Sensoriske receptormekanismer F10 : E: 405-406 + E: 554-555 + Øvelse 2 Definere en sensorisk receptor: Definere en sensorisk receptors adækvate stimulus Angive en inddeling af sensoriske receptorer efter den fysiske karakter af det adækvate stimulus F10, slide 4 En sensorisk receptor er en biologisk transducer, der omformer fysisk eller kemisk energi til elektrisk energi i form af membranpotentialændringer. Sanseorganer og receptorceller er biologiske tranducere bestående af en modtager del (receptormembranen) og en afsender del (Afferente, sensorisk axon) Adækvat stimulus: Den energiform den specialiserede sansereceptor er særligt følsom for at absorbere. Kan være mekanisk, elektromagnetisk, termisk eller kemisk. Adækvat stimulus/ modalitet bestemmes af modtagerdelen Metabotrope g-protein koblede 7TM receptorer Lys Duft Ionotrope strækfølsomme ionkanaler Lyd Ligevægt Tryk Berøring Beskrive fælles træk ved funktionen af alle sensoriske receptorer: Øv 2 Fællestræk ved alle sensoriske receptorer: Alle sensoriske receptorer omsætter absorberet energi til et receptorpotentiale i form af åbning af ionkanaler, der danner et generatorpotential i modtagerdelen og transformation af receptorpotentialet til impulser i det tilhørende afferente axon (afsender delen) med en frekvens, der stiger med stimulusstyrken. Absorptionsmekanisme Der hvor energiformen først interagerer med receptoren og optages heraf fx strækfølsomme Natriumkanaler udsættes for stræk hvilket åbner kanalerne. Denne bestemmer hvilken energiform, der absorberes. Den adækvate stimulus er forskellig fra sansereceptor til sansereceptor. Forgår på receptormembranen (modtagedel)
Transduktionen Membranpotentialet ændres stimulus omdannes til forskellige depolariseringer, som vi kalder generatorpotentiale fx den strækfølsomme natriumkanal bliver åbnet pga. stræk og natrium strømmer ind og ændrer membranpotentialet. I forbindelse med fotoreceptoren vil generatorpotentiale være en hyperpolarisering. Processerne, der kobler den absorberede energi til åbning af ionkanaler der så ændrer membranpotentialet og således skaber et generatorpotential. Her er der mulighed for at regulere generatorpotentialets amplitude i forhold til den absorberede mængde energi. Typisk stiger amplituden når stimulusstyrken øges. Foregår på receptormembranen (modtagedel) Transformation Generatorpotentiale omdannes/omsættes til AP Generatorpotentialet ledes passivt til afsender delen hvor det oversættes til en impulsaktivitet i et axon Cellemembranen i afsenderdelen har pacemaker egenskaber hvilket betyder, at hvis afsenderdelen vedvarende depolariseres af generatorpotentialet dannes der repetitive aktionspotentialer således, at impulsfrekvensen (antal AP pr. tidsenhed) direkte afspejler generatorpotentialets amplitude. Impulsfrekvensen er styret af den oprindelige stimulusstyrke ved at regulere afstanden mellem de afsendte AP (frekvensen). Det hurtigste de kan sendes afsted efter hinanden er lig med tiden på den absolutte refraktærperiode på 3ms og det langsomste er 300ms altså en frekvens på 3-300Hz. AP har typisk en amplitude på 100mV og en varighed af 1ms. Generatorpotentialet varer lige så længe som stimulusvarighed og er lige så mange mv som stimulus amplitude. Generatorpotentiale omdannes til AP er der har samme varighed og amplitude. FRA UFSAS KURSUS: Absorption Optagelse af adækvat stimuli Modtagerdel Receptorfunktionen kan være metabotrop eller ionotrop (stræk eller ligandgated) Mekanismen (fx stræk) bestemmer adækvat stimuli hvilken slags energi det sensoriske neuron kan transducere Neuronets modtagerdel er designet til at kunne optage stimulus transduktion Omdannelse til generatorpotentiale Modtagerdel Den mekanisme som fører til åbning af ionkanaler som følge af stimulus Generatorpotentiale er proportionelt med størrelsen af stimulus opstår som resultat af åbningen af ionkanalerne. transformation Omkodning af generatorpotentiale til impulsaktivitet Afsenderdel Generatorpotentialet transporteres passivt til afsenderdelen og omsættes til AP Vedvarende GP omsættes til AP-tog hvis frekvens bestemmes af GP s størrelse
