Neuronens Fysiologi 1

Neuronens elektriska egenskaper Vilopotentialen Aktionspotentialen Jonkanaler Spännigskänsliga och Ligand aktiverade

De funktionella molekylära enheterna består av receptorer för transmittorer och andra faktorer samt 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

jonkanaler som finns i neuronens eller nervcellens membran Receptors and channels Ligand gated Na + Cl - Voltage gated Second messenger gated cnp

jonkanaler som finns i neuronens eller nervcellens membran Receptors and channels Ligand gated Na + Cl - Voltage gated Second messenger gated cnp Na + Na +

Neuronens struktur Cell kropp Nervterminal Dendriter Axon Neuronens viktigaste funktionella egenskaper styrs av plasma membranens Integrala proteiner Na + och joner har också central betydelse

Nervcellens membran skickar och mottar signaler i form av kontrollerade elektriska impulser

dendrit synapser axon Elektriska impulser initieras i dendriterna och sprider sig till axonen. Längs axonen når impulsen nervterminalen och signalen överflyttas kemiskt till nästa cells dendriter i synapsen

Den basala kontrollenheten 2 -ARs opiate Rs GABA Rs Består av två kommunicerande neuroner postsynaptisk modulering feedback presynaptisk modulering

Neuronens Fysiologi Vilopotentialen

Jonpumparna bygger upp jongradienter DISTRIBUTIONEN AV JONER I CELLEN (mm) joner extracellulärt intracellulärt Na + 140 10 5 140 Ca 2+ 1 0.00001 Cl- 140 20 Na + finns altså främst extracellulärt och intracellulärt

+K+-ATPas pumpar ut och in K+

Na + / -ATPas BYGGER UPP JONGRADIENTER K + K+ K+

Na + / -ATPas BYGGER UPP JONGRADIENTER K + K + K+ K+

Na + / -ATPas BYGGER UPP JONGRADIENTER K + K+ K+

I vila är neuronens membran mera permeabel för än Na + K + K+ K+

kanaler är öppna i vila K+ K+

kan läcka ut från cellen men Na + kan inte läcka in K+

Eftersom positiva laddningar flödar utåt blir membranen positivt laddad - + - + - + - +

Den negativa insidan strävar att driva tillbaka och en vilopotential har uppstått - + - + - + - +

GOLDMANS EKVATION Beskriver membranpotentialens beroende av, Na + och Cl - joners halt och permeabilitet (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 Om permeabiliteten är hög får vi en vilopotential med negativ insida Om Na + permeabiliteten är hög får vi en vilopotential med positiv insida

De olika jonernas permeabilitet styr specifika funktioner in neuronen inhibition Clinhibition excitation Na +

Och vi påverkar dem dagligen med olika läkemedel anxiolyter anesteter hypnoter inhibition Clinhibition alzheimer diverse läkemedel via G protein kopplade receptorer Na + excitation lokalanesteter epilepsiläkemedel

Eftersom permebiliteten dominerar under vila kan membranpotentialen beskrivas enligt den betydligt enklare Nernst ekvationen [K+]i E (mv)= - 60 * log [K+]o Om det finns 10 ggr mera inne i cellen än utanför blir altså [K] i /[K] o = 10 Log 10=1-60*1=-60mV

Man kan altså lätt experimentellt manipulera membranpotentialen genom att öka på extracellulära K+ halten. Då den extracellulära halten ökas sker en minskning i potentialskillnaden över membranen. Membranpotential 0-60 10 100 Extracellulär [ ]

Neuronens Fysiologi Jonkanaler Aktionspotentialen

Begrepp Depolarisering = neuronens insida blir mera positivt laddad Hyperpolarisering = neuronens insida blir mera negativt laddad Repolarisering = Membranpotentialen återgår till viloläge

Neurotransmissionens sekvens Frisättning av exiterande transmitter från nervterminalen Diffusion över synaptiska klyftan Bindning till exitatorisk jonotrop receptor (el. ligand aktiverad jonkanal) Depolarisering av postsynaptisk membran Öppnandet av spänningskänsliga kanaler och uppkomst av aktionspotentialer ytterligare depolarisering och propagering av en depolariserande våg framåt När depolarisationsvågen når nervterminalen frisätts transmittern och en ny impuls initieras i följande cell

AKTIONSPOTENTIALEN Aktionspotentialen är en kortvarig spänningsförskjutning i neuronens membran som har en förmåga att fortplanta sig längs neuronens utskott längs axonen mot nervterminalen Aktionspotentialer uppstår då membranpotentialen depolariseras till ett visst tröskelvärde

Aktionspotentialen Aktionspotentialen består av : Jonströmmar genom spänningskänsliga Na + och kanaler som öppnas vid depolarisering och propagerar signalen framåt I nervterminalen avläses den elektriska informationen: Genom öppnandet av spänningskänsliga Ca 2+ kanaler och en ökning av Ca 2+ halten i terminalen

Aktionspotentialen Tröskel Vilopotential

Tröskelvärdet Olika typer av mekanismer som depolariserar neuronens membran strävar att uppnå tröskelvärdet för uppkomsten av aktionspotentialer(-60- -50 mv från -90 mv) Detta kan uppnås via: - ligand aktiverade jonkanaler som producerar EPSP -receptorpotentialer i sensoriska celler - jonkanaler som reagerar på metaboliska förändringar -minskning i permeabilitet via G-protein kopplade receptorer

VILOPOTENTIALEN - + - + - + - +

Mekanismer som motarbetar upprätthållandet av vilopotentialen orsakar depolarisering - + - + - + - +

En ökning av Na + jonens permebilitet eller en minskning av jonens permebilitet är typiska mekanismer som orsakar depolarisering - + - + - + - +

Aktionspotentialen - består av en uppåtstigande depolarisationsfas och en nedåtgående repolarisationsfas E/mV +20 0-60 -90 2 msec Aktionspotentialen beror av aktivering av spänningskänsliga jonkanaler, och är uppbyggd av och K+ strömmar flödar in i cellen i enlighet med sin elektrokemiska potential (Nernst potentialen + membranpotentialen) och litet senare flödar K+ ut. Potentialförändringen i en snabb nerv tar ca 2 ms.

