HC 1 Voortgezette Neurowetenschappen
Bij Parkinson gaan inhiberende neuronen in de
Substantia Nigra verloren. Met behulp van
Deep Brain Stimulation worden elektrische
pulsen toegediend aan de inhiberende
Substantia Nigra neuronen waardoor weer
controle over bewegingen kan worden
verkregen.
Ion stromen tijdens actiepotentiaal
Bij het ontstaan van een actiepotentiaal spelen
met name de K+ en Na+ concentraties een belangrijke rol. Het rustmembraanpotentiaal
wordt vooral gevormd door K+ ionen. Bij het rustmembraanpotentiaal zijn alle Na+
dicht. Bij een actiepotentiaal zullen de Na+ kanalen open gaan waardoor een influx van
Na+ ontstaat. Bij +50 mV zullen de Na+ kanalen geïnactiveerd worden waarna de K+
permeabiliteit in verhouding weer veel hoger is waardoor repolarisatie plaatsvindt.
Tijdens een actiepotentiaal treedt er geen verandering op in de permeabiliteit van K+.
Alleen de permeabiliteit van Na+ verandert waardoor de verhouding tussen K+ en Na+
verandert.
Het membraanpotentiaal wordt dus gevormd door een concentratiegradiënt en een
elektrochemische kracht De concentratiegradiënt is de hoeveelheid ionen die zich aan
iedere kant van een membraan bevinden. De elektrochemische kracht is de lading aan
beide kanten van het membraan. Bij het rust membraanpotentiaal zijn de
concentratiegradiënt en de elektrochemische krachten in evenwicht.
Het actiepotentiaal
Uit onderzoek van Hodgkin en Hyxley bleek dat wanneer
de Na+ concentratie buiten de cel wordt verlaagd, het
actiepotentiaal lager wordt en ook later ontstaat. Dit
komt doordat bij een lagere Na+ concentratie er minder
(snel) Na+ de cel instroomt (De drijvende kracht is lager).
Doordat er minder Na+ de cel in stroomt, zal de amplitude
afnemen. Doordat er minder snel Na+ de cel in stroomt,
zal het potentiaal ook later ontstaan. Een verhoging van
de Na+ concentratie zorgt voor een recovery van het
oorspronkelijke actiepotentiaal.
Hodgkin en Hyxley experiment (Voltage
Clamp)
Het membraanpotentiaal waarvan wordt
uitgegaan is -65 mV. D.m.v. een externe
Voltage Clamp of Current Clamp kan het
membraanpotentiaal van een neuron
,beïnvloed worden. De Voltage Clamp of Current Clamp zorgt d.m.v. regulatie dat het
ingestelde membraanpotentiaal behouden blijft.
Verschil
Voltage Clamp Reguleert het voltage, meet de stroom.
Current Clamp Reguleert de stroom, meet het Voltage.
In de resultaten is vervolgens te zien welke ion-stromen er nodig waren om het
membraanpotentiaal te behouden Hierin staat alles boven de 0 gelijk aan een Efflux
(K+) en alles onder de 0 gelijk aan een Influx (Na+). De Capacitive Current is als
gevolg van de plotselinge potentiaalverandering.
Hodgkin en Huxley hebben dit onderzoek
uitgevoerd met Tetrodotoxin (blokkeert
Na+) en Tetraethyl-ammonium (blokkeert
K+) toe te voegen. Hierdoor kon
experimenteel worden aangetoond welke
ionen een rol spelen bij een verandering
van een actiepotentiaal.
Voltage Clamp Actiepotentiaal
De ‘Capacitive current’ geeft het plotseling openen van kanalen weer en wordt bepaald
door de grote van de cel. De grote van de cel bepaald het aantal kanalen dat open kan
gaan en daarmee hoeveel elektrochemische kracht kan worden opgeslagen op het
membraan.
Met een Voltage Clamp kan onderzocht worden wat een verandering van de
Voltage/Stroom voor invloed heeft op de werking van de ion kanalen.
Het omkeerpotentiaal
Wanneer d.m.v. een Voltage Clamp wordt gezorgd dat het membraanpotentiaal positief
is, dus de cel van binnen positief geladen is, zullen bij een bepaalde waarde geen Na+
ionen naar binnen stromen. De waarde waarbij geen ion stroom meer wordt
waargenomen wordt het omkeerpotentiaal genoemd. Bij een positieve lading van +52
mV zullen bijv. geen natrium ionen de cel instromen, ook al staan de Na+ kanalen open.
Dit komt omdat de binnenkant van de cel positief is en er dus geen elektrochemische
gradiënt is. Het (evenwichts) omkeerpotentiaal voor Na+ ligt dus bij +52 mV. Het
(evenwichts) omkeerpotentiaal van K+ ligt bij -76,6mV.
