A. Meten van ionenstroom en membraanpotentiaal
Wanneer neurotransmitters zich binden aan hun receptoren, openen ionenkanalen in reagerende neuron- of spiercellen. De resulterende instroom van Na+ ionen verstoort de rustpotentiaal van de doelcel. Het effect is slechts van voorbijgaande aard als de membraanpotentiaal negatief blijft. Indien echter voldoende Na+ ionen de cel binnendringen, wordt het membraan gedepolariseerd. Als de cel hyperpolarisatie ondervindt, zal een plaatselijke omkering van de normale membraanpolariteit (zeg van -70 mV tot +65 mV of meer) een actiepotentiaal opwekken. Deze actiepotentiaal zal zich als een stroom langs het membraan van de neurale of spiercel verplaatsen en uiteindelijk een fysiologische reactie teweegbrengen, b.v. de excitatie van de volgende zenuwcel in een neuronale baan of de samentrekking van de spiercel. Het patch-clampapparaat detecteert de specifieke ionenstroom en de resulterende verandering in potentiaalverschil over het membraan. De beginselen van patch-clamp metingen worden hieronder geïllustreerd.
In het bovenstaande voorbeeld wordt door het sluiten van de schakelaar op de voeding een elektrische lading naar de cel gestuurd, waardoor een spanningsgevoelig ionkanaal wordt geopend. In dit geval detecteert een kaliumsensor in het apparaat de stroom van K+-ionen door het kanaal en uit de cel. Tegelijkertijd registreert een voltmeter de resulterende verandering in membraanpotentiaal.
297 Een Patch Clamp-apparaat kan membraanpotentiaal en ionenstroom registreren
298 Patch Clamp meet rustpotentiaal en depolarisatie
Naast spanningsafhankelijke ionenkanalen kan het patch clamp-apparaat ionenstroom meten door ligand-gated ionenkanalen en mechanisch-gated ionenkanalen.
De eerstgenoemde kanalen zijn receptor-ionenpoorten die opengaan wanneer zij een effectormolecuul binden. Mechanisch-gated ionkanalen detecteren fysieke druk of stress die resulteren in een lokale membraan vervorming, het openen van het kanaal.
299 Gated Ion Channels
300 Soorten Gated Ion Channels-Illustrated
Finitief, cellen handhaven een hoge intracellulaire concentratie van K + ionen, waardoor K + ionen langzaam lekken uit de cel, een fenomeen detecteerbaar door een patch-clamp. De aanwezigheid van negatieve ionen (Clionen, organische ionen) in een cel beperkt het lekken. Hierdoor ontstaat de elektronegatieve binnenkant van een cel ten opzichte van de buitenkant van de cel, d.w.z. de rustpotentiaal over zijn plasmamembraan. De patch-clamp techniek is gebruikt om de stroom van ionen en veranderingen in membraanpotentiaal te correleren wanneer een neuron vuurt, waardoor een actiepotentiaal in een reagerende cel ontstaat.
Zulk een correlatie wordt beschreven op de volgende bladzijde. Volg in de illustratie het openen en sluiten van ionenkanalen en de ionenstroom. Een actiepotentiaal (in feite elke verschuiving van de rustpotentiaal) is het resultaat van een vergemakkelijkte diffusie van specifieke ionen in of uit de cel door ionenkanalen (groen, boven) die zich achtereenvolgens moeten openen en sluiten. Het gedrag van twee verschillende spanningsafhankelijke ionenkanalen wordt in de grafiek geïllustreerd. Elektrische stimulatie opent Na+ kanalen. Na+ ionen stromen de cel binnen, waardoor de membraanpotentiaal van de rusttoestand tot nul daalt, of waardoor het cytoplasma zelfs positiever wordt dan de extracellulaire vloeistof. Als de omkering in polariteit hoog genoeg is, opent zich een voltagegated K+ en stromen kaliumionen de cel in, waardoor de rustpotentiaal van de cel wordt hersteld.
