Biologia

tässä jaksossa yritetään selittää Hodgkin-Huxleyn kokeita biologisesta näkökulmasta. Hodgkinin ja Huxleyn työ jättiläiskalmarin aksonin parissa oli ensimmäinen, joka käytti biologisia järjestelmiä edustavia matemaattisia malleja. Hodgkinin ja Huxleyn löydösten ansiosta pystymme ymmärtämään, miten toimintapotentiaali etenee hermoa pitkin ja niihin liittyvien ionikanavien toiminnot.

• Lepopotentiaali

Mallisolu

• Constandin Kenttäyhtälö
• Toimintakalvopotentiaali
• takaisin huipulle

kuvaukset lepopotentiaalista ja toimintapotentiaalista on tulkittu Nichollsin ja kollegoiden fout Edition-oppikirjassa neuronista aivoihin. (Nicholls, John, A. Martin, B. Wallace ja P. Fuchs. Neuronista aivoihin. Neljäs Painos. Sinauer Associates, Inc. MA 2001.)

Lepopotentiaali

levossa hermosolun sisäpuoli on negatiivisesti varautunut suhteessa hermosolun ulkoreunaan. Vaikka solunsisäinen pitoisuus on suuri kaliumille ja alhainen sekä kloridille että natriumille, lepokalvon potentiaali vastustaa kalium-ja kloridi-ioneja diffundoitumasta pitoisuusgradientteihinsä. Muutos solunulkoisessa kloridipotentiaalissa johtaa lopulta muutokseen solunsisäisessä kloridipotentiaalissa; näin ollen indusoivat muutoksia solun suhteellisessa tilavuudessa ja muutoksia kloridi -, kalium -, natrium-ja sisäisissä anionipitoisuuksissa. Solunulkoisen kloridipotentiaalin muutos ei kuitenkaan muuta kloriditasapainopotentiaalia eikä kalvopotentiaalia vakaassa tilassa. Toisaalta solunulkoisen kaliumpotentiaalin muutos johtaa solun suhteellisen tilavuuden muutokseen ja muuttaa kalvopotentiaalia. Lisäksi solunulkoisen kaliumpotentiaalin muutos aiheuttaa muutoksia kloridi -, natrium-ja sisäisissä anionipitoisuuksissa.

natrium-ja kaliumionit vuotavat jatkuvasti kalvon läpi. Natrium-kalium-vaihtopumppu kuitenkin ylläpitää vuotopitoisuutta. Aineenvaihdunnan tuottaman ATP: n aktivoimana natrium-kalium-vaihtopumppu pumppaa soluun kolme natriumionia jokaista kahta solusta ulos pumpattua kaliumionia kohti. Ionikanavien aktivoituminen muuttaa solukalvon läpäisevyyttä sekä kaliumin että natriumin osalta. Nämä muutokset tuottavat sähköisiä signaaleja, jotka muuttavat solukalvon varausmäärää ja muuttavat siten kalvopotentiaalia.

takaisin alkuun

Mallikenno

ymmärtääkseen, miten Nernstin yhtälöä käytetään ionipotentiaalien ennustamiseen, Nicholls et al esittää mallikennon. Mallisolussaan solukalvo läpäisee vain kaliumia ja kloridia sekä läpäisemättömänä natriumia ja sisäistä anionia. Stabiilina pysyäkseen on täytettävä kolme vaatimusta:

1) solunsisäisten ja solunulkoisten liuosten on oltava sähköisesti neutraaleja.
2) solun on oltava osmoottisessa tasapainossa.
3) minkään tietyn ionin verkkoliikettä soluun tai ulos ei voi tapahtua.

ioninen tasapaino säilyy, koska solukalvo toimii kondensaattorina. Positiivisesti varautuneiden kaliumionien hajaantuessa ulos solusta positiiviset varaukset kerääntyvät ulkopinnalle kun taas negatiiviset varaukset kerääntyvät sisäpinnalle. Tämä sähköisen potentiaalin ero jatkuu, kunnes kaliumionien ulosvirtaus on pysähtynyt tai solukalvon poikki ei tapahdu kaliumionien nettoliikettä. Tämä on kaliumin tasapainopotentiaali, joka merkitään EK: lla.

missä o on ulkoinen kaliumpitoisuus ja i on sisäinen kaliumpitoisuus. Kloridin tasapainopotentiaalin, jota merkitään EK: lla, antaa

, koska ionivaraus, z, on negatiivinen yksi.

suolavedessä olevilla mustekalan aksonin eristetyillä osuuksilla tehdyt kokeet ovat osoittaneet EK-arvoksi noin -0,093 V, ECl-arvoksi noin -0,055 V ja kalvopotentiaaliksi VM, joka vaihtelee välillä -0,065 V–0,070 V. potentiaalit ovat negatiivisia suhteessa solunulkoiseen nesteeseen. Solunsisäisen kaliumin ja solunulkoisen kaliumin kaliumpitoisuuden suhde on 40:1.

takaisin alkuun

Vakiokenttäyhtälö

Kirchhoffin jännitelakien mukaan virta riippuu jännitteestä ja resistanssista eli jännitteestä ja konduktanssista.

näin sisäänpäin suuntautuva natriumvirta määritellään

missä gNa on natriumkalvon konduktanssi, joka riippuu avoimien natriumkanavien keskimääräisestä lukumäärästä lepokalvopotentiaalissa.

