Hyperpolarisatie is een biologisch proces waarbij de membraanspanning toeneemt en de rustwaarde overschrijdt. Dit mechanisme is belangrijk voor de functie van spier-, zenuw- en sensorische cellen in het menselijk lichaam. Hierdoor kunnen acties zoals spierbeweging of visie door het lichaam worden ingeschakeld en gecontroleerd.
Wat is hyperpolarisatie?
Hyperpolarisatie is een biologisch proces waarbij de membraanspanning toeneemt en de rustwaarde overschrijdt. Dit mechanisme is belangrijk voor de functie van spier-, zenuw- en sensorische cellen in het menselijk lichaam. Cellen in het menselijk lichaam zijn omsloten door een membraan. Het wordt ook wel plasmamembraan genoemd en bestaat uit een lipide dubbellaag. Het scheidt het intracellulaire gebied, het cytoplasma, van het omliggende gebied. De membraanspanning van cellen in het menselijk lichaam, zoals spiercellen, zenuwcellen of sensorische cellen in het oog, hebben een rustpotentieel in de rusttoestand. Deze membraanspanning wordt veroorzaakt door het feit dat er een negatieve lading in de cel zit en een positieve lading in het extracellulaire gebied, dus buiten de cellen. De waarde voor het rustpotentieel varieert afhankelijk van het celtype. Als dit rustpotentieel van membraanspanning wordt overschreden, treedt membraanhyperpolarisatie op. Hierdoor wordt de membraanspanning negatiever dan tijdens de rustpotentiaal, dwz de lading in de cel wordt nog negatiever. Dit gebeurt meestal na het openen of zelfs sluiten van ionenkanalen in het membraan. Deze ionenkanalen zijn kalium, calcium, chloride en natrium kanalen, die spanningsafhankelijk functioneren. Hyperpolarisatie treedt op vanwege spanningsafhankelijk kalium kanalen die enige tijd nodig hebben om te sluiten nadat het rustpotentieel is overschreden. Ze vervoeren het positief geladen kalium ionen in het extracellulaire gebied. Dit resulteert kortstondig in een meer negatieve lading in de cel, hyperpolarisatie.
Functie en taak
De hyperpolarisatie van de celmembraan maakt deel uit van de zogenaamde actiepotentiaal Dit bestaat uit verschillende fasen. De eerste fase is het overschrijden van het drempelpotentieel van de celmembraan, gevolgd door depolarisatie, is er een positievere lading in de cel. Dit wordt gevolgd door repolarisatie, wat betekent dat het rustpotentieel weer wordt bereikt. Dit wordt gevolgd door hyperpolarisatie voordat de cel weer het rustpotentieel bereikt. Dit proces dient om signalen over te dragen. Zenuwcellen vormen actiepotentialen in de axon heuvelgebied na ontvangst van een signaal. Dit wordt vervolgens verzonden langs de axon in de vorm van de actiepotentialen. De synapsen van de zenuwcellen zenden vervolgens het signaal naar de volgende zenuwcel in de vorm van neurotransmitters. Deze kunnen een activerend of remmend effect hebben. Het proces is essentieel bij de overdracht van signalen in de hersenen, bijvoorbeeld. Visie komt ook op een vergelijkbare manier voor. Cellen in het oog, de zogenaamde staafjes en kegeltjes, ontvangen het signaal van de externe lichtprikkel. Dit resulteert in de vorming van de actiepotentiaal en de stimulus wordt dan overgebracht naar de hersenen Interessant is dat hier de stimulusontwikkeling niet plaatsvindt door depolarisatie zoals bij andere zenuwcellen. Zenuwcellen hebben een membraanpotentiaal van -65mV in hun rustpositie, terwijl fotoreceptoren een membraanpotentiaal hebben van -40mV bij een rustpotentiaal. Ze hebben dus al een positievere membraanpotentiaal dan zenuwcellen in hun rusttoestand. In fotoreceptorcellen vindt de ontwikkeling van de stimulus plaats door hyperpolarisatie. Als gevolg hiervan geven de fotoreceptoren minder af neurotransmitter en de stroomafwaartse neuronen kunnen de intensiteit van het lichtsignaal bepalen op basis van de vermindering van de neurotransmitter. Dit signaal wordt vervolgens verwerkt en geëvalueerd in de hersenen Hyperpolarisatie veroorzaakt een remmend postsynaptisch potentieel (IPSP) in het geval van het gezichtsvermogen of bepaalde neuronen. In het geval van neuronen daarentegen activeert het vaak postsynaptische potentialen
(APSP). Een andere belangrijke functie van hyperpolarisatie is dat het voorkomt dat de cel opnieuw een actiepotentiaal te snel vanwege andere signalen. Het remt dus tijdelijk stimulusvorming in de zenuwcel.
Ziekten en aandoeningen
Hart en spiercellen hebben HCN-kanalen. HCN staat hier voor hyperpolarisatie-geactiveerde cyclische nucleotide-gated kationkanalen. Het zijn kationkanalen die worden gereguleerd door de hyperpolarisatie van de cel. Bij mensen zijn 4 vormen van deze HCN-kanalen bekend. Ze worden HCN-1 tot en met HCN-4 genoemd. Ze zijn zowel betrokken bij de regulatie van het hartritme als bij de activiteit van spontaan activerende neuronen. In neuronen gaan ze hyperpolarisatie tegen, zodat de cel sneller het rustpunt kan bereiken. Ze verkorten daarmee de zogenaamde refractaire periode, die de fase na depolarisatie beschrijft. In hart- cellen, aan de andere kant, reguleren ze diastolische depolarisatie, die wordt gegenereerd op de sinusknoop van het hart. In onderzoeken met muizen is aangetoond dat het verlies van HCN-1 een defect in motorische bewegingen veroorzaakt. De afwezigheid van HCN-2 leidt tot neuronale en hartbeschadiging, en het verlies van HCN-4 veroorzaakt de dood bij de dieren. Er wordt gespeculeerd dat deze kanalen kunnen worden geassocieerd met epilepsie in mensen. Bovendien is bekend dat mutaties in de HCN-4-vorm deze veroorzaken hartritmestoornissen in mensen. Dit betekent dat bepaalde mutaties van het HCN-4-kanaal dat wel kunnen leiden naar hartritmestoornissen Daarom zijn HCN-kanalen ook het doelwit van medische therapieën voor hartritmestoornissen, maar ook voor neurologische defecten waarbij hyperpolarisatie van neuronen te lang duurt. Patiënten met hartritmestoornissen als gevolg van HCN-4-kanaaldisfunctie worden behandeld met specifieke remmers. Er moet echter worden vermeld dat de meeste therapieën met betrekking tot HCN-kanalen zich nog in de experimentele fase bevinden en daarom nog niet toegankelijk zijn voor mensen.
