2. Rol van ionenkanalen: elektrogenese

2. Rol van ionenkanalen: elektrogenese

2. Rol van ionenkanalen: elektrogenese Alle cellen in ons lichaam kunnen elektrische fenomenen opbouwen, die voor tal van celfuncties en voor het overleven van en cel belangrijk zijn. Prikkelbaarheid is het vermogen van de cel om op veranderingen in de omgeving te reageren. Enkele cellen beantwoorden prikkels met specifieke veranderingen van membraankenmerken met als gevolg de stimulatie van een actiepotentiaal. 2.1

Elektrofysiologische methoden

In een cel ontstaat een potentiaalverschil tussen binnen en buiten, de membraanpotentiaal. Om zulke mechanismen met als gevolg potentiaalveranderingen te kunnen bestuderen, moet een meetmethode beschikbaar zijn. De membraanpotentiaal kan gemeten worden door het aanwenden van de nu klassieke micro-elektroden techniek. Een micro-elektrode bestaat uit een glazen buisje, uitgerekt tot een fijne punt met diameter < 1 µm en gevuld met een goed geleidende oplossing (3 M KCl). Dit type van elektrode kan doorheen het celmembraan in het intracellulair milieu aangebracht worden. De potentiaal wordt tussen de intracellulaire micro-elektrode en een indifferente extracellulaire elektrode gemeten (figuur 2.1). Met de patch clamp methode kan, na vorming van een “giga seal” en doorbreken van het celmembraan, makkelijk de membraanpotentiaal worden gemeten.

15


Figuur 2.1: Voor het meten van de membraanpotentiaal V wordt een pipette in de cel gestoken. De lek (RS) tussen glas en cel bepaalt de meting. De rustpotentiaal is nagenoeg een K+ evenwichtspotentiaal, RK is de reciproke K+conductantie. V is alleen identiek met de rustpotentiaal als RS zeer veel groter dan RK is.

Stroommetingen worden met de “voltage clamp” methode uitgevoerd. Voor een stroom van de ionensoort i geldt

I i = g i (V )∗ (V M − E i ) met als membraankonduktantie gi en de drijvend kracht VM - Ei. Om de stroom juist te kunnen meten moet dus de drijvende kracht constant blijven maar moet de invloed van de potentiaalafhankelijkheid van g uitgeschakeld worden. Om deze reden werd een methode ontwikkeld die de membraanpotentiaal vastklemt (spanningsklem, “voltage clamp”). Aan een versterker A2 wordt een commando spanning geappliceerd, Vcmd. Aan deze spanning moet de cel worden geklemd (via elektrode ME2). Met de electrode ME1 wordt de membraanpotentiaal gemeten (versterker A1). Het spanningssignaal wordt terug gekoppeld naar A2. Is er een verschil tussen dit signaal en Vcmd wordt een stroom in de cel gestuurd die het verschil weer compenseert. De stroom die voor deze spanningscompensatie nodig is, is de membraanstroom die bij de potentiaal Vcmd vloeit.

16


Figuur 2.2: voltage clamp meting. De membraanpotentiaal van een cel wordt aan een vrij gekozen potentiaal Vcmd (van”command”) geklemd. Elektrode 1 (ME1) meet de membraanpotentiaal. A2 is een differentieversterker. Als de differentie (VM - Vcmd) van nul verschilt, wordt via elektrode ME2 een stroom in de cel teruggestuurd (feedback) die het potentiaalverschil opheft ( is de elektrodenweerstand).

Een verdere methode om ionenstromen te kunnen bestuderen onder voltage clamp condities, is de patch-clamp techniek. “Patch clamp” is een methode, niet allen om een zeer kleine zone van een membraan te onderwerpen aan een spanningsklem en zodoende de stroom door individuele kanalen te bestuderen maar ook om na acces stromen door het ganse celmembraan te bestuderen (“whole cell” versie van de “patch clamp” techniek). Dus, door deze methode zijn middels verschillende varianten (configuraties) verschillende metingen mogelijk: a) membraanpotentiaal metingen, b) metingen van individuele ionenkanalen, c) metingen van grote populaties van ionenkanalen in een membraan - patch (macro patch methode), d) stroommetingen van het hele celmembraan (“whole cell” methode), e) opladen van cellen via de patch-pipette met verschillende substanties, f) het meten van de membraancapaciteit om bvb. exocytose te kunnen volgen.

17


versterker

V M [mV] VM

0

metingen

-50

microelectrode -100

-150

E K = (RT/F) ln ( [K+] e/ 140 ) uitwisseling van oplossingen met verschillenden K + concentraties, [K + ]e

-200

-250 0.001

[K+] e [mM] 0.01

0.1

1

10

100

figuur 2.3: rustpotentiaal meting met veranderingen in de extracellulaire K+ concentratie. De rechte is de NERNST vergelijking.

2.2

Rustpotentiaal

De rustpotentiaal als een diffusie potentiaal werd al besproken. Een meting van deze potentiaal met bvb. een micro-electrode geeft het volgende resultaat aan: Het inwendige van de cel is negatief t.o.v. het extracellulair milieu als van een normale extracellulaire K+ concentratie van 5 mM uitgegaan wordt. De rustpotentiaal is dan ongeveer tussen -65 en -80 mV wat voor vele celtypen kenmerkend is. Wordt nu de extracellulaire K+ concentratie veranderd, dan verandert ook de rustpotentiaal. Voor hoge K+ concentratie volgt de rustpotentiaal de evenwichtspotentiaal voor K+ , EK . Bij lagere K+ concentraties depolariseert de cel meer en wordt een duidelijk verschil tussen rustpotentiaal en EK aangetoond. Dat wordt door twee feiten verklaard: 1. gK neemt bij lagere K+ concentraties weer af, dus neemt de invloed van de Na+ conductantie relatief toe. Daalt de extracellulaire K+ concentratie dan daalt ook de conductantie van het K+ “inward rectifier” kanaal., 2. ontbreekt [K+]e wordt de Na+ / K+ pomp geïnhibeerd die normaliter een hyperpolariserende bijdrage tot de rustpotentiaal aflevert.

18


Box 1: De rustmembraanpotentiaal Vr is dus de membraanpotentiaal als de netto membraanstroom, IM, gelijk is aan nul : IM = 0

Vr =

gK ∗ E K + g Na ∗ E Na + gCl ∗ ECl +... gK + g Na + gCl +...

De membraanpotentiaal streeft altijd naar de evenwichtspotentiaal van die ionensoort waarvoor die de grootste conductantie bestaat (bvb. geactiveerde kanalen).

V M [mV] E Na

versterker 0 VM

stroominjektie electrode 1

electrode 2

drempel -80 mV 1 ms

EK

I [mA/cm2]

prikkel

figuur 2.4: meten van een actiepotentiaal

2.3

Actiepotentialen

Een elektrische stroom wordt als een prikkel doorheen het plasmamembraan gestuurd. Door het intracellulaire toedienen van positieve ladingen wordt een membraandepolarisatie veroorzaakt. Door deze lokale deppolarisatie wordt de membraanpotentiaal voor korte tijd op een waarde enkele mV positiever dan het rustpotentiaal gebracht. Na het beëindigen van de prikkel keert de membraanpotentiaal spontaan terug naar de rustwaarde. Deze verandering volgt gewoon het passieve circuit van het membraan (parallelschakeling van membraancondensator en

19


membraanweerstand, figuur 2.4, spanning tussen rustpotentiaal en drempel) en wordt electrotonus genoemd. Wanneer echter in prikkelbare cellen (zenuwcellen, spiercellen) de cel hierdoor boven een bepaalde drempelpotentiaal (meestal 5 tot 10mV boven de rustwaarde, de membraandrempel is de potentiaal waar met een kans van 0.5 een actiepotentiaal ontstaat) gedepolariseerd wordt, dan ontstaat een actiepotentiaal. Er wordt dan in het membraan een mechanisme geactiveerd waardoor de membraanpotentiaal plots een grote, snelle en transiënte verdere depolarisatie vertoont. Deze potentiaalverandering gaat meestal zo ver door dat gedurende korte tijd de membraanpotentiaal de nulwaarde voorbijschiet ("overshoot") en het intracellulair midden positief wordt t.o.v. het extracellulair midden (tot +40 mV). De actiepotentiaal speelt een belangrijke rol bij de informatieoverdracht in de cel. Stel het volgende experiment: in een geïsoleerd spierbundel of neuron, of zenuw wordt een depolariserende stroom geappliceerd. Deze prikkel veroorzaakt een snelle verandering van de membraanpotentiaal: een snelle depolarisatie wordt gevolgd voor een trage repolarisatie en dikwijls een hyperpolarisatie voordat de membraanpotentiaal naar zijn rustwaarde terugkeert.

20 ms

figuur 2.5: Actiepotentialen van verschillende weefsels. A) hartcel, sinusknoop die automatisch AP´s genereert, B) AP van een cardiale arbeidsvezel, let op het lange plateau, C), skeletspier met een negatief na-potentiaal, D) neuron met hyperpolarisatie.

