1

Almen cellebiologi 2007

Membrantransport

Kap. 12, s. 389-420

Forelæsning 3

Stine Falsig Pedersensfpedersen@aki.ku.dk35321546/room 527

2

De næste tre forelæsninger:

1. - Membranen og membran-transport proteiner generelt - Pumper og andre carrier proteiner

2. - Ion-kanaler og membranpotentialet

3. - Ionkanalers roller i nervesystemet – fysiologi og patofysiologi

3

Ion kanaler og signalering i nerveceller

En ”typisk” neuron

Signaler udgår fra axoner, og modtages via dendritter og cellekrop (soma)

4

Ion kanaler og signalering i nerveceller

En ”typisk” neuron er mange ting

5

Nerveimpulser spredes langs axonet som aktionspotentialer: bølger af elektrisk excitation, der kan bevæge sig med op til 100 m/s

Elektrisk signalering: aktionspotentialet

Aktionspotentialet skyldes to typer af spændingsgatedecation kanaler –

hvilke?

6

Aktionspotentialet skyldes ændringer i kanalaktivitet

Spændingsgatede Na+ kanaler medierer depolariseringsfasen

Spændingsgatede K+ kanaler medierer repolariseringsfasen

7

Aktionspotentialet skyldes ændringer i kanalaktivitet

Aktionspotentialets faser:

Lille depolarisering

→åbning af Na+ kanaler

→ GNa dominerer

→ depolarisering næsten til ENa

→ Na+ kanaler inaktiverer

→ delayed rectifier K+ kanaler åbner

→ GK dominerer

→ Vm hyperpolariserer (”undershoot”)

→ K+ kanaler lukker

8

Spændingsgatede Na+ kanaler består af 1 lang α subunit (4 ”pseudosubunits”), der danner poren, samt 2 regulatoriske β subunits

Forskellige typer af excitable væv (muskel, hjerte, hjerne) har forskellige isoformer af spændingsgatede Na+ kanaler, men princippet er det samme for dem alle

Spændingsgatede Na+ kanaler

9

Tetrodotoxin er en meget anvendt hæmmer af spændingsgatede Na+ kanaler – den produceres af marine bakterier, og ophobes i organerne hos fisk, der spiser dem.(f.eks pufferfish - det er derfor man kan blive paralyseret af at spise den som sushi....)

Spændingsgatede Na+ kanaler hæmmes af tetrodotoxin (TTX)

10

Lukket: mest stabil i steady state situationen (meget negativt Vm)Åben: mest stabil når membranen er depolariseretInaktiveret: den mest stabile konformation når membranen er depolariseret

Spændingsgatede Na+ kanaler har tre konformationer

Kanalen kan ikke gå direkte fra inaktiveret til åben

11

Gating af spændingsgatede Na+ kanaler

Spændingssensoren er sandsynligvis TM4, som indeholder mange positive aminosyrer (lysin, arginin), og flytter i membranen når cellen depolarisererInaktiveringsgaten lukker poren efter kort tid i den åbne konformation

12

Åbning af de spændingsgatede Na+ kanaler medierer depolariseringsfasenog deres inaktivering ligger til grund for den absolutte refraktoriske periode

13

Spændingsgatede K+ kanaler medierer repolariseringsfasen

14

Spændingsgatede K+ kanaler K+ kanalerne der medierer repolariseringsfasen kaldes delayed rectifiers på grund af deres langsomme aktivering. Delayed rectifier kanaler er også ansvarlige for den relative refraktoriske periode: når Vm er hyperpolariseret er en kraftigere stimulus nødvendig for at initiere et aktionspotentiale

K+ kanaler er aktive

15

Hvordan ved man det? Squid giant axon forsøgene

Hepatopancreas uddissekeres

Loligo pealei

Axonen afsnøres

16

Hodgkin og Huxley (Nobelpris 1963) forklarede i 1950erne aktionspotentialet, baseret på forsøg i squid giant axons

Hvordan ved man det? Squid giant axon forsøgene

Vm over axonen kan følges ved at indsætte en elektode i axones cytoplasma

Axonen kan perfunderes, så man kan bestemme ionsammensætningen

17

Hvordan ved man det? Squid giant axon forsøgene

Bidragene fra de forskellige kanaler kan såisoleres tids- og funktionsmæssigt, baseret på hvor meget potentialet ændrer sig ved forskellige ionkoncentrationer i saltopløsningen, i hvile og under aktionspotentialet

