Membranpotensial og aksjonspotensial 2015 (Trond Sand) Figurer: Kandel E. Principles of neural science Brodal P. Sentralnervesystemet Læringsmål 7.1.1 gjøre rede for membranpotensial og aksjonspotensial, samt forklare hvorfor nerveledningshastigheten varierer mellom ulike typer fibre 7.1.2 gjøre rede for sensoriske reseptorer, monosynaptiske refleksbuer, nevromuskulær transmisjon og for muskelkontraksjonens fysiologi 1
Nerveceller Synapser Noen definisjoner Hvilemembranpotensialet: ca. -60 til -80 millivolt (mv) inne i cellen Endringer: Hyperpolarisering (mer negativt) eller depolarisering (mer positivt) Aksjonspotensialet er en depolarisering som forplanter seg langs aksoner (og langs muskelcellen) 2
Oversikt Ioner og Ionekanaler Membranpotensialet Aksjonspotensialet Synaptisk transmisjon og synapsepotensialet Ioner og Ionekanaler 3
Ioner omgis av H 2 O Dobbel lipid membran Membranpotensialet forutsetter ionekanaler i cellemembranen Proteiner i cellemembranen Ofte flere subenheter Hver subenhet har flere membrangjennomganger Noen er åpne hele tiden Noen veksler mellom åpning og lukning De fleste er ionespesifikke 4
Na + og Ca ++ kanalenes tertiere struktur: Protein med fire deler som danner et rør Hver del har 6 membrangjennomganger Mellom 5 og 6: ekstracellulær P-region (fungerer som selektivitets-filter) 5
Mikropipette (1 ) og Clamping -teknikk: kan måle strøm gjennom én ionekanal Kanalen er enten åpen eller lukket (åpentid avtar her med postnatal alder) Ionekanaler kan endre form: Lokal konfigurasjonsendring 6
Blokkerende del av proteinmolekylet kan stenge noen ionekanaler Fire typer stimuli kan aktivere portmekanismen a:binding av ligand (transmitter) b:fosforylering 7
c: Spenningsstyring d: Mekanisk påvirkning Transmittermolekyler (agonister) åpner kanalen. Antagonister hindrer åpning ved å blokkere agonistens bindingssted -legemiddel -toxin 8
Noen ionekanaler blokkeres av andre ioner (ex: NMDA-kanalen blokkeres av magnesium) Ligand- (transmitter-) styrte ionekanaler tilhører enten «nikotinreseptorsuperfamilien» eller en annen gruppe 1. Nikotinrespetor-superfamilien (GABA A, glycin, serotonin, nikotin-acetylkolin) 2. Glutamat-reseptor familien 3. Ionotrope ATP-reseptorer 70 ulike gener koder for ligand-styrte ionekanaler 9
Tre «superfamilier» A. Ligand-styrte ionekanaler (eks: Ach)-reseptor kanal) B. «Gap-junction» kanal (elektrisk synapse) C. Spenningstyrte ionekanaler (eks: Na+-kanaler kodes av 10 gener. Familien omfatter også Ca++ og K+ kanaler) Andre grupper: 1. Klor-kanaler: stabiliserer membranpotensialet 2. Transient reseptor potensial (TRP): Uselektive kation-kanalersmerte/kulde/varme 3. Ligand-styrte glutamat-kanaler 4. Ligandstyrte ATP-kanaler Genetisk feil i ionekanal kan forårsake nevrologisk sykdom (eks.) Kv1.1 K + kanal: Episodisk ataksi type 1 (dominant med myokymi) slike mutasjoner kan gi epileptiforme anfall hos mus KCNQ2/3 K + kanal: Benign familial neonatal convulsions (dominant, sjelden) Mekanisme: liten reduksjon i M current : fra fasisk til vedvarende fyringsmønster i nevronet P/Q Ca ++ kanal 1a, genet heter CACNA1A, flere mutasjoner, dominante : Familiær hemiplegisk migrene Episodisk ataksi type 2 Spinocerebellar ataxi type 6 10
K+ og glutamatstyrte-kanaler med P-regioner A. Spenningsstyrt K-kanal med 4 subenheter B. Likerettende K- kanal C. K-kanal med 2 subenheter D. Glutamatkanal med intracellulær P-region Refraktærperiode som en tredje tilstand: Da er ionekanalen forbigående avstengt 11
Na + selektiv ionekanal: Bindingssted sentralt i kanalen, mister H 2 O Ionekanalens nøyaktige struktur og virkemåte (MacKinnon 1998) Bakteriell K+ kanal (inward rectifier) krystallografi 2 av 4 subunits Storm TDNLFNr 23 2003 12
