TP3MO1 Nervcellsfysiologi, föreläsningsanteckningar 1

**Anteckningar föreläsning 1 nervcellsfysiologi**

**Två huvudtyper av nervceller:**

* excitatoriska - huvudsakligen pyramidceller
* inhibitoriska - olika typer av interneuron.

* Pyramidcell är vanligast. (Det är själva somat som är pyramidformat.)

* Synaptiskt information tas emot främst via dendriterna. Varje dendritområde har ca 30 000 mottagningar = synapser. Axonen är den del som överför information/signaler.

* Axonterminalerna är de sekretoriska regionerna på cellen. Ytterst på dessa sitter klasar av axonterminaler/axonändslut/boutonger: små blåsfyllda ansvällningar vilka bildar synapser (kontaktställen) med intilliggande nervceller. När en impuls når axonterminalerna frisätts neurotransmittorer som där finns lagrade i vesikler.

### Olika typer av jonkanaler och deras funktionella egenskaper

Membrankanaler är protein av olika slag. Jonkanaler släpper igenom joner av ett visst slag. Vissa kanaler; läckage-kanaler (”leakage” eller ”nongated channels”) är alltid öppna. Det finns också jonväxlare som drivs av gradiensskillnader. Aktiva kanaler är ”gated” och de tillåter passage eller stängs beroende på vad de får för specifika signaler. Joner som transporteras mot sin gradient drivs av pumpar. Dessa pumpar kräver energi i form av ATP för att drivas. Största delen av den energi som vi får när vi äter går åt till att driva pumparna. Runt 75 % av den energi som hjärnan kräver går åt till att driva pumparna. Ett exempel är Na/K-pumpen som vid varje cykel pumpar 3Na+ ut ur cellen och 2K+ in i cellen.

### Ligandberoende kanal ”kemisk jonkanal” eller ligandkanaler

Kemiska kanaler som öppnas eller stängs av en specifik molekyl, t.ex. en neurotransmittor

### Spänningsreglerade kanaler

Voltberoende / elektriska kanaler som öppnas och stängs beroende på ändringar i membranpotentialen.

### Mekanisk kanal

Mekaniska stimuli öppnar/stänger jonkanal, ex beröring, vibrationer såsom ljudvågor eller sträckning av vävnad som svar på fysisk omformation av kanalen, exempelvis sensoriska receptorer för beröring och tryck.

### Principerna för uppkomst och reglering av membranpotential

I alla celler ligger det en skillnad i elektrisk spänning över membranet – membranpotential – beroende på olika elektriskt laddade joner i vätskorna i och utanför cellen. ATP-drivna Na-K-pumpar i cellmembranet ger en aktiv jontransport som skapar och bibehåller en mycket hög intracellulär K+-jonkoncentration och en låg Na+-jonkoncentration, samt tvärtom extracellulärt. Vid själva membranytan finns ett överskott av positiva joner och ett motsvarande underskott precis vid insidan, som ger en membranpotential.

http://enannorlundaresa.se/index.php?sida=natrium\_kalium

Skillnaderna i jonkoncentration upprätthålls dels av jonpumpar i membranet som aktivt pumpar ut natriumjoner ur cellen och in kaliumjoner i cellen. Skillnaden i koncentration kommer att leda till att jonerna i de olika vätskorna vill röra sig = diffundlra för att jämna ut skillnaden. De kan ta sig in och ut ur cellen genom ständigt öppna jonkanaler – från områden med hög koncentration till områden där koncentrationen av den aktuella jonen är lägre. Eftersom K+ från utsidan inte gärna "läcker" in mot sin koncentrationsgradient utan läcker ut kommer cellen att förlora +laddningar till utsidan.

På grund av att kanalerna för kaliumjoner är mer genomsläppliga än kanalerna för natriumjoner, kommer det att ligga något fler positiva kaliumjoner utanför membranet än det finns positiva natriumjoner inne i cellerna. Insidan av cellmembranet får på detta sätt en laddning som är 70mV lägre än laddningen som finns på utsidan. Denna snedfördelning av joner ger upphov till en polarisering – negativ insida och positiv utsida. I vila är membranpotentialen cirka – 70 millivolt (mV) för en nervcell.

### De intra- och extracellulära koncentrationerna av natrium, kalium, klorid och kalcium

* Na+ ca 145 mM på utsidan och på insidan är det ungefär 15 mM
* K+ ca 135 mM inne i cellen och på utsidan 3 mM
* Cl- ca 125 mM utanför cellen och på insidan ca 10 mM
* Ca2+ ca 1 µM inne i cellen och 50mM på utsidan.

### Hur uppkommer dessa koncentrationsskillnader?

I alla celler ligger det en skillnad i elektrisk spänning över membranet – membranpotential – beroende på olika elektriskt laddade joner i vätskorna i och utanför cellen. **ATP-drivna Na-K-pumpar** i cellmembranet ger en **aktiv jontransport** som skapar och bibehåller en mycket **hög intracellulär K+-jonkoncentration och en låg intracellulär Na+-jonkoncentration**, samt tvärtom extracellulärt.

