Hyperpolarisation: Physiologie, Funktion und klinische Relevanz

Die Kommunikation innerhalb des Nervensystems basiert auf präzise abgestimmten Veränderungen des Membranpotenzials. Eine dieser Veränderungen ist die Hyperpolarisation, ein physiologischer Zustand, bei dem das Membranpotenzial einer Zelle negativer wird als das Ruhepotenzial. Diese Phase ist ein wesentlicher Bestandteil des neuronalen Erregungszyklsu und spielt sowohl in der Reizweiterleitung als auch der Reizhemmung eine essenzielle Rolle, da sie neben dem Auftreten im Rahmen der Repolarisation nach einem Aktionspotenzial auch in zentraler Teil der Wirkweise inhibitorischer Synapsen ist. Zudem ist sie pathophysiologisch relevant bei Störungen des Elektrolythaushalts. Der folgende Artikel erklärt die Physiologie, funktionelle Bedeutung sowie klinische Bedeutung der Hyperpolarisation.

Hyperpolarisation – Definition

Hyperpolarisation bezeichnet eine Veränderung des Membranpotenzials in Richtung negativerer Werte im Vergleich zum Ruhepotenzial. Diese Änderung zu negativeren Werten stellt das Gegenteil der Depolarisation dar und kann als Teil der Repolarisationsphase nach einem Aktionspotenzial, an inhibitorischen Synapsen oder auch durch Elektrolystörungen wie Hypokaliämien auftreten.

Hyperpolarisation – Physiologie und funktionelle Bedeutung

Zu den Phasen des Aktionspotenzials gehören die folgenden Potenziale:

• Ruhepotenzial: Erregbarer Grundzustand
• Schwellenpotenzial: Beginn des Anstiegs des Zellpotenzials über eine Schwelle hinweg
• Depolarisation: Umsetzung des Reizes in ein weiterleitbares elektrochemisches Potenzial mit steil aufsteigendem Aufstrich bis Reizmaximum des Aktionspotenzials
• Überschuss (“Overshoot”): Maximum des Reizes
• Repolarisation: Rückkehr zum Grundzustand
• Hyperpolarisation: Zustand der Natriumkanäle ändert sich von geschlossen-inaktiv zu geschlossen-aktivierbar
• Refraktärzeit: Zeit nach einer Depolarisation, in der die Zelle nicht oder nur schwer und schwächer erregt werden kann

Die folgende Tabelle soll die jeweiligen Phasen mit ihrem Potenzial darstellen und zeigt, dass die Hyperpolarisation bei etwa -90 mV liegt.

In Ruhe weist eine Nervenzelle ein stabiles, negatives Membranpotenzial von etwa –70 mV auf. Wird die Zelle erregt, kommt es jedoch infolge der Repolarisation zu einem übermäßigen Ausstrom von Kaliumionen. Dadurch ist das ursprüngliche Ruhepotenzial unterschritten, sodass das Membranpotenzial noch negativer wird – ein Zustand, der als Hyperpolarisation bezeichnet wird.

Diese Phase tritt typischerweise nach der Repolarisation auf, da zu diesem Zeitpunkt noch einige spannungsabhängige Kaliumkanäle geöffnet bleiben. Verantwortlich dafür ist die während der Depolarisation erhöhte intrazelluläre Calciumkonzentration, die die Aktivität der Kaliumkanäle steigert und nur verzögert wieder abnimmt. Infolgedessen bleibt der Kaliumausstrom zunächst bestehen, was das Membranpotenzial näher an das Kaliumgleichgewichtspotenzial (ca. –90 mV) heranführt.

Die kurzzeitige Hyperpolarisation stellt ein sogenanntes Nachpotenzial dar, das an jede Depolarisation anschließt. Sie trägt wesentlich zur Refraktärzeit bei, während der kein neues Aktionspotenzial ausgelöst werden kann, und dient somit dem Schutz vor einer Übererregung des Neurons. Sobald sich die Kaliumkanäle wieder vollständig schließen, normalisiert sich das Membranpotenzial allmählich und kehrt in den Zustand des Ruhepotenzials zurück.

Hyperpolarisation – Klinische Relevanz

Insgesamt stellt die Hyperpolarisation die Negativierung des Zellinneren im Vergleich zur extrazellulären Umgebung dar. In verschiedenen physiologischen und pathophysiologischen Prozessen spielt sie eine wichtige Rolle.

Viele Medikamente wie Benzodiazepine, Barbiturate oder Anästhetika verstärken inhibitorische Signale wie GABA, was eine Hyperpolarisation auslöst. Eine übermäßige Hyperpolarisation hemmt zentrale Funktionen und kann unter anderem zu Bewusstseinsstörungen oder Atemdepression führen.

In der Herzphysiologie wird die spontane diastolische Depolarisation durch Hyperpolarisation verlangsamt, was den Herzrhythmus beeinflusst. Medikamente wie Ivabradin senken die Herzfrequenz durch Hyperpolarisation-aktivierte zyklische Nukleotidkanäle (HCN-Kanäle).

Im endokrinen System, insbesondere im Pankreas, sorgen Kaliumkanäle für die Hyperpolarisation von Beta-Zellen und unterdrücken dadurch die Insulinfreisetzung. Sulfonylharnstoffe, die zur Therapie des Diabetes mellitus Typ 2 zum Einsatz kommen, blockieren diese Kanäle, was zu einer Depolarisation der Zellmembran und letztlich zu einer vermehrten Insulinausschüttung führt.

Bei Elektrolytstörungen wie einer Hypokaliämie kommt es zu einer Hyperpolarisation, was wiederum zur reduzierten Erregbarkeit von Muskel- und Nervenzellen führt. Dies resultiert in einer Muskelschwäche. Eine Hyperkalzämie verstärkt eine Hyperpolarisation.