20


De actiepotentialen verschillen in duur en vorm in verschillende weefsels. Weefsels die een actiepotentiaal kunnen genereren worden “prikkelbaar” (“excitable”) genoemd. In figuur 2.5 worden enkele voorbeelden gegeven voor zenuwen, skeletspieren, gladde spier en hartspier. Een actiepotentiaal bestaat uit een depolarisatie- en repolarisatiefase die soms door een plateau verbonden zijn. Gedurende de snelle depolarisatiefase ontstaat niet alleen een daling van de polariteit van de membraancondensator (depolarisatie), maar wordt het intracellulair milieu positief t.o.v. het extracellulair milieu. De duur van deze depolarisatiefase bedraagt ongeveer 1 ms en de maximum depolarisatie - snelheid, (dV/dt)[max], varieert tussen 100 en 800 V/sec. In zenuwvezels, skeletspieren en de meeste gladde spieren volgt hierop een snelle repolarisatie. Gedurende deze fase herstelt zich de normale polariteit van het membraan. In de hartspier en in sommige gladde spieren blijft het membraan na de snelle depolarisatie gedurende een zekere tijd (100-500 msec) op een waarde dicht bij de nulpotentiaal (plateau - fase), alvorens snel te repolariseren. Tenslotte kan de repolarisatiefase al of niet gevolgd worden door een na-depolarisatie (skeletspier, gladde spier) of een na-hyperpolarisatie (zenuwen, gladde spieren, hartspier).

2.4

Diversiteit van ionenkanalen

In het vorige hoofdstuk hebben wij gezien dat een enorme variabiliteit bestaat in actiepotentialen van verschillende weefsels. Deze variabiliteit wordt vooral veroorzaakt door expressie van verschillende types van ionenkanalen. Alle ionenkanalen die een inwaartse stroom doorlaten verlengen de actiepotentiaal en veroorzaken een depolarisatie. Uitwaartse ionenstromen korten de actiepotentiaal in, induceren een repolarisatie of hyperpolarisatie en herstellen dus de rustpotentiaal. De richting van de ionenstroom wordt natuurlijk bepaald door hun omkeerpotentiaal, die identiek is met de evenwichtspotentiaal als het om selectieve kanalen gaat. Anders is de omkeerpotentiaal een mengpotentiaal uit verschillende evenwichtspotentialen. Dus, als (VM – Erev ) > 0 dan wordt door het respectieve kanaal de actiepotentiaal verkort, is (VM-Erev) < 0, dan wordt een verlenging veroorzaakt. Ionenkanalen met een meer positief omkeerpotentiaal depolariseren, diegene met een meer negatieve omkeer potentiaal repolariseren. 2.4.1

Na+ kanalen

Na+ kanalen zijn voor een snelle informatieoverdracht verantwoordelijk. Ze veroorzaken celdepolarisatie. Het bestaan van inactivering is enorm belangrijk voor een 21


tijdelijke beperking van de celdepolarisatie en helpt K+ kanalen de cel weer de repolariseren. Inactivering alleen kan geen repolarisatie veroorzaken (geen uitwaartse stroom). Na+ kanalen bestaan uit een kanaalvormend α – sub-eenheid en een ß – subeenheid (skeletspier α-ß, hersenen α-ß1-ß2, zie figuur 1.7). Voor de α-sub-eenheid bestaan tenminste acht, voor de ß - sub-eenheid tenminste 2 genen. De ß- sub-eenheid versnelt de inactivatie (figuur 2.6). Figuur 2.6B toont een “single channel” meting van Na+ kanalen.

A.

B.

Figuur 2.6. A: Snelle activering en inactivering van Na+ kanalen. Afwezigheid van de ß-subeenheid vertraagt de inactivering. B: “Gating” van Na+ kanalen. Opengaan aan het begin van de activerende spanningspuls veroorzaakt een snelle activatie. Het kanaal kan niet heropenen omdat de geïnactiveerde toestand bereikt werd en het heropenen zeer traag is. C. De gemiddelde stroom van opeenvolgende metingen is een equivalent voor de “whole cell” Na+ stroom.

2.4.2

Spanning - gestuurde K+ kanalen, Kv

In alle prikkelbare cellen wordt het repolarisatieproces versneld doordat, eveneens als gevolg van de depolarisatie, de conductantie voor K+ ionen is toegenomen. Hierdoor zal meer K+ de cel verlaten. In vergelijking met de toename in conductantie voor Na+ zal de K+ conductantie echter langzamer toenemen en alleen activering ondergaan (opengaan van n poortjes). Door de verhoging van de K+ conductantie ontstaat een uitwaartse stroom van K+ ionen en de cel repolariseert. Dit heeft een dubbel gevolg: 1) door de repolarisatie zal de Na+ conductantie nog sneller dalen, 2) de activeringspoorten van de

22


Figuur 2.7. A: Topologie van Kv K+ kanalen. De N-terminus bevat een bindingsplaat voor een ß-sub-eenheid (vormt ook een “chain”). De N-terminal “inactivation ball” kan het kanaal sluiten. B. K+ kanaal variabiliteit onstaat door verschillende heteromeren-vorming.

K+ kanalen zullen terug sluiten (de-activeren, niet inactiveren). Het uiteindelijk resultaat is een terugkeer naar de vertrektoestand, zowel voor wat de potentiaal als de conductantie betreft. K+ kanalen die door een depolarisatie open gaan vormen de Kv familie met als sub-eenheid een structuur van zes transmembranaire helices. Vier van deze sub-eenheden vormen het functionele kanaal (figuur 2.7).

23


A

B

Figuur 2.8. A. Diversiteit van K+ kanaal inactivering. Boven: snelle onactivering door binden van een sub-eenheid. B. “N-terminale “ball and chain” mechanisme.

K+ kanalen zijn functioneel zeer divers. Ze worden door depolariserende spanningen geactiveerd. Er bestaat een enorme variatie in de inactivering. Deze

24


variabiliteit ontstaat door het vormen van heteromere kanalen (de hele familie omvat Kv1.1 tot Kv1.9, verschillende leden van deze families kunnen heteromeren vormen), het effect verschillende ß- subeenheden, en tal van verschillende α-subeenheden (alleen Kv1 heeft 9 verschillende subeenheden,). Sommige Kv kanalen inactiveren helemaal niet (Kv2), sommige zeer snel (Kv4), sommige traag (Kv3). Sommige inactiveren alleen snel in aanwezigheid van een ß- subeenheid (figuur 2.8). K+ kanalen worden geïnactiveerd door het “ball and chain” mechanisme vanuit de N-terminus die N-type inactivering genoemd wordt, of een vertraagde inactivering vanuit de C-terminus die C-type inactivering heet. K+ kanalen beïnvloeden kritisch de duur van de AP: afremmen van K+ kanaalactiviteit verlengt de AP, vergroting van een K+ conductantie kort de AP in. Zeer snel inactiverende K+ kanalen (ook IK, A genoemd) zijn belangrijk voor het ontstaan van automatische elektrische activiteit in het zenuwstelsel. Door dit snel inactiverend kanaal worden AP zeer kort en kunnen dus een grote frequentie bereiken die belangrijk is voor het coderen van informatie. 2.4.3 Ca2+-afhankelijke K+ kanalen, IK,Ca Een IK,Ca kanaal wordt geopend wordt door een stijging van intracellulaire [Ca2+]I maar is ook potentiaalafhankelijk. Zij bestaan uit een kanaalvormende α- subeenheid met een Ca2+ bindingsplaats in het C-terminus. Ca2+ verschuift de spanningsafhankelijkheid voor het openen van het kanaal naar negative potentialen. Hetzelfde effect wordt bereikt door binden van de ß-subeenheid. De ß-subeenheid sensibiliseert dus het kanaal voor Ca2+ (figuur 2.9). In zenuwuiteinden grijpt tijdens de actiepotentiaal een gevoelige stijging van [Ca ]i plaats (i.e. de stimulus voor de vrijzetting van neurotransmitter). De gestegen [Ca2+]i opent dan K+ kanalen die het membraan mee helpen repolariseren (stabiliserend effect). Ca2+ gevoelige kanalen bestaan met een grote conductantie (250 pS, “big” BKCa) en met kleinere conductanties (” small” en “intermediate” SKCa, IKCa ). Deze kanalen beperken dikwijls door lange hyperpolariserende pauzes de elektrische activiteit in neuronen. Voor vele vegetatieve functies zijn ze enorm belangrijk (bv. modulatie van transmittervrijzetting, pacemaker activiteit in neuronen, regeling van Ca2+ signalen in cellen, volume regeling, mitose ...). 2+

25


S0

Ca2+ bowl, bindingsite

[Ca2+]i

Figuur 2.9 Ca2+ geactiveerd K+ kanaal (h:, human, slo). S0-helix is een anker voor de β sub-eenheid, die α en β subeenheden aan elkaar koppelt. Verschuiving naar - binding ovan de ß-sub-eenheid aan de Nlinks door Ca2+ verhoging en door terminale So helix.

