Neuronin Fysiologia Lepojännite ja aktiopotentiaali
Molekyylitasolla hermosolun toiminnalliset yksiköt koostuvat hermovälittjä-reseptoreista sekä Receptors and channels Ionotropic G-protein coupled Enzyme Na + Cl - R R R Gq Gs Gi PLC AC??? Ion Channel TPK GC Ca 2+ IP 3 camp??? YP cgmp
Ionikanavista jotka ovat hermosolun plasmakalvon sisäisiä proteiineja Receptors and channels Ligand gated Na + Cl - Voltage gated Second messenger gated cnp
Hermosolun rakenne Cell Soma kropp Nervterminal hermopääte Dendriter Dendritit Axon aksoni Plasmakalvon integraaliset proteiinit ovat keskeisessä asemassa hermosolun toiminnassa Na + ja ioneilla on myös keskeinen merkitys
Hermosolun kalvo lähettää ja ottaa vastaan signaaleja sähköisten impulssien muodosssa Sähköiset impulssit syntyvät dendriiteissa ja siirtyvät Aksonia pitkin impulssit kohti aksonia Siirtyvät hermopäätteeseen Josta informaation siirtyy Kemiallisessa muodossa Vastaanottavaan hermosoluun
Hermovälityksen perusyksikkö on synapsi A 2 -ARs opiate Rs D E C GABA Rs B Kaksi komminikoivaa neuronia (A ja B) - välittäjäaine vapautuu A solun hermopäätteestä (presynaptinen kalvo) ja sitoutuu vastaanottavaan hermosoluun (postsynaptinen kalvo) Postsynaptinen modulointi (C) Feedback modulointi (D) Presynaptinen modulointi (E)
Neuronin Fysiologia Lepojännite
Ionipumput luovat ionigradientteja eli väkevyyseroja Ionien distribuutio solussa ionit solun ulkopuolella sisäpuolella 140 10 K+ 5 140 Ca 2+ 1 0.00001 Cl- 140 20 Na + ionit ovat pääasiassa ulkona ja ionit sisällä
Na + + -ATPaasi pumppaa Na + ionit ulos ja ionit sisään käyttäen ATP:tä energialähteenä
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Na + / -ATPaasi luo ionigradientteja K + K+ K+
Lepotilassa neuronin kalvoa on läpäisevämpi ioneille kuin Na + ioneille K + K+ K+
Levossa on aukinaisia kanavia K+ K+
vuotaa solusta mutta Na + ei pysty vuotamaan sisään K+
Koska positiivisia varauksia vuotaa ulos syntyy kalvon yli varausero - + - + - + - +
Negatiivinen sisustaa pyrkii vetämään ionit takaisin sisään on syntynyt lepojännite joka on suoraan verrannollinen ionin gradienttiin - + - + - + - +
GOLDMANIN YHTÄLÖ Kalvojännitteen riippuvuus, Na + och Cl - ionien pitoisuuserosta och ja läpäisevyydestä kalvon yli (P) P K x [ ] i +P Na x [Na + ] i + P Cl x [Cl - ] o E= - 60 * log P K x [ ] o + P Na x [Na + ] o +P Cl x [Cl - ] i jos läpäisevyys on korkea saadaan lepojännite jolla negatiivinen sisusta Jos Na + läpäisevyys on korkea saadaan lepojännite jolla positiivinen sisusta
Er ionien liikkuvuus ohjaa eri toimintoja inhibiitio inhibition Clinhibition inhibiitio excitation Na + eksitaatio
Ja vaikutamme näihin liikkuvuuksiin päivittäin lääkeaineilla inhibiitio inhibition anxiolyter Anksiolyytit anesteter Cl- Anesteetit hypnoter hypnootit inhibition Inhibiitio alzheimer diverse läkemedel via Alzheimer G protein kopplade receptorer Lääkkeitä Reseptoreihin vaikuttavia lääkkeitä Na + excitation lokalanesteter Eksitaatio epilepsiläkemedel Paikallispuudutteet epilepsialääkkeet
Koska läpäisevyys dominoi levossa voidaan laskea kalvojännitteen ioniriippuvuus yksinkertaisemmalla yhtälöllä eli Nernstin yhtälöllä [K+]i E (mv)= - 60 * log [K+]o Jos on 10 kertaa enemmän ioneja sisällä kun ulkona saadaan [K] i /[K] o = 10 Log 10=1-60 * 1= -60 mv
Voidaan helposti manipuloida hermosolun kalvojännitettä muuttamalla solunulkoista pitoisuutta. Jos pitoisuutta nostetaan tapahtuu jänniteeron pienenminen. 0 Membranpotential -60 10 100 Extracellulär [ ]
Neuronin Fysiologia Ionikanavat Aktiopotentiaali
