SV DT1 NEUROANATOMIE & NEUROFYSIOLOGIE
HC 1:
De membraanpotentiaal
Een belangrijkste eigenschap van neuronale membranen ten opzichte van andere
membranen, is dat neuronen een sterk negatieve rustpotentiaal hebben (±-65mV). In rust is
de membraanpotentiaal negatief en relatief constant en stabiel, totdat er een prikkel komt.
Een prikkel kan verschillende potentialen teweegbrengen →
De veranderingen van membraanpotentialen zijn het gevolg van
veranderingen van geleidbaarheid van verschillende ionen.
De membraanpotentiaal wordt bepaald door:
1. De ionensamenstelling aan beide kanten van het membraan.
Ionen zitten in de intra- en extracellulaire vloeistof. Het belangrijkste
component van het cytosol en de extracellulaire vloeistof is water.
De ionen zitten opgelost in water. Naast ionen bevinden zich ook
organische anionen (bijv. enzymen, DNA) in het intracellulaire
vloeistof. De ionen bevinden zich in verschillende concentraties
binnen en buiten de cel: hogere [K+] binnen de cel dan buiten, Na+
en Ca2+ meer geconcentreerd aan de buitenkant en meer Cl—ionen
buiten de cel.
2. De eigenschappen van het celmembraan.
Een celmembraan bestaat uit fosfolipide dubbellaag, die permeabel is voor
vettige stoffen en water afstoot. In het celmembraan bevinden zich eiwitten
die stoffen over het membraan kunnen transporteren. De fosfolipide
dubbellaag gaat functioneren als een condensator: er verzamelt zich lading op
het membraan; aan de intracellulaire kant negatief, aan de extracellulaire kant
positief. Zonder ionkanalen zou deze lading niet kunnen veranderen.
3. De eiwitten in het membraan (o.a. kanalen en pompen).
- Ionkanalen: selectief voor bepaalde ionen → diffusie
- Ion transporters: d.m.v. ATP ionen tegen het gradiënt in verplaatsen → actief transport.
In zenuwcellen vind je voornamelijk Na+ en K+ kanalen die
spanningsafhankelijk zijn; ze veranderen dus hun weerstand
afhankelijk van de membraanspanning. In rust staan de K+-
kanalen een beetje open, waardoor K+ de cel uit kan ‘lekken’. In
De Na+-kanalen zijn in rust dicht.
De structuur van de membraan is te zien als een eenvoudig elektrisch
circuit, bestaande uit een weerstand (R) parallel geschakeld aan een
condensator (C). De weerstand is hierbij een ionkanaal en de condensator het
celmembraan. De condensator heeft een bepaalde capaciteit, afhankelijk van
de spanning en de grootte van de condensator. Bij een verandering van de
geleidbaarheid zou een stroom kunnen gaan lopen door het membraan.
Basis elektriciteitsleer
In de elektriciteitsleer zijn er twee basiswetten:
1. De wet van Ohm
2. De wet van Kirchhoff
,Volgens de wet van Ohm is de stroom door de weerstand: I = V/R → V=I*R. Voor een
condensator geldt dat de lading Q = C*V. De stroom door de condensator I = ∆Q/∆t =
C*∆V/∆t. In de fysiologie werken we vaker met geleidbaarheid (g, conductantie) i.p.v.
weerstand: I = g * ∆V → g=1/R (∆V want eigenlijk geldt ∆V=I*R).
Evenwichtspotentiaal
De verdeling van ionen aan weerszijden van de membraan bepaalt de
rustmembraanpotentiaal. Dit geldt alleen indien het membraan semipermeabel
is, want er moeten ionen van de ene naar de andere kant kunnen.
Bij de verdeling van ionen aan weerszijden van het membraan spelen er twee
krachten een rol: de diffusiekracht (rode pijl) en de elektrische kracht (blauwe
pijl). Deze krachten zijn precies tegenovergesteld maar wel in evenwicht met
elkaar. Daarom wordt dit de evenwichtspotentiaal genoemd.
De diffusie in gassen en vloeistoffen wordt weergegeven in de wet van Fick: FluxD = -D *
dc/dx → FluxD= diffusie flux, D= diffusie constante, dc= concentratieverschil, dx= per
afstand. Deze formule kan verder worden uitgewerkt tot de diffusie constante D= R*T/F
*u → u= mobiliteit in gas/vloeistof, R= gasconstante, T= absolute temperatuur, F=
Faraday constante.
Op een vergelijkbare manier kan ook de flux van geladen moleculen (ionen) worden
berekend:
In evenwicht is de diffusiestroom gelijk aan de elektrische stroom, dus kun je
de formules van de twee stromen aan elkaar gelijkstellen:
→
De formule die hier uitkomt, is de wet van Nernst. De evenwichtspotentiaal is
dus gelijk aan de Nernstpotentiaal.
Bij de wet van Nernst wordt er rekening gehouden met maar één ion, alleen K+
of alleen Na+. Daarnaast is de constante bij kamertemperatuur (25˚C) -58, maar
bij lichaamstemperatuur (37˚C) -61.