Vannkanal (Agre 1991) Storm TDNLF Nr 23 2003 Membranpotensialet 13
Forutsetning for at membranpotensialet oppstår Ulik ionekonsentrasjon intracellulært og ekstracellulært Aktiv pumpe (Na + ut, K + inn) Ionekanaler har ulik konduktans Hvert ion har sitt likevektspotensial Goldmanns ligning beskriver membranmotensialet som en funksjon av ionekonsentrasjon og konduktanser Membran potensialet Cellemembranen Utside Innside -70 mv (eksempel) 14
Spenning=ladning/kapasitans ( kondensatorformelen ) Eksempel på ionekonsentrasjon intra- og ekstracellulært 15
Summen av positive og negative ioner er tilnærmet lik 0. Den lille forskjellen lager membranpotensialtet Nernst likning angir membranpotensialet dersom membranen kun er permeabel for ett ion (eks. kalium) Valens er antall ladninger (ex: +1 for K + og -1 for Cl - 16
Nernst likning: Eksempel som gir likevektspotensialene for kalium, natrium og klor Teoretisk cellemembran som kun er permeabel for Kalium 17
Hvis konsentrasjonsforskjellen opprettholdes så vil det opprettholdes et negativt membranpotensial I en virkelig celle må vi regne med flere ioner: Na + og K + er de viktigste for membranpotensialet 18
Ioneflux er produktet av permeabilitet og (kjemisk + elektrisk) drivkraft 19
Hvis permeabiliteten er mye større for K + enn for Na + og Cl - så vil membranpotensialet bli tilnærmet like stort som likevektspotensialet for K + 20
Aksjonspotensialet Aksjonspotensialet (AP) I nervecelleaksoner og muskelceller Selv-regenererende All or none Viktigste informasjonsbærer i nervemuskelsystemet nerve: fra en celle til neste synapse skjelettmuskel: initierer kontraksjon Årsak: Kortvarig kraftig permeabilitets økning for Na + (eller Ca ++ ) 21
Permeabilitet endres kraftig under aksjonspotensialet. Kan beregnes med Nernst (tilnærmet) eller Goldmanns ligning Hvordan membranpotensialet endres i forløpet av et aksjonspotensial 22
Aksjonspotensialet: Na + aktivering og inaktivering K + aktivering g = konduktans permeabilitet Aksjonspotensialet ledes langs membranen (selvregenererende) Ledningshastigheten avhenger av fibertykkelse og myelinisering Membranen bak AP er refraktær i noen millisekunder (ca 2 ms) Absolutt og relativ refraktærperiode Refraktærperioden bestemmer maksimal AP frekvens Fyringsfrekvens og mønster gir informasjon til neste nevron 23
Fyringsfrekvens og mønster informerer om styrken på et stimulus Grad av depolarisering øker frekvensen Noen nevroner kan fyre i utbruddsmodus ( burstmode ) Brodal P Sentralnervesystemet 4 utg. AP etterfølges av refraktær periode på ca. 2 ms Forplantningsretning MEMBRAN 24
Myelinisering øker nerveledningshastigheten fra 1m/s til ca. 20-80 m/s hos mennesker Myelinskjeden kan ødelegges ved sykdom i PNS (polynevropati, entrapment) og i CNS (multippel sklerose Lav ledningshastighet 25
Synaptisk transmisjon og synapsepotensialer Synaptisk overføring To typer: kjemisk og elektrisk Overveiende kjemisk hos mennesker En eller flere transmittersubstanser frigjøres fra presynaptiske vesikler Transmittere bindes til postsynaptiske reseptorer Postsynaptiske reseptorer er (direkte eller indirekte) knyttet til en ionekanal Det dannes et postsynaptisk potensial (PSP) 26
Elektrisk synapse Kjemisk synapse 27
Synaptisk knopp (S) ender på dendritt (D) som har en postsynaptisk fortykkelse (P). M mitokondrie Når aksjonspotensialet kommer til aksonterminalen åpnes kalsium-kanaler. Når kalsium strømmer inn presynaptisk så frigjøres transmitter fra vesikler 28
Binding av vesikler Frigjøring av transmitter 29
