Föreläsning kap 1 (cellulär retbarhet)

Ledning av Elektriska Signaler och Synaptisk Transmission

• Nervceller kommunicerar genom elektriska och kemiska signaler.

• En typisk nervcell består av en cellkropp, dendriter (mottagande) och ett axon (sändande).

Elektriska Signaler i Nervceller

• Membranpotential: Potentialskillnad mellan cellens insida och utsida.

  • Vilovilopotential: ca -60 till -70 mV.

• Excitatorisk Postsynaptisk Potential (EPSP): Membranpotentialen blir mer positiv.

• Inhibitorisk Postsynaptisk Potential (IPSP): Membranpotentialen blir mer negativ.

• EPSP och IPSP leds in mot cellkroppen och initial segment (början av axonet).

• Aktionspotential: Nervimpuls som bildas om tröskelvärdet överskrids.

  • Stor förändring av den elektriska potentialskillnaden.

  • Fortleds längs axonet till nervterminalerna, som bildar synapser med andra celler.

Aktionspotentialens Förlopp

• Spänningen rör sig snabbt i positiv riktning, passerar nollnivån och blir positiv innan den återgår till vilopotential.

• Tidsförlopp: Någon eller några få millisekunder.

• Stimulering av nervfibrer via synaps utlöser en EPSP.

• Depolarisation: Potentialen närmar sig nollnivån.

• Repolarisering: Membranpotentialen återgår till negativ nivå.

• Efterhyperpolarisation: Spänningen blir mer negativ än vilopotentialen (vanligt men inte alltid).

Tröskelvärde för Aktionspotential

• EPSP måste vara tillräckligt stor för att uppnå tröskelvärdet.

• Om tröskelvärdet inte uppnås, återgår spänningen till vilopotentialen.

Refraktärperiod

• Period efter en aktionspotential då det är svårare eller omöjligt att utlösa en ny.

  • Absolut refraktärperiod: Omöjligt att skapa en ny aktionspotential.

  • Relativ refraktärperiod: Svårare att utlösa en ny aktionspotential, kräver starkare stimulering, och aktionspotentialen blir mindre.

Allt-eller-Inget-Principen

• Om tröskelvärdet överskrids, får aktionspotentialen samma storlek och tidsförlopp oavsett stimuleringens styrka.

• Starkare stimulering leder till att tröskelvärdet uppnås snabbare men påverkar inte aktionspotentialens storlek.

Frekvenskodning

• Vid långvarig stimulering kan nervceller generera flera impulser efter varandra.

• Starkare ström ökar frekvensen av impulser.

• Nervceller kodar information genom:

  • Frekvens: Antal potentialer per tidsenhet.

  • Temporal kodning: När exakt i tid en aktionspotential kommer.

Adaptation och Spontanaktivitet

• Vissa nervceller fyrar av kontinuerligt vid ihållande stimulering.

• Andra nervceller fyrar av några impulser och tystnar trots fortsatt stimulering (pulsfrekvensadaptation).

• Spontanaktiva nervceller:

  • Genererar impulser i skurar (bursting).

  • Genererar impulser med jämn frekvens (pacing, pacemaker celler).

  • Genererar impulser oregelbundet.

• Vissa nervceller kräver stimulering från andra celler för att generera aktionspotentialer.

Elektrisk Signalering i Olika Celltyper

• Även andra celltyper än nervceller kan generera elektriska impulser.

• Aktionspotentialen kan se annorlunda ut i olika celltyper.

Exempel

• Hjärtats retledningssystem (sinusknutan, AV-noden) och hjärtmuskelceller genererar aktionspotentialer med olika varaktighet (kardiomyocyter: flera hundra millisekunder).

• Pankreas betaceller reagerar på glukos med depolarisering och aktionspotentialer, vilket bidrar till insulinfrisättning.

• Kromaffina celler i binjuremärgen insöndrar adrenalin och noradrenalin.

• Venusflugfällan (köttätande växt) genererar långvariga aktionspotentialer.

Mekanismer Bakom Elektrisk Signalering

• Cellmembranet består av ett dubbellager av fosfolipider med polära huvuden och fettlösliga svansar, samt proteiner.