Sanastoa Depolarisaatio = hermosolun sisusta muuttuu positiivisemmaksi Hyperpolarisaatio = hermosolun sisusta muuttuu negatiivisemmaksi Repolarisaatio = Kalvojännite palaa lepotasoon
Aktiopotentiaalin synty Aktiopotentiaali on lyhytaikainen voimakas hermosolun kalvon depolarisaatio jolle on ominaista edetä aksonia pitkin kohti hermopäätettä Aktiopotentiaali syntyy kun kalvojännite depolarisoituu tiettyyn arvoon jota kutsutaan Kynnysarvoksi
Aktiopotentiaali Aktiopotentiaali on koostunut: Ionivirroista jänniteherkkien Na + ja kanavien läpi jotka kanavat aukeavat depolarisaation yhteydessä sekä osallistuvat myöskin aktiopotentiaalin etenemiseen depolarisaatioaaltona Hermopääte reagoi depolarisaatioaaltoon: Avaamalla jänniteherkkia Ca 2+ kanavia jotka nostavat hermopäätteen sisäistä Ca 2+ pitoisuutta
Kynnysarvo Eri mekanismit, jotka depolarisoi hermosolun pyrkivät saavuttamaan kynnysarvon aktiopotentiaalin synnylle (yleensä depolarisaatio -60- -50 mv:iin lepojännitteestä joka on n. -90 mv) Tätä voidaan saavuttaa seuraavilla mekanismeilla: - Ligandiaktivoitujen ionikanavien avulla jotka muodostavat EPSP:tä -reseptorpotentiaaleja sensoorisissa soluissa - Metabolisille muutoksille reagoivien ionikanavien avulla -Mekanismien avulla jotka vähentävät solukalvon läpäisevyyttä kuten ns. G-proteini kytköiset reseptorit
Lepopotentiaali - + - + - + - +
Mekanismit jotka vastustavat lepojännitteen syntyä aiheuttavat depolarisaation - + - + - + - +
Na + ionin läpäisevyyden suureneminen tai ionin läpäisevyyden pieneneminenovat tyypillisiä depolarisaatiota aiheuttavia mekanismeja - + - + - + - +
Aktiopotentiaali - koostuu nousevasta depolarisaatiovaiheesta ja laskevasta repolarisaatiovaiheesta E/mV +20 0-60 -90 Virtaa sisään K+ Virtaa ulos 2 msec Aktionspotentiaalin synty johtuu jänniteherkkien kanavien aktivoitumisesta ja koostuu ja K+ virroista kalvon yli virtaa ensin soluun sähkökemiallisen potentiaalinsa ohjaamana (Nernst potentiaali + kalvojännite) ja vähän myöhemmin K+ ionit virtaavat ulos. Kalvojännitemuutoksen kesto on n. 2 ms.
Jänniteherkät Na + kanavat aiheuttavat depolarisaatiovaiheen ja kanavat repolarisatiovaheen E/mV +20 0-60 -90 Na + 2 msec Jänniteherkät Na + kanavat siis aukeavat kun kynnysarvo saavutetaan ne vaativat suhteellisen pienen depolarisaation aukeakseen Jänniteherkkien kanavien aukeaminen on seuraus Na + kanavien aiheuttamasta massiivisesta nämä kanavat vaativat huomattavan depolarisaation aukeakseen
Erityyppiset ligandi-aktivoidut ionikanavat säätelevät aktiopotentialin synnyn Eksitaation ja inhibiition suhde on keskeinen tekijä aktiopotentiaalin synnyn säätelyssä Tämä suhde johtuu eksitatorisista ja inhibitorisista hermovälittäjäaineista, jotka vaikuttavat ligandiaktivoitujen ionikanavien kautta Ligandi aktivoiduilla jonikanavilla on reseptoriosa joka sitoo hermovälittäjäaineita sekä ionikanavaosa joka aukeaa välittäjän sidottua
Erityyppiset ligandi-aktivoidut ionikanavat ohjaavat aktiopotentiaalin syntyä Eksitatoriset reseptorit ( ligandi-aktivoidut ionikanavat ) Helpottvat aktiopotentiaalin syntyä Aktivoiva Ligandi/reseptori läpäisevä ioni Acetylkoliini Nicotini reseptori, nachr Na + / / Ca 2+ 5HT( serotoniini) 5-HT3 reseptori " ATP P 2X reseptori "
ligandi-aktivoidut ionikanavat Eksitatoriset reseptorit Glutamaattireseptorit NMDA Ca/ Na/ K AMPA Na/K / Ca Kainate "
ligandi-aktivoidut ionikanavat Inhibitoriset reseptorit Estävät aktiopotentiaalin synnyn Ligandi/reseptori läpäisevä ioni -aminobutyraatti (GABA) GABA A reseptori Cl - Aivoissa GLYCIN glysiini reseptori Selkäytimessä
