Eletrisk Informasjonsoverføring Flashcards Preview

Cellebiologi > Eletrisk Informasjonsoverføring > Flashcards

Flashcards in Eletrisk Informasjonsoverføring Deck (23):
1

Beskriv mekanismene som glutamat og GABA generelt anvender for å fremkalle endringer i postsynaptiske cellers membranpotensiale, og navngi de to hovedtyper av postsynaptiske responser.

Både glutamat og GABA-reseptorene er ligand-regulerte ionekanaler, dvs. at binding av ligandene til sine reseptorer vil åpne ionekanalene og tillate at de spesifikke ionene kna strømme gjennom membranene, drevet av sine elektrokjemiske drivkrefter. Den viktigste glutamatreseptoren er i hovedsak natriumkanal, og membranpotensialet går derfor mot natriumionets Nernst-potensial, dvs. mot overskudd av positiv ladning på innsiden av membranen. Denne respons kalles et eksitatorisk postsynaptisk potensial. Den viktigste GABA-reseptoren er en kloridkanal, og membranpotensialet går derfor mot kloridionets Nernst-potensial, dvs. mot en svak økning av negativ ladning på innsiden av membranen. Denne respons kalles et inhibitorisk postsynaptisk potensial.

2

Beskriv hvordan nerveceller avgjør om den innkommende informasjon fra både eksitatoriske og inhibitoriske synapser skal resultere i at et aksjonspotensial blir utløst, og diskuter mulige mekanismer som kan endre sannsynligheten for at dette skjer.

Nerveceller utløser sine aksjonspotensialer i aksonhalsen. I dette området finnes en høy tetthet av spenningsregulerte ionekanaler, og hver gang membranpotensialet i dette lokale området overstiger terskelverdien til de spenningsregulerte natriumkanalene blir aksjonspotensialet utløst. Alle endringer i membranpotensialet som ved passiv ledning kommer inn i denne delen av cellen blir elektrisk summert med det foreliggende membranpotensialet. Resultatet fører rent molekylært til at den postitivt ladete spenningssensoren (S4-transmembrandomenet i de spenningsregulerte ionekanalene) enten vil bli delvis skjøvet ut av cellen (dette skjer ved intracellulær depolarisering, og øker sjansen for at kanalen åpner seg) eller at den delvis vil bli dratt inn i cytoplasma (dette skjer ved intracellulær hyoerpolarisering og senker sjansen for at kanalen åpner seg). Endring av sannsynlighet for disse ting kan skje vil oppnås ved at størrelsen og varighetene på EPSPene eller IPSPene blir variert (terskelverdien er vanligvis konstant). Dette kan igjen være et resultat av variasjoner i synaptiske aktivitet, fremkalt enten av økt presynaptisk transmitterfrisetning eller økt mengde postsynaptisk strøm av ioner gjennom de ligandregulerte reseptorkanalene. Det siste kan oppnås enten ved at reseptorkanalene binder mer transmitter over en lengre tidsperiode, at de øker sin ionepermeabilitet (mulig å oppnå ved posttransjonelle modifikasjoner av kanalproteinet, for eksempel fosforylering) eller at flere reseptorkanaler blir tilgjengelig i synapsen, det siste er hovedårsak til langtidspotensiering slik den foregår i hjernesynapser

3

Beskriv hovedtrekkene i de molekylære og elektriske mekanismene som i tverrstripet muskulatur overfører responser fra den motoriske endeplaten til frisetning av Ca2+ -ioner fra sarkoplasmisk retikulum.

Endeplaten respons på nevrotransmitteren ACh er et lokalt EPSP (i muskel benevnt endeplatepotensialet) som depolariserer den lokale muskelmembranen til langt over terskelverdien for de lokale spenningsregulerte natriumkanaler. Siden muskelcellenes membran har spenningsregulerte natriumkanaler spredt ut over hele overflaten blir det utløst et aksjonspotensial, og dette sprer seg utover hele membranen og inn i T-rørene. I disse rørene fremkaller aksjonspotensialet en kraftig konformasjonsendring av et spenningsfølsomt protein i T-rørene membran som, via en sløyfe i cytosol, har direkte protein-protein kontakt med en Ca2+ kanal i membranen til det sarkoplasmatiske retikulum. Interaksjonen mellom disse proteiner fører til at denne SR-kanalen åpnes, og Ca2+ strømmer fra det store intracellulære Ca2+-lageret i SR inn i cytosol.

