Föreläsning 1: Membranpotential och elektrisk aktivitet

 

Sammanfattning

Nervcellens signaler (kemisk, elektrisk, elektrokemisk)

Följande steg är viktiga: Synaptisk överföring genom frisättning av kemisk transmittor, omvandling till elektrisk signal genom kemiskt styrda jonkanaler i mottagarcellen, passiv (elektrotonisk) ledning in till cellkroppen och axon-käglan där en aktionspotential eventuellt sätts upp, vilket ger "beslutsfunktion". Aktionspotentialen leds vidare utefter axonen och dess förgreningar. I vissa celler kan aktionspotentialen också ledas bakåt ut i dendritträdet och kanske bidra till synaptisk plasticitet via Hebbs regel (som vi skall tala om senare).

 

Membrantransport, passiv och aktiv, olika drivkrafter

Vi talade om passiv transport (”i nerförsbacke”) och aktiv transport (”i uppförsbacke”) och de olika drivkrafter som utnyttjas. Viktiga passiva transportformer är elektrofores och diffusion (tillsammans elektrodiffusion) genom jonkanaler och permeaser (och i vissa fall direkt genom membranet). Aktiv transport förmedlas av cotransportörer (symport eller antiport) och ATP-drivna pumpar (ATP-aser).

 

Transportörer i samverkan och energiflödet i cellen

Som exempel på hur olika transportörer kan samverka nämndes: (1) Glukos transporteras in i cellen genom ett permeas (uniport). I mitokondrierna bryts glukos ner och ett förråd av ATP (adenosintrifosfat) byggs upp. Energin i ATP utnyttjas för olika kemiska reaktioner och som drivkraft för t.ex. (2) Na-K-pumpen, som upprätthåller koncentrationsskillnaderna för Na- och K-joner över membranet. Koncentrationsenergin för dessa joner utnyttjas i sin tur av (3) cotransportörer för att bygga upp koncentrationer av andra ämnen (t.ex. Na in ger Ca ut) och (4) jonkanaler, som förbrukar energi i samband med styrning av membranpotentialen.

 

Jonkanalers struktur och funktion, registrering av kanalströmmar

En jonkanal består av ett enda protein med flera subenheter eller av flera proteinmolekyler, i bägge fallen 4-5 enheter tillsammans, som bildar en kanal genom cellmembranet. Funktionellt talar vi om (1) en por med vattenvänlig insida, (2) selektivitetsfilter som bara tillåter en viss typ (eller vissa typer) av joner att passera, (3) sensor för kemisk, elektrisk eller mekanisk stimulering och (4) en grind som öppnar och stänger kanalen. Strömregistreringar med "patch clamp"-metoden uppvisar spontana fluktuationer mellan en låg nivå (stängd kanal) och en hög nivå (öppen kanal). Fluktuationerna beror på temperaturrörelser, som är förhållandevis stora på molekylär nivå. Kanalen (eller egentligen grinden) kan beskrivas av en enkel två-tillståndsmodell med tillhörande övergångssannolikheter. Elektriskt fungerar jonkanalen som en resistans (motsånd) i serie med en strömbrytare. Många kanaler tillsammans kan betraktas som en variabel resistans (vi har då bortsett från ”koncentrationsbatteriet”).  

 

Membranpotential, definition, laddningsfördelning i cellen

Membranpotentialen är egentligen spänningen över membranet (insidan negativ relativt utsidan i vila, storleksordning ca 70 mV). Vi diskuterade hur potentialen är fördelad om vi gradvis förflyttar en mätpunkt utifrån och in i cellen och så småningom ut igen samt att laddningsobalansen är koncentrarad till membranets omedelbara närhet. I övrigt råder elektroneutralitet.

 

Cellmodell med 1 jon

Vi utgick ifrån en enkel cellmodell där K-joner finns i högre koncentration intracellulärt än extracellulärt och där bara K-joner kan röra sig genom membranet (antag t.ex. att det bara finns specifika K-kanaler). Den initiala diffusionen av K-joner ersätts efter några millisekunder av ett jämviktsläge med negativ membranpotential där diffusionsflöde och elektroforetiskt flöde precis tar ut varandra. Eftersom K-joner är de som i vila lättast går igenom membranet (via sk. läckkanaler) ger modellen en enkel förklaring till att membranpotentialen är negativ.

