脱分極・分極ってなぁに?

あすぶた
あすぶた
心臓の収縮や拡張には、刺激伝導系が関わっているよね?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
洞結節がペースメーカーの役割を担って、心臓全体へ興奮(収縮)が伝播していくのよね?

あすぶた
あすぶた
うん

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
あと、あすぶたは深く考えずに『興奮(脱分極)=収縮静止(分極)=拡張と思って』とも言っていたね?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
『脱分極』、『分極』って一体なんなの?

あすぶた
あすぶた
ですよね~(汗)

あすぶた
あすぶた
『分極』『脱分極』のイメージが付きやすいように、ここでは心臓っていう臓器の1塊(かたまり)ではなくて、1つの心臓細胞単位で詳しく見ていくよ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
なんか小難しそう…

あすぶた
あすぶた
大丈夫!がんばろう

【前準備】細胞が興奮していないとき

あすぶた
あすぶた
『分極』と『脱分極』のイメージを深めるために、興奮(収縮)する前の心筋細胞の状態をまず見ていくよ!

あすぶた
あすぶた
心臓の細胞に限らないことだけど、細胞の中と外に存在する電解質(イオン)は、濃度に差がある

あすぶた
あすぶた
そして電解質(イオン)が細胞内外へ簡単に出入りできないように、細胞には細胞膜という仕切りがある

あすぶた
あすぶた
それが今後『分極』・『脱分極』という細胞の興奮(収縮)に関わってくるんだ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
ふ~ん

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
そういや、どうやって細胞内外の電解質の濃度を維持できるの?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
細胞膜が電解質を通せないなら、細胞内に新しい電解質を取り込めないよね?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
食事や水分で新しい電解質を摂取しても、細胞には吸収されずにずっと古いままなイメージをしちゃうわ

あすぶた
あすぶた
そこが人間の神秘的なところだよね!色んな道具と仕組みがあるんだ

あすぶた
あすぶた
今から簡単な道具と仕組みについて説明するね!

あすぶた
あすぶた
最初のキーワードは、Naポンプとイオンチャネルという道具だよ

あすぶた
あすぶた
その道具を使って、細胞内外の電解質の濃度を調整しているの

①Naポンプによって細胞内のNa+を汲みだし、 K+を取り込む。つまり細胞内はKが多く、細胞外はNaが多い

②一方、細胞膜にはKチャネルという選択的にK+を通すたんぱく質がある

③Kチャネルが開く

④イオンの濃度勾配(こうはい)の力に従って、濃度の濃い細胞内から薄い細胞外へK+が出ていく

⑤Kはプラスに荷電しているから、このイオンが外に流れ出た分だけ、Kを細胞内へ引き戻そうとする力が発生する。つまり細胞内が陰性に傾くことで、電気的勾配の力によって、Kを取り戻そうとする

⑥この時にマイナスの電位が発生する

⑦④の濃度勾配と⑤の電気的勾配の力が釣り合ったところで、細胞膜を介するKの出入りは一定になる

⑧このとき細胞内は(-)に、細胞外は(+)になっている。この状態の細胞膜内外における電位差を静止膜電位(通常-90mV)という

あすぶた
あすぶた
①のNaポンプの力を『エネルギーを使った能動輸送』、②の濃度勾配の力を『エネルギーの使わない受動輸送』というよ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
なるほど!そうやって細胞内外の電解質の濃度を維持しているのね

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
細胞には新しい電解質を取り込めないのかと思っちゃった

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
けど、④でKチャネルがKイオンを細胞の外へ出すのに、なんでわざわざ⑤でKイオンを細胞内へ戻そうとする力が発生するの?

あすぶた
あすぶた
少しややこしいんだけど…

あすぶた
あすぶた
Naポンプは、Kイオンの濃度を細胞内では濃く、細胞外では薄くなるようにしているじゃない?

あすぶた
あすぶた
細胞内のKイオンが濃くなり過ぎるのを防ぐために、細胞膜にはKチャネルが開いているけど、濃度勾配の力は単にKイオンを細胞の外へだらだら流出させてしまうだけなんだ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
イオンの濃度勾配の力って、Kイオンの濃度が濃い細胞内から薄い細胞外へ移動することだよね?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
放っておいたら、Kイオンの濃度が細胞の中と外で同じになるまで、Kイオンが出て行っちゃうね!