Om ionen te laten stromen moet(en)
1. Ion kanalen open staan,
2. Er sprake zijn van een Chemische gradiënt,
3. Er sprake zijn Elektrische gradiënt.
,Wanneer de Chemische en Elektrische gradiënt in evenwicht zijn is er geen stroming van
ionen meer Dit is het Omkeerpotentiaal (evenwichtspotentiaal).
Verschillen in Ion stromen
Tijden het actiepotentiaal
Verloopt de Na+ influx veel sneller dan de K+ efflux.
Stopt de Na+ influx eerder dan de K+ efflux.
Begint de K+ efflux later.
Cruciaal voor het ontstaan van een actiepotentiaal is het feit dat er
sprake is van een snelle positieve cyclus (Na+) en een langzame
negatieve cyclus. Verschillende kinetiek!
Verschillende fases van het actiepotentiaal
1. Rustpotentiaal (Wordt in stand gehouden door K+)
2. Stijgend potentiaal (Kleine influx van Na+)
3. Overshoot fase (Grote influx van Na+)
4. Falling fase (Grote Efflux van K+)
5. Undershoot fase (Langzame uitschakeling K+ kanalen)
6. Recovery (Wordt in stand gehouden door K+).
Patch-Clamp methode
Onderzoek naar ion stromen kan gedaan worden d.m.v. een Patch Clamp Afleiding
Hierbij wordt een glaspipet (4 tot 5 micrometer) op het membraan van een neuron
geplaatst. Bij een lichte onderdruk in de glaspipet zal het membraan van het neuron zich
stevig verbinden met het glaspipet (Giga Ohm Seal Cell-Attached). Door deze sterke
verbinding kan de activiteit van één afzonderlijk ion-kanaal onderzocht worden. Dit
komt doordat de sterke binding er voor zorgt dat er geen andere ion stromen meer
mogelijk zijn Het externe milieu voor dat ene ion kanaaltje bestaat dus uit de
binnenkant van de glaspipet.
Variaties op de Patch-Clamp afleiding
Whole Cell recording Wanneer m.b.v. een glaspipet heel hard aan het
membraan gezogen wordt kan het membraan kapot gaan waardoor het
ontbrekende deel van het membraan wordt afgesloten door de glaspipet. Het
cytoplamsa van de cel is continu met de binnenkant van de glaspipet. Hierdoor
kan de elektrische activiteit over de gehele cel gemeten worden.
Outside-out recording Wanneer het membraan kapot wordt gezogen kan een
gedeelte van het membraan aan de glaspipet blijven zitten. Dit deel vormt dan
een ‘blaasje’ met één ion kanaal aan het uiteinde van de pipet. Het interne milieu van het
blaasje is nu de pipet Hiermee kan goed het effect van ligand gekoppelde receptoren
gemeten worden.
, Inside out recording Hierbij
wordt de glaspipet teruggetrokken
waarbij een gedeelte van het
membraan in de pipet achterblijft.
In dit geval is de binnenkant van
de pipet het extracellulaire milieu
van het blaasje. Hiermee kan de
invloed van ATP etc. op ion
kanalen onderzocht worden.
Door één afzonderlijk ion
kanaal te onderzoeken kun
je iets zeggen over alle ion
kanalen van een neuron.
Deze techniek wordt veel
gebruikt door de Farmacie
om het effect van bepaalde
medicijnen te onderzoeken.
Synaptische Transmissie
Bij overdracht van signalen tussen neuronen wordt een actiepotentiaal omgezet in een
synaptisch signaal waarna het weer wordt omgezet in een actiepotentiaal. Ieder
neuron heeft gemiddeld 1000 synaptische inputs. Neuronen zijn in staat om al deze
synaptische signalen te combineren tot een signaal dat wel of niet een drempelwaarde
overschrijdt. De plaats tussen twee neuronen waar de overdracht plaatsvindt wordt een
Synaps genoemd.
Synaptische spleet
Een synaptische spleet wordt omgeven door een presynaptisch en postsynaptisch
membraan. Neurotransmitters worden afgegeven door het presynaptische membraan
en kunnen worden gebonden aan receptoren op het postsynaptische membraan. Op
een elektronen microscoop wordt een synaptische spleet gekenmerkt door veel deukjes
Dit zijn plekken waar allemaal synaptische vesicles verbonden zijn geweest met het
postsynaptische membraan.
Daarnaast wordt een Synaptische spleet op een
elektronen microscoop ook gekenmerkt door een
Post Synpatic Density Dit is het gedeelte van het
Postsynaptisch membraan waar veel eiwitten
voorkomen (Neurotransmitter receptoren etc.).
