Akcijski potencial je električni pojav, ki se pojavlja v vzdražljivih celicah, kot so nevroni in mišične celice, in igra temeljno vlogo pri komunikaciji med temi celicami. Ta proces vključuje širjenje električnega signala vzdolž celične membrane, kar sproži vrsto dogodkov, ki povzročijo prenos informacij in izvajanje različnih fizioloških funkcij. V tem kontekstu je pomembno razumeti faze in širjenje akcijskega potenciala, da bi razumeli, kako se celice odzivajo na dražljaje in usklajujejo svoje aktivnosti.
Faze akcijskega potenciala: podrobno in korak za korakom se naučite celotnega postopka.
Akcijski potencial je temeljni pojav za prenos živčnih impulzov in komunikacijo med celicami v našem telesu. Za boljše razumevanje tega procesa je pomembno razumeti korake, skozi katere se akcijski potencial širi vzdolž živčne celice.
Prva faza akcijskega potenciala je depolarizacija celične membrane. Na tej točki se v membrani odprejo natrijevi kanali, ki omogočajo vstop pozitivnih ionov v celico. Ta dotok natrija povzroči obrat membranskega potenciala, zaradi česar je ta bolj pozitiven.
Drugi korak je repolarizacija membrane. Po depolarizaciji se odprejo kalijevi kanali, ki omogočajo pozitivnim ionom, da izstopijo iz celice. To povrne membranski potencial v stanje mirovanja in ga pripravi na nov akcijski potencial.
Končno, tretja faza akcijskega potenciala je membranska hiperpolarizacija. Na tej točki kalijevi kanali ostanejo odprti kratek čas, zaradi česar membranski potencial postane bolj negativen kot običajno. Ta hiperpolarizacija preprečuje, da bi se nov akcijski potencial pojavil takoj po prejšnjem.
Ti procesi so bistveni za učinkovit prenos živčnih impulzov in zagotavljajo pravilno komunikacijo med celicami v našem telesu.
Kakšno vlogo ima akcijski potencial v telesu?
Akcijski potencial igra temeljno vlogo v telesu, saj je odgovoren za prenos električnih signalov skozi živčne in mišične celice. Ta proces je bistvenega pomena za komunikacijo med različnimi deli telesa in za koordinacijo različnih fizioloških funkcij.
Akcijski potencial je električni pojav, ki se pojavi kot odziv na dražljaj in povzroči hitro in začasno spremembo celičnega membranskega potenciala. Ta pojav je sestavljen iz več faz, vključno z depolarizacijo, repolarizacijo in hiperpolarizacijo.
Med depolarizacijo se v celični membrani odprejo natrijevi ionski kanali, kar vodi do hitrega pritoka natrijevih ionov v celico. To povzroči obrat membranskega potenciala, zaradi česar je notranjost celice bolj pozitivna glede na zunanjost.
Nato se med repolarizacijo odprejo kalijevi ionski kanali, ki omogočajo kalijevim ionom, da izstopijo iz celice. To povrne membranski potencial v stanje mirovanja in celico pripravi na nov akcijski potencial.
Končno, pri hiperpolarizaciji, membranski potencial za kratek čas pade pod raven mirovanja, preden se vrne v izhodiščno stanje. To refraktorno obdobje zagotavlja, da se akcijski potencial širi enosmerno in preprečuje povratno sledenje pri prenosu električnega impulza.
Njegovo učinkovito razširjanje in dobro definirane faze zagotavljajo ustrezno koordinacijo fizioloških funkcij in pravilno delovanje organizma kot celote.
Razumevanje akcijskega potenciala celične membrane: koncept in pomen v celični fiziologiji.
Akcijski potencial je ključni pojav v celični fiziologiji, odgovoren za širjenje živčnih impulzov in komunikacijo med celicami. Gre za električni mehanizem, ki se dogaja v celični membrani in vključuje hitro spremembo električne polarnosti celice.