あすぶた
あすぶた
そうなの

あすぶた
あすぶた
だから細胞の中と外とのKイオンが、一定の濃度差を維持できるようにするために、細胞の外へ出ようとするKイオン(陽イオン)を細胞内へ引っ張る必要があるんだ

あすぶた
あすぶた
Kイオン(陽イオン)を引っ張るために細胞内が陰性に傾いて、マイナスの電位が発生するの

あすぶた
あすぶた
あすぶたはこの状態を①~⑧に分けて、順を追って話したけど、実際はこれらの働きが全部同時に起きているイメージだよ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
つまり興奮前の細胞は、Naポンプイオンの濃度勾配、そして電気的勾配の3つの力が同時に働いて、安定している状態が静止膜電位といって、この時の細胞内の電位がマイナスなのね?

あすぶた
あすぶた
そう

あすぶた
あすぶた
そして、細胞内が細胞外に対して電位差があるのを分極というの

あすぶた
あすぶた
ちなみに、細胞内外に生ずる電位差を膜電位といって、細胞外の電位を0mVと仮定したとき、細胞内の電位が±0mVに近付くことを脱分極と呼ぶよ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
心筋細胞の静止膜電位は細胞内の電位がマイナスになっている状態(-90mV)だから、分極状態というわけね?

あすぶた
あすぶた
そういうこと!

  • 細胞内外に生ずる電位差を膜電位(通常mV)
  • 細胞内が細胞外に対して電位差があるのを分極
  • 細胞が興奮していない状態の膜電位は静止膜電位といい、細胞内の電位がマイナスになっている状態(-90mV)なので分極状態
  • 細胞外の電位を0mVと仮定したとき、細胞内の電位が±0mVに近付くことを脱分極

あすぶた
あすぶた
ここまでがまず、細胞が興奮(収縮)していない状態の話だよ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
結構いろんなワードが出てきたね

心臓における興奮

あすぶた
あすぶた
細胞内外に存在する電解質には、大きな濃度差があることが分かったじゃん?そして細胞内外の電解質が、色んな力を借りて出入りしている

あすぶた
あすぶた
これから話をする細胞の興奮も、細胞内外の電解質の動き(イオン透過性の変化)で発生するんだ

おさらい

<心臓細胞が興奮する前の状態>

  • 細胞内が細胞外に対して電位差があるのを分極
  • 細胞が興奮していない状態の膜電位は静止膜電位といい、細胞内の電位がマイナスになっている状態(-90mV)なので分極状態
  • 細胞外の電位を0mVと仮定したとき、細胞内の電位が±0mVに近付くことを脱分極

あすぶた
あすぶた
そして、このポイントにもう一つ単語を増やさせてね!

あすぶた
あすぶた
細胞の膜が刺激を受けて、静止している状態(静止膜電位:-90mV)から脱分極し、再び静止膜電位(-90mV)へ再分極する現象を活動電位というの

あすぶた
あすぶた
これは、1つの細胞内外の電位差(膜電位)の変化を記録した、活動電位の波形だよ

あすぶた
あすぶた
心臓の細胞は、刺激を受けた時に細胞が脱分極(興奮)して、収縮するんだ

あすぶた
あすぶた
波形の中に収縮・拡張の期間を付け加えたのが次の波形だよ

あすぶた
あすぶた
そして心臓は、刺激伝導系の特殊心筋(洞房結節、房室結節、ヒス束、左・右脚、プルキンエ線維)と、心臓の大部分を占める固有心筋(心房・心室)の2種類があるよね?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
特殊心筋には自動能があるけど、固有心筋は刺激伝導系から伝わる刺激(興奮)で収縮するんだよね?

あすぶた
あすぶた
そう

あすぶた
あすぶた
だから少しだけ興奮のしかたが違うんだ

あすぶた
あすぶた
まずは固有心筋(心室細胞)の興奮から見ていくよ!

固有心筋の興奮:心室細胞

あすぶた
あすぶた
心室細胞の活動電位の波形は、さっきみた波形と同じ形を作るんだ

あすぶた
あすぶた
そして波形の各部位を0~4相に分けることができる

あすぶた
あすぶた
次に、この波形の成り立ちを細胞の中のイオンの動きから見ていくよ

あすぶた
あすぶた
さっき見た、細胞が興奮する前の状態が静止電位(分極状態)で、第4相だよ

あすぶた
あすぶた
Kチャネルが開いていて、Kイオンが細胞内から流出してしまうから、それを引き戻そうと細胞内の電位がマイナスになっている状態(-90mV)なので分極状態だったよね?