**Läck-kanaler,** släpper selektivt igenom en viss typ av joner, alltid öppna. Viktiga för vilopotentialen. Det går **inte bara att ta ett snitt** av de olika jämviktspotentialerna för att få **cellens potential** eftersom det finns olika många kanaler i membranets som påverkar jämviktspotentialerna. **Kalium pumpas och transportras mer än de andra.**

### Drivkrafter: kemisk + elektrisk

Ett kemiskt system försöker hela tiden att uppnå jämvikt.

*Ej permeabelt membran mellan joner Semipermeabelt membran mellan joner*

*Negativt och positivt laddade joner kommer att dras mot varandra.*

**En kemiskt och en elektriska gradient finns alltså över membranet.**

### Jämviktspotentialer

Vi tänker oss en läck-kanal som är specifik för natriumjoner. Då kommer det att läcka in natrium i cellen. Det kommer att uppstå någon form av jämvikt. Om det kommer in så många natriumjoner i cellen att den blir positiv i förhållande till utsidan så kommer insidan att börja repellera dem. Denna tidpunkten kallas för **natriums jämviktspotential,** **då är den elektriska och kemiska drivkraften är helt utjämnad**. Det blir ett netto 0 i flödet vid den tidpunkten.

ENa+ : + 55 mV

Om vi i stället sätter in läck-kanaler för kaliumjoner. Vi tänker oss en situation där de bara finns kanaler för kaliumjoner. Enligt sin kemiska gradient så kommer kaliumjoner att vilja lämna cellen. Det är ju mer kaliumjoner inne i cellen än utanför. Men vi har inte bara koncentrationsskillnad mellan insidan och utsida av cellen. Vi har också en laddningsskillnad. Om vi tittar på vilomembranspotential på -70mV, kommer den laddningen att "tillåta" kalium att lämna cellen då? När tillräckligt många kaliumjoner har lämnat cellen så kommer insidan att bli så negativ att insidan kommer vilja dra tillbaka kaliumjonerna. Då kommer den elektriska drivkraften att balansera den kemiska, som om den fått agera ensam skulle fått flera joner att fortsätta läcka ut för att jämna ut koncentrationsskillnaden. Den elektriska drivkraften kommer att **kompensera den kemiska vid en viss tidpunkt** och den **tidpunkten** är **jämviktspotentialen** för kalium. Då är den kemiska och elektriska drivkraften balanserad, vilket ger ett netto 0 flöde av joner in och ut.

EK+ = -95mV
När det alltså går att uppmäta värdet till -95mV på insidan gentemot utsidan så upphör flödet, eller det blir ett netto 0 flöde av kaliumjoner.
Cl- kommer enligt sin kemiska koncentration att vilja röra sig inåt, tills de uppnår sin jämviktspotential.ECl- : -70 mV

### Läck-kanaler (viktigast vid vilomembranpotential):

* K+ flest
* Cl- mellan
* Na+ minst

### Kaliums flöde kommer att ha störts påverkan på membranpotentialen.

Ur ett rent osmotiskt perspektiv så har vi ungefär samma koncentration Na+ utanför cellen som K+ inne i cellen. Det blir ganska jämt. Men det finns en stor koncentration av Cl- på utsidan av cellen, det skulle betyda att vi har en högre koncentration av substanser på utsidan av cellen än på insidan. Det skulle leda till att vatten osmotiskt lämnade cellen. Därför finns det en högre koncentration av anjoner, proteiner/ aminosyror på insidan av cellen som väger upp detta. Nettomässigt är det **samma koncentration av lösta ämnen** på insidan som på utsidan. **Laddningen är dock inte jämnt fördelad**på insidan som på utsidan. De negativa anjonerna påverkar endast lite cellens negativa laddning, det gör inte heller pumparna. Den stora påverkan kommer från de **kaliumjoner som går ut via läck-kanaler.** De är så många fler **kaliumkanaler** att de är dem som **till största delen påverkar vad som kommer att bli vilomembranpotentialen**.

### Aktionspotentialen

***En kort fluktiation av membranpotentialen.***
Vi tänker oss att vi har en nervcell och sätter in en mikroelektrod i den. Cellen har sin vanliga potential på - 70 mV. Vi provar att skicka in en positiv signal. Då blir membranpotentialen mindre negativ/mer positiv. Om vi stänger av strömmen efter att den har ökat något så kommer den att återgå igen. Med hjälp av pumpar och kanaler så kommer **balansen att återgå till vilomembranpotentialen.**

För att förstå detta måste vi kolla på en ny typ av kanal. **En spänningsstyrd.** En spänningsstyrd natriumkanal aktiveras av skillnader i spänning över membranet. En Na+ - kanal har en **aktiverings-** och en **inaktiveringsgate**.

