Biologi

dette afsnit forsøger at forklare Hodgkin-forsøgene fra et biologisk perspektiv. Hodgkins arbejde med den gigantiske blæksprutte akson var den første til at bruge matematiske modellerat repræsentere biologiske systemer. På grund af Hodgkins fund er vi i stand til at forstå, hvordan et handlingspotentiale formerer sig langs en nerve og funktionerne i deres tilknyttede ionkanaler.

• hvilepotentialet
• Modelcellen
• Constand-Feltligningen
• hvilemembranpotentialet
• handlingspotentialet
• tilbage til toppen

beskrivelserne af hvilepotentialet og handlingspotentialet er blevet fortolket ved hjælp af Nicholls og kollegers fouth edition-lærebog, fra neuron til hjerne. Det er en af de mest populære ting i verden. Fra Neuron til hjerne. Forth Udgave. Sinauer Associates, Inc. MA 2001.)

hvilepotentialet

i hvile indersiden af en neuron er mere negativt ladet i forhold til ydersiden af neuronen. Selvom den intracellulære koncentration er høj for kalium og lav for både chlorid og natrium, modsætter hvilemembranpotentialet sig kalium-og chloridioner fra at diffundere ned deres koncentrationsgradienter. En ændring i ekstracellulært chloridpotentiale vil i sidste ende føre til en ændring i intracellulært chloridpotentiale; således inducerer ændringer i det relative volumen af cellen og ændringer i chlorid -, kalium -, natrium-og interne anionkoncentrationer. Imidlertid vil en ændring i ekstracellulært chloridpotentiale ikke resultere i en ændring i chloridens ligevægtspotentiale eller membranpotentiale ved steady state. Omvendt vil en ændring i ekstracellulært kaliumpotentiale føre til en ændring i cellens relative volumen og ændre membranpotentialet. Derudover vil en ændring i ekstracellulært kaliumpotentiale resultere i ændringer i chlorid -, natrium-og interne anionkoncentrationer.

natrium-og kaliumioner lækker konstant gennem membranen. Alligevel opretholder natrium-kaliumudvekslingspumpen lækagekoncentrationen. Aktiveret af ATP produceret ved metabolisme pumper natrium-kaliumudvekslingspumpen tre natriumioner ind i cellen for hver to kaliumioner, der pumpes ud af cellen. Aktivering af ionkanaler ændrer permeabiliteten af cellemembranen til både kalium og natrium. Disse ændringer genererer elektriske signaler, der ændrer mængden af ladning på cellemembranen; således ændrer membranpotentialet.

Tilbage til toppen

Modelcellen

for at forstå, hvordan Nernst-ligningen bruges til at forudsige ionpotentialer, Nicholls et al.præsentere modelcellen. I deres modelcelle er cellemembranen kun gennemtrængelig for kalium og chlorid og uigennemtrængelig for natrium og en indre anion. For at forblive stabile skal tre krav være opfyldt:

1) intracellulære og ekstracellulære opløsninger skal være elektrisk neutrale.
2) cellen skal være i osmotisk balance.
3) der kan ikke være nogen netbevægelse af en bestemt ion ind i eller ud af cellen.

ionisk ligevægt opretholdes, da cellemembranen fungerer som en kondensator. Da positivt ladede kaliumioner diffunderer ud af cellen, akkumuleres positive ladninger på den ydre overflade, mens negative ladninger akkumuleres på den indre overflade. Denne forskel i elektrisk potentiale fortsætter, indtil udstrømningen af kaliumioner er stoppet, eller der opstår ingen nettokaliumionbevægelse over membranen. Dette er kaliumbalancepotentialet betegnet EK.

hvor o er den eksterne kaliumkoncentration, og jeg er den interne kaliumkoncentration. Chlorid ligevægtspotentialet, betegnet EK, er givet af

siden den ioniske ladning, Å, er negativ.

eksperimenter udført på isolerede sektioner af blæksprutteakson i saltvand har vist EK-værdier på omkring -0,093 V, ECl-værdier på omkring -0,055 V og membranpotentiale, Vm, der spænder fra -0,065 V til -0,070 V. potentialer er negative med hensyn til ekstracellulær væske. Kaliumkoncentrationsforholdet mellem intracellulært kalium og ekstracellulært kalium er 40: 1.

