3. Doorgeven van impulsen en de actiepotentiaal

Samenvatting voor biologie - Doorgeven van impulsen en de actiepotentiaal

Hoe communiceren neuronen met elkaar?

Laten we om te beginnen kijken naar hoe neuronen met elkaar kunnen communiceren. Er zijn namelijk twee paden die bewandeld kunnen worden. Als eerste hebben we de elektrische communicatie of signaaloverdracht. Dit gebeurt over de uitlopers van de neuronen. Weet je nog? De axonen en dendrieten. We hebben hierbij twee mogelijke standen: de rustpotentiaal en de actiepotentiaal. Zie het als een auto: ik kan hem in zijn vrij zetten, dan zal de toerenteller laag staan en is mijn auto in rust. Zet ik hem in zijn 1 en geef ik gas, dan zal de toerenteller omhoog schieten en is mijn auto in “actie”. Op de precieze werking hiervan komen we zo terug.

De elektrische communicatie verloopt dus door het doorgeven van impulsen tussen neuronen. Verder kunnen neuronen ook chemisch communiceren. Dit gaat via de synapsen. Hier kunnen exciterende neurotransmitters en inhiberende neurotransmitters overgebracht worden. De exciterende neurotransmitters zorgen ervoor dat er sneller een actiepotentiaal kan ontstaan, dus dat de neuron “prikkelbaarder” is. De inhiberende neurotransmitters zorgen ervoor dat er minder snel een actiepotentiaal kan ontstaan.

Of er uiteindelijk wel of niet een actiepotentiaal kan ontstaan is niet heel simpel om te zeggen, aangezien dit samenhangt met de hoeveelheid neuronen die signalen doorgeven via de synaps. Als je bijvoorbeeld drie neuronen hebt die een exciterend neurotransmitter afgeven, en één die een inhiberend neurotransmitter afgeeft, zal het bij elkaar waarschijnlijk een exciterend signaal zijn en zal er waarschijnlijk wel een actiepotentiaal ontstaan. We gaan nu eerst kijken naar de elektrische signalering.

Membraanpotentiaal

Om te beginnen werpen we nu een blik op de membraanpotentiaal. De membraanpotentiaal wordt gedefinieerd als de spanning op het membraan van een cel. Deze spanning bestaat omdat er verschillende ionen binnen en buiten de cellen voorkomen, zowel positieve ionen als negatieve ionen. Deze komen in verschillende concentratiegradiënten voor, waardoor er dus een verschil is in de lading binnen en buiten het membraan, en er dus spanning wordt gecreëerd op de membraan. Er zijn meerdere membraanpotentialen: de rustpotentiaal, en de actiepotentiaal.

Rustpotentiaal

Zoals we in een eerdere video hebben gezien, over prikkels en de reflex, kan een zogenaamde adequate prikkel zorgen voor een impuls; een elektrisch signaal over het membraan van een neuron. Als er nog geen sprake is van enig impuls, bevinden de neuronen zich in rust. We spreken dus van een rustpotentiaal bij neuronen wanneer deze niet adequaat geprikkeld zijn en dus hun standaardwaarde hebben. Deze standaardwaarde is -70 mV. De lading binnen de cel is dus 70 mV lager dan dat van zijn externe milieu.

Om dit beter te begrijpen kijken we even naar binas tabel 88D. Hier zien we hoe de ionen zijn verdeeld. Binnen de cel hebben we heel weinig natrium ionen, die positief geladen zijn, maar heel veel meer kalium ionen, die ook positief geladen zijn. Sterker nog; we hebben een dertig keer zo hoge concentratie kalium binnen de cel als buiten de cel, en een vijftien keer hogere concentratie natrium buiten de cel als binnen de cel. Verder hebben we nog chloor, een negatief geladen ion wat veel meer buiten de cel voorkomt dan erbinnen, maar ook nog Anionen, aangeduid als A-. Dit zijn alle andere negatief geladen ionen. Hiervan hebben we ook nog een hoge concentratie binnen de cel dan buiten de cel.