ligandi-aktivoidut ionikanavat eksitaatio ja inhibiitio Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -
Eksitaatio ja inhibiitio Eksitoiva välittäjäaine vapautuu hermopäätteestä Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -
Eksitaatio ja inhibiitio ja sitotuu reseptoriin Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -
Eksitaatio ja inhibiitio Reseptorin kanavaosa aukeaa jolloin Na + virtaa soluun Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -
Eksitaatio ja inhibiitio kalvo depolarisoituu samalla vapautumassa inhibitoorinen välittäjä Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- +++
Eksitaatio ja inhibiitio Joka sitoutuu inhibitooriseen reseptoriin Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- +++
Eksitaatio ja inhibiitio Cl - kanava aukeaa Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- +++
Eksitaatio ja inhibiitio Cl - virtaa soluun +++ Cl- Cl- Cl- Cl- Cl-
Eksitaatio ja inhibiitio Cl - virta sammuttaa depolarisaation Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- +++ - - - -
Eksitoivien ligandi aktivoitujen ionikanavien aiheuttama depolarisaatio kutsutaan EPSP:ksi Kun vapautunut välittäjä sitoutuu reseptoriosaan syntyy Na + ionien sisäänvirtauksen johdosta pieni kalvojännitehyppy, jota kutsutaan EPSP:ksi.
Postsynaptinen kalvo jossa eksitatorinen ligandi aktivoitu ionikanava Na + Na + Na + ++ --- -60-90 Rekisteröidään registrering av membran kalvojännite potential elektrodin avulla
Välittäjä vapautuu (NT) NT ++ --- Na + Na + Na + -60-90
Sitoutuu reseptoriin Na + Na + Na + ++ NT --- -60-90
Receptorikanava aukeaa Na + Na + ++ NT Na + --- -60-90
Na + virtaa kanavan läpi kalvo depolarisoituu Na + Na + ++ --- NT Na + + + -60-90
Kalvo depolarisoituu vain osittain Na + ++ NT Na + --- + Na + + -60-90
Depolarisaatiokallas kutsutaan eksitatoriseksi postsynaptiseksi potentiaaliksi tai EPSP:ksi ++ --- NT Na + Na + + + Na + -60 EPSP -90
Dendriitissä syntyvä depolarisaatio etenee passiivisesti kohti aksonia= elektrotoninen konduktio Dendriiteistä aksoniin
Aktioåpotentiaalin synty Suurin osa EPSP signaaleista, jotka syntyy dendriiteissä sammuvat itsestään ennekuin depolarisaatio saavuttaa aksonin alun mikä on aktiopotentiaalin alkupiste. Tarvitaan useiden EPSP signaalien summausta jotta kynnysarvo saavutettaisiin
Spatiaalinen summaatio eri soluista peräisin olevat signaalit summautuvat Spatial summering Temporaalinen summaatio Yhdestä erittäin aktiivisesta solusta Temporal summering peräisin olevat signalit summautuvat
EPSP:t summautuvat ref Summering -60 Na + Na + Na + -90 - - - - - -
Välittäjäaine sitoutuu Summering -60 Na + Na + Na + NT -90 - - - - - -
Kanava aukeaa Summering -60 Na + Na + Na + NT -90 - - - - - -
EPSP 1-60 Summering Na + Na + Na + NT -90 + + - - - -
+ EPSP 2 Summering -60 NT Na + NT Na + Na + -90 + + + + - -
+ EPSP3 Summering -60 NT Na + NT Na + Na + NT -90 + + + + + +
Aktiopotentiaalin synty - lepotila ref
Välittäjäaineen vapautuminen näkyy EPSP:nä
Summaus
Aktiopotentiaalin nouseva vaihe käynnistyy
Aktiopotentiaalin nouseva vaihe Na + virtaa soluun
Aktiopotentiaalin laskeva vaihe- virtaa solusta ulos
Aktiopotentiaalin laskeva vaihe- virtaa solusta ulos
Jälkihyperpolarisaatio ja uusi lepotila
Useat säätelymeksnismit edesauttavat tai rajoittavat aktiopotentiaalin synnyn inhibiition ja eksitaation suhde Depolarisaation passiivinen siirtyminen dendriiteistä aksoniin EPSP summaus Joissain tapauksissa säätelyä tapahtuu myös reseptorien toiminnan muuntumisen kautta