HCO3, hfst 3, voltage afhankelijke ionkanalen en actiepotentiaal
geleiding
Elektrochemisch evenwicht, het celmembraan is semipermeabel, wat inhoudt dat niet alles zomaar
door het membraan kan. Zo hebben ionen speciale kanalen nodig (doordat ze geladen zijn). Een
voorbeeld zijn kalium kanalen en wanneer deze open staan is er een soort ‘strijd’ tussen de
chemische kracht, vanwege concentratieverschil, en elektrisch kracht, vanwege ladingsverschil. Het
evenwicht tussen twee krachten is het elektrochemisch evenwicht.
Concentratieverschil, wordt tot stand gebracht door ionpompen (transporters).
Evenwichtspotentiaal/Nernstpotentiaal, de spanning waarbij geen netto flux plaatsvindt.
Ionkanalen, we kennen meerdere soorten:
- Lekkanalen, staan eigenlijk altijd open en reageren niet op veranderingen in voltage. De
lekkanalen van neuronen zijn met name voor kalium en daarom ligt het rustmembraan-
potentiaal dicht bij EK. Met name passieve signalen worden hiermee gereguleerd.
- Ligand gemedieerde kanalen, gaan open of dicht bij binding van een ligand, zoals een
neurotransmitter.
- Voltage gated, gaan open of dicht bij veranderingen in het voltage van de cel. Deze zijn met
name betrokken bij actieve signalen, zoals actiepotentialen. Veranderingen in het
membraanpotentiaal, zorgen voor veranderingen in lading van het eiwit, waardoor die van
conformatie verandert.
- Lichtkanalen, zijn met name in algen aanwezig. Ze gaan open of dicht wanneer er licht op
valt en worden veel voor onderzoek gebruikt. Zie de channel rhodopsins in HCO1, 4 en 8.
- Mechanisch gereguleerd, in je huid, spierspoeltjes en haarcellen zitten kanalen die gevoelig
zijn voor mechanische veranderingen.
- Temperatuur, sommige kanalen reageren op veranderingen in temperatuur (ook HCO4).
Wet van Ohm, 𝑉 = 𝐼 ∗ 𝑅, zodra het over voltage en stroom gaat, moet je eigenlijk
meteen aan deze formule denken. Rechts zie je twee stromen waar een
membraan (als weerstand) tussen zitten. Een stroom veroorzaakt een
spanningsverschil en tegelijkertijd veroorzaakt een spanningsverschil stroom. Zo
zorgt een verandering in membraanpotentiaal voor een (passieve)
membraanstroom en zorgt een (actieve) stroom door een ionkanaal voor een
verandering van het membraanpotentiaal. Er zijn tegenwoordig technieken die
ervoor zorgen dat 1 v/d 2 constant blijft, zodat je maar 1 i.p.v. 2 variabelen hebt.
1
Conductantie, is hetzelfde als geleidbaarheid en het tegenovergestelde van weerstand: 𝑅 = 𝑔. Deze
term wordt in de neurobiologie verkozen over weerstand. Als je de wet van Ohm omschrijft met
𝑉
conductantie, krijg je 𝐼 = 𝑅 = 𝑔𝑉. De conductantie geeft aan hoe doorlaatbaar een membraan is en
of er dus kanalen openstaan. Kanalen zijn altijd specifiek voor één ion en je moet de wet van Ohm
dus per ion apart toepassen omdat de conductantie per ion verschilt. Zo kan het dat de kalium
kanalen wel openstaan, terwijl de natrium kanalen niet open staan.
Wet van Ohm 2.0, met deze informatie krijgen we de volgende wet van Ohm: 𝐼𝑋 = 𝑔𝑋 (𝑉 − 𝐸𝑋 ).
Hierbij staat 𝑔𝑋 voor de conductantie en deze verandert als ionkanalen openen en sluiten. Daarnaast
staat de drijvende kracht: (𝑉 − 𝐸𝑋 ). Dit is het verschil tussen het membraanpotentiaal en het
evenwichtspotentiaal van het betreffende ion. Deze hangt af van de ionconcentraties, want als het
membraanpotentiaal dicht bij het evenwicht zit door de verdeling van ionen zal de drijvende kracht
laag zijn. Dit is logisch want de ionen zijn dan ‘tevreden’. Het komt erop neer dat de stroom van een
specifiek ion, bv natrium, afhankelijk is van de geleidbaarheid van natrium en de drijvende kracht van
natrium. Het is belangrijk om geleidbaarheid en drijvende kracht als twee aparte zaken te bekijken.