Tilbage til toppen

den konstante Feltligning

i henhold til Kirchhoffs spændingslove er strømmen afhængig af spænding og modstand eller spænding og konduktans.

således er den indadgående natriumstrøm defineret af

hvor gNa er natriummembrankonduktansen, som er afhængig af det gennemsnitlige antal åbne natriumkanaler ved hvilemembranpotentiale.

hvis chlorid er i ligevægt, er der ingen nettobevægelse af chloridioner over membranen, eller

og

udskiftning og omarrangering,

Hvis chlorid er i ligevægt, og

hvis chlorid ikke er i ligevægt.

membranpotentialet kan også udtrykkes i form af ionkoncentrationer inde i cellen og uden for cellen og ionmembranpermeabilitet, illustreret ved Goldman-ligningen

Tilbage til toppen

Hvilemembranpotentiale

Ved hvilemembranpotentialet skal cellen være stabil, eller hver ionstrøm skal være nul. Natrium-kalium lækstrømme holdes konstant af natrium-kalium ATPase, hvilket øger metabolisk energi, der er nødvendig for at opretholde steady state. Forholdet mellem natriumioner og kaliumioner, som ATPase producerer, er givet af

.

forholdet, r, er negativt, da natrium-og kaliumioner pumpes i modsatte retninger. Dette transportsystem er elektrogen, da hver cyklus producerer en netto udadgående ladning af positiv. En positiv ladning akkumuleres på ydersiden af cellemembranen, mens en negativ ladning akkumuleres på indersiden af cellemembranen. Effekten af den elektrogeniske ATPase-natrium-kaliumudveksling kan sammenlignes med et ikke-elektrogen transportsystem ved at indstille forholdet, r, til 1.

hvilemembranpotentialet er beskrevet af

Hvis chlorid er i ligevægt. Bemærk, at værdien af hvilemembranpotentialet er tættere på værdien af kaliumpotentialet. Således er der behov for en større drivkraft for tilstrømningen af natriumioner over membranen.

forudsat at alle andre gennemtrængende ioner er i steady state, bliver GHK-ligningen for hvilemembranpotentialet

Tilbage til toppen

handlingspotentialet

handlingspotentialet kan beskrives som et hvilepotentiale aktiveret af en skarp stigende fase (depolarisering) efterfulgt af en hurtig faldende fase, der strækker sig under det oprindelige hvilepotentiale (hyperpolarisering). Repolarisering er afbildet ved en gradvis tilbagevenden til begyndelsen hvilepotentiale.

i 1939 viste Hodgkin og Huksley, at der opstod en overskridelse på toppen af handlingspotentialet. Med et positivt indre membranpotentiale ville natriumioner fortsætte med at strømme, selv forbi nul, indtil ligevægt er nået. Således antyder en overskridelse på toppen af handlingspotentialet betydningen af natriumioner i skabelsen af handlingspotentialet. yderligere arbejde af Hodgkin og katts i 1949 omfattede reduktion af den eksterne natriumkoncentration af kæmpeblæksprutteaksoneksperimentet. Reduktionen i ekstern natriumkoncentration forårsagede et fald i overskridelsen ved toppen af handlingspotentialet. Opfølgningsarbejde har vist, at stigningen i natriumpermeabilitet tilskrives åbningen af mange spændingsaktiverede natriumkanaler (depolarisering).

den hurtige faldende fase af handlingspotentialet kan tilskrives en anden stigning i ionpermeabilitet forårsaget af åbningen af mange spændingsaktiverede kaliumkanaler og udstrømningen af kaliumioner gennem membranen. Den periode, hvor kaliumkanalerne varer flere millisekunder, hvilket tillader flere kaliumioner at strømme gennem membranen forbi det oprindelige hvilepotentiale (hyperpolarisering). kort sagt beskrives depolarisering ved en pludselig stigning i natriumpermeabilitet på grund af åbningen af et stort antal spændingsaktiverede natriumkanaler, der forårsager en hurtig tilstrømning af natriumioner. Positiv ladning opbygges på den indre membran, indtil membranpotentialet når ENa, på hvilket tidspunkt natriumkanalerne lukker. Repolarisering følger med en pludselig stigning i kaliumpermeabilitet på grund af åbningen af et stort antal spændingsaktiverede kaliumkanaler, der forårsager en hurtig udstrømning af kaliumioner. Den indre membran mister fortsat positiv ladning, indtil membranpotentialet når EK, på hvilket tidspunkt kaliumkanalerne lukker. Normal natrium-og kaliumudveksling fortsætter, når membranpotentialet vender tilbage til hvilepotentiale.

Tilbage til toppen