Hermoston fysiologia I 1 HERMOSTON FYSIOLOGIA I Biosähköiset ilmiöt Kalvopotentiaali Hermosolun lepopotentiaali Hermosolun aktiopotentiaali Ionikanavat Intrasellulaarinen/ekstrasellulaarinen mittaus Neuronin perusrakenne Synapsi Myeliinivaippa ja saltatorinen johtuminen Hermoston fysiologia I 2 1. Biosähköiset ilmiöt vs. galvaaninen sähkö Biosähkössä varauksen kantajina ionit (anionit, kationit) Na, K, Ca 2, Cl - Galvaanisessa sähkössä elektronit e - Ioni Läpimitta (nm) Na 0.097 K 0.133 Ca 2 0.099 Huom: varauksen suuruus on sama 0.1 10-9 m Hermoston fysiologia I 3 Solukalvo n. 10 nm (100 x paksumpi) ioni Hermoston fysiologia I 4 Biosähkön sähkövirrat liuoksissa, kalvojen yli/läpi kudoksissa volyymikonduktio - tilavuusjohtuminen sähkövirran tiheys vaihtelee paikan mukaan Galvaanisessa sähkössä sähkövirrat yleensä johtimissa ei volyymikonduktiota Elektroni e - 10-15 m Biosähkön jännitteet usein kohtalaisia (10-100 mv), mutta virrat erittäin pieniä, nano- tai pikoampeereja biosähkön sähkömäärät yleensä erittäin pieniä (huom. kuitenkin sähköankeriaat ja -rauskut)
Hermoston fysiologia I 5 2. Hermosolujen viestintä: 3 erilaista sähköistä potentiaalia Lepopotentaali = jännite ero (hermo)solun kalvon ulko- ja sisäpuolen välillä Asteettainen potentiaali (gradeerattu potentiaali) Aktiopotentiaali (aktiopulssi) = etenevä jänniteheilahdus solukalvolla Hermoston fysiologia I 6 Lepopotentiaalin synty Perustuu Ionien konsentraatiogradienttiin kalvon eri puolilla JA Kalvon valikoivaan läpäisevyyteen Kalvon valikoiva läpäisevyys perustuu ionikanaviin, jotka yleensä ovat ionispesifisiä Lepopotentiaalia ei voi havaita solun ulkopuolelta, aktiopotentiaalin voi havaita hetkellinen jänniteero hermosolun eri osien välillä Hermoston fysiologia I 7 Potentiaalieron synty 1 Hermoston fysiologia I 8 Potentiaalieron synty 2 1 % NaCl 10 % NaCl 1 % NaCl 1 % NaCl lasiseinä Väliseinä lasia ei potentiaalieroa, koska ei läpäisevyyttä! Na -permeaabeli kalvo Ei potentiaalieroa, koska ei konsentraatioeroa!
Hermoston fysiologia I 9 Potentiaalieron synty 3 1 % NaCl 10 % NaCl Na -permeaabeli kalvo Konsentraatioero läpäisevyys potentiaaliero syntyy Hermoston fysiologia I 10 Aluksi Na nettovirtaus konsentraatiogradientin suuntaisesti suuremmasta pienempään Jos kyseessä on varaukseton hiukkanen, nettovirtaus jatkuu kunnes konsentraatioero tasoittuu MUTTA: koska siirtyvällä ionilla on varaus, virtaus aiheuttaa vastakkaissuuntaisen sähköisen voiman ( taakse jää miinusta ) potentiaaliero Tasapainossa ioneja on siirtynyt toiselle puolelle niin paljon, että diffuusiopotentiaali ja sähköinen potentiaali kumoavat toisensa ionien nettovirtaus = 0 Hermoston fysiologia I 11 Potentiaalieron synty 4 1() % NaCl 10(-) % NaCl Hermoston fysiologia I 12 Hermosolun ionikoostumus Esimerkkinä mustekalan jättiläishermosyy IONI SISÄ (mmol/l) ULKO (mmol/l) Na 50 440 K 400 20 Cl - 9 125 Na -permeaabeli kalvo Konsentraatioero tasapainossa käytännössä häviävän pieni ( 0.000 002 %) ± Puuttuva negatiivinen varaus??? Muut anionit, anioniset makromolekyylit ns. Donnanin tasapaino