つづいて、細胞膜が刺激されると Naチャネルが開く

細胞内にNaが急激に流入し、Kチャネルが閉鎖する

陽イオンが細胞内に流入するので細胞内は+に傾き、静止電位から+30mV位へと急激に変化する

細胞内のNa濃度があるレベルに達するとNaチャネルは閉じる。同時に一過性にK+が流出する(最初の速い再分極相)

Ca2チャネルが細胞の電位変化を察知して開く

Ca2+が流入することにより膜電位は平坦に保たれる

Caチャネルが閉鎖し、Kチャネルが開くため、Kの濃度勾配によりKが細胞外に流出する。その結果、プラスイオンが細胞外に出ていくため、細胞内の電位はマイナスに傾き、静止電位まで近づく

あすぶた
あすぶた
同時に、1つの細胞に発生する活動電位(刺激)は、細胞内外のプラス・マイナスを逆転させるから、隣の細胞との間に外向きの電流が局所的に発生するの

この刺激から再び隣の細胞へNa+流入→脱分極→さらに隣の細胞へ刺激が伝播して、結果的に全ての細胞へと順に興奮が伝わっていく

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
要はある細胞で刺激が発生したら、他へも刺激が伝わるってことね?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
そして同じように0相から4相ができるんだ!

あすぶた
あすぶた
そうゆうこと!

(参考)

細胞と細胞の間にはギャップ結合という結合部位があり、電気刺激を伝えやすい構造になっている

  • 陽イオンが細胞内に流入したとき(脱分極)上向き(+)に記録され、このときに心筋細胞が収縮
  • 陽イオンが細胞外へ流出したとき(再分極)下向き(-)に記録され、このときに心筋細胞が弛緩

刺激伝導系である特殊心筋の興奮:洞結節

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
あすぶたは先に固有心筋(心室細胞)の例から説明したけど、細胞は刺激が無いと興奮(収縮)できないよね?

あすぶた
あすぶた
うん

あすぶた
あすぶた
刺激のきっかけとなる電気信号を、“規則正しい”間隔で発生しているのが刺激伝導系なんだ

あすぶた
あすぶた
固有心筋は刺激がないと静止膜電位のままの状態だから、脱分極できないけど、刺激伝導系の心筋細胞は特殊で、自発的に脱分極、再分極を繰り返す能力を持っているの

あすぶた
あすぶた
ところで刺激伝導系の中でも、ペースメーカー的役割を持っている特殊心筋て、なんだった?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
洞結節!

あすぶた
あすぶた
そう!

あすぶた
あすぶた
洞結節の細胞は、他からの刺激なしに、膜電位がゆっくりと脱分極するんだ

あすぶた
あすぶた
だから心室細胞(固有心筋)の時みたいに、細胞内へNaイオンの流入は必要なくて、Caイオンだけでいいの

通常の心筋細胞の静止膜電位(約90mV)に相当する、最も深い電位を最大弛緩期電位といい、-60mV程度。常にCaチャネルが開いていて、ゆっくり脱分極が始まっている

異なるCaチャネルが開き、更にCa2+が細胞内へ流入し、脱分極が進む

0相の時に開いたCaチャネルが閉鎖し、K+チャネルが開くため、K+の濃度勾配によりK+が細胞外に流出する。その結果、プラスイオンが細胞外に出ていくため、細胞内の電位はマイナスに傾き、静止電位まで近づく

最大弛緩期電位(-60mV)付近から再び脱分極が始まる

あすぶた
あすぶた
ペースメーカーである洞結節が“規則正しい”間隔で刺激のきっかけとなる電気信号を発生して、この刺激が心房筋へと伝わり、その細胞のNaチャネルが開くよ

  • 洞結節は自動能を持つので、刺激がなくても緩やかに脱分極が開始する
  • 興奮は隣の細胞へ伝播するから、洞結節から細胞の興奮がはじまると、心房収縮→房室結節へ刺激が集合→ヒス束・左右脚・プルキンエ線維→心室収縮へと全体の興奮へとつながる

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
心筋細胞は、脱分極・再分極のサイクルによって、細胞内の電位を変化させて収縮と拡張を繰り返すんだね!

あすぶた
あすぶた
そう。この一連の流れが1回の拍動になり、収縮と弛緩の拍動を定期的に繰り返すことで、血液を全身に送り出しているんだ

あすぶた
あすぶた
ちなみに、外から見れば心臓全体がまとまって収縮しているように見えるけれど、刺激をゆっくりと伝える房室結節、急速に伝えるプルキンエ線維とかが、うまく調節しているからそう見えているだけなの

あすぶた
あすぶた
そして洞結節はペースメーカーだから、ここに1回活動電位が起これば、心臓が1回拍動するって意味だよ

あすぶた
あすぶた
つまり、洞結節における自動的活動電位の発生の頻度が、心臓収縮の頻度(心拍数)を決めることになるの

(参考)心電図は活動電位の波形では無い?!

