Almen cellebiologi 2007 Membrantransport Kap. 12, s. 389-420 Forelæsning 3 Stine Falsig Pedersen sfpedersen@aki.ku.dk 35321546/room 1527
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 2
En typisk neuron Ion kanaler og signalering i nerveceller Signaler udgår fra axoner, og modtages via dendritter og cellekrop (soma) 3
Ion kanaler og signalering i nerveceller En typisk neuron er mange ting 4
Elektrisk signalering: aktionspotentialet Nerveimpulser spredes langs axonet som aktionspotentialer: bølger af elektrisk excitation, der kan bevæge sig med op til 100 m/s Aktionspotentialet skyldes to typer af spændingsgatede cation kanaler hvilke? 5
Aktionspotentialet skyldes ændringer i kanalaktivitet Spændingsgatede Na + kanaler medierer depolariseringsfasen Spændingsgatede K + kanaler medierer repolariseringsfasen 6
Aktionspotentialet skyldes ændringer i kanalaktivitet Aktionspotentialets faser: Lille depolarisering åbning af Na + kanaler G Na dominerer depolarisering næsten til E Na Na + kanaler inaktiverer delayed rectifier K + kanaler åbner G K dominerer V m hyperpolariserer ( undershoot ) K + kanaler lukker 7
Spændingsgatede Na + kanaler 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 8
Spændingsgatede Na + kanaler hæmmes af tetrodotoxin (TTX) 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...) 9
Spændingsgatede Na + kanaler har tre konformationer Lukket: mest stabil i steady state situationen (meget negativt V m ) Åben: mest stabil når membranen er depolariseret Inaktiveret: den mest stabile konformation når membranen er depolariseret Kanalen kan ikke gå direkte fra inaktiveret til åben 10
Gating af spændingsgatede Na + kanaler Spændingssensoren er sandsynligvis TM4, som indeholder mange positive aminosyrer (lysin, arginin), og flytter i membranen når cellen depolariserer Inaktiveringsgaten lukker poren efter kort tid i den åbne konformation 11
Åbning af de spændingsgatede Na + kanaler medierer depolariseringsfasen og deres inaktivering ligger til grund for den absolutte refraktoriske periode 12
Spændingsgatede K + kanaler medierer repolariseringsfasen 13
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 V m er hyperpolariseret er en kraftigere stimulus nødvendig for at initiere et aktionspotentiale K + kanaler er aktive 14
Hvordan ved man det? Squid giant axon forsøgene Loligo pealei Hepatopancreas uddissekeres Axonen afsnøres 15
Hvordan ved man det? Squid giant axon forsøgene Hodgkin og Huxley (Nobelpris 1963) forklarede i 1950erne aktionspotentialet, baseret på forsøg i squid giant axons V m over axonen kan følges ved at indsætte en elektode i axones cytoplasma Axonen kan perfunderes, så man kan bestemme ionsammensætningen 16
Hvordan ved man det? Squid giant axon forsøgene Bidragene fra de forskellige kanaler kan så isoleres 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) 17
Signalet spredes langs axonet som en depolariserings-bølge Et gradueret elektrisk signal ville henfalde på sin vej langs axonet. Fordi aktionspotentialet hele tiden regenerer sig selv, henfalder signalet ikke 18
Signalet spredes langs axonet som en depolariserings-bølge Signalet kan kun bevæge sig i en retning pga Na + kanal inaktivering t=0 t=1 msec 19
Myelinering Mange axoner er myelinerede dvs omgivet af en elektrisk isolerende kappe lavet af en glia celle (Schwann celle eller oligodendrocyt) 20
Myelinering af axonet minimerer signaltab og øger propagationsshastigheden Myelinering af axonet gør at det elektriske signal springer fra Ranvier knude til Ranvier knude, og dermed spredes hurtigere 21
Sclerose er en autoimmun sygdom, der ødelægger myelinskederne Inflammation og deraf følgende demyelinering ødelægger både perifere og CNS axoner, og får aktionspotentialet til at bevæge sig langsommere V m Craner et al (2004) PNAS 101:8168-73 Time (s) Spændingsgatede Na + kanaler opreguleres langs de demyelinerede axoner, formodentlig som en kompenserende mekanisme 22
