náhlému velmi rychlému obrácení membránového potenciálu, akční potenciál To se skládá z krátkého elektrického impulsu, který je přeložen do zprávy, jež putuje axonem neuronu. Začíná v těle buňky a dosahuje terminálních tlačítek.
Je důležité si uvědomit, že pro vznik akčního potenciálu musí elektrické změny dosáhnout určitého prahu, tzv. práh excitace Toto je hodnota membránového potenciálu, které musí být nutně dosaženo, aby došlo k akčnímu potenciálu.
Akční potenciály a změny hladin iontů
Za normálních podmínek je neuron připraven přijmout sodík (Na+). Jeho membrána však pro tento iont není příliš propustná.
Dále obsahuje známé „transportéry sodíku a draslíku“, což je protein nacházející se v buněčné membráně, který je zodpovědný za odstraňování iontů sodíku a zavádění iontů draslíku. Konkrétně na každé tři extrahované ionty sodíku připadají dva ionty draslíku.
Tyto transportéry udržují v buňce nízkou hladinu sodíku. Pokud se zvýší propustnost buňky a náhle se do ní dostane více sodíku, membránový potenciál se dramaticky změní. Zdá se, že právě to spouští akční potenciál.
Konkrétně by se zvýšila propustnost membrány pro sodík, což by umožnilo sodíku vstoupit do neuronu. Zároveň by to umožnilo iontům draslíku opustit buňku.
Jak k těmto změnám propustnosti dochází?
Buňky mají ve svých membránách zabudovanou řadu proteinů, tzv. iontové kanály Mají otvory, kterými mohou ionty vstupovat do buněk nebo je opouštět, i když nejsou vždy otevřené. Kanály se uzavírají nebo otevírají na základě určitých událostí.
Existuje několik typů iontových kanálů a každý z nich je obecně specializován na přenos výhradně určitých typů iontů.
Například otevřený sodíkový kanál může propustit více než 100 milionů iontů za sekundu.
Jak vznikají akční potenciály?
Neurony přenášejí informace elektrochemicky. To znamená, že chemické látky produkují elektrické signály.
Tyto chemikálie mají elektrický náboj, a proto se jim říká ionty. Nejdůležitější v nervovém systému jsou sodík a draslík, které mají kladný náboj, a také vápník (dva kladné náboje) a chlor (jeden záporný náboj).
Změny membránového potenciálu
Prvním krokem pro vznik akčního potenciálu je změna membránového potenciálu buňky. Tato změna musí překročit excitační práh.
Konkrétně dochází ke snížení membránového potenciálu, kterému se říká depolarizace.
Otevření sodíkových kanálů
V důsledku toho se otevřou sodíkové kanály zabudované v membráně, což umožňuje sodíku hromadně proudit do neuronu. Tyto kanály jsou poháněny difuzními silami a elektrostatickým tlakem.
Protože ionty sodíku jsou kladně nabité, způsobují rychlou změnu membránového potenciálu.
Otevření draslíkových kanálů
Axonová membrána obsahuje sodíkové a draslíkové kanály. Ty se však otevírají později, protože jsou méně citlivé. Jinými slovy, k otevření vyžadují vyšší úroveň depolarizace, a proto se otevírají později.
Uzavření sodíkových kanálů
Nastává bod, kdy akční potenciál dosáhne své maximální hodnoty. Po uplynutí této doby jsou sodíkové kanály blokovány a uzavřeny.
Nemohou se znovu otevřít, dokud membrána nedosáhne opět svého klidového potenciálu. V důsledku toho se sodík již nemůže dostat do neuronu.
Uzavření draslíkových kanálů
Draslíkové kanály však zůstávají otevřené, což umožňuje draselným iontům proudit buňkou.
Vzhledem k tomu, že vnitřek axonu je kladně nabitý, jsou v důsledku elektrostatické difúze a tlaku draslíkové ionty vytlačovány z buňky. Membránový potenciál se tak vrací k normální hodnotě. Draslíkové kanály se postupně uzavírají.
Tento odtok kationtů způsobí návrat membránového potenciálu na normální hodnotu. Když k tomu dojde, draslíkové kanály se začnou znovu uzavírat.
Když membránový potenciál dosáhne normální hodnoty, draslíkové kanály se zcela uzavřou. O něco později se sodíkové kanály reaktivují a připravují se na další depolarizaci, která je otevře.
Nakonec transportéry sodíku a draslíku vylučují přicházející sodík a získávají zpět draslík, který dříve odešel.
Jak se informace šíří axonem?
Axon je součástí neuronu, drátovité prodloužení neuronu. Může být velmi dlouhý, aby umožnil fyzicky vzdáleným neuronům propojení a vzájemný přenos informací.
Akční potenciál se šíří podél axonu a dosahuje terminálních bodů, kde vysílá zprávy do další buňky. Pokud bychom měřili intenzitu akčního potenciálu v různých bodech podél axonu, zjistili bychom, že jeho intenzita zůstává všude stejná.
Zákon všechno nebo nic
K tomu dochází, protože axonální vedení se řídí základním zákonem: zákonem „všechno, nebo nic“. Jinými slovy, akční potenciál se buď spustí, nebo ne. Jakmile je iniciován, putuje axonem až k jeho konci a vždy si udržuje stejnou délku, ani se nezvětšuje, ani nezmenšuje. Navíc, pokud se axon větví, akční potenciál se dělí, ale zachovává si svou délku.