Als we hiervan een optelsom maken, komen we dus tot de logische redenatie dat er veel meer negatief geladen deeltjes binnen de cel zijn en veel meer positief geladen deeltjes buiten de cel zijn, en de cel dus in verhouding tot zijn externe milieu negatiever geladen is en dus een negatief potentiaal heeft. Dit klinkt nogal verwarrend; door diffusie verdelen normaal gezien alle concentraties toch gelijk? Hoe kan het dan dat er ongelijke concentraties binnen en buiten de cel zijn?

Daarvoor moeten we een blik werpen op Binas tabel 88E. Hier zien we de werking van de natrium/kalium- pomp. De naam zegt het al: het is een pomp, dus hij moet daadwerkelijk gaan pompen tegen het gradiënt in. Dit is geen passief proces wat met de stroming meegaat zoals diffusie, maar een actief proces tegen een gradiënt in. Het kost dus ook energie in de vorm van ATP. Deze pomp zorgt ervoor dat het concentratieverschil in stand gehouden wordt. Naast de natrium/kalium pomp hebben we ook natrium en kalium poorten. Deze laten alleen natrium of alleen kalium door. Dit gaat met het gradiënt mee door diffusie, en vereist dus ook geen energie. De poorten zijn echter niet altijd open, maar dat gaan we nu even beter bekijken bij het actiepotentiaal.

Actiepotentiaal

Zoals eerder vermeld heb je meerdere membraanpotentialen. We hebben zojuist gekeken naar het rustpotentiaal, de situatie wanneer er geen adequate prikkel is en dus geen impuls ontstaat. Nu kijken we naar het actiepotentiaal: de situatie wanneer er wél een impuls is. Om dit beter te begrijpen, kun je binas tabel 88F erbij pakken. Hier staat ook stap voor stap uitgelegd hoe een actiepotentiaal wordt opgewekt.

Eerder zagen we dat een adequate prikkel een impuls kan veroorzaken. Deze impuls is niet veel meer dan een elektrisch signaal over het membraan van een neuron. We zien dat het rustpotentiaal in stap 1 ongeveer op -70mV zit. In dit stadium zijn de natrium en kalium poorten nog gesloten. Vervolgens komt er een impuls binnen, veroorzaakt door een adequate prikkel, die het membraanpotentiaal verhoogt naar de drempelwaarde. Deze waarde zit op ongeveer -50mV. Deze drempelwaarde zorgt ervoor dat niet elk impuls zomaar een actiepotentiaal wordt, en wij als mens dus niet de hele tijd overprikkelt zijn.

Wanneer deze drempelwaarde bereikt is, begint de depolarisatie.Iets wat polen heeft, heeft dus twee uiterste verschillen. Een polaire stof heeft vaak een positief geladen en een negatief geladen deel. In deze zin betekent depolarisatie dan ook dat de lading van het binnenmembraan gelijker zal worden aan dat van de buitenkant van het membraan. Nu terug naar de depolarisatie. De drempelwaarde is bereikt, wat ervoor zorgt dat de natrium poorten open gaan. Het natrium diffundeert nu met een hoge snelheid de cel in, omdat de concentratie natrium binnen de cel 15x lager was dan buiten de cel. Hierdoor wordt de binnenkant van de cel dus positief geladen, wat we dus depolarisatie noemen. De stijgende lijn vanaf de drempelwaarde tot ongeveer de piek van de grafiek vormt dus de depolarisatie.