4

Beskriv basis for membranpotensialet i eukaryote celler, og begrunn hvorfor senket permeabilitet for K+-ioner gjennom de ATP-følsomme kanalene vil føre til depolarisering av plasmamembranen i betacellene.

Basis for membranpotensialet er en kombinert effekt av skjevfordeling av ioner, først og fremst natrium-og kaliumioner, over membranen, samt en elektrokjemisk drevet transport av i hovedsak cellens innside til utsiden. Skjevfordeling av ionene oppnås ved at alle celler har natrium/kaliumpumper, som kontinuerlig forflytter tre natriumioner ut av cellen og to kalium ioner inn i cellen under forbruk av ATP. Dette fører til en markert skjevfordeling (økt natrium i ekstracellulærvæske og økt kalium i cytosol) samt et lite overskudd av negativ ladning inne i cellene. Samtidig har alle celler kaliumkanaler som i hovedsak står åpne (kalium lekkasje kanaler), og disse slipper kaliumioner tilbake utav cellene pga den store konsentrasjonsforskjellen mellom innside og utside forårsaker av pumpen. Dette fører til en markert forflytning av positiv ladning utav cellen. Resultatet idet elektrokjemisk likevekt blir nådd er et markert membranpotensial, med innsiden negativ og utsiden positiv. Når ATP-følsomme kaliumkanaler i betacellene blir hemmet vil kaliumeffluksen bli mindre, mer positiv ladning forblir inne i cellen of det intracellulære membranpotensialet blir mindre negativ (membranen depolariserer)

5

Beskriv mekanismene som er ansvarlige for at synaptiske vesikler i nerveceller er fylt opp med nevrotransmittere (for eksempel acetylkolin, glutamat eller GABA)

Transmitterakkumelering i synaptiske vesikler baserer seg på at en ATP-krevende protonpumpe i vesikkelen (såkalt V-ATPase) pumper protoner inn i vesiklene (til pH blir Ca 5.5). De ulike vesikulære transmittertransportører fungerer deretter som antiporttransportører i hver sine spesifikke vesikler. Pga protongradienten kan transportøren hente transmitteren fra cytosol inn i vesikkellumen mot frakt av protoner ut i cytosol

6

Beskriv cellebiologiske og molekylære mekanismer som medvirker i eksocytose va synaptiske vesikler fra nerveterminaler.

De viktigste mekanismer som deltar i eksocytose av synaptiske vesikler er først og fremst produksjon av vesiklene i Golgi-apparatet, transport av vesiklene (kinesin-drevet via mikrotubuli) ut til nerveterminalen og der organisering av dem i flere lagre, viktigst er et resevrelager og et frisettbart lager. Eksocytosen av vesiklene blir gjennomført ved at de frisettbare vesikler som ligger nær membranen blir bundet (docking) via identifiserte proteininteraksjoner til membranen. Molekylære mekanismer som så følger består av at et sett med membranproteiner på vesikkeloverflaten (kalt v-(vesikkel)-SNARE-proteiner) og et sett med membranproteiner på innsiden av plasmamembranen kalt mål-SNARE-proteiner (t-(target)-SNAREs) inngår en tett sammenkobling og ender som et SNARE-kompleks på innsiden av membranen. Eksocytosen aktiveres ved at kalsiumkanaler åpnes ved depolariseringer av nerveterminalmembranen, kalsiumioner strømmer inn og binder til en kalsiumsensor som fører til at SNARE-komplekset komprimeres slik at de to fosfolipidmembranene smelter totalt sammen. Innholdet i vesikkelen kan nå strømme ut i den synaptiske spalten.