Akční potenciály začínají na konci axonu, který je připojen k somě neuronu. Obvykle se šíří jedním směrem.
Potenciály akce a chování
V tomto bodě si možná kladete otázku: pokud je akční potenciál proces typu „všechno, nebo nic“, jak se mohou určité projevy, jako je svalová kontrakce, lišit mezi různými úrovněmi intenzity? To je způsobeno zákonem frekvence.
Frekvenční zákon
Jediný akční potenciál neposkytuje přímou informaci. Místo toho je informace určena frekvencí výbojů nebo rychlostí zážehů axonu – tedy frekvencí, s jakou se akční potenciály vyskytují. Toto je známé jako „zákon rychlosti“.
Vysoká frekvence akčních potenciálů by tedy vedla k velmi intenzivní svalové kontrakci.
Totéž platí pro vnímání. Například velmi jasný vizuální podnět, aby byl zachycen, musí vyvolat vysokou „frekvenci zážehu“ v axonech spojených s očima. Frekvence akčních potenciálů tedy odráží intenzitu fyzického podnětu.
Zákon „všechno nebo nic“ je proto doplněn zákonem frekvence.
Jiné formy výměny informací
Akční potenciály nejsou jedinými typy elektrických signálů, které se vyskytují v neuronech. Například vysílání informace přes synapsi doručí malý elektrický impuls do membrány přijímajícího neuronu.
Občas může mírná depolarizace, která je příliš slabá na to, aby vyvolala akční potenciál, mírně změnit membránový potenciál.
Tato změna se však postupně snižuje, jak se informace šíří axonem. Při tomto typu přenosu informace se neotevírají ani nezavírají ani sodíkové, ani draslíkové kanály.
Axon se tedy chová jako podvodní kabel. Jak jím signál prochází, jeho amplituda se snižuje. Toto se nazývá útlum vedení a je to kvůli vlastnostem axonu.
Akční potenciály a myelin
Axony téměř všech savců jsou pokryty myelinem. To znamená, že mají segmenty obklopené látkou, která umožňuje vedení nervových vzruchů, a tím ho urychluje. Myelin obklopuje axon a brání mu v přístupu extracelulární tekutiny.
Myelin je produkován v centrálním nervovém systému buňkami zvanými oligodendrocyty, zatímco v periferním nervovém systému jej produkují Schwannovy buňky.
Myelinové segmenty, známé jako myelinové pochvy, jsou odděleny odkrytými oblastmi axonu. Tyto oblasti se nazývají Ranvierovy uzly a jsou v kontaktu s extracelulární tekutinou.
Akční potenciál se přenáší odlišně v nemyelinizovaném axonu (který není pokryt myelinem) a v myelinizovaném axonu.
Akční potenciál může díky vlastnostem kabelu procházet přes myelinem potaženou axonální membránu. Axon tak vede elektrickou změnu z místa, kde akční potenciál vzniká, do dalšího Ranvierova uzlu.
Tato změna se mírně zmenšuje, ale je dostatečně intenzivní, aby spustila akční potenciál v dalším uzlu. Tento potenciál je poté reaktivován nebo opakován v každém Ranvierově uzlu a přenáší se myelinizovanou oblastí do dalšího uzlu.
Tento typ vedení akčního potenciálu se nazývá saltátorové vedení. Jeho název pochází z latinského slova „saltare“, což znamená „tančit“. Princip spočívá v tom, že hybnost zdánlivě přeskakuje z uzlu do uzlu.
Výhody saltatorního vedení pro přenos akčních potenciálů
Tento typ vedení vzruchu má své výhody. V první řadě šetří energii. Transportéry sodíku a draslíku vynakládají velké množství energie na odstraňování přebytečného sodíku z axonu během akčních potenciálů.
Tyto transportéry sodíku a draslíku se nacházejí v oblastech axonu, které nejsou pokryty myelinem. V myelinizovaném axonu však může sodík vstoupit pouze přes Ranvierovy uzly. Proto vstupuje mnohem méně sodíku, a proto se ho musí méně vyplavovat, takže transportéry sodíku a draslíku musí pracovat méně.
Další výhodou myelinu je rychlost. Akční potenciál se v myelinizovaném axonu vede rychleji, protože impuls „přeskakuje“ z jednoho uzlu do druhého, aniž by musel procházet celým axonem.
Toto zvýšení rychlosti umožňuje zvířatům rychleji myslet a reagovat. Jiné živé bytosti, jako například olihně, mají axony bez myelinu, které s rostoucí velikostí získávají na rychlosti. Axony olihní mají velký průměr (asi 500 µm), což jim umožňuje pohybovat se rychleji (asi 35 metrů za sekundu).
Akční potenciály se však šíří stejnou rychlostí v kočičích axonech, i když mají průměr pouze 6 µm. Tyto axony obsahují myelin.
Myelinizovaný axon může přenášet akční potenciály rychlostí asi 432 kilometrů za hodinu s průměrem 20 µm.
Odkazy
- Akční potenciály. (n.d.). Získáno 5. března 2017 z Hyperphysics, Georgia State University: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
- Carlson, N.R. (2006). Fyziologie chování, 8. vydání, Madrid: Pearson.
- Chudler, E. (n.d.). Světla, kamera, akční potenciál. Získáno 5. března 2017 z Washingtonské univerzity: faculty.washington.edu.
- Fáze akčního potenciálu. (n.d.). Získáno 5. března 2017 z Boundless: boundless.com.