Celbiologie (deel 2)
HOOFDSTUK 4
ELEKTRISCHE SIGNAALTRANSDUCTIE
HC12 – Spanningsgeschakelde ionenkanalen en het ontstaan van actiepotentialen
NEURONEN
Neuronen (zenuwcellen): enkele termen
Centraal zenuwstelsel (CZS): Hersenen + ruggenmerg
Perifeer zenuwstelsel (PZS): Neuronen buiten CZS
Bv. spieren
Afferent neuron = informatie vanuit PZS (huid, mond, organen, …) naar CZS
Interneuron = informatie binnen CZS
Efferent neuron = informatie vanuit CZS naar PZS
Effectorcel = zet input van efferente neuronen om in ‘actie’ (vb. spiercel, kliercel…)
Algemene structuur van een typisch neuron
Een cellichaam met een kern of nucleus
Dendrieten
plaats waar informatie binnen komt
Axon: een uitloper, de output
Myeline schede: soort van isolatie aan het axon snelheid
De vorm van een dendriet kan variabel zijn:
- erg vertakt => multipolaire neuron
- korte takjes => motor neuron
Een zenuwcel kan input krijgen van multipele zenuwcellen/neuronen, maar er is
slechts 1 output (axon)
Bij gevolg: informatie gaat in 1 richting over het axon
Squid giant axon – reuzeneuron van de pijlinktvis
De pijlinktvis heeft een axon met een diameter van maarliefst 1 mm.
Onderzoek naar andere structuren dan mensen kan ook heel belangrijk zijn
Veel van de vooruitgang in zenuwonderzoek hing af van de elektronica
Vm metingen in de squid giant axon
Omdat de squid giant axon zo groot is, konden onderzoekers makkelijk een elektrode
aan de binnenkant en buitenkant plaatsen om het potentiaal te meten over de
buisvormige structuur (in mV).
Binnen het plasmamembraan: negatieve rustpotentiaal ( - 60mV)
Elektrische stimulatie van squid giant axon
,Zenuwen prikkelen gaf aanleiding tot samentrekken van spieren
Verschillende elektrodes verbonden met een voltmeter en pulsgenerator
Membraan kan positiever of negatiever gemaakt worden
Elektrische excitabiliteit: in sommige cellen zorgt een bepaalde stimulus voor een
snelle opeenvolging in veranderingen van membraanpotentiaal de actiepotentiaal
(afbeelding)
Wat gebeurt er als je een stroom injecteerd in de cel?
De membraan kunnen we elektrisch zien als een condensator waar lading in kan
worden opgeslagen + weerstanden waardoor ionen kunnen vloeien
Pulsgenerator die stroom naar binnen stuurt
Stroom doorheen een weerstand: wet van Ohm
Indien de spanning constant is, is de stroom nul. Indien de spanning verandert, is er
stroom.
Iedere keer dat de spanning verandert, verandert de hoeveelheid ladingen in de
condensator => stroom
Wat gebeurt er met de membraanpotentiaal van een cel bij stroominjectie?
(zie slide)
Het verschil tussen de spanning en de evenwichtspotentiaal is de drijvende kracht
voor een ionenkanaal
Het ionenkanaal kan beschouwd worden als een weerstand, maar rekening houdend
met de drijvende kracht
Stroom doorheen een weerstand en doorheen een condensator
Stroom doorheen een weerstand:
De wet van Ohm
Voor een condensator is dit anders:
Een condensator is een opslagplaats voor lading. In steady state loopt er geen stroom
doorheen een condensator (membraan). Elke keer als de spanning verandert krijg je
een stroom omdat er meer of minder lading doorheen de condensator moet stromen.