26


2.4.4

Inwaarts rectificerende K+ kanalen, Kir familie

Deze familie omvat door kanalen die een inwaartse rectificatie vertonen (K+ inward rectifying, Kir). Kir kanalen bestaan uit twee transmembranaire helices. Zes families zijn gekloneerd (Kir1 – Ki6, met verschillende sub-families). Kir2.1 is en kanaal dat sluit als de membraanpotentiaal verschuift naar potentialen meer positief dan EK. Deze blok wordt veroorzaakt door binden van intracellulair Mg2+ in het kanaal (figuur 2.10). Daardoor kunnen lange depolarisaties bereikt worden. In aanwezigheid van Kir2.1is door een kleine ladingsverschuiving al een grote depolarisatie mogelijk. Dit mechanisme is bv. voor het ontstaan van de langdurende actiepotentiaal in het hart belangrijk. Het bestaan van een inwaartse rectificatie beperkt ook de hyperpolarizatie die door activering van de Na+ / K+ pomp veroorzaakt wordt. Kir2.1 is functioneel een van de belangrijkste kanalen voor het ontstaan van de rustpotentiaal. Andere kanalen uit deze familie zijn Kir1.1 (ROMK, K+ reabsorptie in de nier), Kir3.1 (GIRK het G proteïne gestuurde “inward rectifying” K+ kanaal, dat voor de controle van de slagfrequentie van het hart enorm belangrijk is).

27


A

D

B

inwaartse rectifikatie

C

I

V

+

K ++

- -

--

++ 2+

Mg

2+

Mg +

K

figuur 2.10. A. Topologie van Kir kanalen. B. inwaarts rectificatie door Mg2+ blok (C.) Het aspartat “D” regelt de rectificatie (A).

28


2.4.5

ATP- gevoelige K+ kanaal (KATP) , IK,ATP

Figuur 2.11 toont een K+ kanaal die door de intracellulaire ATP concentratie geregeld wordt. Deze kanalen worden gevormd door twee proteïnen, de “inwaard rectifier” Kir.6 en de ATP -bindend proteïne SUR (van sulphonyl-urea receptor die ATP bindt). Dit kanaal opent als de ATP concentratie onder een kritische waarde daalt. In βcellen van de pancreas is dat kanaal de trigger voor de insuline secretie: stijgt de glucose concentratie in het bloed dan wordt in de ß-cellen ATP verhoogd en ATP-gevoelige K+ kanalen sluiten. Dus ontstaat er een depolarisate die spanningafhankelijke Ca2+ kanalen opent. De resulterende Ca2+ influx activeert de insuline exocytose (figuur 2.12). ATPgevoelige kanalen zijn te vinden in alle soorten spiercellen en in zenuwcellen, maar ook in niet-prikkelbare cellen zoals endotheelcellen. Bijzonders belangrijk is KATP in de hartspier. Vermindering van de zuurstofvoeding laat ATP dalen en veroorzaakt een enorme AP inkorting. Dat is een van de triggers voor stoornissen van het hartritme na hartinfarct, hartischemie etc.

A

B

figuur 2.11. Structuur van KATP kanalen SUR is de ATP-bindende-sub-eenheid. ATP wordt aan de Walker-motieven (WA, WB) gebonden. De porie wordt door het Kir.6 kanaal gevormd. ATP blokkeert het kanaal.

29


Figuur 2.12. KATP speelt de hoofdrol in de insuline-secretie. Door glucose influx en ATP synthese wordt het KATP kanaal gesloten, de cel depolariseert, spanningsgevoelige Ca2+ kanalen openen en triggeren exocytose van insuline.

2.4.6

Ca2+ kanalen

Ca2+ kanalen bestaan in een grote diversiteit. Hier zullen alleen potentiaal gestuurde Ca2+ kanalen aan bod komen. In deze kanalen ondergaat de Ca2+ conductantie ook een activering en een inactivering. In vergelijking met de Na+ kanalen hebben de Ca2+ kanalen een hogere activeringsdrempel en verlopen zowel activering als inactivering trager. In sommige cellen zoals in de sinusknoop en de atrio-ventriculaire knoop van het hart, in gladde spiercellen en in de zenuwuiteinden (niet in het axon), wordt de depolarisatie niet veroorzaakt door een verhoging van de Na+ conductantie maar door een stijging van de Ca2+ conductantie (Ca2+ kanalen) en het naar binnenstromen van Ca2+ ionen. Tal van intracellulaire functies worden gestuurd door Ca2+. Het bestaan van verschillende Ca2+ “entry” mechanismen is dus functioneel uiterst belangrijk. Tabel 1 geeft een overzicht over de diversiteit van spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen en andere Ca2+ permeabele kanalen. Totnogtoe kennen we 9 genen die de α-sub-eenheid van Ca2+ kanalen coderen:

30


• • • • •

L-type: α1S in skeletspier voor excitatie-contractie koppeling, α1D in endocrien weefsel, hersenen, α1C in hart, gladde spiercellen, long. Deze kanalen inactivieren door depolarisatie maar ook afhankelijk van [Ca2+]i . N-type: α1B in neuronen, hersenen P/Q-type: α1A in de hersenen R-type: α1E, snel inactiveerend, in hart en hersenen T-type: α1G in hart en hersenen, α1H in hart, α1I in hersenen en niet-prikkelbaar weefsel

Figuur 2.13 geeft een voorbeeld voor T en L-type Ca2+ kanaal in het hart. Voor alle Ca2+ kanalen bestaan er verschillen in de activeringsdrempel, snelheid van inactivering, conductantie, modulering. Door een specifieke farmacologische beïnvloeding van Ca2+ kanaal- types kunnen bepaalde celfunctie gemoduleerd worden, bvb. L-type blokkers DHP om gladde spiercel kanalen in de vatwand af te remmen om hypertensie te behandelen. Sommige ziekten zijn gekoppeld aan mutaties in Ca2+ kanalen (migraine, ataxie, spierziekten). Structureel vertonen reeds gekloneerde L- en N-type Ca2+ kanalen gelijkvormige kenmerken (4 domeinen met 6 segmenten, spanningssensor, porie- vormende regio tussen S5 en S6). Met de kanaal -vormende subeenheden zijn er dikwijls meerdere andere subeenheden verbonden (bv. voor de L- en N-type kanalen is de α1-subunit het kanaal die gemoduleerd wordt door α2, β, γ, δ subunits). De α1-subunit is ook de DHP-receptor, dihydropyridine bindingsplaats voor de kanaal-modulatie, b.v. Ca2+ kanaalblokker). Alle Ca2+ kanalen zijn veel beter permeabel voor divalente kationen dan voor alle andere kationen. Figuur 2.14 geeft een voorbeeld van de structuur van een potentiaal -gestuurd Ca2+ kanaal.

31


Figuur 2.13 Twee types van Ca2+ kanalen. T-type (links) kanalen hebben een lage conductantie, 4-7 pS, en inactiveren snel. Ze worden al geactiveerd aan potentialen rond -60 mV. Openingen zijn kort en in clusters. L-type Ca2+ kanalen worden bij hogere spanningen als T-type kanalen geactiveerd, vertonen soms langdurende openingen en inactiveren zeer traag.

32


A. 4 sub-eenheden: ß, α2, δ, γ

B.

Figuur 2.14 A. Structuur van spanning-afhankelijke Ca2+ kanaal met subeenheden. B. Functionele topologie van Ca2+ kanalen. EC: structuur voor excitatie-contractie koppeling, SS: structuur voor excitatie secretie koppeling, binding van modulerende G-proteïnen, ß-subeenheid en motief voor spanning (V) en Ca2+ afhankelijke inactivatie (L-type Ca2+ kanaal).