• Fosfolipiderna gör membranet svårt att tränga igenom för laddade eller polära molekyler.

Molekylers Passage Genom Membranet

• Små, hydrofoba molekyler (syre, koldioxid) och steroiderhormoner passerar lätt.

• Joner har svårt att passera genom membranet.

• Transportproteiner (kanalproteiner, transportmolekyler) möjliggör transport av molekyler som annars inte kan passera.

  • Vissa transportörer kräver energi (aktiv transport mot koncentrationsgradient).

  • Passiv transport sker med koncentrationsgradient och kräver inte energi.

Jonfördelning Över Cellmembranet

• Natriumjoner: Hög koncentration extracellulärt, låg intracellulärt.

• Kaliumjoner: Låg koncentration extracellulärt, hög intracellulärt.

• Kalciumjoner: Hög koncentration extracellulärt (ca 2 mM), mycket låg intracellulärt (ca 0.1 μM).

• Kloridjoner: Hög koncentration extracellulärt, låg intracellulärt.

Uppkomst av Potentialskillnader Över Membranet

• Exempel: Bägare med vattenlösning av kaliumklorid (KCl) och ett semipermeabelt membran som bara är permeabelt för kaliumjoner.

  • Högre koncentration av KCl till vänster om membranet jämfört med höger.

  • Kaliumjoner tenderar att röra sig från vänster till höger (koncentrationsgradient).

  • Positiv laddning byggs upp på höger sida och negativ laddning på vänster sida.

  • Elektrisk gradient motverkar koncentrationsgradient.

  • Jämvikt uppstår mellan koncentrationsgradient och elektrisk gradient, vilket ger en potentialskillnad över membranet.

Nernst Ekvation

• Används för att räkna ut jämviktspotentialen för en jon.

  • 

  • R: Allmänna gaskonstanten

  • F: Faraday konstant

  • T: Absoluta temperaturen

  • z: Jonens laddning

Exempel på Jämviktspotentialer

• Natrium: Membran selektivt permeabelt för natrium, jämviktspotential ≈ +71 mV.

• Kalium: Membran selektivt permeabelt för kalium, jämviktspotential ≈ -101 mV.

• Kalcium: Membran selektivt permeabelt för kalcium, jämviktspotential ≈ +125 mV.

• Klorid: Membran selektivt permeabelt för klorid, jämviktspotential ≈ -73 mV.

Goldmánn-Hodgkin-Katz (GHK) Ekvation

• Används för att räkna ut membranpotentialen när membranet är permeabelt för flera jonslag (natrium, kalium, klorid).

  • Membranpotentialen bestäms av jonkoncentrationer och permeabilitet för respektive jonslag.

  • Det jonslag som membranet är mest permeabelt för får störst inflytande över membranpotentialen.

Vila

• I en cell i vila är membranet mest permeabelt för kaliumjoner.

• Permeabiliteten för kaliumjoner är cirka 20 gånger högre än för natriumjoner.

• Vilopotentialen är inte exakt kaliums jämviktspotential eftersom det finns en viss permeabilitet för natriumjoner som driver membranpotentialen i positiv riktning.

Jonpumpar

• Eftersom en cell är permeabel för flera jonslag samtidigt uppstår inget fysikaliskt jämvikt.

• Jonpumpar upprätthåller jonkoncentrationsgradienten över membranet.

• Natrium-kaliumpumpen: Pumpar ut 3 natriumjoner och in 2 kaliumjoner per cykel, vilket kräver ATP.

  • Motverkar läckage av joner.

  • Är ett ATPAS, alltså ett protein som förbrukar energirika molekylen Adenosintrifosfat (ATP).

Voltage Clamp Teknik

• Utvecklad av Hodgkin och Huxley för att kontrollera membranspänningen och mäta strömmar över membranet.

• Möjliggör studier av jonströmmar vid olika spänningar och spänningsförändringar.

• Ledde till en sammanhängande mekanism för hur aktionspotentialen skapas, Nobelpris 1963.

