Biologi

detta avsnitt försöker förklara Hodgkin-Huxley-experimenten ur ett biologiskt perspektiv. Hodgkin och Huxleys arbete med giant squid axon var den första som använde matematiska modelleratt representera biologiska system. På grund av Hodgkin och Huxleys resultat kan vi förstå hur en åtgärdspotential sprider sig längs en nerv och funktionerna hos deras associerade jonkanaler.

• vilopotentialen
• Modellcellen
• Konstandfältekvationen
• vilande membranpotential
• åtgärdspotentialen
• tillbaka till toppen

beskrivningarna av vilopotentialen och handlingspotentialen har tolkats med hjälp av Nicholls och kollegors fouth Edition-lärobok, från neuron till hjärna. (Nicholls, John, A. Martin, B. Wallace och P. Fuchs. Från Neuron till hjärna. Forth Edition. Sinauer Associates, Inc. MA 2001.)

vilopotentialen

i vila insidan av en neuron är mer negativt laddad i förhållande till utsidan av neuronen. Även om den intracellulära koncentrationen är hög för kalium och låg för både klorid och natrium, motsätter sig den vilande membranpotentialen kalium-och kloridjoner från att diffundera ner koncentrationsgradienterna. En förändring i extracellulär kloridpotential kommer så småningom att leda till en förändring i intracellulär kloridpotential; således inducerar förändringar i cellens relativa volym och förändringar i klorid, kalium, natrium och inre anjonkoncentrationer. En förändring i extracellulär kloridpotential kommer emellertid inte att resultera i en förändring i kloridjämviktspotentialen eller membranpotentialen vid steady state. Omvänt kommer en förändring i extracellulär kaliumpotential att leda till en förändring i cellens relativa volym och förändra membranpotentialen. Dessutom kommer en förändring i extracellulär kaliumpotential att resultera i förändringar i klorid -, natrium-och inre anjonkoncentrationer.

natrium-och kaliumjoner läcker ständigt genom membranet. Ändå upprätthåller natrium-kaliumbytespumpen läckkoncentrationen. Aktiverad av ATP som produceras genom metabolism pumpar natrium-kaliumbytespumpen tre natriumjoner in i cellen för varje två kaliumjoner som pumpas ut ur cellen. Aktivering av jonkanaler förändrar cellmembranets permeabilitet till både kalium och natrium. Dessa förändringar genererar elektriska signaler som ändrar mängden laddning på cellmembranet; således förändras membranpotentialen.

tillbaka till toppen

Modellcellen

För att förstå hur Nernst-ekvationen används för att förutsäga jonpotentialer, presenterar Nicholls et al modellcellen. I sin modellcell är cellmembranet endast permeabelt för kalium och klorid och ogenomträngligt för natrium och en inre anjon. För att förbli stabil måste tre krav uppfyllas:

1) intracellulära och extracellulära lösningar måste vara elektriskt neutrala.
2) cellen måste vara i osmotisk balans.
3) Det kan inte finnas någon nätrörelse av någon speciell Jon in i eller ut ur cellen.

jonisk jämvikt upprätthålls eftersom cellmembranet fungerar som en kondensator. När positivt laddade kaliumjoner diffunderar ut ur cellen ackumuleras positiva laddningar på den yttre ytan medan negativa laddningar ackumuleras på den inre ytan. Denna skillnad i elektrisk potential fortsätter tills utflödet av kaliumjoner har slutat, eller ingen nettokaliumjonrörelse sker över membranet. Detta är kaliumjämviktspotentialen betecknad EK.

där o är den yttre kaliumkoncentrationen och i är den inre kaliumkoncentrationen. Kloridjämviktspotentialen, betecknad EK, ges av

eftersom jonladdningen, z, är negativ.

experiment utförda på isolerade sektioner av bläckfiskaxon i saltvatten har visat EK-värden på cirka -0,093 V, ECl-värden på cirka -0,055 V och membranpotential, Vm, från -0,065 V till -0,070 V. potentialerna är negativa med avseende på extracellulär vätska. Kaliumkoncentrationsförhållandet mellan intracellulärt kalium och extracellulärt kalium är 40: 1.

tillbaka till toppen

den konstanta Fältekvationen

enligt Kirchhoffs spänningslagar är strömmen beroende av spänning och motstånd, eller spänning och konduktans.