33

tabel 1:2. Rol van ionenkanalen: elektrogenese

type

kenmerken

potentiaal-gestuurde Ca2+-kanalen L-type (large, longactivering -40 mV, blok door lasting) dihydropyridine (DHP) T-type (tiny, transient) activering -60 mV, blok door Ni2+ N-type activering -40 mV, inactivatie, blok door bepaalde toxinen R-type in hart, hersenen P/Q-type activering -50 mV, blok door andere toxine dan N-type, geen blok door DHP ligand-gestuurde Ca2+ kanalen NMDA receptor ligand glutamaat ATP receptor P2X receptor, kanaal uit familie met 2 TM Ca2+ kanalen gestuurd door tweede boodschapperstoffen Ca2+ of Ins(1,4,5)P3 ryanodine en Ins(1,4,5)P3 gestuurde kanalen receptoren

mechanisch geactiveerde Ca2+ kanalen TRP kanalen

Ca2+ kanalen die afhankelijk zijn van de vulling van intracellulaire Ca2+ opslagplaatsen (CRAC, SOC). Moleculaire interactie tussen STIM1 en ORAI 1,2,3

TRPC, TRPV, TRPM, en TRPA kanalen, meest Ca2+ permeabel, niet-selectieve cationenkanalen (laten Ca2+ maar ook Na+ en K+ door). Alleen TRPV5 en TRPV6 zijn hoog selectief voor Ca2+ CRAC = calcium release activated Ca2+ entry channels. Ca2+ sensor in de stores is het proteïne STIM1. Door depletie van Ca2+ wordt STIM1 verschoven in richting plasmamembraan en veroorzaakt daar activatie van Ca2+kanalen die door de membraanproteïnes ORAI 1,2,3 gevormd worden. Deze proteïnes vormen ook de Ca2+ selectieve porie.

functie excitatie-contractie koppeling, excitatie-secretie koppeling pacemaker in neuronen, hart familie van neuronale Ca2+ kanalen, vrijzetting van neurotransmitters inactiveert sneller dan L, N transmittervrijzetting in bepaalde neuronen

excitatorische synapsen Neuronen, gladde spiercellen

Ca2+ vrijzetting in spieren of niet-prikkelbare cellen, excitatie-contractie koppeling, excitatie-secretie koppeling, gen-expressie gladde spieren en endotheelcellen veroorzaken depolarizatie en Ca2+ influx, komen tot expressie in misschien alle cellen (maar verschillende subtypes) belangrijk voor Ca2+ entry in alle niet-prikkelbaare cellen.

34


2.4.7

Chloride kanalen

Een groot aantal van kanalen is alleen doorlaatbaar voor anionen. Wanneer ECl zich, door passieve verdeling van Cl- ionen, bij de rustpotentiaal bevindt, dan wordt, door activering van Cl- kanalen, de potentiaal gestabiliseerd. In skeletspieren speelt deze stabilisering een grote rol. Enkele spierziekten zijn aan defecten in Cl- kanalen gekoppeld. Figuur 2.15 toont de zeer ingewikkelde structuur van een grote familie van Cl- kanalen in prikkelbare- en niet-prikkelbare cellen. Deze Cl- kanalen spelen een grote rol bij verschillende celfuncties (zie tabel 2). Negen genen voor ClC kanalen zijn gekend. Mutaties veroorzaken tal van ziekten.

A.

B.

Homo-dimer: „double barrel“ 3D - structuur Figuur 2.15: A. Monomer van het ClC kanaal. ClC kanalen worden gevormd door schuine helices (A-R). Een chloride ion is in het kanaal getekend, een negatieve lading boven het ion is een permeatie regulator. B. ClC kanalen vormen dimeren maar elk monomer heeft zijn eigen porie! Andere receptor- gestuurde kanalen zijn belangrijk in het centrale zenuwstelsel voor modulatie van de synaptische overdracht (GABA - en glycine receptoren). Voor secretie mechanismen zijn Cl- kanalen die door cAMP via fosforylering geactiveerd worden enorm belangrijk (CFTR kanalen). Deze kanalen vertonen een structuur van 2 keer 6 TM helices. Intracellulair zijn twee ATP bindend regio’s gelokaliseerd (NBF1 en NBF2: NBF - “nucleotide bindings fold”). De fosforylatie van dit kanaal gebeurt in het R-domein, via proteïne kinase A. Dit kanaal is defect bij een 35


ziekte (mucoviscidose of cystische fibrose, taaie slijmziekte, zie hoofdstuk 1). Het kanaal activeert door fosforylatie: een agonist die de secretie stimuleert wordt bv. aan een 7helix receptor gebonden, een Gs proteïne word geactiveerd, de R-regio wordt gefosforyleerd. ATP moet aanwezig zijn. Tabel 2. ClC kanaal ClC-1

expressie skeletspier

ClC-2 ClC-3 ClC-4 ClC-5

Hart, hersenen, long, pancreas, lever Hart, nier, long Hart, hersenen Nier,

ClC-6 ClC-7 ClC-Ka ClC-Kb

alomtegenwoordig alomtegenwoordig nier nier

functie Stabiliseren van het rustpotentiaal, remmen van excitatie, mutaties Thomsen´s ziekte, Becker´s ziekte Volume regeling, voor inhibitie in neuronen Volume regeling, elektrogenese Endocytose, in endosomen, lysosomen, Dent´s ziekte Intracellulair kanaal Intracellulair kanaal Cl- transport Cl- transport, Bartter´s ziekte

Andere Cl- kanalen zijn ook spanningsafhankelijk, maar kunnen alleen opengaan als [Ca2+]i verhoogd wordt (Ca2+ activated Cl- channels, ClCa). Deze kanalen komen in prikkel- en niet-prikkelbaar weefsel tot expressie. In het epitheel zijn zij enorm belangrijk voor Cl- secretie. VRAC kanalen worden door celzwelling geactiveerd. Ze zijn dus zeer belangrijk voor volume- regeling, maar ook voor elektrogenese, transport van aminozuren en organische osmolyten (taurine), ze beïnvloeden de celcyclus en spelen blijkbaar een rol in celproliferatie. Hun moleculaire structuur is nog niet gekend. 2.4.8

niet- selectieve kationenkanalen

Verschillende kanalen zijn niet selectief voor een bepaald ionensoort permeabel. Functioneel belangrijk zijn niet- selectieve kationenkanalen die Na+ , K+ maar dikwijls ook Ca2+ doorlaten. Sommigen worden door Ca2+ gestuurd: een activering gebeurt door verhoging van de intracellulaire Ca2+ concentratie. Andere worden door cyclische nucleotide gestuurd. In het sensorische systeem zijn niet-selectieve kationenkanalen die door cAMP of cGMP geactiveerd worden belangrijk. Ze worden samengevat in de CNG36


familie (cyclic nucleotide gated cation channels). CNG kanalen zijn belangrijk voor de eerste signaalcodering in ons sensorische zenuwstelsel. Hun functie in staafjes en kegeltjes in het oog kwam al aan bod (hoofdstuk 1). Mutaties in het oog - CNG veroorzaakt celdood van staafjes en kegeltjes (Retinitis pigmentosa, patienten orden blind). Ze worden ook via een G- proteïne afhankelijke proces door reukstoffen, odoranten, geactiveerd en staan dus in voor de reukzin. Figuur 2.16 toont de signaaltransduktiecascade voor de eerste stap in reukverwerking.

Fig.2.16 Signaaltransductie cascade voor reukperceptie. De olfactorische receptor is een GPCR (serpent). Binden van een odorant activeert een Golf proteïne dat via adenylaatcyclase en cAMP het CNG kanaal activeert en een depolarisatie veroorzaakt.

CNG kanalen hebben zes transmembranaire helices een bepaalde regio voor modulering. Figuur 2.17 toont het bouwplan van deze belangrijke kanalen. Een andere niet-selectief kanaal wordt If genoemd (f van “funny” omdat dit kanaal een eerder vreemd stelsel van kenmerken vertoond). Het kanaal wordt niet door een depolarisatie maar door een hyperpolarisatie geactiveerd. Het wordt ook door cyclische nucleotide geactiveerd. Deze kanaal-familie wordt dus HCN-familie genoemd (“hyperpolarization and cyclic nucleotide activated cation channels”). Het wordt uitsluitend in cellen gevonden die automatische actiepotentialen kunnen genereren (hart, 37


neuronen, gladde spieren). Het kanaal opent bij potentialen negatiever dan -40 mV. Het is permeabel voor Na+ en K+. Omdat aan deze potentialen de drijvend kracht voor Na+ veel groter is dan voor K+, is de stroom een inwaartse Na+ stroom die de cel depolariseert. Dit kanaal wordt via de intracellulaire concentratie van cAMP gemoduleerd door acetylcholine, noradrenaline, adrenaline (autonome neurotransmitters die voor de regeling van de slagfrequentie van het hart belangrijk zijn).

Figuur 2.17: Structuur van een CNG kanaal. H5 is de porie. Bindingsplaatsen voor Ca/calmoduline (modulatie van de kanaalactiviteit) en voor cyclische nycleotide in de Cterminus zijn aangeduid.

In HCN kanalen is het transmembranaire segment TM4 sterk positief geladen (arg , lys+). HCN hebben dus ook een spannings-sensor zoals alle spannings-gestuurde kanalen. +

Figuur 2.18 geeft een voorbeeld voor de “gating” van dit kanaal en een meting in een hartspiercel van de sinusknoop.

38


+cAMP 1 open

0 gesloten

If

-40 mV

Figuur 2.18: If - gating en activering in het hart. Het kanaal wordt traag door hyper - (of re-) polarisatie geactiveerd (boven) en heeft alleen een activeringspoortje. De metingen beneden tonen de stroomactivering aan in een sinusknoop-cel van het hart.

39


2.4.9

De TRPC kanaalfamilie

A. porie

ankyrin repeat domains

prolin-rich TRP box COOH

NH2

Polycystin

B.

