HC9: Actiepotentiaal

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt uitlegegd wat een actiepotentiaal is, hoe het ontstaat en hoe het zich verplaatst
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Wat is de actiepotentiaal?

Actiepotentiaal (AP) kan op verschillende manieren omschreven worden:

• De verandering van de transmembraanpotentiaal (TMP) over de tijd
  • De TMP is het ladingsverschil tussen de binnen- en buitenkant van de cel
• Een dynamiek tussen kaliumionen, calciumionen en natriumionen die in- en uitstromen
• In rust is de lading intracellulair negatief en extracellulair positief

De vorm van de actiepotentiaal is afhankelijk van de timing:

• De hartspier trekt tijdens de actiepotentiaal samen, de skeletspier na de actiepotentiaal
  • Dit verklaart waarom skeletspieren wel krampen kunnen ontwikkelen, en hartspieren niet
• De duur van de actiepotentiaal kan verschillen
  • De actiepotentiaal is in het epicard korter dan in het endocard
  • Dit verklaart de polariteit van de T-golf (HC11)

Verdeling van ionen:

Binnen en buiten de cel zijn de kalium-, calcium-, natrium- en chloorionen op een specifieke manier verdeeld:

• Binnen de cel: 130⁺
  • 150 mM K⁺
  • 10 mM Na⁺
  • 0 mM Ca⁺⁺
  • 30 mM Cl^-
• Buiten de cel: 26⁺
  • 4 mM K⁺
  • 140 mM Na⁺
  • 1 mM Ca⁺⁺
  • 120 mM Cl^-

Deze balans wordt in stand gehouden door allerlei ionkanalen die bij bepaalde membraanvoltages open of dicht gaan: bij -80 mV zijn alleen kaliumkanalen open, bij depolarisatie ook de natriumkanalen. Uiteindelijk is binnen de cel door de negatief geladen eiwitten en fosfaten de lading -80 mV.

Evenwichtspotentialen:

Er zijn dus grote concentratieverschillen bij de ionen binnen en buiten de cellen, bijv. bij kalium:

• [K⁺]in= 140 mM en [K⁺]uit= 4 mM

Het gevolg hiervan is dat kaliumionen door het concentratie-effect de cel willen verlaten. Tegelijkertijd wordt het intracellulair echter negatiever, de positieve kaliumionen voelen zich door dit ladingseffect aangetrokken. Met de Nernstvergelijking kan berekend worden wanneer er netto geen verplaatsing plaatsvindt als deze effecten gelijk aan elkaar zijn:

• EK= - (61/z) x log([K⁺]i/[K⁺]o)
  • z = 1, 2, 3, ... (valentie van het ion)
  • Invullen met [K⁺]i= 150 mM en [K⁺]o= 4 mM geeft dat EK= -96 mV
    • Als MP > -96 mV stromen er kaliumionen naar buiten
    • Als MP < -96 mV stromen er kaliumionen naar binnen
  • Dit kan ook berekend worden voor o.a. calcium- en natriumionen

De membraanpotentiaal is niet alleen afhankelijk van kalium, maar ook van natrium en calcium. De membraanpotentiaal is afhankelijk van de evenwichtspotentialen en de relatieve geleidbaarheid. Hieruit ontstaat de volgende vergelijking:

• Em= gⁱ_k x E_K + gⁱ_Na x E_Na + gⁱ_Ca x E_Ca = -80 mV
  • "g" is de geleidbaarheid
    • g = 0 → ionkanaal dicht
    • g = 1 → ionkanaal open

In de rustfase heeft het membraan een hoge affiniteit voor kalium en een lagere affiniteit voor calcium en natrium. Bijdragen van natrium en calcium mogen niet te hoog zijn om -80 mV te kunnen bereiken.

Verloop van een actiepotentiaal

De actiepotentiaal is het gevolg van veranderende affiniteiten voor de ionen. Een standaard actiepotentiaal (AP) in een ventriculaire cel ziet er als volgt uit:

1. Fase 4: de rustfase
2. Fase 0: depolarisatie → de natriumkanalen gaan open
   • De affiniteit van kalium neemt af en die van natrium neemt toe
   • Lokaal bereikt de membraanpotentiaal -65 mV, waardoor de natriumkanalen opengaan
3. Fase 1: de natriumkanalen sluiten (de eerste repolarisatiefase)
4. Fase 2: de plateaufase
   • Calcium komt de cel in, dit zorgt voor contractie
   • Uitstromend kalium heft het instromende calcium op
   • Er gaat netto evenveel lading in als uit → het plateau ontstaat (de grafiek vlakt af)
5. Fase 3: repolarisatie
   • Er gaat nog steeds kalium naar buiten → de cel heeft minder positieve ionen → membraanpotentiaal neemt af
   • Kalium stroomt naar buiten omdat de binnenkant van de cel niet negatief genoeg is om het kalium te behouden

Hierna begint de cyclus opnieuw.