Aktionspotentialets form som funktion af [Na+]o (% af normal)

18

Et gradueret elektrisk signal ville henfalde på sin vej langs axonet. Fordi aktionspotentialet hele tiden regenerer sig selv, henfalder signalet ikke

Signalet spredes langs axonet som en depolariserings-bølge

19

Signalet kan kun bevæge sig i en retning pga Na+ kanal inaktivering

Signalet spredes langs axonet som en depolariserings-bølge

t=0

t=1 msec

20

MyelineringMange axoner er myelinerede – dvs omgivet af en elektrisk isolerende

kappe lavet af en glia celle (Schwann celle eller oligodendrocyt)

21

Myelinering af axonet minimerer signaltabog øger propagationsshastigheden

Myelinering af axonet gør at det elektriske signal ”springer” fra Ranvier knude til Ranvier knude, og dermed spredes hurtigere

22

Sclerose er en autoimmun sygdom, der ødelægger myelinskederneInflammation og deraf følgende demyelinering ødelægger både perifere og CNS axoner, og får aktionspotentialet til at bevæge sig langsommere

Time (s)

Vm

Craner et al (2004) PNAS 101:8168-73

Spændingsgatede Na+ kanaler opreguleres langs de demyelineredeaxoner, formodentlig som en kompenserende mekanisme

23

Sclerose er en autoimmun sygdom, der ødelægger myelinskederne

...men den konstante Na+ influx får neuronen til at dø på grund af intracellulær Ca2+

akkumulering – på grund af samspillet med Na+/Ca2+ exchangeren

Craner et al (2004) PNAS 101:8168-73

24

Kemiske synapserSignaler imellem neuroner, eller fra neuron til muskel, medieres via synapser

Signaler udgår fra axoner, og modtages via dendritter og cellekrop (soma)

25

Ionkanaler og excitatorisk synaptisk transmission

1. Neurotransmitter (NT) molekyler ligger klar i vesikler

2. Et aktionspotentiale ankommer til den præsynaptiske nerveterminal

3. Spændingsgatede Ca2+ kanaler åbner

4. Stigningen i Ca2+ stimulerer fusion af NT vesikler med plasmamembranen

5. NT diffunderer over den synaptiske kløft

6. NT bindes til postsynaptiske receptorer, der direkte eller indirekte aktiverer cationkanaler

7. Depolarisering af den postsynaptiske membran initierer aktionspotentiale

I den præsynaptiske terminal ændres det elektriske signal til et kemisk signal, og i den postsynaptiske terminal bliver signalet igen oversat til et elektrisk signal:

26

Den neuromuskulære junction

Scanning electron mikroskopi billede af en neuromuskulær junction fra en frø

27

Den neuromuskulære junction

28

Den neuromuskulære junction

29

Spændingsgatede Ca2+ kanalers præsynaptiske rolle

30

Influx af Na+ resulterer i depolarisering af muskelcellemembranen Signalet afsluttes ved at acetylcholin nedbrydes eller fjernes

Den acetycholin-gatede cation kanal

31

Den nicotinerge acetylcholin-gatede ionkanal=ACh receptor=nAChR

I synapsen imellem motorneuron og muskelcelle sker hurtig synaptisk transmissionvia den acetylcholin-gatede ionkanal, også kaldet den nicotinerge ACh receptor

5 subunits (2α, β, δ, γ) med hver 4 TM regioner danner tilsammen poren. ACh binder til de to α-subunits, og det åbner poren, som er cation-permeabel

32

nAChR hæmmes af slangegiften α-bungarotoxin og pilegiften tubocurare

Og hvad har det lige med desmerdyr at gøre..…?

