Akční potenciál

Rozbalit box

Obsah boxu

Akční potenciál je rychlá, krátkodobá a šířící se změna membránového potenciálu na membráně vzrušivých buněk, jako jsou neurony, svalové buňky nebo některé buňky žláz. Představuje základní jednotku přenosu informací v nervovém systému. Funguje na principu "všechno, nebo nic", což znamená, že pokud je buňka dostatečně stimulována k dosažení prahové hodnoty, vygeneruje akční potenciál vždy stejné velikosti a tvaru.

Tento elektrický signál umožňuje rychlou komunikaci na velké vzdálenosti v těle. Například v nervových vláknech přenáší senzorické informace z periferie do mozku, motorické příkazy z mozku do svalů a je klíčový pro všechny kognitivní procesy, jako je myšlení, paměť a vnímání.

📜 Historie výzkumu

První poznatky o "živočišné elektřině" pocházejí z konce 18. století od italského lékaře a fyzika Luigiho Galvaniho, který demonstroval, že elektrické jiskry mohou způsobit záškuby svalů mrtvé žáby. Tím položil základy elektrofyziologie.

Moderní chápání akčního potenciálu je však neoddělitelně spjato se jmény britských vědců Alana Hodgkina a Andrewa Huxleyho. V polovině 20. století provedli sérii průlomových experimentů na obřím axonu olihně, který je dostatečně velký pro zavedení elektrod. Pomocí techniky zvané "voltage clamp" (napěťový zámek) byli schopni měřit a manipulovat toky iontů přes membránu. Na základě svých měření vytvořili matematický model, který přesně popisoval, jak změny v propustnosti membrány pro ionty sodíku (Na⁺) a draslíku (K⁺) vedou ke vzniku a šíření akčního potenciálu. Za tuto práci obdrželi v roce 1963 Nobelovu cenu za fyziologii nebo lékařství.

⚙️ Fáze akčního potenciálu

Typický akční potenciál v neuronu lze rozdělit do několika klíčových fází, které jsou řízeny otevíráním a zavíráním napěťově řízených iontových kanálů.

1. Klidový membránový potenciál

V klidovém stavu je vnitřek buňky záporně nabitý ve srovnání s vnějškem. Tento rozdíl, zvaný klidový membránový potenciál, se obvykle pohybuje kolem -70 milivoltů (mV). Je udržován především sodíko-draslíkovou pumpou (Na⁺/K⁺-ATPáza), která aktivně čerpá tři sodné ionty ven z buňky výměnou za dva draselné ionty dovnitř. Membrána je v klidu také mnohem propustnější pro K⁺ ionty než pro Na⁺ ionty díky neustále otevřeným draslíkovým "únikovým" kanálům.

2. Depolarizace (Vzestupná fáze)

Akční potenciál je spuštěn, když stimul (např. signál z jiného neuronu) způsobí, že membránový potenciál dosáhne prahové hodnoty (typicky kolem -55 mV). Při dosažení tohoto prahu se masivně a rychle otevírají napěťově řízené sodíkové kanály. Protože koncentrace Na⁺ iontů je mnohem vyšší vně buňky, sodné ionty se rychle hrnou dovnitř po svém elektrochemickém gradientu. Tento příliv kladných nábojů způsobí rychlou změnu polarity membrány – vnitřek se stává kladným. Tento proces se nazývá depolarizace a potenciál dosáhne vrcholu kolem +30 až +40 mV.

3. Repolarizace (Sestupná fáze)

Na vrcholu akčního potenciálu dochází ke dvěma klíčovým událostem:

Napěťově řízené sodíkové kanály se inaktivují (uzavřou a dočasně se nemohou znovu otevřít).
Napěťově řízené draslíkové kanály, které se začaly otevírat pomaleji během depolarizace, jsou nyní plně otevřené.

Otevření draslíkových kanálů umožní masivní odliv kladně nabitých K⁺ iontů z buňky ven, což způsobí návrat membránového potenciálu zpět k záporným hodnotám. Tento proces se nazývá repolarizace.

4. Hyperpolarizace (Následný potenciál)

Napěťově řízené draslíkové kanály se zavírají poměrně pomalu. To vede k tomu, že membránový potenciál dočasně klesne pod úroveň klidového potenciálu (např. na -80 mV). Tento stav se nazývá hyperpolarizace neboli následný potenciál. Během této doby je pro buňku těžší vygenerovat další akční potenciál. Nakonec se draslíkové kanály uzavřou a sodíko-draslíková pumpa obnoví původní klidový membránový potenciál.

🧠 Vlastnosti a principy

Akční potenciál má několik charakteristických vlastností, které jsou zásadní pro jeho funkci.