Rol van Calcium
In de Nerve Terminal van een axon bevinden zich
geen Na+ kanalen meer. In de Nerve
Terminal zorgt het actiepotentiaal voor een influx
van Ca2+. Bij een influx van Ca2+
Bij Parkinson gaan inhiberende neuronen in de
Substantia Nigra verloren. Met behulp van
Deep Brain Stimulation worden elektrische
pulsen toegediend aan de inhiberende
Substantia Nigra neuronen waardoor weer
controle over bewegingen kan worden
verkregen.
Ion stromen tijdens actiepotentiaal
Bij het ontstaan van een actiepotentiaal spelen
met name de K+ en Na+ concentraties een belangrijke rol. Het rustmembraanpotentiaal
wordt vooral gevormd door K+ ionen. Bij het rustmembraanpotentiaal zijn alle Na+
dicht. Bij een actiepotentiaal zullen de Na+ kanalen open gaan waardoor een influx van
Na+ ontstaat. Bij +50 mV zullen de Na+ kanalen geïnactiveerd worden waarna de K+
permeabiliteit in verhouding weer veel hoger is waardoor repolarisatie plaatsvindt.
Tijdens een actiepotentiaal treedt er geen verandering op in de permeabiliteit van K+.
Alleen de permeabiliteit van Na+ verandert waardoor de verhouding tussen K+ en Na+
verandert.
Het membraanpotentiaal wordt dus gevormd door een concentratiegradiënt en een
elektrochemische kracht De concentratiegradiënt is de hoeveelheid ionen die zich aan
iedere kant van een membraan bevinden. De elektrochemische kracht is de lading aan
beide kanten van het membraan. Bij het rust membraanpotentiaal zijn de
concentratiegradiënt en de elektrochemische krachten in evenwicht.
Het actiepotentiaal
Uit onderzoek van Hodgkin en Hyxley bleek dat wanneer
de Na+ concentratie buiten de cel wordt verlaagd, het
actiepotentiaal lager wordt en ook later ontstaat. Dit
komt doordat bij een lagere Na+ concentratie er minder
(snel) Na+ de cel instroomt (De drijvende kracht is lager).
Doordat er minder Na+ de cel in stroomt, zal de amplitude
afnemen. Doordat er minder snel Na+ de cel in stroomt,
zal het potentiaal ook later ontstaan. Een verhoging van
de Na+ concentratie zorgt voor een recovery van het
oorspronkelijke actiepotentiaal.
Hodgkin en Hyxley experiment (Voltage
Clamp)
Het membraanpotentiaal waarvan wordt
uitgegaan is -65 mV. D.m.v. een externe
Voltage Clamp of Current Clamp kan het
membraanpotentiaal van een neuron
,beïnvloed worden. De Voltage Clamp of Current Clamp zorgt d.m.v. regulatie dat het
ingestelde membraanpotentiaal behouden blijft.
Verschil
Voltage Clamp Reguleert het voltage, meet de stroom.
Current Clamp Reguleert de stroom, meet het Voltage.
In de resultaten is vervolgens te zien welke ion-stromen er nodig waren om het
membraanpotentiaal te behouden Hierin staat alles boven de 0 gelijk aan een Efflux
(K+) en alles onder de 0 gelijk aan een Influx (Na+). De Capacitive Current is als
gevolg van de plotselinge potentiaalverandering.
Hodgkin en Huxley hebben dit onderzoek
uitgevoerd met Tetrodotoxin (blokkeert
Na+) en Tetraethyl-ammonium (blokkeert
K+) toe te voegen. Hierdoor kon
experimenteel worden aangetoond welke
ionen een rol spelen bij een verandering
van een actiepotentiaal.
Voltage Clamp Actiepotentiaal
De ‘Capacitive current’ geeft het plotseling openen van kanalen weer en wordt bepaald
door de grote van de cel. De grote van de cel bepaald het aantal kanalen dat open kan
gaan en daarmee hoeveel elektrochemische kracht kan worden opgeslagen op het
membraan.
Met een Voltage Clamp kan onderzocht worden wat een verandering van de
Voltage/Stroom voor invloed heeft op de werking van de ion kanalen.
Het omkeerpotentiaal
Wanneer d.m.v. een Voltage Clamp wordt gezorgd dat het membraanpotentiaal positief
is, dus de cel van binnen positief geladen is, zullen bij een bepaalde waarde geen Na+
ionen naar binnen stromen. De waarde waarbij geen ion stroom meer wordt
waargenomen wordt het omkeerpotentiaal genoemd. Bij een positieve lading van +52
mV zullen bijv. geen natrium ionen de cel instromen, ook al staan de Na+ kanalen open.
Dit komt omdat de binnenkant van de cel positief is en er dus geen elektrochemische
gradiënt is. Het (evenwichts) omkeerpotentiaal voor Na+ ligt dus bij +52 mV. Het
(evenwichts) omkeerpotentiaal van K+ ligt bij -76,6mV.