Hermoston fysiologia I 13 Hermoston fysiologia I 14 Kullekin ionille voidaan laskea tasapainopotentiaali Nernstin yhtälön avulla (olettaa, että kalvo on täysin permeaabeli yhdelle ionille ja impermeaabeli muille!) E = RT nf log E = tasapainopotentiaali C o e Ci RT = kaasuvakio, abs. lämpötila n = ionin varaus (1) F = faraday, 9.649 10 4 C/mol C o, C i = pitoisuus solun ulko- ja sisäpuolella E = RT nf log E Na = -61 log 10 (15/150) C o e Ci On noin ±61 mv (25 o C) (10-kantainen log) Solukalvon tasapainopotentiaalit (sisä- vs. ulkopuoli): = 61 mv E K = -61 log 10 (150/5.5) = -88 mv E Cl = 61 log 10 (9/125) = -70 mv Hermoston fysiologia I 15 Käytännössä solukalvo ei ole ideaalisen valikoiva, vaan enemmän tai vähemmän permeaabeli kaikille ioneille Goldman-Hodgkin-Katz-yhtälö (ns. vakiokenttä-yhtälö). E = RT F log e PK [ K] o P [ K] K i P P P = permeabiliteettikerroin Na Na [ Na] [ Na] o i PCl [ Cl] P [ Cl] Cl i o Hermoston fysiologia I 16 Lepopotentiaali - summa summarum Mittauksien mukaan n. -90 mv Sisäpuoli negatiivinen ulkopuoleen verrattuna Käyttämällä ionikanavia spesifisesti blokkaavia molekyyleja on havaittu: Lepopotentiaali vastaa suhteellisen hyvin kalium-ionin tasapainopotentiaalia E K = -61 log10(150/5.5) = -88 mv Lepotilassa kalium-kanavat siis auki!
Hermoston fysiologia I 17 Hermoston fysiologia I 18 Aktiopotentiaali Hermosolun viestimiskyky perustuu sen kykyyn johtaa eli propagoida kalvojännitteen heilahduksia solun haarakkeita pitkin aktiopotentiaali (aktiopulssi) Hermosolun aktiopotentiaali perustuu nopeaan, ionikanavien aukeamisen aiheuttamaan positiiviseen jännite-heilahdukseen solun johtavien haarakkeiden kalvolla Kalvopotentiaalin pieneneminen (depolarisaatio) jänniteherkkien Na -kanavien aktivaatio Kaksi tapaa mitata aktiopotentiaali Solunsisäinen Solunulkoinen Saatu vaste erilainen Lepopotentiaali havaitaan vain, jos toinen mittaelektrodi (mikroelektrodi on solun sisällä) solunsisäinen mittaus Lepopotentiaalia ei havaita, jos molemmat elektrodi ovat solun pinnalla Hermoston fysiologia I 19 Hermoston fysiologia I 20 Solunsisäinen mittaus 0 Lasikapillaari-mikroelektrodi solunsisäisiin mittauksiin -100 mv Solunulkoinen mittaus 0-100 mv
Hermoston fysiologia I 21 Hermoston fysiologia I 22 10 ms Jänniteherkät kanavat hyperpolarisaatio Depolarisaation voivat aiheuttaa mm. Solun ulkopuoliset ionimuutokset (esim. kaliumin määrän kasvu) Synapsin kautta välittyvä ioniläpäisevyyden muutos (esim. K -läpäisevyyden aleneminen, Na -läpäisevyyden lisääntyminen) Sähköärsyke (kokeellinen) Hyperpolarisaatio (lepopotentiaalin kasvu) Synaptinen vaikutus (K -läpäisevyyden kasvu) Ionimuutokset, K :n aleneminen soluvälitilassa Inhiboi aktiopotentiaaleja Hermoston fysiologia I 23 Aktiopotentiaalin eteneminen (propagaatio) Hermoston fysiologia I 24 Jänniteherkkä natriumkanava depolarisaatio aktiopotentiaali hyperpolarisaatio paikalliset virrat uusia jänniteherkkiä Na -kanavia avautuu Aktiopotentiaalia seuraa hyperpolarisaatiovaihe, joka estää uudelleenaktivaation - animaatio alfa-osassa 4 6 kalvon läpäisevää osaa (I-IV), jänniteherkkyys näissä solunulkoinen osa tunnistaa Na :n tunnetaan useita erilaisia geeniperhe