De duur van een actiepotentiaal verschilt plaatselijk: een actiepotentiaal duurt in epicard korter dan in endocard → verklaart de T-golf polariteit in het ECG

Kanalen, pompen en uitwisselaars

Om de membraanpotentiaal in balans te houden zijn er allerlei pompen, kanalen en uitwisselaars bezig met het transporteren van ionen tegen hun gradiënt in:

• Na⁺/K⁺-ATPase: ruilt 3 natriumionen voor 2 kaliumionen
  • Kost ATP
• ATP-gedreven calciumpomp
  • Pompt het calcium naar buiten
  • Kost ATP
• Natrium-calcium exchanger: ruilt 3 natriumionen voor 1 calciumion
  • Pompt natrium naar binnen en calcium naar buiten
  • Kost geen ATP

Vooral Fase 4, het herstel van de oorspronkelijke concentraties, kost dus energie.

Onderdrukken van de Na⁺/K⁺-pomp:

De Na⁺/K⁺-pomp kan onderdrukt worden. Dit kan verschillende gevolgen hebben:

• Ischemie
  1. Door zuurstoftekort is er minder ATP beschikbaar
  2. De Na/K-pomp kan minder hard werken
  3. Na⁺ hoopt zich op in de cel
  4. De Na/Ca exchanger hoeft minder hard te werken
  5. Ca²⁺ hoopt zich op in de cel
  6. Er ontstaan afterdepolarisaties
  • Extra, ongewenste depolarisaties → veroorzaken een ritmestoornis
• Digoxine
  1. De Na/K-pomp wordt onderdrukt
  2. Na⁺ hoopt zich op in de cel
  3. De Na/Ca exchanger werkt minder hard
  4. Ca²⁺ hoopt op in de cel
  5. Er ontstaat sterkere contractie van de hartspieren
  • Dit kan bruikbaar zijn als medicijn tegen hartfalen

Openen en sluiten van het Na⁺-kanaal:

Ook kan dit kanaal openen en sluiten op basis van de membraanpotentiaal:

1. In fase 4 is het kanaal gesloten en exciteerbaar
2. De membraan depolariseert en fase 0 wordt geïnitieerd → de kanalen gaan open
3. Fase 1, de repolarisatie, begint → de kanalen zijn gesloten en inactief
4. Bij een membraanpotentiaal van < -65 mV zijn de natriumkanalen weer exciteerbaar → fase 3 begint
   • Hoe lager de membraanpotentiaal, hoe meer de kanalen zijn geactiveerd
   • Niet alle kanalen zijn tegelijkertijd weer exciteerbaar

De refractaire periode

Er zijn verschillende refractaire periodes:

• Absolute refractaire periode (ARP) of effectieve refractaire periode (ERP)
  • Alle natriumkanalen zijn inactief
• Relatieve refractaire periode (RRP)
  • De drempel van -65 mV zakt → de natriumkanalen kunnen alleen door een grotere stimulans worden geactiveerd
  • Een aantal cellen kunnen wel en een aantal cellen kunnen niet depolariseren
  • Als er op het verkeerde moment een impuls komt dat bepaalde cellen moeten depolariseren, ontstaat een hartritmestoornis

Hyperkaliëmie

Hyperkaliëmie is een te hoge concentratie kalium in het bloed. Hierbij horen verschillende symptomen, waaronder spierverlamming en hartritmestoornissen. De oorzaak hiervan kan te maken hebben met de actiepotentiaal:

1. De [K⁺]_o neemt door de injectie toe naar bijv. 14 mM
2. De EKneemt toe naar -61 mV (kan berekend worden met Nernst)
3. De membraanpotentiaal wordt groter
4. Er zijn minder of geen natriumkanalen beschikbaar
5. Fase 0 wordt langzamer of verdwijnt:
   • De doorgave van het elektrisch hartsignaal gaat langzamer (de pomp van het hart werkt niet efficiënt)
   • Er ontstaat een breder QRS-complex (HC11 en HC12)
6. De repolarisatiesnelheid neemt door het induceren van receptor-induced kaliumkanalen toe