Een cel kan op stimuli blijven reageren met actiepotentialen zolang er voldoende Na+ buiten de cel en K+ binnen de cel is. Hoewel actief transport van Na+ en K+ niet nodig is om de rustpotentiaal te herstellen, zal het uiteindelijk wel nodig zijn om het evenwicht van de twee ionen in de cel te herstellen. Als een zenuw- of spiercel een aantal keren brandt (of zelfs als hij alleen maar ionen lekt), zullen de binnen- en buitenpotentiaal van de cel dalen tot een punt waarop de cel bij stimulatie geen actiepotentiaal meer kan opwekken. Uiteindelijk is het de rol van ATP-afhankelijke Na+/K+-pompen om het juiste Na+:K+-evenwicht over het reagerende celmembraan te herstellen. Zoals we hebben gezien, worden bij elke pompcyclus 3 Na+ ionen uit de intracellulaire ruimte uitgewisseld tegen 2 K+ ionen uit de extracellulaire ruimte. De pomp heeft twee effecten:
- Het herstelt de Na+ concentraties in de extracellulaire ruimte ten opzichte van het cytoplasma.
- Het herstelt de K+ concentraties in het cytoplasma ten opzichte van de extracellulaire ruimte.
301 Gated Ion Channels Open and Close in Order During an Action Potential
Samen met de hogere negatieve ionconcentraties in het cytosol zorgt de ongelijke uitwisseling van Na+- voor K+-ionen ervoor dat het rustpotentiaal van de cel op lange termijn gehandhaafd blijft en dat zenuw- en spiercellen exciteerbaar blijven. Hierna gaan we dieper in op de rol van zowel ligand-geactiveerde als spanningsgeactiveerde ionenkanalen in de neurotransmissie.
B. Ionenkanalen in neurotransmissie
Actiepotentialen resulteren in een ordelijk, opeenvolgend openen en sluiten van spannings- en ligand-geactiveerde kanalen langs het neuronale axon. In de link hieronder ziet u de opeenvolgende cycli van spanningsafhankelijke kanalen die een gelokaliseerde actiepotentiaal (membraandepolarisatie) langs een axon voortbewegen naar een synaps.
302 Voortbewegen van een actiepotentiaal langs een axon
Wanneer een voortbewegende depolarisatie een synaps bereikt, openen of sluiten ionenkanalen zich in het neuron en de reagerende cel. De samenwerking van spannings- en ligand-geactiveerde kanalen bij een neuromusculaire junctie wordt hieronder geïllustreerd.
Zoals u in de illustratie kunt zien, reist, nadat een neuron heeft gevuurd, een elektrische impuls (een bewegend gebied van hyperpolarisatie) door het axon naar het zenuwuiteinde. Aan het zenuwuiteinde stimuleert het reizende ladingsverschil (elektrische potentiaal) over het celmembraan een Ca++ -specifiek spanningsgevoelig kanaal om te openen. Ca++ ionen stromen dan de cel in, omdat ze in de synaptische spleet in hogere concentraties aanwezig zijn dan in het cytoplasma.
De Ca2+ ionen in de cel zorgen ervoor dat synaptische blaasjes versmelten met het membraan aan het zenuwuiteinde, waardoor neurotransmitters vrijkomen in de synaptische spleet. Vervolgens binden de neurotransmitters zich aan een receptor op het plasmamembraan van de reagerende cel. Deze receptor is een ligand-gated kanaal (ook wel een chemisch-gated kanaal genoemd). Bij binding van de neurotransmitter-ligand gaat het kanaal open. De snelle diffusie van Na+ ionen in de cel creëert een actiepotentiaal die leidt tot de cellulaire respons, in dit geval, spiercontractie. We hebben al gezien dat K+ kanalen bijdragen aan het herstel van de membraanpotentiaal na een actiepotentiaal, en de rol van de natrium/kalium pomp bij het herstel van het cellulaire Na+/K+ evenwicht.
303 De rol van Gated Ion Channels bij de Neuromusculaire Junction