7

Beskriv kort mekanismene som ligger bak dannelsen av aksjonspotensialer i nerveceller. Diskuter mekanismene som er ansvarlig for de absolutte og relative refraktærperioder

Aksjonspotensialer opppstår i eksitable membraner ved at spenningsregulerte natriumkanaler åpnes ve ddepolarisering av membranen til terskelverdi. Innstrømning av natriumioner gjennom kanalen varer til ladningen intracellulært er blitt positiv og den elektrokjemiske drivkraften (kjemisk: konsentrasjonsforskjell, elektrisk: spenningsforskjell) er fjernet. Litt langsommmere vil også en spenningsregulert kaliumkanal åpnes ved depolarisering, kaliumioner strømmer ut og tar med positiv ladning inntil den elektrokjemiske drivkraften blir svekket (v/hyperpolarisering). Den absolutte refraktærperiode oppstår når natriumkanalen har ført til positiv ladning intracellulært: en intracellulær sløyfe av ionekanalproteinet blir nå rørt inn i og lukker kanalens indre åpning (som en propp). I denne situasjon er kanalen inaktivert og kan ikke åpnes uansett stimuleringsintensitet. Når proppen deretter faller ut vil den relative refraktærperioden oppstå i det utstrømmong av kaliumioner nå repolariserer membranen til sterkt negativt potensialforskjell (innside negativ, "after hyperpolarization", AHP). I denne periode kan et aksjonspotensial fremkalles, men det trengs sterkeee stimulus enn ved vanlig membranpotensial.

8

Beskriv hvorledes nevrotransmittermolekyler blir akkumulert i synaptiske vesikler i nerveterminaler.

Nevrotransmittermolekyler (som produserer eller konsentreres i nerveterminalens cytosol) blir lagret i synaptiske vesikler ved en to-trinnsprosess. Først: alle synaptiske vesikler blir kontinuerlig surgjort ved at en vesikulær protonpumpe (H+-ATPase) frakter protoner inn i vesikkellumen under forbruk av ATP. Deretter vil de spesifikke nevrotransmitterne vil så hentes inn (mot en bratt konsentrasjonsgradient) via spesifikke transportproteiner, som altså fungerer som proton-transmitter antiporter.

9

Gjør kort rede for de viktigste molekyler, organeller og mekanismer som er ansvarlig for frisetting av nevrotransmittere fra nerveterminaler.

Frisetning av nevrotransmittere fra nerveterminaler er avhengig av at transmittere er lagret i vesikler, at vesiklene og membranene har intakte SNARE-proteiner, at plasmamembranen har spenningsregulerte kalsiumkanaler, og at vesiklene har et kalsiumbindene protein som kan aktivere eksocytose. Mekanismen krever at aksjonspotensialer gir depolarisering og åpning av kalsiumkanaler, at frisettbare vesikler via spesifikke proteiner blir bundet (dovked) til presynaptisk membran og kjemisk forberedt (primet) for eksocytose og at deres komplekser av SNARE-proteiner og synaptotagmin (det kalsiumbindende proteinet) så reagerer på kalsiuminfluks ved å gi sammensmelting av vesikkel- og plamamembranene.

10

Gjør rede for den histologiske oppbygning av perifere nerver, gjerne ved bruk av tegning.

Perifere never består av ansamlinger av aksjoner som ligger samlet i en eller mange fasikler. Hver fasikler er omgitt av perinevrium, er fast bindevev. Fasiklene ligger ytterst omgitt av er løsere bindevev som inneholde fettvev. Innvendig i hver fasikkel finner vi både myeliniserte og ikke-myeliniserte aksoner omgitt av støtteceller (Schwannske celler) og løst bindevev med blodkar (endonevrium). Perinevriecellene produserer basalmembran, slik ar perinevriet blir tettere og mindre permeabelt, kan ha en funksjon i å isolere aksonene mot elektrisk eller kjemisk påvirkning. Aksonene inne i hver fasikkel ligger anordnet i et bølgemønster, dette sikrer at bindevevet stammes før aksonene ved strekk, og reduserer risikoen for at aksoner rives i to deler. Aksoner som lenger perifert skal forlate nerven i samme gren samles på forhånd i samme fasikkel.

11

Kjertler og glatt muskulatur er ofte regulert av påvirkning fra autonome (sympatiske eller parasympatiske) fibre i det perifere nervesystemet. Hva forstår vi i denne sammenhengen med begrepet ganglion?