Bij de piek van het actiepotentiaal rond +60 mV is de geleidbaarheid voor natrium bijvoorbeeld heel
hoog, maar de drijvende kracht niet, omdat het potentiaal dan dicht bij het ENa zit.
, Conclusie, je moeten de wet van Ohm per ion specifiek uitrekenen omdat de geleidbaarheid en
drijvende kracht verschillen tussen ionen. Dit verschil in drijvende kracht komt door verschillen in
evenwichtspotentialen. Verder loopt er een ionstroom als de betreffende ionkanalen open staan
(conductantie g > 0) én als de membraanpotentiaal verschilt van het evenwichtspotentiaal (drijvende
kracht ≠ 0). 𝐼𝑋 = 𝑔𝑋 (𝑉 − 𝐸𝑋 )
Omkeerpotentiaal, hierbij staat het ionkanaal open, maar loopt er geen stroom omdat V dan gelijk is
aan EX. Het omkeerpotentiaal is een eigenschap van een ionkanaal en kan dus verschillen per soort
kanaal, zo zal een natrium kanaal verschillen van een kalium kanaal. Er zijn echter ook kanalen in het
zenuwstelsel die meerdere ionen doorlaten, zoals glutamaat receptoren die zowel Na+ als K+
doorlaten. Je berekent het omkeerpotentiaal dan door naar de evenwichtspotentialen van zowel Na+
als K+ te kijken. In gevallen van 1 ion is de omkeerpotentiaal gelijk aan het evenwichtspotentiaal.
Voltage clamp methode, Hodgkin & Huxley hebben
deze techniek bedacht. De voltage clamp methode is
in staat het voltage van een cel te clampen (vast te
zetten). In de afbeelding zie je dat er 2 elektrodes
(ijzeren staafjes) in een inktvis axon gestoken zijn. In
humane axonen zou dit nooit passen en deze techniek
wordt dan ook alleen op squid giant axons toegepast.
Bij deze techniek wordt gemeten wat het
membraanpotentiaal is middels de recording
electrode. Deze waarde wordt dan vergeleken met de
referentie elektrode die buiten de cel aanwezig is om
het verschil te kunnen meten. Je hebt hier altijd 2
elektroden voor nodig. Als de gemeten waarde aankomt bij de voltage clamp amplifier wordt
gekeken of de waarde gelijk is aan het membraanpotentiaal naar keuze. Wanneer dat het geval is, zal
er niks gebeuren, maar wanneer er een verschil tussen zit, zal er een stroom geïnitieerd worden die
ervoor zorgt dat het membraanpotentiaal aangepast wordt. Je kan je voorstellen dat er geen stroom
loopt wanneer je het gewilde potentiaal instelt op het rustpotentiaal, maar als je bijvoorbeeld bij -50
mV wilt kijken welke kanalen er open staan en welke stromen er gaan lopen, zal je dat middels een
stroom van buitenaf moeten reguleren. Dit doe je dan door de command voltage in te stellen op -50
mV en dan doet het systeem de rest. Door bij te houden hoeveel stroom je moet injecteren om
de gewilde waarde uit te komen, weet je wat voor stroom er door het axon loopt.
Squid giant axon, moet je niet verwarren met een giant squid axon die afkomstig zijn van hele
grote inktvissen. De squid giant axons zijn namelijk afkomstig van een inktvisje dat maar 15-25
cm groot is, maar axonen heeft van 0.8 mm. Je ziet rechts de 2 grote axonbanen weergegeven.
Deze inerveren de spieren die het waterreservoir omgeven. Deze moeten heel snel
samentrekken wanneer een predator in de buurt is om te kunnen vluchten.
Voltage clamp experiment 1, links zijn de resultaten
weergegeven en hierin is te zien dat het systeem eerst
op het rustpotentiaal (-65 mV) gehouden wordt. Dan
gebeurt er vrij weinig, aangezien de cel niet ‘wil’
veranderen. Vervolgens wordt een stroom geïnjecteerd
om het membraanpotentiaal naar -130 mV te krijgen
(hyperpolarisatie). Je ziet daarna dat er een hele snelle en
korte stroom zal lopen. Dit is niet een stroom die door kanalen
heen gaat, maar een capacitieve stroom. Deze heb je
nodig om de capaciteit op te laden. Capaciteit houdt in dat
negatieve ladingen vanaf de binnenkant tegen het
membraan aan gaan zitten, omdat ze zich aangetrokken
voelen tot de positieve lading die aan de andere kant van het membraan zit. Wanneer de je het
membraanpotentiaal opeens veel negatiever maakt (- 130 mV), zullen er meer ladingen aan het
membraan gaan zitten. Deze extra positieve en negatieve ladingen moeten zich verplaatsen en