Sclerose er en autoimmun sygdom, der ødelægger myelinskederne...men den konstante Na + influx får neuronen til at dø på grund af intracellulær Ca 2+ akkumulering på grund af samspillet med Na + /Ca 2+ exchangeren Craner et al (2004) PNAS 101:8168-73 23
Kemiske synapser Signaler imellem neuroner, eller fra neuron til muskel, medieres via synapser Signaler udgår fra axoner, og modtages via dendritter og cellekrop (soma) 24
Ionkanaler og excitatorisk synaptisk transmission 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: 1. Neurotransmitter (NT) molekyler ligger klar i vesikler 2. Et aktionspotentiale ankommer til den præsynaptiske nerveterminal 3. Spændingsgatede Ca 2+ kanaler åbner 4. Stigningen i Ca 2+ 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 25
Den neuromuskulære junction Scanning electron mikroskopi billede af en neuromuskulær junction fra en frø 26
Den neuromuskulære junction 27
Den neuromuskulære junction 28
Spændingsgatede Ca 2+ kanalers præsynaptiske rolle 29
Den acetycholin-gatede cation kanal Influx af Na + resulterer i depolarisering af muskelcellemembranen Signalet afsluttes ved at acetylcholin nedbrydes eller fjernes 30
Den nicotinerge acetylcholin-gatede ionkanal=ach receptor=nachr I synapsen imellem motorneuron og muskelcelle sker hurtig synaptisk transmission via 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 31
nachr hæmmes af slangegiften α-bungarotoxin og pilegiften tubocurare Og hvad har det lige med desmerdyr at gøre..? 32
Desmerdyr kan overleve slangebid fordi de har en mutation i nachr Slangegiften α-bungarotoxin blammer offeret ved at hæmme nach receptoren Desmerdyrets (og slangens) nach receptor kan ikke binde α-bungarotoxin α-bungarotoxin binder til α-subunit en af nachr 33
Forskellige typer af kemiske synapser Kemisk synaptisk transmission kan være hurtig via ligand-gatede ionkanaler eller langsom via metabotrope receptorer De nicotine acetylcholin receptorer i skeletmuskelcellen er ligandgatede ionkanaler De muscarine acetylcholin receptorer i hjertemuskulaturen er metabotrope receptorer, der indirekte aktiverer K + kanaler 34
Neuron-neuron synapser kan være excitatoriske eller inhibitoriske Excitatoriske stimuli fremmer aktionspotentialedannelsen ved at aktivere cation-kanaler - i CNS er glutamat-gatede receptor kanaler et typisk eksempel Inhibitoriske stimuli hæmmer aktionspotentialedannelsen ved at aktivere Cl - kanaler, og dermed forhindre membranen i at depolarisere eks. GABA receptorkanalen 35
Neuroner som signal-integratorer En given neuron skal typisk integrere excitatoriske og inhibitoriske signaler fra tusindvis af andre neuroner Det signal, der sendes videre fra neuronen, er den rumlige og tidsmæssige sum af alle de excitatoriske og inhibitoriske stimuli den modtog 36
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. 37
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) 38
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. 39
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 signaleringskaskade, hvori en stigning i postsynaptisk [Ca 2+ ] stimulerer indsætning af flere glutamat-receptorkanaler i den postsynaptiske membran 40
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 TTXfølsomme, spændingsgatede Na + kanaler 3. Repolariseringsfasen er medieret af delayed rectifier spændingsgatede 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 informationsflow mellem neuroner eller imellem neuron og muskelcelle 41
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-gatede ionkanaler eller langsom via metabotrope receptorer 8. Neuroner i CNS integrerer typisk 1000vis af excitatoriske (feks glutamat) og inhibitoriske (feks GABA) signaler og omsætter dem til aktionspotentiale-frekvens 9. De fleste psykofarmaka virker på forskellige faser af synaptisk transmission, f.eks. stimulerer antidepressiver serotonerg, mens antipsykotika hæmmer dopaminerg transmission 42