Neuronen, synapsen en signalering.

De communicatie lijnen binnen het lichaam

kegelslakDe tropische kegel slak (Conus geographus) is zowel mooi als gevaarlijk. Deze zeeslak is een carnivoor die jaagt, doodt en leeft van vis. Hij Injecterd gif met een hol, harpoen-achtig deel van haar mond, de kegel slak verlamt haar vrij zwemmende prooi in een paar seconden. De kegel slak zijn gif is zo sterk dat een enkele injectie duikers heeft gedood die onbewust waren van het gevaar binnen zijn ingewikkeld schelp. Wat maakt de kegel slak zijn gif zo snel werkend en dodelijk? Het antwoord is een mengsel van moleculen die neuronen uit schakelen, de zenuwcellen die de overdracht van informatie binnen het lichaam vervullen. Omdat het gif bijna onmiddellijk de neuronale controle verstoort van de vitale functies, zoals motoriek en ademhaling, kan een dier aangevallen door de kegel slak zich niet verdedigen, noch ontsnappen. Communicatie door neuronen bestaat grotendeels uit twee verschillende soorten signalen: lange afstand elektrische signalen en korte afstand chemische signalen. Door De gespecialiseerde structuur van de neuronen kunnen ze pulsen van elektrische stroom gebruiken voor het ontvangen, doorgeven, en kunnen ze doorstroming van informatie over lange afstanden in het lichaam regelen. In het overbrengen van informatie van de ene naar de andere cel, doen neuronen vaak een beroep op chemische signalen die de handeling over zeer korte afstanden regelen. De kegel slak zijn gif is bijzonder krachtig omdat het interfereert met zowel elektrische en chemische signalen door neuronen. Neuronen dragen veel verschillende soorten informatie over. Ze zenden sensorische informatie, controleren hartslag, coördineren hand en oogbeweging, slaan herinneringen op, genereren dromen, en nog veel meer. Al deze informatie is doorgegeven binnen neuronen als een elektrische stroom, bestaande uit de beweging van ionen. De verbindingen gemaakt door een neuron geeft aan welke informatie wordt doorgegeven. Het Interpreteren van signalen in het zenuwstelsel is daarom het sorteren van een complexe reeks van neuronale paden en verbindingen. In meer complexe dieren, wordt dit een hogere orde verwerking voornamelijk uitgevoerd in groepen van neuronen georganiseerd in de hersenen-of in eenvoudiger clusters genoemd ganglia. In dit hoofdstuk onderzoeken we de structuur van een neuron en verkenen we de moleculen en fysische principes die signalering door neuronen bepalen.

Organisatie en structuur weerspiegelt de functie in de informatie-overdracht

Alvorens in de activiteit te duiken van een individueel neuron, kijken we eens hoe neuronen functioneren in de stroom van informatie van het dierlijk lichaam. We gebruiken als voorbeeld de inktvis, een organisme dat sommige buitengewoon grote zenuwcellen heeft die zeer geschikt zijn voor fysiologische studies.

Inleiding tot de Information Processing

Net als de kegel slak, is de inktvis een actieve jager. Met behulp van zijn hersenen vormt hij met de informatie gevangen genomen door de beeldvormende ogen een beeld, de inktvis onderzoekt zijn omgeving. Als de inktvis een prooi ziet, reizen signalen van zijn hersenen naar neuronen in haar mantel die veroorzaken spiersamentrekkingen die het voortbewegen van de inktvis te doen gebeuren.
De inktvis's jachtactiviteit illustreert de drie fasen in de verwerking van informatie: de zintuiglijke input, integratie en motorische output. In alle, behalve de eenvoudigste dieren, handelen gespecialiseerde populaties van neuronen elke fase. Sensorische neuronen geven informatie door van de ogen en andere sensoren nemen externe prikkels waar zoals(licht, geluid, tast, warmte, geur en smaak) of interne omstandigheden (zoals bloeddruk, bloed kooldioxide niveau, en spierspanning). Deze informatie wordt verstuurd naar de verwerking centra in de hersenen of in de ganglia. Neuronen in de hersenen of ganglia integreren (analyseren en interpreteren) de zintuiglijke input, rekening houdend met de onmiddellijke context en ervaring van het dier. De overgrote meerderheid van de neuronen in de hersenen zijn interneuronen, die alleen lokale verbindingen maken. Motorvermogen is gebaseerd op neuronen die zich uitstrekken vanuit het proces centra in bundels, de zenuwen genereren output door het triggeren van spier of klier activiteit. Motor neuronen sturen signalen naar de spiercellen, waardoor ze te samentrekken.
In veel dieren, zijn de neuronen die integratie uit voeren georganiseerd in het centrale zenuwstelsel (CNS), die de hersenen en een longitudinale zenuwen snoer bevat. De neuronen die informatie in en uit het CNS voeren vormen het perifere zenuwstelsel (PNS).