Afsenderdelen er i stand til at adaptere Ændringer i stimulusstyrke og deraf følgende GP kodes som ændringer i AP-frekvens kodning af GP-styrke til AP-frekvens opnår vha. Ka-kanaler (fx stort stræk høj frekvens af AP-tog) Redegøre for transmissionsvejen fra sansestimulus til generatorpotential i mekanoreceptorer, og i stavceller i retina E: 554 Stavceller i Retina: (se tegning i mappe) Proces: 1. 1 futon (lys) binder binder til 7TM-receptoren rhodopsin. 2. Rhodopsin aktiverer 500 trimere G-proteiner - transdusin alfadelen undergår en konformationsændring hvormed dens affinitet for ADP mindskes og i stedet binder nu ATP afla dissocierer fra betagamma-komplekset. 3. Alfa-subunitten med bundet ATP aktiverer 500 cgmp fosfordiesterase 4. cgmp fosfordiesterase fosforylerer og derved nedbryder 10 5 cgmp (4000 cgmp pr. min), der er bundet til den cgmp-afhængige-na + -kanal 5. lukker 250 natriumkanaler (10 6-10 7 Natriumioner forhindre influx) Natrium influx hæmmes. 6. Dette medfører en hyperpolarisering på 1mV 7. Hyperpolariseringen medfører færre AP er hvilket betyder, der kommer lys. (AP erne er fra start mørke, da vi ellers ville blive overstimulerede.) Dette ændre membranpotentialet, som så medfører at neurotransmitter frigives fra stavcellen som så depolariserer en nervecelle der sender signalet til hjernen. Adaption Når et intenst lys når fotoreceptorcellen (stavcellen) ændres den intracellulære Ca 2+ koncentration, der så inhiberer det enzym der er ansvarlig for forstærkelsen af signalet (negativ feedback). Angive at et sensorisk neuron formidler information til centralnervesystemet inden for et Generatorpotential i mekanoreceptorer: Impulsfrekvensen er styret af den oprindelige stimulusstyrke ved at regulere afstanden mellem de afsendte AP (frekvensen). Det hurtigste de kan sendes af sted efter hinanden er lig med tiden på den absolutte refraktær periode på 3ms det langsomste er 300ms altså en frekvens på 3-300Hz.
frekvensområde på ca. 3 Hz - 300 Hz Øv2: 3 Redegøre for forskellige adaptationsmønstre (fuldstændig og ufuldstændig adaptation: fasiske henholdsvis toniske receptorceller) og for deres funktionelle betydning Øv2: 6 Adaptation: Adaptation i afsenderdelen skyldes primært Kc-kanaler Statisk/ Tonisk o Ses ved situationer hvor udsving i stimulusintensitet svinger hurtigere end adaptationsmekanismen og adaptationen indstiller sig på et gennemsnit o Fx tøj o Vingeledningsøvelse hvor vingen vippes op og ned hele tiden o Ændres hurtigere en neuronet kan nå at adaptere til de nye niveauer Informerer løbende om påvirkningens størrelse Hvis ændringerne i stimulusstyrke er meget hurtigere end adaptionen, vil adaptionen indstille følsomheden så den svarer til den gennemsnitlige stimulusstyrke. Fasisk o o o Ses ved situationer hvor udsving i stimulusintensitet svinger langsommere end adaptationsmekanismen hvor adaptationen hele tiden vil tilpasse sig den forhenværende intensitet Thermo Vingeledningsøvelse hvor vingen hæves til et nyt fast niveau og venter på den sensoriske receptor adapterer o Neuronet har tid til at indstille sig efter det nye niveau Informerer kun om indtrufne påvirkningsændringer Hvis ændringerne i stimulusstyrke er langsommere end adaptionen vil adaptionen gøre impulsfrekvensen følsom for den hastighed, hvormed stimulus ændrer styrke altså en stigning i stimulusstyrke medfører en højere impulsfrekvens. Beskrive at adaptation kan bero på ændringer knyttet til forskellige trin i transmissionssystemet Øv2: 6 Noter i SAU Konstant stimulus frekvens af AP ændre til en højere værdi = adaptere ikke. Men hvis frekvensen falder forekommer adaptation. Steder hvor adaptation kan forekomme: - Støttevæv Fx øje (pupil trækker sig sammen for at der ikke skal komme så meget lys ind) Her reguleres hvor stor en del af stimulus, der når modtager delen. - Modtagerdel: fx i fotoreceptorer. Rodopsin fosforyleres og genkendes af arrestin der binder sig. Rodopsin kan ikke længere interagere med G-proteinet. Her reguleres sammenhængen mellem stimulusstyrke og amplituden af generatorpotentialet. Kan ske ved inaktivering af de kanaler der er ansvarlig for generatorpotentialet. - Afsenderdel: Her reguleres forholdet mellem generatorpotentiales amplitude og den resulterende impulsfrekvens. Axonhillock: Kc-kanaler når Natriumkanaler åbner sidder der spændings følsomme cakanaler der lukker calcium ind. Ca diffunderer dårligt væk og danner en ca-sky, der åbner Kc-kanalerne. Ca-kanaler åbnes og Ca kommer ind. Ved siden af sidder en Kc-kanal der åbner og lukker Kalium ud, når en calciumsky opstår af det ophobede calcium.