 

Elektrokemisk jämvikt och Nernsts ekvation

Tillståndet där diffusionskrafter och elektriska krafter balanserar varandra kallas elektrokemisk jämvikt och den sk jämviktspotentialen (för K-joner i ovanstående exempel) kan beräknas med hjälp av Nernsts ekvation. Vi kommer senare att titta närmare på denna. Tills vidare nöjer vi oss med att konstatera att jämviktspotentialerna för K, Na resp. Cl är ca –90 mV, +60 mV resp. –70 mV. Med hjälp av Nernsts ekvation kan koncentrationer behandlas som om det det gällde ett elektriskt fenomen (”äpple-till-päron-omvandlare”), vilket gör det lättare att förstå och beskriva elektrodiffusion (allt kan beskrivas i elektriska termer).

 

Cellmodeller med flera joner (K, Na, Cl) och användning av elektriska kretsar

Vi betecknade diffusionskrafterna för K, Na och Cl-joner med pilar av storleken 90 mV, 60 mV resp. 70 mV (beräknade genom Nernsts ekvation, se ovan). Om vilopotentialen (den elektriska potentialen) är 70 mV kan vi summera ihop och få nettodrivkrafterna 20 mV (ut), 130 mV (in) resp. 0 mV. Det var först tänkt att vi skulle gå vidare med en modell baserad på elektriska kretsar men vi hann inte göra detta ordentligt. Vi återkommer därför senare till elkretsmodellen, som bl.a. utnyttjas i Laboration 2.

 

Aktionpotentialen, princip och mekanism

I den första betraktelsen injicerade vi ström av ökande styrka i en axon och iakttog svaret. När potentialen översteg en viss tröskel uppstod en aktionspotential (nervimpuls) och vi noterade dess ”overshoot” och ”undershoot” och dess allt-eller-intet-natur (som är något annat än jonkanalernas allt-eller-intet-beteende). Begreppen depolarisering (positivt relativt vilonivån) och hyperpolarisering (d:o negativt) definierades. Vi kom fram till att aktionspotentialens uppgång beror på ett regenerativt förlopp (typ lavineffekt) där ökande depolarisering leder till öppning av spänningskänsliga Na-kanaler, ökande inåtström av Na-joner och därigenom ökad depolarisering osv. osv. Den följande ”repolariseringen” beror på att Na-kanalerna stängs samtidigt som spänningsberoende K-kanaler öppnas. Så småningom stängs också dessa K-kanaler (medan K-läck-kanaler fortfarande är öppna). 

 

Aktionspotentialens jonkanaler

För att aktionpotentialen skall kunna fungera som vi har beskrivit krävs kanaler med följande egenskaper. Spänningsberoende Na-kanaler, som är stängda vid vilopotentialen öppnas vid depolarisering och stängs därefter ”av sig själva” efter någon millisekund (sk. inaktivering). Inaktiveringen beror på en extragrind i form av en ”ball and chain”. Spänningsberoende K-kanaler, som är stängda i vila öppnas vid depolarisering, fastän långsammare än Na-kanalerna. Dessa K-kanaler saknar inaktiveringsfunktion (men många andra K-kanaler har det).

 

Följande avsnitt hann vi inte gå igenom så det får vänta till nästa föreläsning:

Aktionspotentialens ledning

Utan extra hjälp skulle signalen i axonen dö ut efter någon millimeter (passiv, elektrotonisk ledning) men med hjälp av aktionspotentialen kan signalen ledas vidare med bibehållen amplitud. Framför aktionspotentialen sprider sig depolariseringen elektrotoniskt, tröskeln överskrids och en ny aktionspotential uppkommer, och på så sätt sker ledningen (propagering). Området bakom aktionspotentialen är refraktärt och fungerar som ”eftersläckning”. Större axondiameter ger snabbare ledning, upp till några meter per sekund. Vissa djur (bläckfisk) har jätteaxoner med en diameter på upp till en halv millimeter, som ger snabb ledning. Ryggradsdjur har ett speciellt trick, isolering med myelin, som ger snabb ledning (upp till 100 m/s) trots liten axondiameter. Jonkanaler finns bara i de Ranvierska noderna där förstärkningen sker. Vi talar i detta fall om hoppande (saltatorisk) ledning.