Depolarisatie

Elke cel in ons lichaam heeft een celmembraan dat haar scheidt van de buitenste omgeving van het weefsel. De concentratie van verschillende ionen over het celmembraan is verschillend.

Als gevolg hiervan ontstaat er polariteit aan de twee zijden van het membraan. Dit wordt membraanpotentiaal genoemd.

De meeste cellen hebben meer negatieve ionen aan de binnen
zijde van het membraan. De meeste cellen hebben dus een negatieve membraanpotentiaal.

Depolarisatie is een proces waarbij cellen een verandering in membraanpotentiaal ondergaan. Het is een proces van verschuiving van elektrische lading waardoor er minder negatieve lading in de cel aanwezig is.

In dit artikel bespreken we de fysiologie van
depolarisatie, ionenkanalen die aan dit proces deelnemen en hoe verschillende
cellen depolarisatie ondergaan. We bespreken ook enkele medicijnen die het depolarisatieproces kunnen
veranderen.

Fysiologie van depolarisatie

Het depolarisatieproces is sterk afhankelijk van de intrinsieke elektrische aard van de cellen. Om het depolarisatieproces te begrijpen, moeten we het concept van de rustmembraanpotentiaal begrijpen.

Restmembraanpotentiaal

Wanneer een cel in rust is, wordt de potentiaal over zijn celmembraan de rustmembraanpotentiaal genoemd. Voor de meeste cellen is de
rustmembraanpotentiaal negatief ten opzichte van de buitenkant van de cel.

Bij het opwekken van de rustmembraanpotentiaal zijn passieve ionkanalen, ionenpompen en spanningsafhankelijke ionenkanalen
betrokken. Cellen gebruiken deze apparaten om een hoge concentratie van negatieve ionen binnen de cellen te houden. Als gevolg daarvan wordt een negatieve membraanpotentiaal gehandhaafd.

Factoren die bijdragen aan de membraanpotentiaal in rust
zijn onder meer de volgende:

Organische Anionen

Gewoonlijk hebben cellen meer organische anionen in de cellen, zoals oxalaat-ionen enzovoort. De negatieve lading van deze negatieve anionen draagt bij tot de rustmembraanpotentiaal.

K+ Kanalen

De meeste cellen in het lichaam hebben een overvloed aan K+ kanalen in hun membranen. In de gebruikelijke situatie zijn er tien keer zoveel kaliumionen in de cel aanwezig als in de extracellulaire ruimte.

De diffusiegradiënt van deze kaliumionen is gericht op de extracellulaire ruimte. Zij blijven dus diffunderen door de open K+ kanalen en verlaten de cellen. Dit verlies van positief geladen ionen draagt verder bij aan de negatieve rustende membraanpotentiaal in de cel.

Natriumkaliumpomp

Natriumkaliumpomp draagt veel bij aan de rustende membraanpotentiaal. De concentratie van natriumionen is buiten de cel hoger dan binnen de cel. Aan de andere kant is de concentratie van kaliumionen aan de binnenkant van de cel hoger dan aan de buitenkant.

Dus is de diffusiegradiënt van natrium naar de binnenkant van de cel gericht en die van kalium naar de buitenkant van de cel.

De natrium-kaliumpomp is een energiegedreven pomp die ATP gebruikt om de natrium- en kaliumionen tegen hun concentratiegradiënt in te pompen. Voor elke twee kaliumionen die in de cel worden gepompt, worden drie natriumionen naar buiten gepompt.

Het resulteert in een netto verlies van positieve ionen uit de cel.

Alle bovengenoemde factoren dragen bij tot de totstandkoming en instandhouding van een negatieve membraanpotentiaal in de cel.

Proces van depolarisatie

Nadat we het concept van de rustmembraanpotentiaal hebben begrepen, zullen we nu het proces van depolarisatie bespreken.

Een cel heeft het vermogen depolarisatie te ondergaan nadat hij een rustpotentiaal heeft vastgesteld. Depolarisatie veroorzaakt een snelle verandering van de membraanpotentiaal van een negatieve naar een positieve toestand.

Het proces van depolarisatie begint met een stimulus. Deze stimulus kan een eenvoudige aanraking, licht, vreemd deeltje, of zelfs een elektrische stimulus zijn. Deze prikkel veroorzaakt een spanningsverandering in de cel.

Deze aanvankelijke spanningsverandering veroorzaakt de opening van
spanningsgeactiveerde natrium- en calciumkanalen in het celmembraan. De positief geladen ionen haasten zich door deze kanalen. Daardoor wordt de binnenkant van de
cel positiever. De membraanpotentiaal verandert van negatief naar positief.

Depolarisatie in verschillende cellen

Het basisprincipe van depolarisatie is hetzelfde als beschreven onder het kopje fysiologie. Echter, verschillende cellen in het lichaam reageren op verschillende prikkels en gebruiken verschillende ionenkanalen om het proces van depolarisatie te ondergaan. Dit alles in samenhang met de functie van die cel.

We zullen het proces van depolarisatie bespreken in
verband met neuronen, endotheelcellen, en hartcellen.

Neuronen

Neuronen kunnen depolarisatie ondergaan als reactie op een aantal stimuli zoals warmte, chemische, licht, elektrische of fysische prikkels. Deze prikkels wekken een positieve potentiaal in de neuronen op.

Wanneer de positieve potentiaal groter wordt dan de drempelpotentiaal, veroorzaakt dit de opening van natriumkanalen. De natriumionen stromen het neuron binnen en veroorzaken een verschuiving van de membraanpotentiaal van negatief naar positief.

Depolarisatie van een klein deel van het neuron genereert
een sterke zenuwimpuls. De zenuwimpuls reist over de gehele lengte van het neuron tot aan het synaptische uiteinde.