Hermoston fysiologia I 25 Ionikanavat voidaan blokata spesifisillä myrkyillä Esim. tetrodotoksiini (TTX) tukkii jänniteherkät Na -kanavat aktiopotentiaalit estyvät Saadaan mm. fugu-(pallo)kalasta Hermoston fysiologia I 26 Fugu, pallokala, symbionttiset bakteerit tuottavat myrkyn Taricha granulosa -salamanteri Myös salamanterit, ihossa jopa 13 mg TTX riittää tappamaan 50 000 hiirtä Hermoston fysiologia I 27 Konsentraatiogradientti kalvon yli ei säily itsestään Ionipumput ylläpitävät Tärkein Na /K -pumppu (Na /K - ATPaasi) Tarvitsee energiaa (työskentelee konsentraatiogradienttia vastaan) 1 ATP 3 Na ulos, 2 K sisään Animaatio Toimii taustalla ei tarvita korvaamaan yksittäisen aktiopotentiaalin aiheuttamaa epätasapainoa Hermoston fysiologia I 28 Hermosolu ja aktiopotentiaali Hermosolun osat Solukeskus (soma) Tuovat haarakkeet (dendriitit), voi olla useita Vievä haarake (aksoni), aina yksi aktiopotentiaali
Hermoston fysiologia I 29 Hermoston fysiologia I 30 unipolaarinen Hermosolun sisällä viestinvälitys on sähköistä Hermosolujen välillä (useimmiten) kemiallista synapsi Muut hermosolut synapsoivat somaan ja dendriitteihin välittäjäaineet tarttuvat postsynaptisen kalvon reseptoreihin muuttavat ionien läpäisevyyttä postsynaptisella kalvolla EPSP (Excitatory PostSynaptic Potential) = depolarisaatio (aktivaatio) aktiopotentiaali (aksonissa) TAI IPSPS (Inhibitory ) = hyperpolarisaatio (inhibitio) EPSP IPSP summa määrää syntyykö seuraavassa solussa aktiopotentiaali Esim. asetyylikoliini aktivoi /(avaa Na -kanavia), GABA inhiboi (avaa K -kanavia) Kun aktiopotentiaali saapuu aksonin päähän (haarakkeiden päähän) synapsoi seuraavaan soluun Asetyylikoliini Hermoston fysiologia I 31 Hermoston fysiologia I 32 Esimerkki: hermo-lihasliitoksen asetyylikoliini (Ach) Tarttuu ns. nikotiinireseptoriin, joka on samalla ionikanava Kanava päästää läpi sekä Na että K, mutta natriumin konduktanssi on suurempi depolarisaatio aktiopotentiaali lihassolussa
33 Hermoston fysiologia I 34 Hermoston fysiologia I Synapsi Axon hillock (aksonikeko) = ap:n syntypaikka EM-kuva Ca2 Lepo/gradeerattu potentiaali Lepo/aktiopotentiaali 35 Hermoston fysiologia I Myeliinivaippa lisää aksonien johtonopeutta 36 Hermoston fysiologia I Myeliini: Schwannin solun kalvon kiertyminen aksonin ympärille Ranvierin kuroutuma myeliini aksoni
Hermoston fysiologia I 37 Hermoston fysiologia I 38 Hyppivä eli saltatorinen (lat. saltare, hypätä) johtuminen, depolarisaatio tapahtuu kuroumissa, passiivinen virta seuraavaan kuroumaan nopeus jopa 200 m/s Hermon poikkileikkaus myeliini ei myeliiniä