De drempelpotentiaal beschrijft een specifiek ladingsverschil op het membraan van exciteerbare cellen. Wanneer de membraanpotentiaal verzwakt tot een bepaalde waarde tijdens depolarisatie, een actiepotentiaal wordt geïnduceerd via het openen van spanningsafhankelijke ionenkanalen. De in elk geval te bereiken waarde, die nodig is voor het genereren van een actiepotentiaal, is essentieel voor excitatiegeleiding vanwege het alles-of-niets principe.
Wat is het drempelpotentieel?
De drempelpotentiaal beschrijft een specifiek ladingsverschil op het membraan van exciteerbare cellen. Het cellulaire interieur wordt gescheiden van het omringende externe medium door een membraan dat slechts gedeeltelijk doorlaatbaar is voor bepaalde stoffen. Zo kunnen ionen, dwz geladen deeltjes, er niet ongecontroleerd doorheen gaan. De ongelijke distributie van ionen tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel zorgt ervoor dat een meetbaar elektrochemisch potentieel wordt opgebouwd, dat bekend staat als het drempelpotentieel. Zolang de cel niet opgewonden is, is deze rustmembraanpotentiaal negatief. De elektrische impuls die bij de cel aankomt, activeert deze of brengt deze in een aangeslagen toestand. De negatieve rustmembraanpotentiaal wordt gedepolariseerd door een verandering in ionenpermeabiliteit, dwz het wordt positiever. Of er een neuronale respons optreedt, hangt af van de mate van pre-depolarisatie. Alleen als een bepaalde kritische waarde wordt bereikt of overschreden, kan een actiepotentiaal wordt gevormd volgens het alles-of-niets-principe. Anders gebeurt er niets. Deze specifieke waarde, nodig voor excitatiegeleiding door actiepotentialen, wordt het drempelpotentiaal genoemd.
Functie en taak
Het aanspreekpunt voor alle inkomende prikkelende impulsen is de axon heuvel. Dit markeert de plaats van de vorming van actiepotentiaal omdat de drempelpotentiaal daar lager is dan bij andere membraandelen vanwege een bijzonder hoge dichtheid van spanningsafhankelijke ionenkanalen. Zodra de drempelpotentiaal wordt bereikt of overschreden tijdens de pre-depolarisatie, treedt er een soort kettingreactie op. Een groot aantal spanningsafhankelijke natrium ionenkanalen gaan abrupt open. Het tijdelijke, lawine-achtige natrium influx langs de spanningsgradiënt intensiveert de depolarisatie totdat de rustmembraanpotentiaal volledig ineenstort. Er wordt een actiepotentiaal vastgesteld, dwz gedurende ongeveer één milliseconde treedt er een polariteitsomkering op vanwege het teveel aan positieve ladingen in de cel. Nadat een actiepotentiaal met succes is geactiveerd, is er een geleidelijk herstel van de oorspronkelijke membraanpotentiaal. Zoals de natrium instroom mislukt langzaam, vertraagd kalium kanalen open. De toenemende kalium uitgaande stroom compenseert de afnemende natriuminstroom en gaat depolarisatie tegen. Tijdens deze zogenaamde repolarisatie wordt de membraanpotentiaal weer negatief en zakt zelfs kort onder de waarde van de rustpotentiaal. De natrium-kalium pomp herstelt dan het oorspronkelijke ion distributie De excitatie verspreidt zich in de vorm van het actiepotentiaal over de axon naar de volgende zenuw- of spiercel. De excitatiegeleiding volgt een constant mechanisme. Om depolarisatie te compenseren, migreren naburige ionen naar de plaats van vorming van het actiepotentiaal. Deze migratie van ionen leidt ook tot een depolarisatie in het aangrenzende gebied, die een nieuw actiepotentiaal induceert met een vertraging in de tijd wanneer het drempelpotentieel wordt bereikt. In markeloze zenuwcellen kan een continue geleiding van excitatie langs het membraan worden waargenomen, terwijl in zenuwvezels omhuld door een myeline schede, excitatie springt van koordring naar koordring. Het specifieke gedeelte van het membraan waarop de actiepotentiaal wordt geïnitieerd, is niet-exciteerbaar totdat de rustende membraanpotentiaal is hersteld, wat de geleiding van excitatie in slechts één richting mogelijk maakt.
Ziekten en aandoeningen
Het drempelpotentieel is de voorwaarde voor het genereren van actiepotentialen, waarop uiteindelijk alle overdracht van zenuwimpulsen of excitatie is gebaseerd. Aangezien excitatiegeleiding essentieel is voor alle fysiologische functies, kan elke verstoring van deze gevoelige elektrofysiologie dat wel leiden aan fysieke beperkingen.hypokaliëmie, dat wil zeggen, kaliumgebrek, heeft een vertragend effect op depolarisatie en een versnellend effect op repolarisatie door het verzwakken van de rustmembraanpotentiaal, wat geassocieerd is met vertraagde geleiding en het risico op spierzwakte of verlamming. Bij ziekten die de myeline schede van zenuwvezels (bijv. multiple sclerose), worden de onderliggende kaliumkanalen blootgesteld, wat resulteert in een ongecontroleerde uitstroom van kaliumionen vanuit de cel en als gevolg daarvan de volledige afwezigheid of verzwakking van het actiepotentiaal. Bovendien genetisch bepaalde mutaties van het kanaal eiwitten want natrium en kalium kunnen in verschillende mate functionele beperkingen veroorzaken, afhankelijk van de lokalisatie van de aangetaste kanalen. Defecten van de kaliumkanalen in het binnenoor worden bijvoorbeeld geassocieerd met perceptief gehoorverlies Pathologisch veranderde natriumkanalen in skeletspieren veroorzaken zogenaamde myotonie, die wordt gekenmerkt door verhoogde of langdurige spanning en vertraagde ontspanning van de spieren. Dit wordt veroorzaakt door onvoldoende sluiting of blokkering van de natriumkanalen, wat resulteert in het genereren van overmatige actiepotentialen. Een verstoring van de natrium- of kaliumkanalen in de hart- spieren kunnen aritmieën veroorzaken, dwz hartritmestoornissen zoals een verhoogde hart- tarief (tachycardie), aangezien alleen de juiste geleiding van excitatie in het hart een stabiel, onafhankelijk hartritme garandeert. In het geval van tachycardiekunnen verschillende elementen binnen de geleidingsketen worden verstoord: bijvoorbeeld het ritme van automatische depolarisatie of de tijdelijke koppeling van depolarisatie van spiercellen of de frequentie van excitatie als gevolg van een gebrek aan rustfasen. Als een regel, therapie wordt uitgevoerd met natriumkanaalblokkers, die de natriuminstroom remmen en zo enerzijds de membraanpotentiaal stabiliseren en anderzijds de re-exciteerbaarheid van de cel vertragen. In principe kunnen alle soorten ionenkanalen selectief worden geblokkeerd. In het geval van spanningsafhankelijke natriumkanalen gebeurt dit door middel van zogenaamde lokale anesthetica Neurotoxinen zoals het gif van de mamba (dendrotoxine) of het gif van de kogelvis (tetrodotoxine) kunnen echter ook de prikkelbaarheid van de cel verminderen of elimineren door de natriuminstroom te remmen en het genereren van een actiepotentiaal te voorkomen.