Princip "všechno, nebo nic"

Tento princip (anglicky all-or-none principle) znamená, že pokud depolarizující stimul nedosáhne prahové hodnoty, akční potenciál nevznikne vůbec. Pokud však práh překročen je, vznikne akční potenciál vždy se stejnou amplitudou a trváním, bez ohledu na sílu nadprahového stimulu. Informace o síle podnětu není kódována velikostí akčního potenciálu, ale jeho frekvencí (počtem akčních potenciálů za časovou jednotku). Silnější podnět vyvolá vyšší frekvenci akčních potenciálů.

Refrakterní perioda

Po vygenerování akčního potenciálu je buňka po krátkou dobu necitlivá k další stimulaci. Toto období se nazývá refrakterní perioda a dělí se na dvě části:

Absolutní refrakterní perioda: Během depolarizace a většiny repolarizace jsou sodíkové kanály buď již otevřené, nebo inaktivované. V tomto stavu nemůže být vyvolán žádný další akční potenciál, bez ohledu na sílu stimulu. Tato perioda zajišťuje jednosměrné šíření signálu a omezuje maximální frekvenci pálení neuronu.
Relativní refrakterní perioda: Během hyperpolarizace jsou sodíkové kanály již schopné se znovu otevřít, ale membrána je více negativní než v klidu. K dosažení prahové hodnoty je proto zapotřebí silnějšího stimulu než obvykle.

Šíření akčního potenciálu

Jakmile akční potenciál vznikne na jednom místě (typicky na axonovém hrbolku neuronu), šíří se po celé délce axonu bez zeslabení. Příliv Na⁺ iontů v jednom místě depolarizuje sousední oblast membrány na prahovou hodnotu, což tam spustí nový akční potenciál. Tento proces se opakuje jako domino. Rychlost šíření závisí na dvou faktorech:

Průměr axonu: Širší axony mají menší vnitřní odpor a vedou signál rychleji.
Myelinizace: Mnoho axonů u obratlovců je obaleno myelinovou pochvou, která funguje jako elektrický izolant. Myelin je přerušován v pravidelných intervalech tzv. Ranvierovými zářezy. Akční potenciál "přeskakuje" z jednoho zářezu na druhý, což se nazývá saltatorní (skokové) vedení. Toto vedení je mnohonásobně rychlejší než kontinuální šíření v nemyelinizovaných vláknech.

🔬 Typy akčních potenciálů

Ačkoliv výše popsaný model je typický pro neuron, existují i jiné formy akčních potenciálů. Například buňky srdečního svalu mají mnohem delší akční potenciál s charakteristickou fází "plató". Tato fáze je způsobena pomalým přílivem vápenatých iontů (Ca²⁺) do buňky a je klíčová pro zajištění dostatečně dlouhé kontrakce srdce a zabránění příliš rychlému opakování stahů (arytmie).

💊 Farmakologické ovlivnění

Funkce iontových kanálů je cílem mnoha jedů a léků.

Tetrodotoxin (TTX): Silný neurotoxin nacházející se v rybách čtverzubcích (fugu). Blokuje napěťově řízené sodíkové kanály, čímž znemožňuje vznik akčních potenciálů, což vede k paralýze a smrti.
Lidokain a další lokální anestetika: Tyto látky reverzibilně blokují sodíkové kanály v senzorických neuronech. Tím brání přenosu signálů o bolesti z místa aplikace do mozku.
Dendrotoxiny: Jedy hadů z rodu mamba. Blokují napěťově řízené draslíkové kanály, což prodlužuje repolarizaci a vede k nadměrnému uvolňování neurotransmiterů, způsobující křeče.

💡 Pro laiky

Představte si akční potenciál jako vlnu, kterou dělají diváci na stadionu (tzv. "mexická vlna").

Klidový stav: Všichni diváci sedí na svých místech.
Stimul: Někdo v jedné sekci se rozhodne začít vlnu.
Prahová hodnota: Musí se zvednout dostatečný počet lidí, aby se ostatní vedle nich přidali. Pokud se zvedne jen jeden člověk, vlna nevznikne.
Princip "všechno, nebo nic": Jakmile se vlna spustí, šíří se po celém stadionu vždy stejným způsobem – lidé vstanou a zase si sednou. Nezáleží na tom, jak "nadšeně" první skupina vstala.
Šíření: Vstávající lidé (depolarizace) inspirují sousedy, aby také vstali. Lidé, kteří si sedají (repolarizace), se už znovu nepřidají, dokud vlna nepřejde.
Refrakterní perioda: Chvíli trvá, než si člověk sedne a je připraven vstát znovu. Během této doby nemůže být součástí nové vlny.

V těle je tato "vlna" elektrickým impulsem, který se šíří po nervovém vlákně a přenáší zprávy – například z vašeho prstu, který se dotkl horkého předmětu, do mozku, který vydá povel "ucukni!".

Šablona:Aktualizováno