C = capaciteit
Stroominjectie in het RC-model
(zie afbeelding slide)
A) Rusttoestand
De schakelaar staat open: geen stroom, dus ook geen spanning over de
membraan
B) Schakelaar gaat toe
ITot stroomt door het membraan (waarbij Ir (weerstand) + Ic (condensator) samen
IT is)
De stroom splitst op: alle stroom door condensator
Geen spanning over de weerstand: wet van Ohm -> stroom is nul => er gaan
ladingen in de condensator stromen waardoor er een spanning over het membraan
, ontstaat en bijgevolg stroom door weerstand (C)
steeds minder spanning en stroom door de condensator (geleidelijk aan) (D en
E)
E) Steady state
Alle stroom doorheen de weerstand: spanning over de membraan is constant
(geen stroom meer
doorheen de condensator)
Rode pijlen geven het verloop van de spanning over het membraan in functie van de
tijd weer:
(zie afbeelding slide)
RC => tijdsconstante (Tau)
Stroom doorheen weerstand:
t = 0 geen stroom
t = ∞ totale stroom
Stroom doorheen condensator:
t = 0 totale stroom
t = ∞ geen stroom
Tijdsverloop volgt een exponentiele functie
Oefening: zie slide
t = 1,25 ms 63 mV
Na 1 tijdsconstante: 63% van de finale depolarisatie
Vandaar komt ook tot de macht -1 (want 1,25 ms is 1 tijdsconstante)
Elektrische stimulatie van squid giant axon
Zie afbeelding slide
A) Beginsituatie: enkel kalium-kanalen open
B) Schakelaar sluiten dus er vloeit stroom in het systeem: membraanpotentiaal gaat
veranderen (hoe snel hangt af van R x C)
Dit soort experimenten kan je doen in een neuron
Positieve stroom veroorzaakt depolarisatie (zwart) de membraanpotentiaal wordt
positiever
in deze figuur wordt stroom gekeken vanuit buiten de cel (vanuit binnen de cel
moet je omdraaien)
Elektrische stimulatie actiepotentiaal
Suprathreshold voorbij drempel van actiepotentiaal
- Eerst een geleidelijke depolarisatie, maar dan een heel snelle depolarisatie
gevolgd door een hyperpolarisatie
- V1 sneller dan V2 (met dezelfde amplitude)
Subthreshold onder de drempel van actiepotentiaal
, - V1: depolarisatie
- V2: er gebeurt niets
Enkel respons van dichtstbijzijnde
De actiepotentiaal
= een snelle, transiënte depolarisatie van de plasmamembraan (van korte duur)
Typisch begin je bij -70 mV en piek bij +30 mV (= amplitude)
De actiepotentiaal = een alles-of-niks potentiaal
(afbeelding)
1. Subthreshold
2. Suprathreshold
3. Suprathreshold
3 Bereikt sneller de drempel dan 2, maar de amplitude is even groot
Ofwel een actiepotentiaal, ofwel
geen actiepotentiaal
niets ertussen
Na+- en K+-kanalen bepalen de actiepotentiaal
(zie slide)
1) Rustpositie: spanningsgeschakelde Na-kanalen zijn gesloten, voornamelijk kalium
lek-kanalen
2) Prikkel: membraanpotentiaal (Vm) positiever natrium kanaal gaat open
hoe meer depolarisatie, hoe meer poorten (spanningsgeschakelde Na-kanalen)
open gaan
inwaartse stroom -> steeds meer influx van natrium
3) Spanningsgeschakelde natrium-kanalen worden steeds meer geïnactiveerd
4) Kalium kanalen schieten in gang, worden actiever => repolarisatie (snelle
depolarisatie van Na)
5) Rustpositie
Grafiek kalium efflux komt trager op gang
Structuur van spanningsgeschakelde kanalen
K+ kanaal:
- Tetrameer: vier identieke subeenheden
- 1 subeenheid: eiwit met zes transmembranaire domeinen
- Binnenkant: porie met selectiviteitsfilter
- Buitenkant: spanning over de membraan aanvoelen
Na+ kanaal:
- Vier monomeren
- 1 monomeer: zes transmembranaire domeinen (4e draagt positieve lading)
- Groter eiwit met in totaal 24 transmembranaiire helices
Activatie: beweging van spanningssensor
-> Cilinders: spanningssensoren
HOOFDSTUK 4
ELEKTRISCHE SIGNAALTRANSDUCTIE
HC12 – Spanningsgeschakelde ionenkanalen en het ontstaan van actiepotentialen
NEURONEN
Neuronen (zenuwcellen): enkele termen
Centraal zenuwstelsel (CZS): Hersenen + ruggenmerg
Perifeer zenuwstelsel (PZS): Neuronen buiten CZS
Bv. spieren
Afferent neuron = informatie vanuit PZS (huid, mond, organen, …) naar CZS
Interneuron = informatie binnen CZS
Efferent neuron = informatie vanuit CZS naar PZS
Effectorcel = zet input van efferente neuronen om in ‘actie’ (vb. spiercel, kliercel…)
Algemene structuur van een typisch neuron
Een cellichaam met een kern of nucleus
Dendrieten
plaats waar informatie binnen komt
Axon: een uitloper, de output
Myeline schede: soort van isolatie aan het axon snelheid
De vorm van een dendriet kan variabel zijn:
- erg vertakt => multipolaire neuron
- korte takjes => motor neuron
Een zenuwcel kan input krijgen van multipele zenuwcellen/neuronen, maar er is
slechts 1 output (axon)
Bij gevolg: informatie gaat in 1 richting over het axon
Squid giant axon – reuzeneuron van de pijlinktvis
De pijlinktvis heeft een axon met een diameter van maarliefst 1 mm.
Onderzoek naar andere structuren dan mensen kan ook heel belangrijk zijn
Veel van de vooruitgang in zenuwonderzoek hing af van de elektronica
Vm metingen in de squid giant axon
Omdat de squid giant axon zo groot is, konden onderzoekers makkelijk een elektrode
aan de binnenkant en buitenkant plaatsen om het potentiaal te meten over de
buisvormige structuur (in mV).
Binnen het plasmamembraan: negatieve rustpotentiaal ( - 60mV)
Elektrische stimulatie van squid giant axon
,Zenuwen prikkelen gaf aanleiding tot samentrekken van spieren
Verschillende elektrodes verbonden met een voltmeter en pulsgenerator
Membraan kan positiever of negatiever gemaakt worden
Elektrische excitabiliteit: in sommige cellen zorgt een bepaalde stimulus voor een
snelle opeenvolging in veranderingen van membraanpotentiaal de actiepotentiaal
(afbeelding)
Wat gebeurt er als je een stroom injecteerd in de cel?
De membraan kunnen we elektrisch zien als een condensator waar lading in kan
worden opgeslagen + weerstanden waardoor ionen kunnen vloeien
Pulsgenerator die stroom naar binnen stuurt
Stroom doorheen een weerstand: wet van Ohm
Indien de spanning constant is, is de stroom nul. Indien de spanning verandert, is er
stroom.
Iedere keer dat de spanning verandert, verandert de hoeveelheid ladingen in de
condensator => stroom
Wat gebeurt er met de membraanpotentiaal van een cel bij stroominjectie?
(zie slide)
Het verschil tussen de spanning en de evenwichtspotentiaal is de drijvende kracht
voor een ionenkanaal
Het ionenkanaal kan beschouwd worden als een weerstand, maar rekening houdend
met de drijvende kracht
Stroom doorheen een weerstand en doorheen een condensator
Stroom doorheen een weerstand:
De wet van Ohm
Voor een condensator is dit anders:
Een condensator is een opslagplaats voor lading. In steady state loopt er geen stroom
doorheen een condensator (membraan). Elke keer als de spanning verandert krijg je
een stroom omdat er meer of minder lading doorheen de condensator moet stromen.