Spänningskänslia Na + kanaler står för depolariseringen och kanaler för repolariseringen utsida Na + insida

Spänningskänsliga Na + kanaler står för depolariseringen och kanaler för repolariseringen E/mV +20 0-60 -90 Na + 2 msec Spänningskänsliga Na + kanaler öppnas altså först de kräver en relativt liten depolarisering Spänningskänsliga kanaler öppnas som en följd av depolariseringen som sker vid aktionspotentialens stigande fas dessa kanaler behöver en betydlig depolarisering för att öppnas

Olika typer av ligand aktiverade jonkanaler styr aktionspotentialens uppkomst Balansen mellan excitation och inhibition är en central faktor vid styrandet av aktionspotentialens uppkomst Denna balans beror på excitatoriska och inhibitoriska neurotransmittorer, som aktiverar ligand-aktiverade jonkanaler

Olika typer av ligand aktiverade jonkanaler styr aktionspotentialens uppkomst EXCITATORISKA RECEPTORER Underlättar uppkomsten av aktionspotentialer Ligand/receptor Acetylkolin Nicotin receptor, nachr Na + / / Ca 2+ 5HT, serotonin 5-HT3 receptor " ATP P 2X receptor " permeabel jon

Ligand aktiverade jonkanler EXCITATORISKA RECEPTORER Glutamatreceptorer NMDA Ca/Na/K AMPA Na/K / Ca Kainate "

Ligand aktiverade jonkanler INHIBITORISKA RECEPTORER Hämmar aktionspotentialens uppkomst -aminobutyrat (GABA) GABA A receptor Cl - Hjärnan GLYCIN glycin receptor ryggmärgen

AKTIONSPOTENTIALENS UPPKOMST axon

Ligand aktiverade jonkanaler - Excitation och inhibition Excitatorisk och inhibitorisk receptor Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -

Excitation och inhibition en exciterande transmitter frisätts Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -

Excitation och inhibition bindning till receptorn Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -

Excitation och inhibition kanalen öppnas och Na + flödar in Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- - - - - - - - - - - -

Excitation och inhibition depolarisering Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- +++

Excitation och inhibition inhibitorisk transmitter frisätts och binds Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- +++

Excitation och inhibition Cl - kanalen öppnas Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- +++

Excitation och inhibition Cl - flödar in +++ Cl- Cl- Cl- Cl- Cl-

Excitation och inhibition Cl - flödet släcker depolariseringen Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- +++ - - - -

Excitatotiska ligand aktiverade jonkanaler orsakar EPSP Då den frisatta neurotransmittern binder till sin receptor sker en minskning i potentialskillnaden över den postsynaptiska membranen. Denna potentialförändring kallas excitatorisk postsynaptisk potential eller EPSP. EPSP beror på en ökning i Na + permeabiliteten.

Postsynaptisk membran med excitatorisk ligand aktiverad jonkanal Na + Na + Na + ++ --- -60-90 registrering av membran potential

Frisättning av exciterande neurotransmitter (NT) NT ++ --- Na + Na + Na + -60-90

Bindning av transmittern Na + Na + Na + ++ NT --- -60-90

Receptorkanalen öppnas Na + Na + ++ NT Na + --- -60-90

Na + flödar genom kanalen membranen börjar depolariseras Na + Na + ++ --- NT Na + + + -60-90

Membranen depolariseras delvis Na + ++ NT Na + --- + Na + + -60-90

Depolariseringen kallas excitatorisk postsynaptisk potential eller EPSP ++ --- NT Na + Na + + + Na + -60 EPSP -90

AKTIONSPOTENTIALENS UPPKOMST EPSP Signalen fortplantar sig till axonen passivt som en depolarisationvåg. axon

Passiv fortplantning av depolarisering från dendriter till axon hilloc= decremental konduktion Från dendriter till axon hillock

AKTIONSPOTENTIALENS UPPKOMST De flesta EPSP signalerna som uppkommer i dendriterna dör ut av sig själva före depolariseringen uppnår axon hillock där aktionspotentialen startar. EPSP signalerna summeras för att uppnå tröskelvärdet.

Spatial summering Temporal summering

EPSP:n summeras ref Summering -60 Na + Na + Na + -90 - - - - - -

Neurotransmitterns binds Summering -60 Na + Na + Na + NT -90 - - - - - -

Kanalen öppnas 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 + + + + + +

Aktionspotentialens uppkomst - vilotillstånd ref

Transmitterfrisättning syns som EPSP

Summering

Aktionspotentialens stigande fas

Aktionspotentialens stigande fas Na + flödar in i cellen

Aktionspotentialens fallande fas

Aktionspotentialens fallande fas flödar ut ur cellen

Efterhyperpolarisering och nytt vilotillstånd

Flera faktorer begränsar altså uppkomsten av aktionspotentialer Balans mellan inhibition och excitation Passiv överföring av depolarisering från dendriter Summering av EPSP I vissa fall sker även reglering på neurotransmitter receptornivå dvs olika faktorer kan påverka ligandaktiverade jonkanalers funtion