الاستقطاب الزائد (علم الأحياء)

الاستقطاب الزائد هو تغير في جهد غشاء الخلية يجعله أكثر سلبية. ^{[ 1 ]} عادةً ما يكون للخلايا الحية جهد راحة سالب . قد ينحرف جهد غشاء الخلايا الحيوانية القابلة للاستثارة ( الخلايا العصبية ، والخلايا العضلية ، والخلايا الغدية)، وكذلك خلايا الكائنات الحية الأخرى، مؤقتًا عن قيمة الراحة. هذه إحدى آليات الإشارات الخلوية العديدة .

في الخلايا القابلة للاستثارة، يتحقق التنشيط عادةً من خلال إزالة الاستقطاب ، أي انحراف جهد الغشاء نحو قيم أقل سلبية. وبالتالي، فإن فرط الاستقطاب، كعملية معاكسة، يجعل تنشيط الخلية أكثر صعوبة. عندما يكون جهد الغشاء أكثر سلبية، يلزم وجود محفز أقوى لتجاوز عتبة التنشيط . ^{[ 2 ]}

تُصبح الخلايا العصبية مُفرطة الاستقطاب بشكل طبيعي في نهاية جهد الفعل ، وهي الفترة التي تُعرف عادةً بفترة الامتناع النسبي. تدوم فترة الامتناع النسبي عادةً 2 ملي ثانية، وخلالها يلزم وجود مُحفز أقوى لإطلاق جهد فعل آخر. كما يُمكن أن تُصبح الخلايا مُفرطة الاستقطاب اعتمادًا على القنوات والمستقبلات الموجودة على غشائها، والتي قد يكون لها تأثير مُثبط.

يحدث فرط الاستقطاب غالبًا نتيجةً لتدفق أيونات البوتاسيوم ( K ⁺ ) عبر ^قنوات البوتاسيوم ، أو تدفق أيونات الكلوريد (Cl- ⁾ عبر قنوات الكلوريد . في المقابل، يُثبّط تدفق الكاتيونات ، مثل أيونات الصوديوم (Na ⁺⁾ عبر قنوات الصوديوم أو أيونات ^{الكالسيوم} ( Ca2 ^{+ )} عبر قنوات الكالسيوم ، فرط الاستقطاب. إذا كانت الخلية تحتوي على تيارات من أيونات الصوديوم ^{أو الكالسيوم} في ^حالة الراحة، فإن تثبيط هذه التيارات سيؤدي أيضًا إلى فرط الاستقطاب. وتُعد استجابة قنوات الأيونات ذات البوابات الفولتية هي الآلية التي يتم من خلالها الوصول إلى حالة فرط الاستقطاب. ^{[ 3 ]}

تستجيب قنوات الأيونات ذات البوابات الفولتية للتغيرات في جهد الغشاء. تُعد قنوات البوتاسيوم والكلوريد والصوديوم ذات البوابات الفولتية مكونات أساسية في توليد جهد الفعل وفرط الاستقطاب. تعمل هذه القنوات عن طريق اختيار أيون بناءً على التجاذب أو التنافر الكهروستاتيكي، مما يسمح للأيون بالارتباط بالقناة. ^{[ 4 ]} يؤدي ذلك إلى تحرير جزيء الماء المرتبط بالقناة، فيمر الأيون عبر المسام. تفتح قنوات الصوديوم ذات البوابات الفولتية استجابةً للمؤثر ثم تغلق. هذا يعني أن القناة إما مفتوحة أو مغلقة، فلا يوجد فتح جزئي. في بعض الأحيان، تُغلق القناة ولكن يمكن إعادة فتحها فورًا، وهو ما يُعرف ببوابات القناة، أو قد تُغلق دون إمكانية إعادة فتحها فورًا، وهو ما يُعرف بتعطيل القناة.

في حالة الراحة، تكون قنوات الصوديوم والبوتاسيوم ذات البوابات الفولتية مغلقة، ولكن مع زوال استقطاب غشاء الخلية، تبدأ قنوات الصوديوم ذات البوابات الفولتية بالانفتاح، ويبدأ العصبون بزوال الاستقطاب، مما يُنشئ حلقة تغذية راجعة للتيار تُعرف بدورة هودجكين . ^{[ 4 ]} ومع ذلك، تتحرك أيونات البوتاسيوم بشكل طبيعي خارج الخلية، وإذا لم يكن حدث زوال الاستقطاب الأولي كافيًا، فلن يُولّد العصبون جهد فعل. أما إذا كانت جميع قنوات الصوديوم مفتوحة، فإن نفاذية العصبون للصوديوم تصبح عشرة أضعاف نفاذية البوتاسيوم، مما يؤدي إلى زوال استقطاب الخلية بسرعة إلى ذروة +40  ملي فولت. ^{[ 4 ]} عند هذا المستوى، تبدأ قنوات الصوديوم بالتوقف عن العمل، وتبدأ قنوات البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية بالانفتاح. يؤدي هذا المزيج من قنوات الصوديوم المغلقة وقنوات البوتاسيوم المفتوحة إلى إعادة استقطاب العصبون وعودته إلى حالة سالبة. يستمر العصبون في إعادة الاستقطاب حتى تصل الخلية إلى حوالي -75  ملي فولت، ^{[ 4 ]} وهو جهد التوازن لأيونات البوتاسيوم. هذه هي النقطة التي يحدث عندها فرط استقطاب العصبون، بين -70  و-75  ملي فولت. بعد فرط الاستقطاب، تُغلق قنوات البوتاسيوم، وتسمح نفاذية العصبون الطبيعية للصوديوم والبوتاسيوم له بالعودة إلى جهد الراحة الخاص به وهو -70  ملي فولت. خلال فترة الامتناع ، التي تلي فرط الاستقطاب وقبل عودة العصبون إلى جهد الراحة، يكون العصبون قادرًا على إطلاق جهد فعل نظرًا لقدرة قنوات الصوديوم على الانفتاح، إلا أنه نظرًا لانخفاض جهد العصبون، يصبح من الصعب الوصول إلى عتبة جهد الفعل.