TRPP

Melastatin TRPM1 TRPM3 TRPM6 TRPM7

TRPM

TRPP3

TRPP5

MucoLipin TRPML TRPML3

TRPML2 TRPP2

Ankyrin

TRPML1

TRPM5 TPRM4 TRPM2 TRPM8

TRPA TRPA1

TRPN

Vanilloid TRPV1

TRPV2

TRPV

TRPV4

TRPV5 TRPV6

TRPV3

Canonical TRPC3 TRPC7 TRPC6

TRPC TRPC4 TRPC5 TRPC1 TRPC2 (mouse)

figuur 2.18a: A. Bouwplan van een TRP kanaal. B. Familie van de kationen - en Ca2+ kanalen TRP (transient receptor potentiaal). 6 subfamilies zijn gekend met 1 tot 8 leden. De TRPC familie werd eerst ontdekt in de fruitvlieg drosophila. De mens heeft 27 TRP kanalen (TRPC2 alleen in muis, TRPN niet in vertebraten).

In de laatste jaren werd een kanaalfamilie ontdekt die functioneel een enorme impact heeft op verschillende celfuncties. Deze familie wordt door mutanten in de

40


fruitvlieg drosophila ontdekt. Deze mutanten reageren op licht niet met een langdurende receptorpotentiaal, maar wel met een kort “transient receptor potential” (TRP). De genfamilie werd dus trp familie genoemd. Ze codeert TRP´s (TRP channels). De bouwplan van deze sub-familie wordt in figuur 2.18a getoond. Kenmerkend zijn zes transmembranaire helices, met tussen TM5 en TM6 de porie lus. In het N terminus zijn verschillende domeinen gelokaliseerd die het cytoskelet proteïne ankyrine kunnen binden, dus een contact vormen tussen cytskelet en TRPC. In het C-terminus vinden we “prolin-rich” domeinen, die ook voor proteïne - proteïne interactie instaan. Zes TRP subfamilies worden onderscheiden: •

TRPCs: “canonical” of “classic”, zijn homoloog met de eerste TRP kanaal in drosophila. Deze vormen receptor -geactiveerde kationen kanalen, die via een GPCR, die met een fosfolipase C gekoppeld is, geactiveerd worden (mogelijk via DAG, di-acyl-glycerol, vetzuren, arachidoonzuur). Andere vormen CRAC of SOC kanalen voor Ca2+ influx in niet-prikkelbare cellen. Totnogtoe zijn zeven genen gekend, STRPC1-7, 700 – 1000 aminozuren (aa) lang

•

TRPMs: “melastatin”, ontdekt als tumor-repressor “melastatin. Zijn lang, dan 1200 aa. Melastatin is enorm belangrijk is voor celproliferatie. TRPM4 en TRPM5 vormen Ca2+ impermeable TRPs, maar worden door een verhoging van intracellulair Ca2+ geactiveerd. TRPM5 staat in onze smaakcellen in voor “zoet”, “bitter” een “vlees” (“umami”). TRPM8 is een receptor voor koud en wordt ook door mint geactiveerd. TRPM2 en TRPM7 hebben in hun C-terminus enzymes.

•

TRPVs: “vanilloid”, deze kanalen zijn belangrijk voor perceptie van peper, paprika (capsaicine, chili), van hitte, van pijn (vanilloid receptoren). Een enorm belangrijk lid van deze familie is ECaC, het epitheliale Ca2+ kanaal die instaat voor Ca2+ reabsorptie in de nier in de dunne darm. ECaC is waarschijnlijk vitamine D sensitief.

•

TRPA: “ankyrine”, deze familie heeft alleen i lid, TRPA1, die structureel gekenmerkt is door zeer vele “ankyrine-repeat domains” die waarschijnlijk een interactie maken met het cytoskelet. Het kanaal staat in voor pijn receptie, misschien voor mechano-sensing, eventueel ook een sensor voor zeer lage koude temperaturen.

41


•

TRPML: korte TRP kanalen die misschien alleen in intracellulaire membranen aanwezig zijn (bvb. lysosomen, endosomen), misschien H+ kanalen in deze intracellulaire organellen. Mutaties in TRPML1 veroorzaakt “mucolipidose type IV”, een mentale ziekte met motorische en visuele defecten.

•

TRPP: korte TRP kanalen, aanwezig in epitheelcellen, in primaire cilia, defecten in deze kanalen veroorzaken bvb “Polycystic Kidney Disease, PKD”, cystennier.

TRP kanalen waren kandidaten voor SOC (“store operated” Ca2+ kanalen) en CRAC (“Ca2+ release activated Ca2+ channels”). Deze theorie lijkt fout te zijn, We weten nu dat SOCs, CRACs blijkbaar ORAI kanalen zijn (kanalen met 4 transmembranaire helices) die een informatie over de vulling van de endoplasmatische (ER) Ca2+ opslagplaatsen verkrijgen via de Ca2+ - sensor proteïne STIM1. Als bvb door PLC activatie een Nu Ca2+kanalen lid van deze familie te zijn. Deze kanalen worden door een Ca2+ depletie in ER opslagplaatsen geactiveerd. Als Ca2+ in het ER daalt wordt STIM1 naar de plasmamembraan (PM) gestuurd. STIM1 verschijnt nu naast PM in conglomeraten, “punctae”, en kan nu PM-kanalen ORAI activeren, die een hoog Ca2+ selectieve porie hebben. Ca2+ stroomt nu de cel binnen. De inwaarts stroom wordt afgeremd als de Ca2+ opslagplaatsen weer gevuld zijn (figuur 2.18b).

42


Rust: de Ca2+ sensor STIM1 (proteïne met 1 transmembranaire helix) is de Ca2+ sensor in het endoplasmatisch reticulum .

Store depletie, STIM1 clustering in “punctae” naast de celmembraan

Gating: ORAI/STIM1 interactie, Ca2+ inwaarts stroom

Figuur 18b: CRAC (Ca2+-release activated Ca2+ channels) or SOC (store operated Ca channels) werken via STIM1 en ORAIs. De ORAI familie heeft 3 leden, ORAI1,2,3.

43


Figuur 2.18cgeeft een samenvatting van alle activeringsmechanismen voor CNG, HCN en TRPC kanalen.

(PIP2) TRPCs +

+

figuur 2.18c: Activering van “cyclisch nucleotide gated channels” (CNG, HCN - “funny”) via GPCR (GS) en TRPC´s via koppeling PLC. TRPC kanalen (niet-selectief, Ca2+ permeabel) worden geactiveerd via DAG, IP3 of Ca2+. ER is een Ca2+ store in het endoplasmatische reticulum.

44


2.5

Actiepotentialen in bepaalde prikkelbare cellen. 2.5.1

Skeletspiercel

De actiepotentiaal van een skeletspiercel wordt gekenmerkt door een snelle depolarisatie, een snelle repolarisatie en een trage na-depolarisatie. De na-depolarisatie kan verklaard worden door een verandering van EK als gevolg van het ophopen van extracellulaire K+ in de enge ruimten van de T-tubuli. Daardoor wordt EK verschoven en ontstaat er een depolarisatie t.o.v. de rustcondities. De Na+ / K+ pomp normaliseert de extracellulaire K+ concentratie waardoor de membraanpotentiaal, EM, terug zijn rustwaarde bereikt.

Figuur 2. 19: De actiepotentiaal in een skeletspiercel en de veranderingen in ionconductanties en de verandering van EK

2.5.2

Hartspiercel

Het hartspierweefsel (myocard) bestaat uit twee soorten weefsel: de contractiele hartspiervezels (grootste massa; zorgt voor de pompfunctie) en het geleidingsweefsel (zorgt voor de prikkelvorming; sinusknoop vertoont spontane activiteit of “pacemaker” activiteit) en de snelle verspreiding van de prikkel (atrio-ventriculaire knoop, bundel van

45


figuur 2.20: impuls- en prikkelvormings-weefsel in het hart.

His en Purkinje systeem). Elk van deze verschillende celtypen heeft zijn eigen soort actiepotentiaal. De rustpotentiaal van de ventriculaire cel bedraagt ongeveer -85 mV. Bij prikkeling ontstaat een actiepotentiaal die gekenmerkt wordt door een lang plateau tussen de snelle depolarisatie en de snelle repolarisatie. De mechanismen die de depolarisatie en de repolarisatie veroorzaken zijn dezelfde als voor het zenuwaxon. Tijdens de plateaufase gebeurt er een Ca2+ influx. 2.5.2.1 Impulsgeleiding in het hart Het hart gedraagt zich als een syncytium: in het normale hart reageren ofwel alle spiervezels op een prikkel ofwel treedt er geen antwoord op (alles-of-niets wet). Het hart vertoont een automatische ritmiciteit die berust op het voorkomen van pacemaker-structuren. Deze structuren kunnen een electrisch impuls genereren, die via een bepaalde weg wordt voorgeleidt. In het rechter atrium zit de sino-atriale knoop (SA knoop, sinusknoop, sinu-atriale knoop, knoop van Keith/Flack). De cellen van de sinusknoop zijn via nexus-strukturen (gap junctions) elektrisch gekoppeld. De impuls- of prikkelvorming gebeurt hier met de hoogste frequentie. De enige geleidingsweg van de atria naar de ventrikels wordt gevormd door de AV- knoop (met drie segmenten), de 46


bundel van His die subendocardiaal op de rechter zijde van het septum ligt, de rechter en linker Tawara bundeltakken en via de Purkinje vezels (netwerk van Purkinje) naar het ventriculaire myocard of arbeidsmyocard (figuur 2.20). Vanuit deze structuren gaat de prikkel over naar de arbeidsmusculatuur. In alle cellen van deze pacemaker weefsel vindt een prikkelvorming plaats. De snelheid van de geleiding van de prikkel neemt toe van het atrium naar het ventrikel. In de AV knoop

figuur 2.21: verschillen in rust- en actiepotentiaal in het automatisch weefsel en arbeidsmyocard.

