過分極（生物学）

過分極とは、細胞の 膜電位がより負に変化することである。細胞は通常、負の静止電位を持ち、ニューロンの活動電位が膜を脱分極させる。静止膜電位がより負にされると、必要な閾値を超えるために必要な最小刺激が増加する。ニューロンは活動電位の終わりに自然に過分極し、これはしばしば相対的不応期と呼ばれる。相対的不応期は通常 2 ミリ秒続き、その間に別の活動電位を誘発するにはより強い刺激が必要である。細胞は膜上に存在するチャネルと受容体に応じて過分極することもあり、それが抑制効果をもたらすこともある。

過分極は、多くの場合、K ⁺チャネルを通じたK ⁺（陽イオン）の流出、またはCl ^–チャネルを通じたCl ^–（陰イオン）の流入によって引き起こされます。一方、Na ⁺チャネルを通じたNa ⁺やCa ²⁺チャネルを通じたCa ²⁺などの陽イオンの流入は、過分極を抑制します。細胞が静止状態でNa ⁺またはCa ²⁺電流を持っている場合、それらの電流の抑制も過分極をもたらします。この電位依存性イオンチャネル応答により、過分極状態が達成されます。^[1]

電位依存性イオンチャネルは膜電位の変化に反応します。電位依存性カリウム、塩素、ナトリウムチャネルは活動電位の生成と過分極の重要な要素です。これらのチャネルは、静電気の引力または反発力に基づいてイオンを選択し、イオンがチャネルに結合できるようにすることで機能します。^[2]これにより、チャネルに付着した水分子が解放され、イオンは細孔を通過します。電位依存性ナトリウムチャネルは刺激に反応して開き、再び閉じます。これは、チャネルが開いているか開いていないかのどちらかであり、途中まで開いていることはないことを意味します。チャネルが閉じてもすぐに再び開くことができる場合があり、これをチャネルゲーティングと呼びます。また、すぐには開くことなく閉じる場合があり、これをチャネル不活性化と呼びます。

静止電位では、電位依存性ナトリウムチャネルとカリウムチャネルの両方が閉じていますが、細胞膜が脱分極すると、電位依存性ナトリウムチャネルが開き始め、ニューロンが脱分極し始め、ホジキン回路として知られる電流フィードバックループが形成されます。^[2]しかし、カリウムイオンは自然に細胞から移動し、元の脱分極イベントが十分に重要でなかった場合、ニューロンは活動電位を生成しません。 ただし、すべてのナトリウムチャネルが開いている場合、ニューロンはカリウムよりもナトリウムに対して10倍透過性が高くなり、細胞はすぐに+40 mVのピークまで脱分極します。^[2]このレベルで、ナトリウムチャネルは不活性化し始め、電位依存性カリウムチャネルが開き始めます。 この閉じたナトリウムチャネルと開いたカリウムチャネルの組み合わせにより、ニューロンは再分極し、再び負になります。 ニューロンは、細胞がカリウムイオンの平衡電位である約-75 mVに達するまで再分極し続けます。^[2]これは、ニューロンが過分極するポイントで、-70 mV から -75 mV の間です。過分極後、カリウム チャネルが閉じ、ニューロンのナトリウムとカリウムに対する自然な透過性により、ニューロンは静止電位の -70 mV に戻ります。過分極後、ニューロンが静止電位に戻る前の不応期には、ナトリウム チャネルが開くため、ニューロンは活動電位をトリガーできますが、ニューロンがより負であるため、活動電位閾値に到達するのが難しくなります。

HCN チャネルは過分極によって活性化されます。

最近の研究では、神経細胞の不応期が20ミリ秒を超える可能性があることが示されており、過分極と神経細胞の不応期の関係が疑問視されている。^{[3] [4]}

過分極は膜電位の変化です。神経科学者は、個々のチャネルを通過するイオン電流を記録できるパッチクランプと呼ばれる技術を使用してこれを測定します。これは、直径1マイクロメートルのガラス製マイクロピペット（パッチピペットとも呼ばれます）を使用して行われます。いくつかのイオンチャネルを含む小さなパッチがあり、残りは密閉されており、これが電流の入り口になります。アンプと電圧クランプ（電子フィードバック回路）を使用すると、実験者は膜電位を固定点に維持でき、電圧クランプは電流の流れの小さな変化を測定できます。過分極を引き起こす膜電流は、外向き電流の増加または内向き電流の減少のいずれかです。^[2]

GABA 受容体は、さまざまな手段で神経活動をダウンレギュレーションすることがよく知られています。

1. GABA _Aは^{Cl –}イオンの流入によって過分極を誘発することができる。GABA _A自体は塩化物イオンチャネルである。[ 5 ^]この過分極のプロセスはCl ^–がどの方向に流れるかに大きく依存する。Cl ^–が細胞内に流入すると、イオンの流れによって電圧勾配が増加する。Cl ^–が細胞外に流出すると、電圧勾配は減少する。
2. GABA _{B は}、ニューロンへのK ^{+イオン流入を介して過分極を誘発します。GABA} _Aとは異なり、GABA _{B は、}タンパク質キナーゼ A (PKA) 活性化を介してカリウムチャネルを活性化するG タンパク質共役受容体です。^[6]カリウムは通常、細胞内で濃度が高く、ナトリウムは通常、細胞外で濃度が高くなります。カリウムチャネルが開くと、K ⁺イオンが細胞外に流出し、細胞の内部電位がより負になります。GABA _Bによる PKA の活性化は、シナプス前ニューロンの Ca チャネルの不活性化にもつながります。これにより、シナプス伝達が阻害される可能性があります。

過分極活性化環状ヌクレオチド依存性（HCN）チャネルは、過分極を媒介するチャネルとして同定されています。これらは当初、心臓のペースメーカー細胞で発見されました。^{[7]これらのチャネルはcAMPによって制御され、過分極膜によって活性化されます。これらはNa +イオン}とK ⁺イオンの流れを可能にし、通常はわずかな脱分極をもたらします。

• Purves D、Augustine GJ、Fitzpatrick D、他編 (2001)。Neuroscience (第2版)。サンダーランド、マサチューセッツ州：Sinauer Assoc。ISBN 0-87893-742-0。
• Siegel 他著「Basic Neurochemistry Molecular, Cellular, and Medical Aspects」