Depolarizacija

U biologiji, depolarizacija ili hipopolarizacija^[1][2] je unutarćelijska promjena tokom koje ćelija prolazi kroz promjenu u distribuciji električnog naboja, što rezultira manjim negativnim nabojem unutar ćelije u odnosu na vanjski. Depolarizacija je neophodna za funkciju mnogih ćelija, međućelijsku komunikaciju i cjelokupnu fiziologiju organizma.

Većina ćelija viših organizama održava unutrašnje okruženje koje je negativno naelektrisano u odnosu na spoljašnjost ćelije. Ova razlika u naboju naziva se ćelijski membranski potencijal. U procesu depolarizacije negativni unutrašnji naboj ćelije privremeno postaje pozitivniji (manje negativan). Ovaj pomak sa negativnog na pozitivniji membranski potencijal događa se tokom nekoliko procesa, uključujući akcijski potencijal. Tokom akcijskog potencijala, depolarizacija je toliko velika da razlika potencijala kroz ćelijsku membranu nakratko obrće polarnost, pri čemu unutrašnjost ćelije postaje pozitivno naelektrisana.

Promjena naboja obično nastaje zbog priliva natrijevih iona u ćeliju, iako može biti posredovana prilivom bilo kojeg tipa kationa ili izlivom bilo kojeg tipa aniona. Suprotnost depolarizaciji naziva se hiperpolarizacija.

Upotreba termina "depolarizacija" u biologiji razlikuje se od njegove upotrebe u fizici, gdje se odnosi na situacije u kojima bilo koji oblik polarnost (prisustvo bilo kakvog električnog naboja, bilo pozitivnog ili negativnog) mijenja se na vrijednost nula.

Depolarizacija se ponekad naziva "hipopolarizacija"^[1][2] (za razliku od hiperpolarizacije).

Proces depolarizacije u potpunosti ovisi o unutrašnjoj električnoj prirodi većine ćelija. Kada ćelija miruje, održava ono što je poznato kao potencijal mirovanja. Potencijal mirovanja koji stvaraju skoro sve ćelije dovodi do toga da unutrašnjost ćelije ima negativan naboj u odnosu na spoljašnjost ćelije. Da bi se održala ova električna neravnoteža, mikroskopske pozitivno inegativno nabijene čestice zvane ioni se transportuju kroz ćelijsku plazmamembranu. Transport iona kroz plazmamembranu ostvaruje se pomoću nekoliko različitih tipova transmembranskih proteina ugrađenih u ćelijsku plazmamembranu koji funkcionišu kao putevi za ione u ćeliju i van nje, kao što su ionski kanal, natrij-kalij pumpa, i naponski-vođeni ionski kanali.

Potencijal mirovanja se mora uspostaviti unutar ćelije prije nego što se ćelija može depolarizirati. Postoje mnogi mehanizmi pomoću kojih ćelija može uspostaviti potencijal mirovanja, međutim postoji tipski obrazac generiranja ovog potencijala mirovanja koji mnoge ćelije slijede. Ćelija koristi ionske kanale, ionske pumpe i naponski-vođene ionske kanale za stvaranje negativnog potencijala mirovanja unutar ćelije. Međutim, proces stvaranja potencijala mirovanja unutar ćelije također stvara okruženje izvan ćelije koje pogoduje depolarizaciji. Natrij-kalij pumpa je u velikoj meri odgovorna za optimizaciju uslova, kako na unutrašnjosti tako i na spoljašnjosti ćelije za depolarizaciju. Pumpanjem tri pozitivno nabijena iona natrija (Na⁺) iz ćelije za svaka dva pozitivno nabijena iona kalija (K⁺) upumpana u ćeliju, ne samo da je uspostavljen potencijal u mirovanju ćelije, već se stvara nepovoljan koncentracijski gradijent, povećanjem koncentracije natrija izvan ćelije i povećanjem koncentracije kalija unutar ćelije. Iako postoji prekomjerna količina kalija u ćeliji i natrija izvan ćelije, generirani potencijal mirovanja drži naponski-vođene ionske kanale u plazmamembrani zatvorenima, sprječavajući da ioni koji su pumpani kroz plazmamembranu difundiraju u određeno područje niže koncentracije. Pored toga, unatoć visokoj koncentraciji pozitivno nabijenih kalijevih jona, većina ćelija sadrži unutrašnje komponente (negativnog naboja), koje se akumuliraju da bi uspostavile negativno unutrašnje naelektrisanje.

Nakon što ćelija uspostavi potencijal mirovanja, ona ima kapacitet da se podvrgne depolarizaciji. Tokom depolarizacije, membranski potencijal se brzo pomjera sa negativnog na pozitivan. Da bi se ova brza promjena dogodila u unutrašnjosti ćelije, duž ćelijske plazmamembrane mora se dogoditi nekoliko događaja. Dok natrij-kalij pumpa nastavlja da radi, naponski-ovisni natrijski i kalcijski kanali koji su bili zatvoreni dok je ćelija bila na potencijalu mirovanja se otvara, kao odgovor na početnu promjenu napona. Kako ioni natrija jure natrag u ćeliju, dodaju pozitivan naboj unutrašnjosti ćelije i mijenjaju membranski potencijal iz negativnog u pozitivan. Kada unutrašnjost ćelije postane pozitivnije naelektrisana, depolarizacija ćelije je završena i kanali se ponovo zatvaraju.

Nakon što je ćelija depolarizovana, ona prolazi kroz jednu posljednju promjenu unutrašnjeg naboja. Nakon depolarizacije, naponski-vođeni natrijevi ionski kanali koji su bili otvoreni dok je ćelija prolazila kroz depolarizaciju ponovo se zatvaraju. Povećani pozitivni naboj unutar ćelije sada uzrokuje otvaranje kalijskih kanala. Kalijevi ioni (K⁺) počinju da se kreću niz elektrohemijski gradijent (u korist gradijenta koncentracije i novouspostavljenog električnog gradijenta). Kako kalij izlazi iz ćelije, potencijal unutar ćelije se smanjuje i ponovo se približava svom potencijalu mirovanja. Natrij-kalij pumpa radi neprekidno tokom ovog procesa.^[3]

• Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., ured. (2001). Neuroscience (2. izd.). Sunderland, Mass: Sinauer Assoc. ISBN 978-0-87893-742-4.

• "Depolarization (Animation)". Psychology Department, Hanover College. Pristupljeno 18. 5. 2013.