### Spänningskänsliga Na+- kanaler, natriumjoner in

Vid öppen gate så kommer **Na+ att strömma in i cellen**. Det finns en **stor drifkraft för Na+ att flöda in i cellen eftersom de har en större koncentration** utanför cellen. Dessa typer av kanaler är **många fler än läck-kanalerna** och **inflödet kommer därför att ske snabbt** och mycket. När värdet på membranpotentialen rör sig från **negativt till 0 kallas det för depolarisering**. Efter att aktiveringsgaten har varit öppen en kort tid så börjar inaktiveringsgaten att inaktivera kanalen. Det är bara en tidsförskjutning på när det sker. Inaktiveringsgaten inaktiveras ungefär samtidigt som spänningskänsliga K+- kanaler aktiveras. De spänningsstyrda kanalerna är hopmonterade av olika subenheter och reagerar på ett intervall på mellan -60 och -40. En öppen spänningsstyrd kanal kommer att vilja ta värdet på membranpotentialen mot sin potential. Alltså en natriumkanal mot natriums jämviktspotential o.s.v.

### Spänningskänsliga K+- kanaler, kaliumjoner ut

De har ingen inaktiveringsdel, bara en aktiveringsdel. Spänningskänsliga K+- kanaler är lite segare på att aktiveras. De aktiveras av samma spann men har en fördröjning och öppnas inte förrän värdet på membranpotentialen närmar sig 30. De har spänningskänsliga domäner med en annan komposition. Kanalen kommer att leda till att kalium strömmar ut ur cellen och kommer att vilja gå mot sin jämviktspotential. Dit hinner den dock inte ta membranet innan kaliumkanalen stänger igen. En repolarisering sker. Samma förutsättningar som innan kommer att finnas och membranets potential kommer att gå tillbaka till vilomembranpotentialen igen.

Vad det gäller en aktionspotential så sker det knappt någon ändring alls i koncentrationen, men ändringen i laddning över membranet är avgörande. Ca och Mg finns också i extracellulärvätska. Vad det gäller membranpotentialen så spelar de mindre roll. De beror på att de har så liten permeabilitet, det vill säga de rör sig så lite över membranet att de inte spelar så stor roll för potentialen.

Regionen mellan 0 mV till + 30mV kallas för **övershootregionen.** Under en kort tid blir det mer positivt eftersom Na+ försöker nå sin jämviktspotential.

**Efterhyperpolarisering**. Sker i aktionspotentialens slutfas. Går från normal vilomembranpotential till något mer negativ som närmar sig kaliums jämviktspotential.

Inaktivering av spänningskänsliga natriumkanaler, öppning av spänningskänsliga kaliumkanal. Mycket kortvarigt. Endast ett par millisekunder varar en sådan här aktionspotential. En tror att mönstret och frekvensen av aktionspotentialer kodar och lagrar information i hjärnan.

### Excitation och inhibition

Excitation innebär en respons orsakad av en specifik neurostransmittor på en neuron. Excitation ökar hur troligt det är att neurotransmittorer kommer att frisättas av neuronen. Excitation innebär att membranpotentialen ökar i riktning mot aktionspotentialen. Inhibitation innebär det motsatta.

Vid excitation går membranpotentialen från tröskelvärdet mot 0. Inhibition tar membranpotentialen från tröskelvärdet emot en mer negativ membranpotential. Det minskar alltså sannolikheten för att utlösa en aktionspotential. En interneuron aktiveras och bildar en synaps på vår mottagarcell som då kommer att få en lägre membranpotential. Det kommer att minska excitabiliteten vilket kommer att minska sannolikheten för att en aktionspotential kan ske och tvärtom.

**Excitation** rör pyramidceller och **inhibition** rör interneuron.

En sannolikhetsfunktion. Beror på vad den får för excitatorisk respektive inhibitatorisk input.

**Excitabilitet** delas in i synaptisk och intrinsisk.
Det har att göra med **vilka regioner** på cellen som avses.

* **Synaptisk** del; alltså synapserna
* **Intrinsisk** del; cellkropp, axon dendriter o.sv.

* **Excitatoriska** celler bildar **glutamatsynapser** på mottagarceller och är därför en **excitatorisk transmittorsubstans.**
* **Inhibitatoriska** celler bildar **GABA-synapser** på mottagarceller och är därför en **inhibitatorisk transmittorsubstans.**

Signalsubstanser av olika slag (adrenalin, histamin m.m.) påverkar/binder till de olika kanalerna och styr hur mycket joner som släpps igenom och på så vis reglerar de excitabilitet. Signalsubstanser påverkar hur sannolikt det är att neurotransmittor ska frisättas i en synaps. Acetylkollin kan öka eller minska sannolikheten att glutamat ska frisättas. De påverkar spänningskänsliga kanaler och påverka genomsläppligheten av joner, på så sätt påverkar de ecxitabiliteten.

### Plasticitet

Formbarhet, beroende på hur en nervcell har aktiverats tidigare så modifieras olika egenskaper, uttryck av olika kanaler och genomsläpplighet av olika joner. Det är aktivitetsberoende förändringar. Synapser som används ofta förstärks och får en kraftigare signalstyrka och tvärtom