47


wordt de geleiding van de prikkel het meest vertraagd (Adam-Stokes syncope t.g.v. optreden van plotse blokkering van het geleidingssysteem tussen atria en kamers).

IC a ,

L

IK

-5 0 m V

I C a ,T

-6 5 m V

If IK

IC a ,

L

IC a ,

T

If

figuur 2.23: mechanismen van het ontstaan voor de diastolische depolarisatie: activering If (HCN), ICa,T (α1H, α1G), afremming IK (GIRK?). De AP wordt geïnduceerd door activering van het L-type Ca2+ kanaal (a1C), de repolarisatie door een spanningsafhankelijke K+ kanaal.

Meest belangrijke mechanismen voor het ontstaan van de diastolische depolarization zijn: activatie van HCN kanalen (If), activatie T-type Ca2+ kanalen, afremming van een K+ conductantie (GIRK), maar ook activering van de Na/Ca uitwisselaar (zie voor details cursustekst “transparanten). 2.5.2.2 Impulsvorming in het hart Cellen van de SA knoop vertonen een spontane elektrische activiteit. Pacemaker cellen hebben geen constante rustpotentiaal. In de rustfase van het hart treedt een “diastolische depolarisatie” op. Deze gaat over in een snelle depolarisatie. De frequentie van de prikkelvorming neemt af van het atrium tot het Purkinje netwerk. Cellen van het arbeidmyocard hebben een constante rustpotentiaal. De steilheid van de diastolische depolarisatie bepaalt hoe snel de drempel voor de snelle depolarisatie bereikt wordt. Ze is het grootst in de SA knoop, het minst in het Purkinje netwerk.

48


De frequentie van de snelste ontlading in de SA knoop bepaalt dus de slagfrequentie van het hart (dominante of primaire pacemakercellen). De steilheid van diastolische depolarisatie, de maximale diastolische potentiaal en de drempel potentiaal bepalen de slagfrequentie van het hart (figuren 2.21, 2.22, een actiepotentialen in het hart). Cellen met een tragere ontlading kunnen de rol van de dominante pacemaker bij het wegvallen van de primaire gangmaker overnemen (secundaire pacemakercellen, pacemakerverschuiving).

kanalen

Na+ kanaal, gen SCN5A α1C (L-type)

Kv1.2,1.4,1.5 Kv4.2, 4.3 KCNQ1+KCNE1 Kir2.1, Kir3.1 Figuur 2.24: mechanisme van het ontstaan van een hart (ventriculair)n actiepotentiaal. De stromen door verschillende kanalen worden aangeduid en hun relatie tot de actiepotentiaal. KV zijn snel inactiverende K+ kanalen, KCNQ1 en KCNE1 vormen het kanaal-complex voor de “delayed” rectifier.

Een depolarisatie ontstaat a) door bewegen van positieve ladingen van buiten naar binnen (b.v. activering van calcium kanalen), b) door afname van de beweging van positieve ladingen van binnen naar buiten (b.v. deactivering van kalium kanalen). Verantwoordelijk voor de diastolische depolarisatie zijn: a) afname van een kalium conductantie (IK), b) activering van T-type calcium kanalen (ICa,T) en later L-type calcium kanalen (ICa,L). T-type kanalen worden bij een meer negatieve potentiaal geactiveerd dan L-type kanalen, c) activering van een cationen kanaal door hyper- of repolarisatie (If ). De actiepotentiaal (AP) is in de arbeidsmusculatuur verschillend van deze in de pacemakercellen, Purkinje cellen en myocardcellen. Aan de overgang tussen Purkinje netwerk en arbeidsmusculatuur duurt de actiepotentiaal het langst

49


(veiligheidsmechanisme, premature excitatie wordt hier door de lange refractaire periode geblokkeerd). De functie van de arbeidsmyocardcellen is de initiatie van de hartcontractie. Volgende mechanismen veroorzaken de actiepotentiaal in de arbeidsmusculatuur: a) snelle depolarisatie door activering van Na+ kanalen, b) plateau: afname van een K+ conductantie ( K+ inward rectifier, IRK van Kir2 familie) en activering van L-type calcium kanalen (calcium influx is noodzakelijk voor het aktiveren van de contractie), c) repolarisatie: activering van K+ kanalen (delayed rectifier, IK) en toename van een kaliumconductantie, IRK. 2.5.3

Gladde spiercellen.

De elektrische activiteit in gladde spier kan tonisch of fasisch zijn (figuur 25). Tonische activiteit houdt in dat de membraanpotentiaal onder invloed van stimuli graduele wijzigingen, hetzij in depolariserende hetzij in hyperpolariserende richting, ondergaat. Er treden dus geen plotse, transiënte veranderingen op zoals bij een actiepotentiaal. Tonische activiteit treft men aan in bronchiale gladde spier en in de meeste vasculaire gladde spieren (uitzondering: vena porta). Fasische activiteit impliceert dat er transiënte veranderingen in de membraanpotentiaal optreden. Men onderscheidt 2 types van fasische activiteit: (i) Actiepotentiaal. De depolarisering wordt door een activering van L-type

A. -30

agonist

-50

B.

0

-50

C.

-30

-60 figuur 2.25. Electrische activiteit in de gladde spier. (A) Tonische activiteit: graduele depolarisering onder invloed van een agonist. (B) en (C) Fasische activiteit onder vorm van een actiepotentiaal (B) of een trage golf (C).

50


spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen veroorzaakt. Dergelijke actiepotentialen treft men aan in gladde spiercellen van de uterus en in de longitudinale, intestinale gladde spier. (ii) Trage golf. Dit zijn transiënte wijzigingen in de membraanpotentiaal die gekenmerkt zijn door een langdurig (verschillende seconden) plateau dat schommelt tussen de -30 en -40 mV. Tijdens dit plateau stroomt er Ca2+ naar binnen via L-type Ca2+ kanalen. Trage golven komen voor in de circulaire spierlaag van het maagdarmstelsel. Enkele gladde spiercellen zijn automatisch actief. De actiepotentiaal wordt hier gekenmerkt door een depolarisatiefase vergelijkbaar met die in een sinusknoopcel (influx van Ca2+ ionen). In de meeste cellen volgt de repolarisatie snel op de depolarisatie (vas deferens, myometrium, colon,...), maar in sommige cellen vinden we ook actiepotentialen met een uitgesproken plateau (maag, ureter,...). De rustpotentiaal is eerder gering (-50 mV). Vele gladde spiercellen worden gekenmerkt door trage oscillaties. Figuur 2.26 toont actiepotentialen in een gladde vasculaire spiercel die automatisch ontstaan. De depolarisatie gebeurt hier door activatie van L-type Ca2+ kanalen. Daardoor wordt intracellulair Ca2+ verhoogt. Deze verhoging activeert een Ca2+-gevoelig K+ kanaal, hetgeen tot repolarisatie en hyperpolarisatie leidt. Afname van de Ca2+-influx vermindert gK(Ca). ). Daardoor ontstaat een depolarisatie die weer spannings-gestuurde Ca2+ kanalen opent.

51


figuur 2.26: Voorbeeld voor automatische (pacemaker) actiepotentialen in een gladde spiercel van een bloedvat. E M is de membraanpotentiaal, ICa een L-type Ca 2+ -kanaal, ∆Ca 2+ is de verandering in de intracellulaire Ca 2+ concentratie, I K,Ca de Ca 2+ -geactiveerde K + stroom.

52


2.5.4 Modulatie van de actiepotentialen. 2.5.3.1 Modulatie door vegetatieve transmitter en neurotransmitter

figuur 2.27: Effect van orthosympatische prikkeling en parasympathische prikkeling op de actiepotentiaal van hartcellen. * geeft de gemoduleerde actiepotentiaal weer.In C is ook de contractie weergegeven.