• Om vi har en hållspänning på -65mV och hyperpolariserar får vi bara en liten kapacitiv ström, vi depolarisering får vi först en kapacitiv ström, sedan en transient inåtgående ström och sedan en utåtgående ström.

Resultat

• Inåtgående ström (negativ ström): Positiv laddning (natriumjoner) går från utsidan in i cellen.

• Utåtgående ström (positiv ström): Positiv laddning (kaliumjoner) går från insidan ut ur cellen.

• Strömmen uppstår då permabiliteten för natrium och kalium varierar med den elektriska spänningen över membranen.

• De utvecklade en matematisk beskrivning för permabiliteten för natrium och kalium.

• Beskrivningen förklarar hur aktionspotentialer uppkommer och fortleds, samt refraktärperioden.

• Natriumpermeabiliteten ökar under aktionspotentialens stigande fas och driver upp potentialen positiv riktning.

• Under aktionspotentialens nedåtgående fas klingar natriumpermeabiliteten av.

• En fördröjd ökning i kaliumpermeabilitet bidrar till att snabba på repolariseringen.

• Den ökade kaliumpermebiliteten som kvarstår gör att att vi får efterhyperpolariseringen.

Patch Clamp Teknik

• Utvecklad av Neher och Sakmann, vidareutveckling av Voltage Camp.

• Isolerar en liten fläck av cellmembranet för att registrera strömmar genom enstaka jonkanaler.

Resultat

• Strömmen hoppar mellan två lägen: stängd kanal (ingen ström) och öppen kanal (ström flyter).

• Kanalen har ett läge där den är helt öppen eller stängd.

• Strömmarna är väldigt små (pikoampere, 10^{-12} A).

• Slutsats: Det finns jonkanaler i cellmembranet.

Klassificering av Jonkanaler

• Efter selektivitet (vilka joner som kan passera):

  • Natriumkanaler

  • Kaliumkanaler

  • Kalciumkanaler

  • Katjonkanaler (Na+, K+, Ca2+)

  • Anjonkanaler (negativt laddade joner)

  • Icke-selektiva kanaler (både positiva och negativa joner)

• Efter mekanismer som styr öppning och stängning:

  • Spänningsaktiverade jonkanaler (styrs av elektrisk spänningsskillnad).

  • Ligandaktiverade jonkanaler (styrs av signalsubstanser).

  • Mekaniskt känsliga kanaler (påverkas av mekanisk påverkan).

  • Termiskt aktiverade kanaler (styrs av temperatur).

  • Läckkanaler (ingen specifik extern stimulering).

Jonkanaler som Målproteiner för Läkemedel och Gifter

Exempel

• Lokalbedövningsmedel binder till natriumkanaler och blockerar dem, hindrar aktionspotentialer från att uppstå.

• Tetrodotoxin (gift) blockerar natriumkanaler vilket leder till att det inte längre sker någon aktionspotential.

Jonkanaler och Sjukdomar (Kanallopatier)

• Mer än 300 gener kodar för jonkanalproteiner hos människan.

• Mutationer i fler än 60 jonkanalgener är kända för att orsaka sjukdomar.

• Jonkanaler utgör den näst största målgruppen för läkemedel (minst 13 % av marknadens läkemedel).

• Påverkan på jonkanaler kan ge upphov till autoimmuna sjukdomar.

• Exempel på neurologiska kanallopatier: epilepsi (mer än 20 mutationer kända), cellulär ataxi, hyperexcplexia.

• Kanalgenrelaterade problem med hjärtats funktion.

Fortledning av Elektriska Signaler i Cellers Utskott

• Elektriska signaler måste ibland färdas långa sträckor (t.ex. från ryggmärgen till tårna).

Passiv (Elektrotonisk) Fortledning

• Snabb signal spridning utan hjälp av jonkanaler.

• Amplituden minskar med avståndet.

• Laddning sprids ut längs axonet. En del laddning läcker ut och en del lagras upp i membranets kapacitet.

• Längdkonstant: Avståndet som krävs för att spänningsförändringen ska avta med 37 % av ursprungstorleken.

Aktiv Fortledning

• Aktionspotentialer fortleds längs axonet utan att minska i storlek.