يتم تنشيط قنوات HCN عن طريق فرط الاستقطاب.

أظهرت الأبحاث الحديثة أن فترات الاستجابة العصبية يمكن أن تتجاوز 20 مللي ثانية، حيث تم التشكيك في العلاقة بين فرط الاستقطاب وفترة الاستجابة العصبية. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

الاستقطاب المفرط هو تغير في جهد غشاء الخلية. يقيسه علماء الأعصاب باستخدام تقنية تُعرف باسم "تثبيت الرقعة" (patch clamping) ، والتي تُمكّنهم من تسجيل تيارات الأيونات المارة عبر قنوات فردية. يتم ذلك باستخدام ماصة زجاجية دقيقة، تُسمى أيضًا ماصة الرقعة، بقطر 1 ميكرومتر. تحتوي رقعة صغيرة على عدد قليل من قنوات الأيونات، بينما يكون باقي الغشاء مغلقًا، مما يجعل هذه الرقعة نقطة دخول التيار. باستخدام مُضخّم ومثبت جهد ، وهو عبارة عن دائرة تغذية راجعة إلكترونية، يُمكن للمُجرِّب الحفاظ على جهد غشاء الخلية عند نقطة ثابتة، ثم يقيس مثبت الجهد التغيرات الطفيفة في تدفق التيار. تيارات الغشاء التي تُسبب الاستقطاب المفرط هي إما زيادة في التيار الخارجي أو انخفاض في التيار الداخلي. ^{[ 4 ]}

من المعروف أن مستقبلات GABA تعمل على خفض النشاط العصبي بوسائل مختلفة.

1. يمكن لمستقبلات GABA _A أن تُحدث فرط استقطاب عبر تدفق أيونات الكلوريد (Cl⁻) ^. ومستقبلات GABA _A نفسها هي قناة لأيونات الكلوريد . ^{[ 7 ]} وتعتمد عملية فرط الاستقطاب هذه اعتمادًا كبيرًا على اتجاه تدفق أيونات الكلوريد ^. فإذا دخلت أيونات الكلوريد ^إلى الخلية، يزيد تدفقها من فرق الجهد. أما إذا خرجت أيونات الكلوريد ^من الخلية، فسيقل فرق الجهد.
2. يحفز مستقبل GABA _B فرط الاستقطاب عبر تدفق أيونات البوتاسيوم (K ⁺⁾ إلى داخل الخلية العصبية. وعلى عكس مستقبل GABA _A ، فإن GABA _B هو مستقبل مقترن ببروتين G، يُفعّل قنوات البوتاسيوم عبر تنشيط بروتين كيناز A (PKA). ^{[ 8 ]} عادةً ما يكون تركيز البوتاسيوم أعلى داخل الخلية، بينما يكون تركيز الصوديوم أعلى خارجها. عند فتح قنوات البوتاسيوم، تتدفق أيونات البوتاسيوم (K ⁺⁾ خارج الخلية، مما يؤدي إلى زيادة الجهد الداخلي للخلية ليصبح أكثر سلبية. كما يؤدي تنشيط GABA _B لبروتين كيناز A (PKA) إلى تعطيل قنوات الكالسيوم (Ca) في الخلايا العصبية قبل المشبكية، مما يُرجح أن يُثبط النقل المشبكي.

تم تحديد قنوات النيوكليوتيدات الحلقية المنشطة بالاستقطاب الزائد (HCN) كقنوات تُساهم في الاستقطاب الزائد. وقد اكتُشفت هذه القنوات لأول مرة في خلايا منظم ضربات القلب. ^{[ 9 ]} تُنظَّم هذه القنوات بواسطة cAMP، وتُفعَّل بواسطة غشاء مُستقطب بشكل زائد. وهي تسمح بتدفق أيونات الصوديوم (Na ⁺⁾ والبوتاسيوم (K ⁺⁾ ، مما يؤدي عادةً إلى إزالة استقطاب طفيفة.

• كاندل، إريك ر.، محرر. (2013). مبادئ علم الأعصاب (  الطبعة الخامسة). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-139011-8.
• الكيمياء العصبية الأساسية: الجوانب الجزيئية والخلوية والطبية، بقلم سيجل وآخرون.