53


Modulatie van de actiepotentiaal is enorm belangrijk voor hartspiercellen. Vanuit vegetatieve zenuwen worden transmitters vrijgezet, zoals noradrenaline en acetylcholine. Bij orthosympatische prikkeling van het hart wordt uit de zenuwuiteinden noradrenaline vrijgezet. Wanneer dit inwerkt op de hartspiercellen, verhoogt de frequentie en de sterkte van de contracties (positief chronotroop en positief inotroop effect). Bij parasympatische prikkeling wordt uit andere zenuwen acetylcholine vrijgezet. Daardoor daalt de slagfrekwentie van het hart en in het atrium wordt ook de contractiekracht verminderd (negatief chronotroop en negatief inotroop effect). Noradrenaline bindt aan β-receptoren in het plasmamembraan. Via een G proteïne wordt adenylaatcyclase geactiveerd, wat leidt tot de synthese van cAMP. cAMP moduleert het If kanaal i.e. de activeringskurve verschuift in de depolariserende richting en dit leidt tot een versnelling van de diastolische depolarisatie in onder meer de sinusknoopcellen (positief chronotroop effect). Tegelijkertijd activeert het cAMP ook het proteïne kinase A. Activering van het proteïne kinase A leidt tot fosforylering van onder meer het Ca2+ kanaal. Het gevolg van de fosforylering van het Ca2+ kanaal is een toename van de inwaartse Ca2+ stroom. Ca2+ ionen zijn van belang voor het ontstaan van de contractie van de hartspiercel (positief inotroop effect). Acetylcholine bindt in het hart aan muscarinereceptoren. Eveneens via een G proteïne wordt een K+ kanaal geactiveerd (op een rechtstreekse wijze zonder tussenkomst van cAMP). Door deze toename van gK hyperpolariseert de cel en dit leidt tot een vertraging van de diastolische depolarisatie in onder meer de sinusknoopcellen (negatief chronotroop effect). De muscarine receptoren zijn verder, via een ander G proteïne, negatief gekoppeld aan het adenylaatcyclase (zie werking van noradrenaline; negatief inotroop effect, figuur 2.27). 2.5.3.2 Modulatie door metabolisme

Metabolische inhibitie heeft als gevolg a) verhoogde intracellulaire Ca2+ concentratie, b) het dalen van de intracellulaire ATP concentratie. Wanneer [Ca2+]i stijgt, dan kunnen Ca2+-afhankelijke K+ en Cl- kanalen geactiveerd worden. Meestal is er een inkorting van de AP het gevolg. In weefsel met gap juncties zal de elektrische koppeling tussen de cellen afnemen. Door versterkte activering van de Ca2+ sekwestratie (ATPasen) daalt de ATP concentratie verder. Dalende ATP concentratie activeert de ATP- afhankelijke K+ stroom (inkorting van de AP). De electrogene Na+ /K+ pomp wordt afgeremd. Dus daalt de intracellulaire

54


K+ concentratie, [Na+]i stijgt. Door inhibitie van de electrogene pomp wordt de membraanpotentiaal verminderd (wordt minder negatief). 2.5.3.3 Refractaire periode

Een cel waarin, door een prikkel, een actiepotentiaal ontstaat wordt voor een korte daaropvolgende periode (tussen 0.4 en 2 ms) onprikkelbaar (absoluut refractair). Daarop volgt een periode waarin de cel slechts kan geprikkeld worden met een grotere dan de oorspronkelijke prikkelintensiteit (relatief refractaire periode). De verklaring van deze verschijnselen ligt in het traag herstel van inactivering van de snelle Na+ kanalen: is het Na+ kanaal in de geïnactiveerde toestand, i, dan kan door een depolarisatie geen opengaan van het kanaal uitgelokt worden en dus geen AP ontstaan. Wanneer enkele maar nog niet alle kanalen weer van de geïnactiveerde toestand naar de gesloten, niet-geïnactiveerde toestand geraakt zijn, dan kan met een verhoogde prikkelintenstiteit een nieuwe AP ontstaan. Deze periode volgt de absoluut refraktaire toestand op en wordt “relatieve refraktariteit” genoemd. De AP is in de relatief refraktaire periode korter en heeft een minder steile helling.

2.5.3.4 Repetitieve ontlading van actiepotentialen

Wanneer het celmembraan van een axon blijvend boven de drempel gedepolariseerd wordt, ontstaat er slechts één actiepotentiaal. Bij depolarisatie van het cellichaam van een zenuw, die het gevolg is van meerdere synaptische potentialen, ontstaat een reeks (een trein) van actiepotentialen. Naarmate de depolarisatie groter is neemt de frequentie van de actiepotentialen (aantal actiepotentialen per seconde) toe. Dit gedrag staat gekend als repetitieve ontlading van actiepotentialen. Het laat een alles-ofniets verschijnsel als een actiepotentiaal toch toe informatie omtrent de intensiteit van de prikkeling door te sturen; overgang van amplitudemodulatie (AM) naar frequentiemodulatie (FM). 2.5.3.5 Adaptatie

Bij aanhoudende prikkeling van het cellichaam van een zenuw, ontstaat een trein van actiepotentialen. Wanneer de frequentie van actiepotentialen in de trein afneemt spreekt men van adaptatie. De graad van adaptatie wordt bepaald door de mate en de

55


snelheid waarmee de snelle Na+ kanalen herstellen van inactivering. Adaptatie ontstaat als nagenoeg alle Na+ kanalen rechtstreeks van o na I overgaan (zie B.3.2.). 2.5.3.6 Invloed van extracellulaire Ca2+ op de prikkelbaarheid.

De polaire koppen van een aantal fosfolipiden in het celmembraan zijn negatief geladen. Ook de membraanproteïnen dragen bij neutrale pH overwegend negatieve ladingen. De aanwezigheid van deze zgn. gefixeerde negatieve ladingen beïnvloedt de activeringspoortjes van de potentiaal-gestuurde kanalen. Extracellulaire Ca2+ ionen zullen, vooral omdat ze twee positieve ladingen dragen, een deel van de gefixeerde negatieve ladingen wegnemen. Op deze wijze beïnvloedt Ca2+ het transmembranair potentiaalverschil en dus ook de activeringsdrempel van de kanalen (zie figuur 16, hoofdstuk 1). Wanneer de extracellulaire Ca2+ concentratie daalt, wordt de activeringsdrempel lager en de cel dus meer prikkelbaar. Bij hyperventilatie (sneller en/of dieper ademen dan fysiologisch vereist) daalt de CO2 (= zuur) concentratie in het bloed (pH stijgt) en daardoor neemt de vrije Ca2+ concentratie in het bloed en de interstitiële vloeistof af. Deze afname wordt veroorzaakt door de competitieve binding van H+ en Ca2+ aan serumproteïnes: daalt de H+ concentratie kunnen dus meer Ca2+ gebonden worden. Spieren en zenuwen van personen die hyperventileren worden daardoor hyperexciteerbaar (convulsies = stuipen). 2.5.3.7 Invloed van farmaca op de prikkelbaarheid

Stoffen die kanalen in zenuwen en spieren blokkeren maken deze onprikkelbaar. Het zijn (locale) anaesthetica (vb. lidocaine). Tetrodotoxin, het gif van de japanse koffervis (Tetrodon) en saxitoxin blokkeren snelle Na+ kanalen. Ze binden aan de selectiviteitsfilter van de Na+ kanalen en werken daardoor selectief op de Na+ kanalen. Veel neurotoxines zijn lipide-oplosbare stoffen die de gating van de Na+ kanalen beïnvloeden zodat de kanalen zelfs al openen bij de rustpotentiaal. Voorbeelden zijn de plant alkaloïden aconitine, veratridine en pyrethrine (een natuurlijk insecticide), batrachotoxin - een gif van een Columbiaanse kikker - en het organochloor insecticide DDT. Stoffen die Ca2+ kanalen blokkeren noemt men Ca2+ antagonisten. Ze kunnen soms voor het verlagen van de bloeddruk aangewend worden. Vele ander stoffen zijn gekend die de activeerbaaarheid van Ca2+ kanalen bepalen. Door deze stoffen werd ook de identifikatie van verschillende typen van Ca2+ kanalen mogelijk. Dihydropyridine blokkeert L- en N-type Ca2+ kanalen. Het ω-conotoxine (van de Conus-slak) blokkerd Ntype kanalen. Het gif van een spin (funnel web spin) blokkeert P-type kanalen.

56


Bepaalde giffen van schorpioenen (charbydotoxine) en bijen (apamine) blokkeren Ca -afhankelijke K+ kanalen. Andere stoffen - die ook orale antidiabetika zijn inhiberen ATP-afhankelijke K+ kanalen. 2+

2.6

Prikkelvoortgeleiding

2.6.1 Passieve voortgeleiding Als een potentiaalverandering (hyperpolarizatie of depolarisatie waarbij de drempel niet overschreden wordt) geïnitieerd wordt door het lokaal injecteren van een electrische stroom, dan wordt op een bepaalde afstand van deze injectieplaats een potentiaalverandering gemeten die traag stijgt (figuur 2.28). Deze potentiaalverandering zonder de activering van een AP noemt men “electrotonus”. Omdat het tijdverloop van de electrotonus door de membraanstructuur gedefinieerd is (capaciteit CM die parallel met de membraanweerstand RM ligt) wordt de potentiaalverandering weergegeven door

Vt = Vmax ∗ (1 − e − t /τ ) met als maximale potentiaalverandering Vmax, Vt is de electrotonus op de tijd t. τ is de tijdsconstante van de electrotonus die bepaald wordt door

τ = CM ∗ RM τ is de tijd voor het bereiken van 63% van Vmax en wordt membraantijdsconstante genoemd.