,Voor andere ladingen moet de Nernst formule mee veranderen. Bij Cl- verdwijnt het
minteken voor 58 doordat z=-1 en bij Ca2+ wordt het -29 i.p.v. -58 doordat z=+2.
Bij K+ wordt de concentratie binnen de cel vertienvoudigd. Hierbij stroomt in eerste instantie
alle K+ cel uit, maar na een tijdje stelt zich een evenwicht in bij Vm=-58 mV. Hierbij is er geen
flux van K+.
De evenwichtspotentiaal wordt ook wel de omkeerpotentiaal van het betreffende ionsoort
genoemd, omdat de ionstroom omkeert bij de evenwichtspotentiaal. Boven de
evenwichtspotentiaal worden K+-ionen de cel in gedwongen, de tegengestelde kant op dan
bij 0 mV. De Nernstpotentiaal beschrijft dus de evenwicht situatie (en membraanspanning)
voor één specifiek ion die ontstaat bij verschillen in ion concentratie over een
semipermeabele wand.
Dus Nernst potentiaal = evenwichtspotentiaal = omkeerpotentiaal
Rustembraanpotentiaal
Bij de rustmembraanpotentiaal spelen meer ionen een rol dan bij de Nernstpotentiaal. De
rustmembraanpotentiaal is niet te bepalen door de Nernstpotentialen van alle losse ionen
bij elkaar op de tellen, doordat de kanalen semipermeabel en spanningsafhankelijk zijn. In
rust staan namelijk niet alle kanalen open, maar alleen die van kalium. Voor de
membraanpotentiaal geldt dan: de waarde wordt bepaald door de omkeerpotentiaal van de
belangrijke ionen en door hun relatieve membraan geleidbaarheden.
In evenwicht loopt er geen netto stroom meer:
Deze formule is te herschrijven tot:
Dus membraanpotentiaal Vm hangt af
van de relatieve geleidbaarheid.
Daardoor heeft het ion met de hoogste
geleidbaarheid de meeste invloed op de
membraanpotentiaal.
In rust is de geleidbaarheid van K heel belangrijk (K+ lekt naar buiten), dus is deze ook het
+
hoogst. De geleidbaarheid van Na+ is in rust bijna 0. Hierdoor is de membraanpotentiaal in
rust bijna gelijk aan de evenwichtspotentiaal van K+.
, Bij een actiepotentiaal is de flux van Na+ heel belangrijk, dus is de geleidbaarheid hiervan
ook groot. Hierdoor is de actiepotentiaal bijna gelijk aan de evenwichtspotentiaal van Na+.
De wet van Goldman Hodgkin en Katz
I.p.v. de geleidbaarheid voor verschillende ionen, is het beter om te spreken in termen van
permeabiliteit voor een kanaal. De permeabiliteit is namelijk een fundamentele eigenschap
van het membraan. Hieruit volgt de GHK-vergelijking:
Hierbij heeft het ion met de hoogste
permeabiliteit de meeste invloed op de
membraanpotentiaal.
De permeabiliteit van Cl- beweegt mee met de permeabiliteit van andere ionen.
Extracellulair kalium
De verandering van extracellulair kalium heeft een grotere invloed op
de rustmembraanpotentiaal dan natrium, doordat de kalium kanalen
in rust open staan en dus een grotere invloed op de
membraanpotentiaal hebben dan natrium.
De rustmembraanpotentiaal is gevoelig voor een toename van
extracellulair kalium. Door de toename van extracellulair kalium
depolariseert de membraanpotentiaal, totdat het 0mV is bij gelijke
concentraties binnen en buiten de cel. De praktische gemeten
membraanpotentialen wijken echter een beetje af van de theoretisch
berekende membraanpotentialen. Dit komt doordat in rust de
natrium kanalen niet helemaal dicht staan. Zo kunnen er toch een
paar Na+-ionen de cel in stromen. Dit maakt dat de praktische curve afwijkt van de
theoretische.
Het is erg belangrijk dat de extracellulaire kalium goed gereguleerd wordt, omdat de
membraanspanning hier dus erg gevoelig voor is. Dit wordt gereguleerd door een aantal
mechanismen:
1. De bloed-hersen barrière: de bloed-hersen barrière is heel sterk → in het bloed
bevindt zich veel kalium, dat niet naar de hersenen mag diffunderen. Anders zouden
de hersencellen sterk depolariseren, wat kan resulteren in een epilepsieaanval, of
inactivatie. De bloed-hersen barrière voorkomt dit dus.
2. Astrocyten: als de kalium concentratie buiten de cel te hoog wordt, kunnen de
astrocyten dit bufferen. Door een bepaald mechanisme kunnen de astrocyten kalium
uit de extracellulaire vloeistof trekken en kalium bufferen in de astrocyten.
Een toename van extracellulair natrium heeft vrijwel geen invloed op de
rustmembraanpotentiaal, doordat de geleidbaarheid voor natrium in de rusttoestand
heel laag is. De toename van extracellulair natrium heeft echter wel invloed op de
amplitude van een actiepotentiaal, doordat er bij een hoge extracellulaire
concentratie natrium de evenwichtspotentiaal voor natrium ook hoger wordt. Hierdoor
wordt de actiepotentiaal ook hoger.