hyperpolarisering opstår. Ved siden af igen sidder pumper (NCX, PMCA), der pumper calcium ud. Tegner man AP er vil man se, at der vil være længere og længere imellem dem, da der forekommer adaptation. Grunde til Adaptation: Adaptation i sanseorganerne er nødvendig for ikke at være opmærksom på den konstante stimuli men derimod på ændringen. Har man sanseorganer der laver en adaptation er man mere følsom over for ændringer. De stimuli der har betydning for os er meget forskellige rent fysisk set. Når vores øjne er i mørke og adapterer, kan vi se nogle meget små forskellige i lys (helt ned til 3 fotoner). Samtidig skal vi kunne se ude i lyset og forskellen er en faktor 10mia. Vores sansesystemer skal signalere med en forskellig frekvens, der max kan være 300Hz og min 3Hz. Instantale frekvens: forskellen mellem to aktionspotentialer. Derfor virker signalering ikke ved 0,01Hz, da der er 100mV ml. AP og det vil tage for lang tid. Ifølge Anna Adaption udenfor receptorcellen Her reguleres hvor stor en del af stimulusstyrken der rent faktisk når frem til receptormembranen Som når pupildiameteren regulerer hvor mange fotoner der når ind til retina. Adaption i modtagerdelen Her reguleres der sammenhængen mellem stimulusstyrke og amplituden af generatorpotentialet. Falder amplituden af generatorpotentialet, falder impulsfrekvensen også Kan ske ved inaktivering af de kanaler der er ansvarlige for generatorpotentialet. Adaption i afsenderdelen Her reguleres forholdet mellem generatorpotentialets amplitude og den resulterende impulsfrekvens Den mekanisme beskrevet for K C kanalerne. Ifølge slides: Adaptation i støttevævet Pacinilegemer Adapation i Modtagerdelen Stavceller Adaptation i afsenderdelen Motorneuroner Redegøre for en mekanisme for adaptation i en sansereceptors afsenderdel Funktion: a) tilpasser receptorfølsomhed til stimulusintensiteten dvs. øger dynamikområdet b) gøre receptoren følsom for den hastighed hvormed stimulus ændres (ds/dt) c) øger hastigheden hvormed ændringer i stimulusstyrken kan signaleres Se næste læringsmål under K C Kc-kanaler Åbner for en udadgående kaliumstrøm som respons på forhøjet intracellulær calcium Ca strømmer ind i cellen gennem spændingsafhængige ca-kanaler som åbnes ved hvert AP Skaber større og større mellemrum mellem fyringer dannet af konstant depolariseringsstrøm fordi ved mange AP kommer der mere og mere calcium i cellen der åbner flere og flere Kc-kanaler der skaber større og større og hyperpolarisering og derfor skal der skrues op for kaliumkanaler.