Vesiklene bindes til cellemembranen med forskjellige proteiner Botulinum toxin blokkerer binding (gift og legemiddel!) Overføring av informasjon (aksjonspotensial) fra en nervecelle til den neste 30
Overføring av informasjon (aksjonspotensial) fra en nervecelle til den neste. PSP Sykdom: Strukturforandring ved synapsen (Myasthenia gravis) Antistoffer skader Ach-reseptor Lavere endeplatepotensial 31
Normal sikkerhetsmargin ( safety factor ) blir redusert ved myasthenia gravis (MG): forklarer trettbarhet og dekrement Endeplatepotensial i muskelcelle varierer med mengden transmitter Muskelcelle aksjonspotensial MG-sf Færre potensialer og mindre kraft ved MG Repetitiv nerve stimulering er en klinisk nevrofysiologisk (KNF) - undersøkelse: Unormalt dekrement ved myasthenia gravis Mest transmitter ved første stimulering hos alle: Etter hvert mer blokkering(færre muskel-aksjonspotensialer) og mindre kraft ved MG fordi «safety factor» er lav. 32
Glia og presynaptisk nevron kan gjenoppta transmitter Brodal P Sentralnervesystemet 4 utg. Transmitter påvirker ionekanaler på prinsipielt to ulike måter: Direkte styring av portmekanismen Indirekte styring av portmekanismen vha. second messenger 33
Direkte styring ( Direct gating ) Raske transiente effekter Indirekte styring ( indirect gating ): Aktivering av G-protein og fosforylering G-proteinet stimulerer adenylyl cyclase: ATP camp camp-avhengig kinase (enzym) aktiveres Enzymet fosforylerer ionekanalen 34
Glutamat er den viktigste eksitatoriske transmitter i CNS Tre typer direkte glu reseptorer NMDA reseptoren Lukket ved hvilemembranpotensial Depolarisering fjerner Mg 2+ Kan da åpnes av glutamat Mer permeabel for Ca 2+ enn Na + Langvarig åpen langsomt EPSP Overstimuleing kan gi celledød 35
Glutamat kan også aktivere en indirekte reseptor Postsynaptiske potensialer (PSP): to typer Eksitatoriske (EPSP): Depolarisering Inhibitoriske (IPSP): Hyperpolarisering 36
PSP samvirker og utløser postsynaptisk aksjonspotensial EPSP og IPSP fra mange forskjellige synapser på samme nevron påvirker hverandre, summeres PSP kan påvirke spenningsavhengige kanaler: Depolarisering postsynaptisk AP? EPSP påvirker spenningsavhengige Na + kanaler i axon hillock AP EPSP AP 37
Lav terskelverdi ved axon hillock Tre ulike synapse -typer Redusert antall spinae korrelerer med redusert mental kapasitet (90% av eksitatoriske synapser sitter på spina i CNS) Inhibisjon Eksitasjon Kontroll 38
Eksitatoriske og inhibitoriske synapser (klorkanal er ofte koblet til inhibitorisk synapse) 39
Samtidig eksitasjon og inhibisjon: EPSP blir for lite til å lage aksjonspotensial Akso-aksonal synapse kan formidle presynaptisk inhibisjon i dorsalhorn Uvanlig høy klorkonsentrasjon med likevekt-pot.= -30mV GABA åpner klorkanaler som faktisk slipper klor ut og gir depolarisering Depolarisering inaktiverer spenningsstyrte Nakanaler og sensorisk AP får lav amplitude Mindre transmitter Brodal P Sentralnervesystemet 4 utg. 40
Summen av temporal og spatial summering (av PSP) bestemmer om AP lages Synaptisk plastisitet- grunnlag for læring og hukommelse? Synapser kan bli mer eller mindre eksitable Stor påvirkning (mange aksjonspotensialer og eller spesielle rytmer grad av samtidighet) kan øke postsynaptisk Ca 2+ -konsentrasjon Kortvarige endringer som gir økt effektivitet, feks posttetanisk potensering Varige endringer i flere (>100?) viktige proteiner? (langtidspotensiering LTP eller langtidsdepresjon LTD) Antallet synapser kan også øke (eller avta) Aktivering av tause synapser 41
Oppsummering Fra presynaptisk AP til postsynaptisk AP 1 Presynaptisk AP 4 Postsynaptisk AP 3 Eksitatorisk postsynaptisk potensial 2 Ca ++ strøm inn 42
og helt til slutt. Reseptor-, synapse- og aksjonspotensial: en oppsummering 43