Als de zenuwimpuls het synaptische uiteinde bereikt, komen er neurotransmitters vrij. Deze neurotransmitters verspreiden zich over de synaptische spleet. Zij fungeren als een chemische prikkel voor het post-synaptische neuron. Deze neurotransmitters veroorzaken op hun beurt de depolarisatie van postsynaptische neuronen.

Endotheelcellen

Vasculaire endotheelcellen bekleden de binnenzijde van bloedvaten. Deze cellen zijn structureel in staat om de cardiovasculaire krachten te weerstaan. Zij spelen ook een belangrijke rol bij de instandhouding van de functionaliteit van het cardiovasculaire systeem.

Deze cellen gebruiken het proces van depolarisatie om hun structurele sterkte te veranderen. Wanneer de endotheelcellen in een gedepolariseerde toestand verkeren, hebben zij een duidelijk verminderde structurele sterkte en stijfheid. In gedepolariseerde toestand veroorzaken de endotheelcellen ook een duidelijke afname van de vasculaire tonus van de bloedvaten.

Cardiale cellen

Depolarisatie van hartmyocyten veroorzaakt samentrekking van de cellen en zo vindt samentrekking van het hart plaats.

Depolarisatie begint eerst in de SA-knoop, die ook wel de pacemaker van het hart wordt genoemd. De SA-knoop heeft een automatisme. Het rustmembraanpotentiaal van de SA-knoop is minder negatief dan dat van andere hartcellen. Dit veroorzaakt de opening van natriumkanalen. Natriumionen blijven diffunderen in de cellen van de SA-knoop.

Wanneer de membraanpotentiaal groter wordt dan de drempelpotentiaal, veroorzaakt dit de opening van Ca+2 kanalen. De calciumionen stromen dan naar binnen, waardoor depolarisatie optreedt.

Beginnend in de SA-knoop, verspreidt de depolarisatie zich
naar de atria en via de AV-knoop en de AV-bundel naar de Purkinje-vezels, waardoor
depolarisatie en samentrekking van de ventrikels optreedt.

Skeletspieren

De prikkeling van skeletspieren door motorneuronen veroorzaakt de opening van spanningsgeactiveerde natriumkanalen. Het openen van natriumkanalen veroorzaakt depolarisatie van de skeletspier.

De actiepotentiaal van het motorneuron reist ook door de T-tubuli. Deze veroorzaakt het vrijkomen van Ca2+-ionen uit het sarcoplasmatisch reticulum. Zo ontstaat contractie van de skeletspier. Dit hele proces wordt ook wel excitatie-contractie-koppeling genoemd.

Drugs die het depolarisatieproces blokkeren

Er zijn bepaalde geneesmiddelen die het depolarisatieproces kunnen blokkeren. Ze veroorzaken een aanhoudende opening van de ionenkanalen. De positief geladen ionen blijven zich in de cellen verspreiden.

Dientengevolge zijn de cellen niet in staat zich te herstellen van de aanvankelijke periode van depolarisatie. Zij blijven in een aanhoudende staat van depolarisatie en reageren niet op de prikkels.

Deze middelen omvatten nicotine-agonisten zoals
suxamethonium en decamethonium.

Conclusie/Samenvatting:

Depolarisatie is een proces dat een snelle verandering van het membraanpotentiaal veroorzaakt van een negatieve naar een positieve toestand.

Wanneer een bepaalde prikkel op een cel wordt toegepast, veroorzaakt deze een initiële spanningsverandering in de cel.

Wanneer het drempelpotentiaal wordt bereikt, veroorzaakt dit het
openen van ionenkanalen. Als gevolg hiervan verandert de membraanpotentiaal van
negatief in positief.

Om depolarisatie te ondergaan, moeten de cellen een negatieve rustmembraanpotentiaal
vestigen en handhaven. Factoren die
een belangrijke rol spelen bij de totstandkoming van de rustmembraanpotentiaal zijn:

• Organische anionen
• K+ kanalen
• Natriumkaliumpomp

Het proces van depolarisatie heeft verschillende
gevolgen in verschillende cellen van het lichaam.

In neuronen vindt de zenuwimpulsoverdracht plaats via
depolarisatie.

In vasculaire endotheelcellen helpt het proces van
depolarisatie bij het regelen van de structurele stijfheid en de vasculaire tonus.

In hartspieren veroorzaakt depolarisatie contractie
van de hartspieren.

De skeletspieren reageren ook op depolarisatie door
contractie.

Nicotinische agonisten kunnen een langdurige depolarisatie
toestand van de cellen veroorzaken. Zij verhinderen dat de cellen repolariseren. Als
gevolg reageren de cellen niet op de nieuwe prikkels.

1. Lodish, H; Berk, A;
   Kaiser, C; Krieger, M; Bretscher, A; Ploegh, H; Amon, A (2000). Moleculaire
   Celbiologie (7e ed.). New York, NY: W. H. Freeman and Company.
   p. 695.
2. Callies, C; Fels, J;
   Liashkovich, I; Kliche, K; Jeggle, P; Kusche-Vihrog, K; Oberleithner, H (June
   1, 2011). “Membrane potential depolarization decreases the stiffness of
   vascular endothelial cells”. Journal of Cell Science. 124 (11):
   1936-1942. doi:10.1242/jcs.084657. PMID 21558418.
3. Marieb, E. N., &
   Hoehn, K. (2014). Menselijke anatomie & fysiologie. San
   Francisco, CA: Pearson Education Inc.
4. Rang, H. P.
   (2003). Farmacologie. Edinburgh: Churchill Livingstone. ISBN 978-0-443-07145-4. Pagina
   149