Za razumevanje akcijskega potenciala je treba razumeti strukturo celične membrane. Membrana je sestavljena iz fosfolipidov in beljakovin, ki tvorijo polprepustno pregrado, ki uravnava vstop in izstop snovi. V mirovanju ima membrana razliko v električnem naboju med notranjostjo in zunanjostjo celice, znano kot mirovalni potencial.
Ko dražljaj doseže celico, pride do nenadne spremembe membranskega potenciala, ki jo imenujemo depolarizacija. Pri tem procesu se odprejo ionski kanali, ki omogočajo vstop ionov, kot sta natrij in kalij, v celico. Ta dotok ionov povzroči inverzijo električnega potenciala membrane, kar ustvari akcijski potencial.
Akcijski potencial se širi vzdolž celične membrane in sproži zaporedno odpiranje in zapiranje ionskih kanalov v različnih delih celice. Ta proces omogoča hiter prenos živčnih impulzov in učinkovito komunikacijo med celicami.
Njegovo razumevanje je temeljnega pomena za celično fiziologijo in razumevanje bioloških procesov.
Začetna faza nastajanja akcijskega potenciala v človeškem telesu.
Akcijski potencial je električni pojav, ki se pojavlja v celicah človeškega telesa, zlasti v nevronih. Ta proces je bistven za prenos električnih signalov po živčnem sistemu. V začetni fazi nastajanja akcijskega potenciala se celična membrana depolarizira.
Ko celica prejme dražljaj, se aktivirajo specifični ionski kanali in ioni Na+ vstopijo v celico. To povzroči, da električni naboj v celici postane manj negativen, kar ustvari akcijski potencial. Ta proces je bistven za širjenje živčnega impulza vzdolž nevrona.
Po depolarizaciji se celična membrana repolarizira, kar aktivira ionske kanale K+ in povzroči, da ioni zapustijo celico. To obnovi negativni električni naboj v celici in jo pripravi na nov akcijski potencial. Ta cikel depolarizacije in repolarizacije je bistvenega pomena za učinkovit prenos živčnih impulzov.
Ta proces je bistvenega pomena za širjenje električnih signalov po živčnem sistemu in za učinkovito komunikacijo med celicami.
Akcijski potencial: diseminacija in faze
O akcijski potencial je kratkotrajen električni ali kemični pojav, ki se pojavi v nevronih možganov. Lahko rečemo, da je to sporočilo, ki ga nevron posreduje drugim nevronom.
Akcijski potencial se pojavi v celičnem telesu (jedru), imenovanem tudi soma. Potuje vzdolž aksona (kabelu podobnega podaljška nevrona), dokler ne doseže svojega konca, imenovanega terminalni gumb.
Akcijski potenciali v danem aksonu imajo vedno enako trajanje in intenzivnost. Če se akson razveji v druge podaljške, se akcijski potencial razcepi, vendar se njegova intenzivnost ne zmanjša.
Ko akcijski potencial doseže končne kontakte nevrona, ti izločijo kemikalije, imenovane nevrotransmiterji. Te snovi vzbudijo ali zavirajo sprejemni nevron in lahko v njem ustvarijo akcijski potencial.
Veliko tega, kar vemo o akcijskih potencialih nevronov, izvira iz poskusov z aksoni velikanskih lignjev. Zaradi njihove velikosti, ki segajo od glave do repa, jih je enostavno preučevati. Živali omogočajo gibanje.
Nevronski membranski potencial
Nevroni imajo različen električni naboj znotraj in zunaj. Ta razlika se imenuje membranski potencial .
Ko je nevron v potencial mirovanja , to pomeni, da njegov električni naboj ne spreminjajo ekscitacijski ali inhibitorni sinaptični potenciali.
Po drugi strani pa se lahko membranski potencial zmanjša, ko nanj vplivajo drugi potenciali. To je znano kot depolarizacija .