57


figuur 2.28: Voorbeeld voor de afname van tijdverloop van het ontstaan van de electrotonus in een zenuw van een motoneuron. ∆V is de electrotonus gemeten op verschillende afstanden van de stroominjectie, Io.

Zoals figuur 2.28 aantoont neemt de electrotonus ook met de afstand van de injectieplaats af. Deze potentiaalafname komt tot stand omdat een deel van de stroom uit de cel weglekt (kortsluitstroom) doorheen het celmembraan dat als een niet-ideale isolator moet beschouwd worden. Hoe hoger de weerstand van de isolator (het membraan) hoe verder de depolarisatie zich zal uitstrekken. Kwantitatief wordt dit weergegeven door:

Vx = Vo ∗ e − x / λ met

λ=

Rm Ri + Ro

waarbij V0 de oorspronkelijke potentiaalverandering aan de injectieplaats, Io, voorstelt, Vx de potentiaal op afstand x, λ de lengteconstante, Rm, Ri, en Ro de weerstand van het membraan van het intracellulair midden en van het extracellulair midden. De lengteconstante λ geeft de afstand waar de potentiaal gedaald is tot 1/e (d.i. ongeveer

58


37%; e = 2.718) van zijn oorspronkelijke waarde. Voor een spier of zenuwvezel bedraagt de lengteconstante minder dan 1 mm. Aangezien dikkere vezels een geringere intracellulaire weerstand bezitten, zal λ toenemen. De depolarisatie kan zich verder uitbreiden en de voortplantingssnelheid zal dus toenemen met de diameter van de zenuw.

type Aα Aß Aγ B

C

ERLANGER en GASSER funktie gemiddelde doorsnede (µm) motorisch na extrafusale 15 spiervezels extra-en intrafusale 8 spiervezels motorisch na spierspoel 5 preganglionaire 3 orthosymapathische vezels nocisensoren

gemiddelde voortleidingssnelheid (m/s) 100 (70-120) 50 (30 - 70) 20 (12-30) 7 (3-15)

Op basis van de voortgeleidingssnelheid worden zenuwen geklassificeerd. Deze classificatie gebeurt volgens 2 schema’s (Erlanger en Gasser, vooral voor motorische vezels, efferente innervatie gebruikt, aan de voorwortels van het ruggemerg, Lloyd en Hunt, meest voor afferente innervatie, sensorische vezels gebruikt, aan de achterwortel van het ruggenmerg). 2.6.2 Actieve voortgeleiding Wanneer een depolarisatie de drempel overschrijdt, dan zal een actiepotentiaal ontstaan. Door een voortdurende herhaling van kortsluitstromen zal deze actiepotentiaal zich uitbreiden over de ganse vezel. Door het bestaan van de refractaire periode wordt de AP slechts in één richting voortgeleid. Een zenuw wordt hier door nietspanningsafhankelijke kanalen (bv. ligand-gestuurde kanalen) gestimuleerd. Deze stimulus activeert Na+ kanalen en dus een AP. K+ kanalen veroorzaken de repolarisatie. Door het sluiten van de inactiveringspoort kan de depolarisatie niet meer terug geleid worden en moet dus de volgende nog in de rust-toestand bestaande Na+ kanalen (rechts) activeren.

59


type spier huid Ia (Aα) Ib

doorsnede [µm] 13 10

II

(Aß)

9

III

(Aδ)

3

IV (C)

1

HUNT en LlOYD voortgeleiding sensor spier snelheid [m/s] 75 (70-120) spierspoel 60 (40-80) pezen en gewrichtsligame nten 55 (25-70) spierspoel, gewrichtskapsel 11 (10 - 25) Pacini lichaampjes 1 nocisensoren in spieren, gewrichten

sensor huid

tast, kinestesie druk, temperatuur, pijn pijn, druk, temperatuur, postganglionaire vegetatieve vezels

2.6.3 Saltatorische voortgeleiding Bij de vertebraten wordt in zenuwen waar het nodig is een snelle prikkelgeleiding verkregen door de gedeeltelijke electrische isolering van het axon. Alle zenuwen zijn omhuld met steuncellen. Bij sommige axonen van vertebraten is er, door toedoen van deze cellen, rond de vezel een electrisch isolerende laag aangebracht die bestaat uit dicht opeengewikkelde lagen van een gespecialiseerde vorm van plasmamembranen. Men noemt dit de myelineschede en ze wordt gevormd door Schwanncellen in perifere axonen en door oligodendrocyten in axonen van het centraal zenuwstelsel. Op regelmatige afstanden is deze myelineschede onderbroken door de knopen van Ranvier (figuur 2.29). De weerstand t.h.v. de Ranvier knoop is ongeveer 10.000 maal kleiner dan in het internodium omdat alleen hier kanalen en pompen in een grote hoeveelheid aanwezig zijn. De actiepotentiaal springt dus van de ene knoop naar de volgende. Deze vorm van voortgeleiding wordt dus saltatorisch genoemd. Uit de formules voor de lengte en de tijdskonstante leiden we af dat de lengtekonstante en de prikkelgeleidingssnelheid in gemyeliniseerde vezels veel groter zal zijn dan in nietgemyeliniserde vezels van dezelfde diameter.

60


figuur 2.29: Gemyeliniseerde zenuwen. Het axon A wordt door Schwanncellen omgeven die myeline synthetiseren. Deze gespecialiseerde Schwanncellen vormen een spiraalvormige laag om het axon. Deze structuur is niet aanwezig in niet gemyelineseerde zenuwen hoewel deze ook door Schwanncellen omgeven zijn.

De voortgeleiding in een gemyeliniseerde zenuw met Ranvier-knopen wordt in figuur 2.30 getoond. De actiepotentiaal ontstaat alleen in de Ranvier-knoop en springt dus van knoop tot knoop.

61


figuur 2.30: actiepotentialen worden met een extracellulaire meettechniek langs een zenuw geregistreerd. Indicator voor een AP is de potentiaalspits. Dat alleen in de Ranvierknoop een AP ontstaat, wordt duidelijk door het niet verschuiven van de AP-spits langs het internodium.

62


myeline

Na+ kanalen

knoop 1

lekstromen

knoop 2

knoop 3

membraanpootential aan Ranvier knoop 3

AP normaal normaal myeline AP vertraagd partieel defect

geen AP

volledige defect: blok

drempel tijd figuur 2.31: verklaring van defecten in de impulsvoortgeleiding in zenuwen met een defecte myelinelaag.

Multiple sclerose (centraal zenuwstelsel) en het syndroom van Guillain-Barré (perifeer zenuwstelsel) zijn twee neuronale aandoeningen gekenmerkt door het verlies van myeline met als gevolg een vertraging of zelfs het volledig wegvallen van de geleiding. In een gemyeliniseerde zenuwvezel is de aan de Ranvier knoop aankomende impuls 5 tot 7 keer groter dan noodzakelijk om een actiepotentiaal te kunnen activeren (veiligheidsfactor). Demyelinisatie vermindert deze veiligheid. Door vernietiging van de myelinelaag wordt de lekstroom groter. De deporalisatie van de volgende Ranvier knoop wordt eerst vertraagd. Later wordt een volledige blokkering veroorzaakt (figuur 2.31).

2.6.4 Voortgeleiding in hartspiercellen en gladde spieren Het myocardium kan gezien worden als een functioneel syncytium (functioneel als één enkele grote cel). Dit is een gevolg van het voorkomen van gap junkties. De intracellulaire weerstand is door het bestaan van cel-cel connecties in dezelfde grootteorde als de extracellulaire weerstand. Wanneer er celbeschadiging optreedt in een zone van het hart (myocardinfarct) zal in de beschadigde cellen [Ca2+]i toenemen, de H+ concentratie stijgen (daling van de pH) en ATP afnemen. Daardoor sluiten de gap

63


juncties af. Op deze wijze worden de beschadigde cellen automatisch afgesloten van het gezonde weefsel. Door verslechteren van de cel-cel koppeling in het hartweefsel wordt de impulsvoortgeleiding dramatisch beperkt. Dat veroorzaakt impulsgeleidingstoringen, aritmiëen, re-entry fenomeen etc. Impulsvoortgeleiding in skeletspieren wordt vanuit de motorische eindplaat geactiveerd. Vanuit deze eindplaat wordt de actiepotentiaal in alle richtingen voortgeleid. In gladde spieren bestaan dikwijls gap juncties en dus een syncytiële voortgeleiding. Structuur en functie zijn minder homogeen dan in hart- en skeletspieren. Enkele types van gladde spieren zijn prikkelbaar en kunnen zelfs automatisch actief zijn. Andere zijn niet prikkelbaar.

64

2. Rol van ionenkanalen: elektrogenese

Recommend Documents