I denne sammenhengen betyr ganglion en samling av nervecellelegemer utenfor sentralnervesystemet. Det kan i tillegg være synapser her, slik som i parasympatiske ganglion men det er ikke tilfelle ti spinalganglier.

12

Navngi synapsepotensiqler som fremkalles i eksitatoriske og inhibitoriske synapser i sentralnervesystemet, og beskriv endringene i ionepermeabilitet og membranpotensialer som ligger til grunn for disse potensialene

Synapsepotensialene i eksitatoriske synapser kalles generelt for eksitatoriske postsynaptiske potensialer (EPSP). (I nervemuskelsynapsen: endeplatepotensialer, EPP). Disse fremkommer som en depolarisering av membranpotensialet, oftest fremkalt av en økt natrium-permeabilitet gjennom for eksempel glutamat- eller acetylkolinreseptorenes kanaler. Resultat blir opphopning av positiv ladning på innsiden av membranen. I inhibitoriske synapser kalles synapsepotensialene for inhibitoriske postsynaptiske potensialer. Disse fremkommer oftest som en svak hyperpolarisering, fremkalt av en økt kloridion-permeabilitet gjennom for eksempel GABA reseptorenes kanal.

13

Beskriv noen mekanismer som endrer sannsynligheten for at det oppstår aksjonspotensialer i nervecellene aksonhals

Aksjonspotensialer blir generelt utløst ved ar den lokale membranen depolariserer til en gitt terskelverdi. For at synapsepotensialer ute i dendrittene kan nå dette membranpotensialet må positiv ladning føres til innsiden av membranen i aksonhalsen. Både EPSPer og IPSPer vil bli ledet via passiv elektrisk ledning fra synapsene og inn til cellekroppen. En forsterker tendens til depolarisering i dette området oppnås ved summasjon av EPSPer fra flere synapser, for eksempel ved at flere synapser på ulike steder i dendrittene stimuleres samtidig, og/eller at flere stimulerte synapser ligger tett ved hverandre. Resultatet av summasjon blir økt depolarisering, som kan nå terskelverdien. Hyperpolariseringer fra ulike IPSPer kan summeres på samme måter, dette senker sannsynlighet for at aksjonspotensialer utløses

14

Beskriv strukturen av myeliniserte aksoner, inkludert Ranvierske knuter, og navngi de cellene som produserer slike strukturer.

Aksoner med plasmqmembran, som omgis av flere lag med tett sammenklistrete gliacellemembraner, produsert i sentralnervesystemet i oligodendrocytter, i det perifere nervesystemet i Schwannske celler

15

Beskriv ledning av aksjonspotensialer langs myeliniserte og ikke-myeliniserte aksoner og angi den viktigste funksjonelle forskjellen mellom disse forskjellige aksonene.

Myeliniserte aksoner har spenningsavghengige ionekanaler i de såkalte Ranvierske knuter, som representerer mellomrommet mellom to myelinsegmenter og som derfor fremskaffer kontakt mellom aksonmembranen og ekstracellulær væske. I områdene mellom knutene er aksonplasmamembranen både isolert av myelin og inneholder heller ikke noen spenningsregulerte ionekanaler. Disse membranområdene generer derfor ikke aksjonspotensialer. Ledningen av aksjonspotensialer foregår derfor ved rask, passiv ledning (hoppende, saltatorisk ledning) fra den ene knuten til den bestem som igjen produserer lokaliserte aksjonspotensialer når den utsettes for depolarisering. Ikke-myeliniserte aksoner anvender kontinuerlig aksjonspotensialdannelse gjennom hele aksoner, der opphopning av ladning rundt den indre åpning av aktiverte spenningsregulerte ionekanaler ledes passivt til nabokanalen, som igjen åpner seg og slipper ladete ioner gjennom. Dette repeteres for hver ionekanal gjennom aksoner lengde, noe som gir betydelig forsinkelser i ledningshastigheten i forhold til den saltatoriske ledningen i myelinserte aksoner.

16

Diskuter de mekanismene og drivkrefter som ligger til grunn for at nevrotransmittere kan lagres inne i synaptiske vesikle.