Po drugi strani pa, ko se membranski potencial poveča glede na svoj normalni potencial, pride do pojava, imenovanega hiperpolarizacija .
Ko nenadoma pride do zelo hitrega obrata membranskega potenciala, akcijski potencial To je kratek električni impulz, ki se pretvori v sporočilo, ki potuje vzdolž aksona nevrona. Začne se v celičnem telesu in doseže terminalne gumbe.
Pomembno je omeniti, da morajo za nastanek akcijskega potenciala električne spremembe doseči prag, imenovan prag vzbujanja To je vrednost membranskega potenciala, ki mora biti nujno dosežena, da se pojavi akcijski potencial.
Akcijski potenciali in spremembe v nivojih ionov
V normalnih pogojih je nevron pripravljen sprejeti natrij (Na+). Vendar njegova membrana ni zelo prepustna za ta ion.
Poleg tega vsebuje dobro znane "natrijevo-kalijeve prenašalce", beljakovino v celični membrani, ki je odgovorna za odstranjevanje natrijevih ionov in vnos kalijevih ionov. Natančneje, za vsake tri izvlečene natrijeve ione vnese dva kalijeva iona.
Ti prenašalci vzdržujejo nizko raven natrija v celici. Če se prepustnost celice poveča in nenadoma vstopi več natrija, se membranski potencial dramatično spremeni. Zdi se, da prav to sproži akcijski potencial.
Natančneje, prepustnost membrane za natrij bi se povečala, kar bi natriju omogočilo vstop v nevron. Hkrati bi to omogočilo kalijevim ionom, da zapustijo celico.
Kako pride do teh sprememb v prepustnosti?
Celice imajo v svojih membranah vgrajene številne beljakovine, imenovane ionski kanali Imajo odprtine, skozi katere lahko ioni vstopajo v celice ali jih izstopajo, čeprav niso vedno odprte. Kanali se zapirajo ali odpirajo glede na določene dogodke.
Obstaja več vrst ionskih kanalov in vsak je običajno specializiran za prenos izključno določenih vrst ionov.
Na primer, odprt natrijev kanal lahko prepusti več kot 100 milijonov ionov na sekundo.
Kako nastanejo akcijski potenciali?
Nevroni prenašajo informacije elektrokemično. To pomeni, da kemikalije proizvajajo električne signale.
Te kemikalije imajo električni naboj, zato se imenujejo ioni. Najpomembnejša v živčnem sistemu sta natrij in kalij, ki imata pozitiven naboj, ter kalcij (dva pozitivna naboja) in klor (en negativni naboj).
Spremembe membranskega potenciala
Prvi korak za nastanek akcijskega potenciala je sprememba membranskega potenciala celice. Ta sprememba mora preseči prag vzbujanja.
Natančneje, pride do zmanjšanja membranskega potenciala, imenovanega depolarizacija.
Odprtje natrijevih kanalov
Posledično se odprejo natrijevi kanali, vgrajeni v membrano, kar omogoča, da natrij v množični meri teče v nevron. Te kanale poganjajo difuzijske sile in elektrostatični tlak.
Ker so natrijevi ioni pozitivno nabiti, povzročajo hitro spremembo membranskega potenciala.
Odprtje kalijevih kanalov
Aksonska membrana vsebuje natrijeve in kalijeve kanalčke. Slednji pa se odprejo pozneje, ker so manj občutljivi. Z drugimi besedami, za odprtje potrebujejo višjo stopnjo depolarizacije, zato se odprejo pozneje.
Zapiranje natrijevih kanalov
Pride točka, ko akcijski potencial doseže svojo največjo vrednost. Po tem obdobju so natrijevi kanali blokirani in zaprti.
Ne morejo se ponovno odpreti, dokler membrana ponovno ne doseže svojega mirovalnega potenciala. Posledično natrij ne more več vstopiti v nevron.