Jos kloridi on tasapainossa, kloridi-ionit eivät liiku nettomuotoisesti kalvon poikki tai

Substituoiva ja järjestyvä,

Jos kloridi on tasapainossa, ja

jos kloridi ei ole tasapainossa.

kalvopotentiaali voidaan ilmaista myös ionipitoisuuksina solun sisällä ja sen ulkopuolella sekä ionikalvon läpäisevyytenä, jota havainnollistaa Goldmanin, Hodgkinin, Katzin (GHK) yhtälö

takaisin huipulle

Lepokalvopotentiaali

lepokalvopotentiaalin kohdalla solun on oltava stabiili tai jokaisen ionivirran on oltava nolla. Natrium-kalium-ATPaasi pitää natrium-kalium-vuotovirrat vakiona, mikä lisää vakaan tilan ylläpitämiseen tarvittavaa metabolista energiaa. ATPaasin tuottamien natriumionien ja kaliumionien suhteesta saadaan

.

suhde, r, on negatiivinen, koska natrium-ja kaliumioneja pumpataan vastakkaisiin suuntiin. Tämä kuljetusjärjestelmä on elektrogeeninen, koska jokainen jakso tuottaa positiivisen nettovarauksen ulospäin. Positiivinen varaus kertyy solukalvon ulkopuolelle, kun taas negatiivinen varaus kertyy solukalvon sisäpuolelle. Elektrogeenisen atpaasinatriumin ja kaliumin vaihdon vaikutusta voidaan verrata ei-elektrogeeniseen kuljetusjärjestelmään asettamalla suhde, r, arvoon 1.

lepokalvon potentiaalia kuvaa

Jos kloridi on tasapainossa. Huomaa, että lepokalvopotentiaalin arvo on lähempänä kaliumpotentiaalin arvoa. Näin ollen tarvitaan suurempi käyttövoima natriumionien virtaamiseen kalvon poikki.

olettaen, että kaikki muut läpäisevät ionit ovat vakaassa tilassa, lepokalvon potentiaalin GHK-yhtälö muuttuu

takaisin huipulle

Aktiopotentiaali

aktiopotentiaali voidaan kuvata lepopotentiaaliksi, joka aktivoituu jyrkässä nousuvaiheessa (depolarisaatiossa), jota seuraa nopea putoamisvaihe, joka ulottuu alkuperäisen lepopotentiaalin alapuolelle (hyperpolarisaatiossa). Repolarisaatiota kuvaa asteittainen paluu alkavaan lepopotentiaaliin.

vuonna 1939 Hodgkin ja Huxley osoittivat, että aktiopotentiaalin huipulla tapahtui ylitys. Kun sisäkalvon potentiaali on positiivinen, natriumioneja virtaa edelleen, jopa nollan ohi, kunnes tasapaino on saavutettu. Näin ollen aktiopotentiaalin huipun ylitys viittaa natriumionien merkitykseen aktiopotentiaalin luomisessa.

Hodgkinin ja Katzin vuonna 1949 tekemiin lisätöihin kuului jättiläiskalmarin aksonikokeilun ulkoisen natriumpitoisuuden vähentäminen. Ulkoisen natriumpitoisuuden pieneneminen vähensi ylitystä toimintapotentiaalin huipulla. Seurantatyö on osoittanut, että natriumin läpäisevyyden lisääntyminen johtuu monien jänniteaktivoitujen natriumkanavien avautumisesta (depolarisaatio).

aktiopotentiaalin nopea putoamisvaihe voi johtua toisesta ionien läpäisevyyden lisääntymisestä, joka johtuu monien jänniteaktivoitujen kaliumkanavien avautumisesta ja kaliumionien poistumisesta kalvon läpi. Aika, jonka kaliumkanavat kestävät useita millisekunteja, jolloin lisää kaliumioneja pääsee poistumaan kalvon läpi ohi alkuperäisen lepopotentiaalin (hyperpolarisaatio).

lyhyellä depolarisaatiolla kuvataan natriumin läpäisevyyden äkillistä lisääntymistä, joka johtuu suuren määrän jänniteaktivoituja natriumkanavia avautumisesta aiheuttaen natriumionien nopean tulvan. Positiivinen varaus kerääntyy sisäkalvolle, kunnes kalvopotentiaali saavuttaa ENa: n, jolloin natriumkanavat sulkeutuvat. Repolarisaatio seuraa kaliumin läpäisevyyden äkillistä lisääntymistä, koska suuri määrä jänniteaktivoituja kaliumkanavia avautuu aiheuttaen kaliumionien nopean poistumisen. Sisäkalvo jatkaa positiivisen varauksen menettämistä, kunnes kalvopotentiaali saavuttaa EK: n, jolloin kaliumkanavat sulkeutuvat. Normaali natriumin ja kaliumin vaihto jatkuu, kun kalvopotentiaali palautuu lepopotentiaaliin.

takaisin huipulle