Standard synaptiske transmittere blir syntetisert i nerveterminalens cytoplasma/ mitokondrier, og at alle kjemiske synapser deretter akkumulerer nevrotransmittere fra cytoplasma inn i synaptiske vesikler via en koblet transport. Mekanismer for dette er som følger: synaptiske vesikler har en protonpumpe (V-ATPase) som under forbruk av ATP-pumper protoner fra cytoplasma inn i vesiklenes hulrom. Disse protoner binder seg til der relevante transportproteinet mens nevrotransmitteren (lokalisert cytoplasma) samtidig vil bindes til transportproteinet på vesikkelenes utside. Via antiport-mekanisme (exchange transport) blir protonene flyttet tilbake til cytoplasma med sin konsentrasjonsgradient, mens transmitteren forflyttes inn i vesikkelens hulrom mot en betydelig konsentrasjonsgradient. Uten opprettholdelse av protongradienten vil lagringen av transmitter raskt stoppe.

17

Diskuter kort de viktigste mekanismene som fører til at synaptiske vesikler i nerveterminalens cytoplasma trafikkeres til cellemmebranoverflaten der frisettingen skal foregår.

Nerveterminaler inneholder svært lite tubulin og trafikkering av vesikler fra cytoplasma ut til overflaten foregår langs aktinfilamenter (trolig ved hjelp av motoproteinet myosin), delvis hjulpet av proteinet synapsin. Binding av vesiklene til det riktige området på overflatemembranen (docking) foregår så ved hjelp av SNARE-proteiner, her bør dannelsen av SNARE-komplekset mellom v- og t-snarer være kort beskrevet.

18

Beskriv den elektriske responsen som skapes på grunn av ionestrømmene som derved oppstår i den postsynaptiske membranen, med hovedvekt på hvorledes de ulike komponentene av den elektrokjemiske gradienten påvirker responsen retning og størrelse

Økning av permeabilitet for natrium fører til at membranpotensialet går mot natrium-potensialet som er positivt på innsiden, mens økning av permeabilitet for kalium fører til at membranpotensialet får mot kalium-potensialet, som er negativt på innsiden av membranen. De elektrokjemiske drivkreftene som driver ionene har ulike retninger. Natriumionets konsentrasjon er størst på utsiden og ionet vil derfor av kjemiske grunner strømme inn i cellen. De positivt ladete natriumioner blir i tillegg av elektriske årsaker også tiltrukket av den negative innsiden, totalt blir den elektrokjemiske gradient for natriumionene meget sterk og gir betydelig opphopning av natrium intracellulært. Motsatt er kaliumionets konsentrasjon størst intracellulært og ionet vil derfor strømme ut av cellen. Imidlertid vil kaliumionene av elektriske grunner (positivt ladete ioner) ikke gå samme retning, men heller bli tiltrukket av den intracellulære negative ladning, dette gir en viss anrikning av kaliumioner intracellulært. Totalt sett er konsekvensen av disse kaliumbevegelsene en relativ svak hyperpolarisering pga svak utstrømming av kaliumioner. Summert for begge ioner vil hvilemembranpotensialet bli endret i positiv, depolariserende retning, og gi et eksitatorisk postsynaptisk potensial (EPSP).

19

Diskuter mulige mekanismer som på kort sikt kan endre hvilemembranpotensialet i nerveceller i eksitatorisk eller inhibitorisk retning

Eksitatorisk transmittere gir depolarisering via relativ oppphopning av positive ioner inne i cellen, dvs ved å åpne natriumkanaler eller lukke kaliumkanaler. Inhibitoriske transmittere gir hyperpolarisering via relativ opphopning av negative ioner inne i cellen, dvs ved å åpne kloridkanaler. Siden Na+/K+-pumpen er kjent å skjevfordele ioner, idet tre plussladninger går ut av cellen hver gang 2 plussladninger går inn, er det også en mulighet at membranen kan bli hyperpolarisert ved at pumpen aktiveres, mens den blir depolarisert ved at pumpen blir hemmet.

20

Beskriv de ulike endringene av membranpotensial som oppstår når et aksjonspotensial utløses i en nervecelle.