Om ionen te laten stromen moet(en)
1. Ion kanalen open staan,
2. Er sprake zijn van een Chemische gradiënt,
3. Er sprake zijn Elektrische gradiënt.
,Wanneer de Chemische en Elektrische gradiënt in evenwicht zijn is er geen stroming van
ionen meer Dit is het Omkeerpotentiaal (evenwichtspotentiaal).
Verschillen in Ion stromen
Tijden het actiepotentiaal
Verloopt de Na+ influx veel sneller dan de K+ efflux.
Stopt de Na+ influx eerder dan de K+ efflux.
Begint de K+ efflux later.
Cruciaal voor het ontstaan van een actiepotentiaal is het feit dat er
sprake is van een snelle positieve cyclus (Na+) en een langzame
negatieve cyclus. Verschillende kinetiek!
Verschillende fases van het actiepotentiaal
1. Rustpotentiaal (Wordt in stand gehouden door K+)
2. Stijgend potentiaal (Kleine influx van Na+)
3. Overshoot fase (Grote influx van Na+)
4. Falling fase (Grote Efflux van K+)
5. Undershoot fase (Langzame uitschakeling K+ kanalen)
6. Recovery (Wordt in stand gehouden door K+).
Patch-Clamp methode
Onderzoek naar ion stromen kan gedaan worden d.m.v. een Patch Clamp Afleiding
Hierbij wordt een glaspipet (4 tot 5 micrometer) op het membraan van een neuron
geplaatst. Bij een lichte onderdruk in de glaspipet zal het membraan van het neuron zich
stevig verbinden met het glaspipet (Giga Ohm Seal Cell-Attached). Door deze sterke
verbinding kan de activiteit van één afzonderlijk ion-kanaal onderzocht worden. Dit
komt doordat de sterke binding er voor zorgt dat er geen andere ion stromen meer
mogelijk zijn Het externe milieu voor dat ene ion kanaaltje bestaat dus uit de
binnenkant van de glaspipet.
Variaties op de Patch-Clamp afleiding
Whole Cell recording Wanneer m.b.v. een glaspipet heel hard aan het
membraan gezogen wordt kan het membraan kapot gaan waardoor het
ontbrekende deel van het membraan wordt afgesloten door de glaspipet. Het
cytoplamsa van de cel is continu met de binnenkant van de glaspipet. Hierdoor
kan de elektrische activiteit over de gehele cel gemeten worden.
Outside-out recording Wanneer het membraan kapot wordt gezogen kan een
gedeelte van het membraan aan de glaspipet blijven zitten. Dit deel vormt dan
een ‘blaasje’ met één ion kanaal aan het uiteinde van de pipet. Het interne milieu van het
blaasje is nu de pipet Hiermee kan goed het effect van ligand gekoppelde receptoren
gemeten worden.
, Inside out recording Hierbij
wordt de glaspipet teruggetrokken
waarbij een gedeelte van het
membraan in de pipet achterblijft.
In dit geval is de binnenkant van
de pipet het extracellulaire milieu
van het blaasje. Hiermee kan de
invloed van ATP etc. op ion
kanalen onderzocht worden.
Door één afzonderlijk ion
kanaal te onderzoeken kun
je iets zeggen over alle ion
kanalen van een neuron.
Deze techniek wordt veel
gebruikt door de Farmacie
om het effect van bepaalde
medicijnen te onderzoeken.
Synaptische Transmissie
Bij overdracht van signalen tussen neuronen wordt een actiepotentiaal omgezet in een
synaptisch signaal waarna het weer wordt omgezet in een actiepotentiaal. Ieder
neuron heeft gemiddeld 1000 synaptische inputs. Neuronen zijn in staat om al deze
synaptische signalen te combineren tot een signaal dat wel of niet een drempelwaarde
overschrijdt. De plaats tussen twee neuronen waar de overdracht plaatsvindt wordt een
Synaps genoemd.
Synaptische spleet
Een synaptische spleet wordt omgeven door een presynaptisch en postsynaptisch
membraan. Neurotransmitters worden afgegeven door het presynaptische membraan
en kunnen worden gebonden aan receptoren op het postsynaptische membraan. Op
een elektronen microscoop wordt een synaptische spleet gekenmerkt door veel deukjes
Dit zijn plekken waar allemaal synaptische vesicles verbonden zijn geweest met het
postsynaptische membraan.
Daarnaast wordt een Synaptische spleet op een
elektronen microscoop ook gekenmerkt door een
Post Synpatic Density Dit is het gedeelte van het
Postsynaptisch membraan waar veel eiwitten
voorkomen (Neurotransmitter receptoren etc.).
Rol van Calcium
In de Nerve Terminal van een axon bevinden zich
geen Na+ kanalen meer. In de Nerve
Terminal zorgt het actiepotentiaal voor een influx
van Ca2+. Bij een influx van Ca2+