あすぶた
あすぶた
活動電位の波形は1つの細胞の興奮についてだったけど、心電図の波形は心臓全体の電気の流れを記録したものだよ!

(参考)不応期と受攻期

あすぶた
あすぶた
たまごちゃんは以前、刺激伝導系には自動能がついているから、洞結節以外の刺激伝導系からも興奮が発生しないか心配していたじゃない?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
うん
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
けれど洞結節から規則正しく興奮が出ているときは、他の刺激伝導系は自ら刺激を発生する必要が無くなるから、普段は洞結節の刺激の伝播に徹してくれて安心なのよね?
あすぶた
あすぶた
うん、その通り!
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
・・
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
あれ?
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
そもそも興奮・収縮って、心筋細胞1つ1つに起きているよね?
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
刺激伝導系みたいに自ら刺激を起こせないにしても、隣の細胞から刺激が伝播してくるんだから
あすぶた
あすぶた
・・
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
刺激伝導系だけじゃなくて他の心筋細胞も色んな刺激に晒されているんじゃないの?
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
左右あちこちから、興奮が伝わってくるんじゃないかな?
あすぶた
あすぶた
・・バレたか
あすぶた
あすぶた
実は以前の記事だけでは説明が足りないの
あすぶた
あすぶた
それについて、この記事で学んだ内容を合わせるともっとイメージがしやすくなるんだ
あすぶた
あすぶた
1つの心筋細胞が興奮するとその細胞が収縮するけど、そのとき同時に隣の細胞へ興奮(刺激)が伝播されて、隣の細胞も収縮するよね?
あすぶた
あすぶた
実は刺激を受けた細胞は、その細胞が興奮している時に新たな刺激を受け付けない時間を持っているんだ
あすぶた
あすぶた
そのお陰で心臓のあちこちで勝手に興奮して収縮するのを防いでいるの
あすぶた
あすぶた
この時間を不応期と呼ぶよ
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
へぇ~
あすぶた
あすぶた
そして不応期には強い刺激にもビクともしない絶対不応期と、弱い刺激には反応しないけど、強い刺激には反応してしまう相対不応期の2つが存在するの
あすぶた
あすぶた
ただ、相対不応期の中には受攻期という他の刺激に敏感な時間もあるから、この時間に刺激があると心臓はビックリして危ないんだ
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
どう危ないの?
あすぶた
あすぶた
心房筋や心室筋の細胞の受攻期に刺激が入ると、心臓が痙攣(けいれん)してしまうことがあるの
あすぶた
あすぶた
これをそれぞれ心房細動、心室細動というんだけど‥
あすぶた
あすぶた
たとえば、心室は血液を体全体に送り出す大事なポンプ機能じゃん?
あすぶた
あすぶた
心室細動になると循環が停止してしまう危険があるんだ
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
心室細動怖っ!
あすぶた
あすぶた
一方で、心房細動にもしなってしまった場合、心房細動の細かい興奮(刺激)が心室まで伝わっちゃうと心室細動を引き起こす危険があるじゃん?
あすぶた
あすぶた
その対策として、房室接合部(房室結節、ヒス束)の細胞は不応期を他の細胞よりも長くして、ある程度の頻度でしか心室に刺激を送らないようにしているの
学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
なるほど!

あすぶた
あすぶた
以上、心臓が興奮(収縮)するメカニズムだよ

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
あすぶたが深く考えずに『興奮(脱分極)=収縮静止(分極)=拡張と思って』と言ってた意味がわかったよ

  • 心臓が収縮した状態興奮,脱分極

  • 心臓がだら~んと緩んだ状態(弛緩)静止,分極

あすぶた
あすぶた
このワードさえ覚えていれば、ぶっちゃけ分極や脱分極の意味が分かんなくても、看護師国家試験で出る問題は解けるんだ

あすぶた
あすぶた
むしろ、これ以上のことが出題されたら殆どの受験生が解けない

あすぶた
あすぶた
だから正直この記事は飛ばしても良いんだけど、”分極””脱分極”って何のことなのか分かんないと気持ち悪いじゃん?

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
たしかにそうだね

学生:たまごちゃん
学生:たまごちゃん
最初あすぶたが『勝手にそう定義するからそう思って(覚えて)』と言ったけど、何も説明ないと不親切だわ

あすぶた
あすぶた
…この記事頑張った甲斐があった

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