Aksjonspotensialet utløses når membranpotensialet når terskelverdien. Heretter opptrer tre ulike potensialendringer:
1. Spenningsregulerte natriumkanal åpnes, natrium strømmer inn og membranpotensialet reverseres til positiv innside.
2. Natriumkanalen inaktiveres, spenningsregulerte kaliumkanal åpnes, og den absolutte refraktærfase begynner. Membranpotensialet blir ført tilbake til negativ innside. Inaktiveringen av natriumkanalen blir avsluttet pga det normale negative membranpotensialet.
3. Kaliumkanalen står fremdeles åpen og slipper ut kaliumioner. Denne effluks av positive ioner gir en etter hyperpolarisering som er ansvarlig for å øke spenningsforskjellen mellom membranpotensialet og natriumkanalens terskelverdi. Dette gir seg i uttrykk i den relative refraktærperiode. Etter at kaliumkanalen lukkes går membranpotensialet tilbake til hvileverdi

21

Beskriv kort forskjellen i histologisk oppbygning av myeliniserte og ikke myeliniserte nervefibre, gjerne ved hjelp av en tegning.

Nervecellers aksoner omsluttes tett av støtteceller, både i sentralnervesystemet og i det perifere nervesystem. Ikke-myeliniserte aksoner i det perifere nervesystem er omsluttet av Schwannske celle (men ligger ikke inne i deres cytoplasma). De myeliniserte aksonene er omsluttet av multiple lag med membran og litt cytoplasma fra Schwannske celler eller oligodendrocytter. Brede utvekster av disse støttecellene er viklet rundt aksoner et varierende antall ganger, med svært lite cytoplasma mellom membranlagene. Dermed oppnås en god elektrisk isolasjon i myelinlagene rundt aksonene. Mellom myelinkjedene finnes korte partier der aksoner ikke er dekkets disse kalles Ranvierske knuter.

22

Beskriv hvordan ledning av aksjonspotensialer, utløst i nervecellens aksonhals foregår i begge fibertyper

Aksjonspotensialets ledning langs ikke-myeliniserte aksoner foregår ved at aksjonspotensialer utløses først i en definert spenningsregulert natriumkanal. Dette fører til lokal depolarisering pga økt mengde natriumioner på innsiden av membranen. Pga passiv spredning av denne depolariseringer vil nabokanalene påvirkes i der den lokale membranspenning når terskelverdien, og denne nye kanalen utløser et nytt aksjonspotensiale. Prosessen vil deretter bli videreført via hver ny spenningsregulert natriumkanal som blir depolariset til terskel. Siden aksjonspotensialet har en del innebygde forsinkelser (spesielt depolariserings-induserte refraktærperioder), vil ledningen langs slike fibre bli relativt langsom. Ledning i myeliniserte fibre endres ved ar de myeliniserte områder ikke er eksiterbare (mangler spenningsregulerte ionekanaler) og depolariseringer inne i aksonene ledes derfor passivt i disse segmentene. I avsnittene som ligger mellom de myeliniserte segmentene (de Ranvierske knuter) finnes i høy konsentrasjon av slike kanaler, og her vil aksjonspotensialene utløses hver gang depolariseringen går til terskelverdi. En slik hoppende ledning er vesentlig raskere enn den i ikke-myeliniserte fibre.

23

Beskriv ionekanalresponser, membranpotensialendringer og refraktærperioder som oppstår under et vanlig aksjonspotensial inne eksitabel celle

5 trinn
1. Membranen depolariserer til terskelverdi ved at positive ladninger opphopes på innsiden av membranen, vanligvis via åpning av ulike Na+ kanaler
2. Spenningsregulerte Na+ kanaler åpner sin port kanalens terskelverdi blir nådd.
3. Disse kanalene inaktiveres raskt ved maksimal depolarisering ved ar en proteinpropp settes inn i kanalen, ionetransporten stopper og kanalen går inn i absolutt refraktærperiode, selv om porten fremdeles står åpen.
4. Spenningsregulert K+ kanal åpnes samtidig og membranen repolariseres derfor til vanlig membranpotensial. Nå lukke Na+ kanalens port og inaktiveringen blir også avsluttet.
5. K+ kanalen står til slutt alene åpen. Dette gir en ekstra hyperpolarisering og en relativ refraktærperiode. Ved K+ kanalens likning er aksjonspotensialet slutt.