33

Desmerdyr kan overleve slangebid fordi de har en mutation i nAChR

Slangegiften α-bungarotoxin blammer offeret ved at hæmme nACh receptorenDesmerdyrets (og slangens) nACh receptor kan ikke binde α-bungarotoxin

α-bungarotoxin binder til α-subunit’en af nAChR

34

Kemisk synaptisktransmission kan være hurtig – via ligand-gatedeionkanaler – eller langsom –via metabotrope receptorer

De nicotine acetylcholinreceptorer i skeletmuskelcellen er ligand-gatede ionkanaler

De muscarine acetylcholinreceptorer i hjertemuskulaturen er metabotrope receptorer, der indirekte aktiverer K+ kanaler

Forskellige typer af kemiske synapser

35

Neuron-neuron synapser kan være excitatoriske eller inhibitoriske

Inhibitoriske stimuli hæmmer aktionspotentialedannelsen ved at aktivere Cl- kanaler, og dermed forhindre membranen i at depolarisere – eks. GABA receptorkanalen

Excitatoriske stimuli fremmer aktionspotentialedannelsen ved at aktivere cation-kanaler- i CNS er glutamat-gatede receptor kanaler et typisk eksempel

36

En given neuron skal typisk integrere excitatoriske og inhibitoriske signaler fra tusindvis af andre neuroner

Neuroner som signal-integratorer

Det signal, der sendes videre fra neuronen, er den rumlige og tidsmæssige ”sum” af alle de excitatoriske og inhibitoriske stimuli den modtog

37

Neuroner som signal-integratorer

Eks.: signalering fra synsnerven: signalet går til cortex via thalamus-neuroner der har glutamat som NT, og som derfor er excitatoriske for pyramidal neuroner i cortex. Lokale GABAerge neuroner virker inhibitorisk. Noradrenerge neuroner fra locus ceruleus virker modulerende.

38

De fleste psykofarmaka virker på forskellige faser af synaptisk transmission

Depression er associeret med lavt serotonin (5HT)-niveau. Antidepressiver virker typisk ved at stimulere serotonerg neurotransmission (oftest

monoamine oxidase inhibitors, eller serotonin reuptake inhibitors)

39

De fleste psykofarmaka virker på forskellige faser af synaptisk transmission

Schizofreni er associeret med forhøjet dopamin-niveau. Antipsykotiske stoffer virker typisk ved at hæmme dopaminerg neurotransmission, mens feks amfetamin og cocain stimulerer den. Omvendt er dopamin-niveauet for lavt i Parkinsons sygdom – som man kan lindre ved at øge dopaminerg signalering. Schizofrene får ofte Parkinson-lignende bivirkninger af deres medicin.

40

Hukommelse: synaptisk transmission kan ”huskes”

Hukommelse skyldes bl.a. long-term potentiation:

det fænomen at synapser i cortex med tiden bliver mere sensitive for glutamat pga en kompleks signalerings-kaskade, hvori en stigning i postsynaptisk [Ca2+] stimulerer indsætning af flere glutamat-receptorkanaler i den postsynaptiske membran

41

Opsummering - I

1. Cellekommunikation i nervesystemet medieres ved hjælp af aktionspotentialer: transiente, regenerative elektriske signaler, der bevæger sig med høj hastighed langs excitable membraner

2. Aktionspotentialets depolariseringsfase er medieret af TTX-følsomme, spændingsgatede Na+ kanaler

3. Repolariseringsfasen er medieret af delayed rectifierspændingsgatede K+ kanaler

4. Myelinering af axonerne øger signaltransduktionshastigheden, ved at depolariseringen ”springer” fra Ranvierknude til Ranvierknude

5. Kemiske synapser, hvor elektriske signaler bliver ”oversat” til kemiske, og igen tilbage til elektriske, medierer informationsflowmellem neuroner eller imellem neuron og muskelcelle

42

Opsummering - II

6. Acetylcholinfrigørelse fra motorneuronen og aktivering af acetylcholingatede cationkanaler på muskelcellen medierer signaleringen i den neuromuskulære junction

7. Kemisk synaptisk transmission kan være hurtig – via ligand-gatedeionkanaler – eller langsom – via metabotrope receptorer

8. Neuroner i CNS integrerer typisk 1000vis af excitatoriske (feksglutamat) og inhibitoriske (feks GABA) signaler og omsætter dem til aktionspotentiale-frekvens

9. De fleste psykofarmaka virker på forskellige faser af synaptisktransmission, f.eks. stimulerer antidepressiver serotonerg, mens antipsykotika hæmmer dopaminerg transmission