Vervolgens wordt er een membraanpotentiaal bereikt waarbij, vlak voor de piek, de natriumpoorten weer sluiten. De kaliumpoorten gaan nu open en kalium gaat door het concentratieverschil heel snel de cel uit. Aangezien kalium ook positief geladen is, gaat hierdoor de membraanpotentiaal weer heel snel omlaag. Het concentratieverschil kalium binnen en buiten de cel was een factor 30, waardoor de drijvende kracht achter het verlaten van kalium uit de cel hoger is dan het binnengaan van natrium. Hierdoor gaat er meer kalium de cel uit dan er natrium de cel in ging. Ook sluiten de kaliumpoorten wat langzamer, en daardoor komt het nieuwe membraanpotentiaal zelfs onder de -70mV te zitten!

Deze dalende lijn die we zien in de grafiek (zie video) noemen we de repolarisatie, omdat er nu weer ongelijke delen hebben en weer als het ware “polen” gemaakt hebben. De plek waar de grafiek iets onder zijn originele rustpotentiaal is geschoten op het einde van de daling noemen we de hyperpolarisatie. De hyperpolarisatie zorgt ervoor dat de cel een grotere impuls nodig heeft om weer zijn drempelwaarde te bereiken. In deze periode gaan de natrium en kalium pompen “aan” en zullen ze alles weer naar de originele situatie van het rustpotentiaal herstellen.

Dit gehele proces kan zich afspelen in een tijdsbestek van maar 6 milliseconden, wat bijna niet te geloven is. Bij een grotere prikkel en dus impuls zal er geen hogere actiepotentiaal worden bereikt, maar zal wel de frequentie van het actiepotentiaal worden verhoogt. Nu dat we elektrische signaaloverdracht bekeken hebben, gaan we kijken naar chemische signaaloverdracht.

Chemische signaaloverdracht

Pak voor het gemak even tabel 88G van je binas erbij, zodat je voor je toets weet waar het staat. Bij chemische signaaloverdracht kijken we naar de synapsen, het contactpunt tussen twee neuronen. Het elektrische impuls of het actiepotentiaal, waar we het net over hadden reist over de axon van het presynaptische neuron. Dit wil zeggen, het neuron voor de synaps waar het signaal vandaan komt. Dit gebeurt sprongsgewijs of saltatoire.

Het presynaptische neuron is te herkennen in afbeeldingen aan de vele blaasjes, ook wel vesicles genoemd, gevuld met neurotransmitters. Deze worden door second messengers geactiveerd, zoals bijvoorbeeld calcium. Ze heten second messengers omdat ze als tussen-boodschapper werken. In dit geval is calcium de tussen-boodschapper voor de impuls en het vrijlaten van de vesicles gevuld met neurotransmitters. De second messenger  is heel vaak calcium, ook in de binas tabel, maar dit hoeft niet perse zo te zijn.

Het postsynaptisch neuron is het neuron waar het signaal naartoe gaat, en deze is te herkennen aan de vele receptoren op zijn uiteinde. Nu weer even terug naar het verhaal: Het impuls reist over de axon, komt bij het uiteinde terecht en activeert calcium kanalen. Calcium stroomt de presynaptische neuron zijn uiteinde in, en onder invloed van de aanwezigheid van calcium beginnen de vesicles gevuld met neurotransmitter te zweven naar de synaptische spleet. Daar fuseren ze met het membraan, en de neurotransmitter wordt in de synaptische spleet losgelaten.

De neurotransmitter bindt zich aan de receptoren van de postsynaptische neuron. Als dit een exciterende neurotransmitter is, zal dit ervoor zorgen dat het membraan gaat depolariseren, en een actiepotentiaal ontstaat. Als het neurotransmitter inhiberend is, zal de membraan gaan hyperpolariseren en is de prikkeldrempel verhoogd. Zo kunnen neuronen dus hun prikkelbaarheid met neurotransmitters moduleren. Nu hebben we een compleet beeld van de signalering van neuronen.

Tot zover de samenvatting over het doorgeven van impulsen en de actiepotentiaal. Vergeet niet om ook de andere uitlegvideo’s te bekijken, zodat je straks goed voorbereid bent op je eindexamen biologie!