C = capaciteit
Stroominjectie in het RC-model
(zie afbeelding slide)
A) Rusttoestand
De schakelaar staat open: geen stroom, dus ook geen spanning over de
membraan
B) Schakelaar gaat toe
ITot stroomt door het membraan (waarbij Ir (weerstand) + Ic (condensator) samen
IT is)
De stroom splitst op: alle stroom door condensator
Geen spanning over de weerstand: wet van Ohm -> stroom is nul => er gaan
ladingen in de condensator stromen waardoor er een spanning over het membraan
, ontstaat en bijgevolg stroom door weerstand (C)
steeds minder spanning en stroom door de condensator (geleidelijk aan) (D en
E)
E) Steady state
Alle stroom doorheen de weerstand: spanning over de membraan is constant
(geen stroom meer
doorheen de condensator)
Rode pijlen geven het verloop van de spanning over het membraan in functie van de
tijd weer:
(zie afbeelding slide)
RC => tijdsconstante (Tau)
Stroom doorheen weerstand:
t = 0 geen stroom
t = ∞ totale stroom
Stroom doorheen condensator:
t = 0 totale stroom
t = ∞ geen stroom
Tijdsverloop volgt een exponentiele functie
Oefening: zie slide
t = 1,25 ms 63 mV
Na 1 tijdsconstante: 63% van de finale depolarisatie
Vandaar komt ook tot de macht -1 (want 1,25 ms is 1 tijdsconstante)
Elektrische stimulatie van squid giant axon
Zie afbeelding slide
A) Beginsituatie: enkel kalium-kanalen open
B) Schakelaar sluiten dus er vloeit stroom in het systeem: membraanpotentiaal gaat
veranderen (hoe snel hangt af van R x C)
Dit soort experimenten kan je doen in een neuron
Positieve stroom veroorzaakt depolarisatie (zwart) de membraanpotentiaal wordt
positiever
in deze figuur wordt stroom gekeken vanuit buiten de cel (vanuit binnen de cel
moet je omdraaien)
Elektrische stimulatie actiepotentiaal
Suprathreshold voorbij drempel van actiepotentiaal
- Eerst een geleidelijke depolarisatie, maar dan een heel snelle depolarisatie
gevolgd door een hyperpolarisatie
- V1 sneller dan V2 (met dezelfde amplitude)
Subthreshold onder de drempel van actiepotentiaal
, - V1: depolarisatie
- V2: er gebeurt niets
Enkel respons van dichtstbijzijnde
De actiepotentiaal
= een snelle, transiënte depolarisatie van de plasmamembraan (van korte duur)
Typisch begin je bij -70 mV en piek bij +30 mV (= amplitude)
De actiepotentiaal = een alles-of-niks potentiaal
(afbeelding)
1. Subthreshold
2. Suprathreshold
3. Suprathreshold
3 Bereikt sneller de drempel dan 2, maar de amplitude is even groot
Ofwel een actiepotentiaal, ofwel
geen actiepotentiaal
niets ertussen
Na+- en K+-kanalen bepalen de actiepotentiaal
(zie slide)
1) Rustpositie: spanningsgeschakelde Na-kanalen zijn gesloten, voornamelijk kalium
lek-kanalen
2) Prikkel: membraanpotentiaal (Vm) positiever natrium kanaal gaat open
hoe meer depolarisatie, hoe meer poorten (spanningsgeschakelde Na-kanalen)
open gaan
inwaartse stroom -> steeds meer influx van natrium
3) Spanningsgeschakelde natrium-kanalen worden steeds meer geïnactiveerd
4) Kalium kanalen schieten in gang, worden actiever => repolarisatie (snelle
depolarisatie van Na)
5) Rustpositie
Grafiek kalium efflux komt trager op gang
Structuur van spanningsgeschakelde kanalen
K+ kanaal:
- Tetrameer: vier identieke subeenheden
- 1 subeenheid: eiwit met zes transmembranaire domeinen
- Binnenkant: porie met selectiviteitsfilter
- Buitenkant: spanning over de membraan aanvoelen
Na+ kanaal:
- Vier monomeren
- 1 monomeer: zes transmembranaire domeinen (4e draagt positieve lading)
- Groter eiwit met in totaal 24 transmembranaiire helices
Activatie: beweging van spanningssensor
-> Cilinders: spanningssensoren