Zaprtje kalijevih kanalov
Vendar kalijevi kanali ostanejo odprti, kar omogoča pretok kalijevih ionov skozi celico.
Zaradi elektrostatične difuzije in tlaka, ker je notranjost aksona pozitivno nabita, se kalijevi ioni izrinejo iz celice. Tako se membranski potencial povrne na normalno vrednost. Kalijevi kanali se postopoma zapirajo.
Zaradi tega odtoka kationov se membranski potencial vrne na normalno vrednost. Ko se to zgodi, se kalijevi kanali ponovno začnejo zapirati.
Ko membranski potencial doseže normalno vrednost, se kalijevi kanali popolnoma zaprejo. Malo kasneje se natrijevi kanali ponovno aktivirajo v pripravi na nadaljnjo depolarizacijo, ki jih bo odprla.
Končno, transporterji natrija in kalija izločijo dohodni natrij in pridobijo kalij, ki je prej odšel.
Kako se informacija širi po aksonu?
Akson je del nevrona, žici podoben podaljšek nevrona. Lahko je zelo dolg, da omogoča fizično oddaljenim nevronom, da se povezujejo in si pošiljajo informacije.
Akcijski potencial se širi vzdolž aksona in doseže terminalne gumbe, da pošlje sporočila naslednji celici. Če bi izmerili intenzivnost akcijskega potenciala na različnih točkah vzdolž aksona, bi ugotovili, da njegova intenzivnost ostaja povsod enaka.
Zakon vse ali nič
Do tega pride, ker aksonsko prevajanje sledi temeljnemu zakonu: zakonu vse ali nič. Z drugimi besedami, akcijski potencial se bodisi sproži bodisi ne. Ko se sproži, potuje po aksonu do njegovega konca, pri čemer vedno ohranja enako dolžino, ne da bi se niti povečal niti zmanjšal. Poleg tega, če se akson razveji, se akcijski potencial razdeli, vendar ohrani svojo dolžino.
Akcijski potenciali se začnejo na koncu aksona, ki je pritrjen na somo nevrona. Običajno potujejo v eno smer.
Potenciali delovanja in ravnanja
Na tej točki se morda sprašujete: če je akcijski potencial proces vse ali nič, kako se lahko določena vedenja, kot je krčenje mišic, spreminjajo med različnimi stopnjami intenzivnosti? To je posledica zakona frekvence.
Frekvenčni zakon
Dogaja se, da posamezen akcijski potencial ne zagotavlja neposrednih informacij. Namesto tega informacije določa frekvenca praznjenja ali hitrost proženja aksona – torej frekvenca, s katero se pojavljajo akcijski potenciali. To je znano kot "zakon hitrosti".
Tako bi visoka frekvenca akcijskih potencialov povzročila zelo intenzivno krčenje mišic.
Enako velja za zaznavanje. Na primer, zelo svetel vizualni dražljaj mora, da bi ga zajeli, povzročiti visoko "frekvenco sprožitve" v aksonih, povezanih z očmi. Tako frekvenca akcijskih potencialov odraža intenzivnost fizičnega dražljaja.
Zato zakon vse ali nič dopolnjuje zakon frekvence.
Druge oblike izmenjave informacij
Akcijski potenciali niso edine vrste električnih signalov, ki se pojavljajo v nevronih. Na primer, pošiljanje informacij prek sinapse dostavi majhen električni impulz membrani sprejemnega nevrona.
Včasih lahko rahla depolarizacija, ki je prešibka za nastanek akcijskega potenciala, nekoliko spremeni membranski potencial.
Vendar se ta sprememba postopoma zmanjšuje, ko potuje po aksonu. Pri tej vrsti prenosa informacij se ne odpirajo ali zapirajo niti natrijevi niti kalijevi kanali.
Akson torej deluje kot podvodni kabel. Ko signal potuje skozenj, se njegova amplituda zmanjšuje. To se imenuje upadanje prevodnosti in se pojavi zaradi značilnosti aksona.