Angive tre K + - kanaltyper, som er væsentlige for kontrol af fyringsfrekvensen: Stimulus styrke generator potential impulsfrekvens Øv2: 4 K A Hurtig inaktiverende K + -kanaler K A, hurtigt inaktiverende K + -kanaler sikrer muligheden for lav frekvens ved at hæmme depolariseringshastigheden; Sidder i afsender membranen og muliggør en lav impulsfrekvens ved at reagere på generatorpotentialet Under repolariseringen er kanalerne lukket og de-inaktiveret. Når hyperpolariseringen sker, åbnes kanalen og forbliver de-inaktiveret. At de åbner og langsomt inaktiveres er den mekanisme der forlænger varigheden af hyperpolariseringen. Impulsfrekvensen sænkes altså ved tiden mellem hvor hurtigt et nyt AP kan etableres forlænges. Generatorpotentialer der kun lige når tærskelværdien for at udløse et AP udløser en lav impulsfrekvens, og hvis stimulusstyrken øges, så øges amplituden af generatorpotentialet også og der udløses så en højere impulsfrekvens. I nogle nervecellers afsenderdel sikrer K + A kanaler repetitiv fyring under vedvarende depolarisering KA kanalerne udsætter næste aktionspotential og sikrer de-inaktivering af spændingsstyrede Na-kanaler og gør fyringsfrekvensen følsom for depolariserinsniveau Depolarisering: Åben, inaktiveret Efterhyperpolarisering: Lukket, deinaktiveret Hyperpolarisering: åben, deinaktiveret Ifølge SAU K A -kanaler: hjælper med at oversætte fra et generatorpotentiales amplitude til en frekvens. Forsinker de næste AP er så frekvensen nedsættes. Aktiveres af en lille depolarisering efter efterhyperpolariseringen har både aktivering og inaktiveringsgate. Strømmen gennem Ka-kanalerne vil hive membranpotentialet ned. Ved større stimulus vil Ka-kanaler åbnes hurtigere (og lukkes hurtigere) og AP-spike vil forløbe hurtigere.
K C Ca ++ aktiverede K + kanaler K C, Ca 2+ - aktiverede K + -kanaler medfører adaptation. Kan udføre adaption ved høj impulsfrekvens da de spændings-gatede Ca ++ kanaler åbner under hvert AP og lukker Ca ++ ind i cellen. Hvis ikke den aktive Ca ++ transport ud af cellen ikke kan følge med, vil den intracellulærer Ca ++ koncentration ophobes, men den stigence Ca ++ koncentration aktiverer også et stigende antal åbne k C kanaler, der lader K + strømme ud af cellen og dermed hyperpolariserer den og dermed forsinker den næste depolarisering (og dermed også influx af Ca ++ ) indtil Ca ++ ATPasen lige netop kan følge med. Når dette indtræffer har cellen adapteret. Hvis ikke dette skete ville receptorcellens følsomheden falde ved den stigende stimulusstyrke fordi receptoren desensibiliseres. SAU: Ka er lige så aktive mellem de to første AP er som mellem resten de sætter grundfrekvensen og har derfor ikke noget med adaptation at gøre. Modsat Kc-kanalerne der bliver mere og mere aktive og er ansvarlig for at frekvensen falder.
Adaptation: (BØ3) I nogle nervecellers afsenderdel sikrer Ca- og Kc kanaler repetitiv fyring og adaptation under vedvarende depolarisering KC, Ca 2+- aktiverede K+ -kanaler sikrer muligheden for lav frekvens ved at forlænge aktionspotentialernes efterhyperpolarisering og medfører adaptation Hvert aktionspotential medfører en kortvarig Ca-influx. Øget [Ca]i aktiverer gkc. Akkumulation af Ca medfører derfor via KC forlænget interspike-interval = ADAPTATION K D, forsinkede K + -kanaler sikrer hurtig afslutning af hver impuls forsinkede K-kanaler bidrager til AP repolarisering og efterhyperpolarisering Postsynaptiske kaliumkanalers funktion: KL kanaler: leak K-kanaler er spændingsuafhængige og bidrager til Vm KD kanaler: forsinkede K-kanaler bidrager til AP repolarisering og efterhyperpolarisering KA kanaler: hurtigt inaktiverende K-kanaler forlænger efterhyperpolariseringen og muliggør repetitiv impulsaktivitet med lav frekvens KC kanaler: Ca afhængige K-kanaler forlænger efterhyperpolariseringen, muliggør repetitiv impulsaktivitet med lav frekvens og medierer adaptation i afsenderdelen. Andet: Primær sansecelle: Sender selv AP fx nervecelle Sekundær sansecelle: Sender ikke selv AP fx epithelcelle AP har typisk en amplitude på 100mV og en varighed af 1ms. Generatorpotentiale varer lige så længe som stimulusvarighed og er lige så mange mv som stimulus amplitude. Generatorpotentiale omdannes til AP er med samme varighed og amplitude.