således definieras den inre natriumströmmen av

där gNa är natriummembrankonduktansen som är beroende av det genomsnittliga antalet öppna natriumkanaler vid vilande membranpotential.

om klorid är i jämvikt finns det ingen nettorörelse av kloridjoner över membranet, eller

och

ersätta och ordna om,

om klorid är i jämvikt och

om klorid inte är i jämvikt.

membranpotentialen kan också uttryckas i termer av jonkoncentrationer inuti cellen och utanför cell-och jonmembranpermeabiliteten, illustrerad av Goldman, Hodgkin, Katz (GHK) ekvationen

tillbaka till toppen

vilande membranpotential

vid vilande membranpotential måste cellen vara stabil, eller varje jonström måste vara noll. Natrium-kalium läckströmmar hålls konstant av natrium-kalium ATPas, vilket ökar metabolisk energi som behövs för att upprätthålla steady state. Förhållandet mellan natriumjoner och kaliumjoner som ATPas producerar ges av

.

förhållandet, r, är negativt eftersom natrium-och kaliumjoner pumpas i motsatta riktningar. Detta transportsystem är elektrogen eftersom varje cykel ger en netto utåtladdning av positiv. En positiv laddning ackumuleras på utsidan av cellmembranet, medan en negativ laddning ackumuleras på insidan av cellmembranet. Effekten av det elektrogena ATPas-natrium-kaliumutbytet kan jämföras med ett icke-elektrogent transportsystem genom att ställa in förhållandet, r, till 1.

den vilande membranpotentialen beskrivs av

om klorid är i jämvikt. Observera att värdet på den vilande membranpotentialen är närmare värdet av kaliumpotentialen. Således behövs en större drivkraft för tillströmningen av natriumjoner över membranet.

förutsatt att alla andra genomträngande joner är i steady state blir GHK-ekvationen för vilande membranpotential

tillbaka till toppen

åtgärdspotentialen

åtgärdspotentialen kan beskrivas som en vilopotential aktiverad av en kraftig stigande fas (depolarisering) följt av en snabb fallande fas som sträcker sig under den ursprungliga vilopotentialen (hyperpolarisering). Repolarisering avbildas av en gradvis återgång till början vilopotential.

1939 visade Hodgkin och Huxley att en överskridning inträffade vid toppen av åtgärdspotentialen. Med en positiv inre membranpotential skulle natriumjoner fortsätta att tillströmma, även över noll, tills jämvikt uppnås. Således antyder en överskridande vid toppen av åtgärdspotentialen betydelsen av natriumjoner för att skapa åtgärdspotentialen.

ytterligare arbete av Hodgkin och Katz 1949 inkluderade att minska den externa natriumkoncentrationen av giant squid axon-experimentet. Minskningen av extern natriumkoncentration orsakade en minskning av överskridandet vid toppen av åtgärdspotentialen. Uppföljningsarbete har visat att ökningen av natriumpermeabilitet tillskrivs öppningen av många spänningsaktiverade natriumkanaler (depolarisering).

den snabba fallande fasen av åtgärdspotentialen kan hänföras till en annan ökning av jonpermeabilitet orsakad av öppningen av många spänningsaktiverade kaliumkanaler och utflödet av kaliumjoner genom membranet. Den period av vilken kaliumkanalerna varar flera millisekunder så att fler kaliumjoner kan strömma genom membranet förbi den ursprungliga vilopotentialen (hyperpolarisering).

kort sagt depolarisering beskrivs av en plötslig ökning av natriumpermeabilitet på grund av öppningen av ett stort antal spänningsaktiverade natriumkanaler som orsakar en snabb tillströmning av natriumjoner. Positiv laddning byggs upp på det inre membranet tills membranpotentialen når ENa vid vilken tidpunkt natriumkanalerna stängs. Repolarisering följer med en plötslig ökning av kaliummepermeabilitet på grund av öppningen av ett stort antal spänningsaktiverade kaliumkanaler som orsakar en snabb utflöde av kaliumjoner. Det inre membranet fortsätter att förlora positiv laddning tills membranpotentialen når EK vid vilken tidpunkt kaliumkanalerna stängs. Normal natrium-och kaliumutbyte fortsätter när membranpotentialen återgår till vilopotential.

tillbaka till toppen