Akcijski potenciali in mielin
Aksoni skoraj vseh sesalcev so prekriti z mielinom. To pomeni, da imajo segmente, obdane s snovjo, ki omogoča prevajanje živčnih impulzov, zaradi česar je to hitreje. Mielin obdaja akson in preprečuje, da bi ga dosegla zunajcelična tekočina.
Mielin v osrednjem živčnem sistemu proizvajajo celice, imenovane oligodendrociti, v perifernem živčnem sistemu pa Schwannove celice.
Mielinski segmenti, znani kot mielinske ovojnice, so ločeni z odkritimi deli aksona. Ta območja se imenujejo Ranvierjeva vozlišča in so v stiku z zunajcelično tekočino.
Akcijski potencial se prenaša različno v nemieliniziranem aksonu (ki ni prekrit z mielinom) in v mieliniziranem aksonu.
Akcijski potencial lahko zaradi lastnosti kabla potuje čez z mielinom prevlečeno aksonsko membrano. Akson tako prevaja električno spremembo od mesta, kjer se pojavi akcijski potencial, do naslednjega Ranvierjevega vozlišča.
Ta sprememba se nekoliko zmanjšuje, vendar je dovolj intenzivna, da sproži akcijski potencial na naslednjem vozlišču. Ta potencial se nato ponovno aktivira ali ponovi na vsakem Ranvierjevem vozlišču in ga prenese skozi mielinizirano območje do naslednjega vozlišča.
Ta vrsta prevajanja akcijskega potenciala se imenuje saltatorna prevodnost. Ime izvira iz latinske besede "saltare", kar pomeni "plesati". Koncept je, da se zdi, da gibalna količina skače iz vozlišča v vozlišče.
Prednosti saltatorne prevodnosti za prenos akcijskih potencialov
Ta vrsta prevajanja ima svoje prednosti. Najprej in predvsem prihrani energijo. Natrijevo-kalijevi transporterji porabijo veliko energije za izločanje presežnega natrija iz aksona med akcijskimi potenciali.
Ti natrijevo-kalijevi prenašalci se nahajajo na območjih aksona, ki niso prekrita z mielinom. Vendar pa lahko v mieliniziran akson natrij vstopi le skozi Ranvierjeva vozlišča. Zato vstopi veliko manj natrija in ga je treba izčrpati manj, zato morajo natrijevo-kalijevi prenašalci delati manj.
Druga prednost mielina je hitrost. Akcijski potencial se v mieliniziranem aksonu izvaja hitreje, saj impulz "skoči" iz enega vozlišča v drugo, ne da bi moral potovati vzdolž celotnega aksona.
Zaradi tega povečanja hitrosti živali hitreje razmišljajo in reagirajo. Druga živa bitja, kot so lignji, imajo aksone brez mielina, ki s povečanjem velikosti pridobivajo na hitrosti. Aksoni lignjev imajo velik premer (približno 500 µm), kar jim omogoča hitrejše potovanje (približno 35 metrov na sekundo).
Vendar pa akcijski potenciali potujejo z enako hitrostjo v mačjih aksonih, čeprav imajo premer le 6 µm. Ti aksoni vsebujejo mielin.
Mieliniziran akson lahko prenaša akcijske potenciale s hitrostjo približno 432 kilometrov na uro s premerom 20 µm.
Literatura
- Akcijski potenciali. (n.d.). Pridobljeno 5. marca 2017 iz Hyperphysics, Državna univerza Georgia: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
- Carlson, N.R. (2006). Fiziologija vedenja, 8. izd. Madrid: Pearson.
- Chudler, E. (n.d.). Luči, kamera, akcijski potencial. Pridobljeno 5. marca 2017 z Univerze v Washingtonu: faculty.washington.edu.
- Faze akcijskega potenciala. (n.d.). Pridobljeno 5. marca 2017 iz Boundless: boundless.com.