• Spänningsaktiverade natriumkanaler längs axonmembranet aktiveras och skapar nya aktionspotentialer.

• Aktionspotentialen vandrar som en våg med konstant amplitud längs axonet.

Evolutionära Anpassningar för Snabbare Fortledning

• Öka diametern på axonet. Minskar elektriska motståndet i axonets längdriktning inuti axonet.

• Myeliniserade axoner.

Myelin

• Bildas av gliaceller som virar sina membran runt axonet (myelinskidan).

• Avbryts av Ranvierska noder där membranet är fritt exponerat.
  *

• Två viktiga elektriska egenskaper hos myelinet

  • Minskar elektriska kapacitansen mellan axonets inlas och plasmorare extra cellulära utrymmet.

  • Ökar elektriska resistensen mellan axonets inre och yttre extracellulära rum. Motverkar läckage.

• Ökad fortledningshastighet.

Saltatorisk Fortledning (Hoppande Fortledning)

• Aktionspotentialen uppstår vid en nod och leds passivt till nästa nod.

• Myelinet minskar minskningen i storlek av variationspotentialen.

• Tröskelvärdet överskrids vid nästa nod så att en ny aktionspotential kan bildas.

Klassificering av Nervfibrer

• Efter fortledningshastighet.

• Låg diameter/tunna nervfibrer utan myelin leder impulser långsammare (ca 1 m/s).

• Stor diameter/tjocka nervfibrer med myelin leder impulser snabbare (ca 100 m/s).

• Light and Hands klassificering: romerska siffror 1,2,3 och 4.

• Erlanger och Gassers klassificering: Grupper A till och med C och med undergrupper som Alfa, beta och delta och så vidare.

• Sammansatt nerv: en nerv med flera axoner eller nervfibrer med olika egenskaper vad gäller diameter och violinsering.

Synaptisk Transmission

• Nervceller kommunicerar med varandra via synapser.

• Aktionspotential fortleds längs axonet till nervterminalerna, där signalsubstanser frisätts.

• Signaler kan påverka nästa cell i kedjan för att bilda en EPSP eller IPSP.

Elektriska Synapser

• Snabba.

• Presynaptisk och postsynaptisk cell är intimt förbundna.

  • Gapt junctions (kanalproteiner) förbinder cellerna och förmedlar laddningar.

  • Gapt junctions (kanalproteiner) förbinder utsidan av den sändande pcindaptiska cellen med insidan av den mottagande eller post-synaptiska cellen.

• En positiv signal alltid en positiv signal I mottagarcellen.

Kemiska Synapser

• Vanligare än elektriska synapser.

• Lätta att reglera (signalstyrka kan justeras).

• Positiv signal i sändande cell kan ge upphov till positiv eller negativ signal i mottagarcellen.

• Signalsubstans lagras i vesikler i den presynaptiska nervterminalen.

• Aktionspotential når nervterminalen.

• Vesikler smälter samman med membranet och frisätter signalsubstans i synapsklyftan.

• Signalsubstans diffunderar över synapsklyftan och binder till receptorer på den postsynaptiska cellen.

• I snabba kemiska synapser är receptorn en ligandaktiverad jonkanal.

Förlopp vid Kemisk Synaps

• Aktionspotential når presynaptisk nervterminal.

• Spänningsstyrda kalciumjonkanaler öppnas và kalcium strömmar in i nervterminalen.

• Kalciumjoner sätter igång processer så att vesikler smälter samman med membranet och frisätter signalsubstans i synapsklyftan.

• Membranet i nervterminalen kan knoppas av för att bilda nya vesikler.

  • Membran ytan ökar genom sammansmältning och knoppas av för att återanvändas till en ny omgång med signalsubstans påfyllning och frisättning.

• Bild: Visar 2 stycken p-synptiska verbaler (AT1 och AT2).

  • Fullproppad med synaptiska vesiklar.

  • En dendrit på mottagarcellen.

• S1 eller S2 är 2 olika snabbklyftor, eller 2 olika synapser där snabbsklyftan inte riktigt går att se.
  * Ljusare områden mellan 2 mörka strukturer på den pre-synptiska och den po-synptiska sidan