Neuron Structuur en Functie

neuronHet vermogen van een neuron om gegevens te ontvangen en door te geven is gebaseerd op een zeer gespecialiseerde cellulaire organisatie. De meeste van de neuron zijn  organellen, met inbegrip van de kern bevinden zich in het cel lichaam. Een typisch neuron heeft tal van dendrieten (van het Griekse dendron, boom), sterk vertakte extensies die signalen van andere neuronen ontvangen. Een neuron heeft ook een axon, een extensie die signalen doorgeeft aan andere cellen. Axonen zijn vaak veel langer dan dendrieten, en sommige, zoals die uit het ruggenmerg van een giraf zijn lang genoeg om de spiercellen te bereiken in zijn voeten, meer dan een meter lang. Het kegel-vormige gebied van een axon waar hij samenkomt met het cellichaam heet de axon heuvel, zoals we zullen zien, is dit meestal de regio waar de signalen die langs de axon reizen worden gegenereerd. In de buurt van het andere uiteinde, verdeelt het axon meestal in verschillende takken. Elke vertakte eind van een axon stuurt gegevens naar een andere cel op het kruispunt dat een synaps heet. Het gedeelte van elke axon tak die neuron fotodit gespecialiseerde kruispunt vormt, noemen we een synaptische terminal. Bij de meeste synapsen, zullen chemische boodschappers de zogenaamde neurotransmitters informatie van de verzendende neuron door geven aan de ontvangende cel. Bij de beschrijving van een synaps, verwijzen we naar de verzendende neuron als de presynaptische cel en het neuron, spier of klier cel die het signaal ontvangt als de postsynaptische cel. Afhankelijk van het aantal synapsen dat een neuron heeft met andere cellen, kan de vorm variëren van eenvoudig tot zeer complex. Sommige interneuronen zijn sterk vertakte uitlopers die deelnemen aan ongeveer 100.000 synapsen. In tegenstelling tot neuronen met eenvoudigere dendrieten, deze hebben veel minder synapsen. Om normaal te functioneren, zijn de neuronen van de gewervelde dieren en de meeste ongewervelde  dieren, ondersteunende cellen genaamd gliacellen nodig, of glia (van het Griekse woord "lijm"). Afhankelijk van het type, kan glia neuronen voeden, isoleren van de axonen en neuronen, of helpen met reguleren van de extracellulaire vloeistof rond de neuronen. Glia overtreffen neuronen in de hersenen van zoogdieren 10 - tot 50-voudig.

 

Laatst aangepast (zondag 26 december 2010 13:27)

 

 

Ion-pompen en ionkanalen handhaven van de rustpotentiaal van een neuron.

Alle cellen hebben een membraan potentieel, een spanning (verschil in elektrische lading) over hun plasmamembraan. In neuronen, veroorzakt input van andere neuronen of specifieke stimuli veranderingen in dit  membraanpotentiaal dat fungeert als een signaal, die informatie doorgeven en verwerken. Snelle veranderingen in het membraanpotentiaal zijn wat ons in staat stelt om: een bloem te kunnen zien, een boek te lezen, of om te klimmen in een boom. Dus om te begrijpen hoe neuronen functioneren, moeten we eerst onderzoeken hoe membraan potentialen worden: gevormd, onderhouden en veranderen.
Het membraanpotentiaal van een neuron die rust, dat is wanneer hij geen signalen verzend, is het rustpotentiaal en is meestal tussen -60 en -80 mV (millivolt). Het minteken geeft aan dat de binnenkant van een neuron in rust negatief is ten opzichte van de buitenkant.

Vorming van het rustpotentiaal

rustpotentiaalKaliumionen (K +) en natrium ionen (Na +) spelen een cruciale rol bij de vorming van het rustpotentiaal. Voor elk is er een concentratie gradiënt over het plasmamembraan van een neuron. In het geval van zoogdier-neuronen, is de concentratie van K 140 mM (mM) in de cel, maar slechts 5 mm buiten. De Na + concentratie gradiënt is bijna het tegenovergestelde: 150 mm buiten en slechts 15 mm binnen. Deze Na + en K + gradiënten worden onderhouden door natrium-kalium-pompen in het plasmamembraan. Deze ionen pompen gebruiken de energie van ATP hydrolyse voor actief transport van Na + uit de cel en K + in de cel. (Er zijn ook concentratie gradiënten voor chloride-ionen (CI-) en andere anionen, maar we zullen deze Negeren voor het moment.) De concentratie gradiënten van K + en Na + vertegenwoordigen door het plasmamembraan heen een chemische vorm van potentiële energie. Voor het omzetten van het chemische potentiaal naar een elektrisch spanningsverschil worden ionkanalen gebruikt, poriën gevormd door clusters van gespecialiseerde eiwitten. Ionkanalen maken het mogelijk dat ionen heen en weer over het membraan diffuseren. Als ionen diffunderen door kanalen, dragen ze eenheden van elektrische lading met zich mee. Eventueel de daaruit voortvloeiende netto beweging van positieve of negatieve lading zal een spanning genereren, of potentiële spanning, over het membraan. De ion kanalen die het membraampotentieel veranderen hebben een selectieve permeabiliteit, wat betekent dat ze alleen bepaalde ionen laten passeren. Bijvoorbeeld, een kaliumkanaal laat K + vrij diffuseren over het membraam, maar geen andere ionen, zoals Na +. Een rustende neuron heeft veel open kalium kanalen, maar heel weinig open natriumkanalen. De diffusie van K + via open kalium kanalen is van cruciaal belang voor de vorming van het rustpotentiaal. In een rustend zoogdier neuron, kunnen deze kanalen K + laten passeren in beide richtingen over het membraan. Omdat de concentratie van K + veel hoger is in de cel, zorgt de chemische concentratiegradiënt voor een netto uitstroom van K +. Omdat de kalium kanalen  alleen K + laten passeren, blijven Cl en andere anionen in de cel en kunnen niet met K + over het membraan. Als gevolg van de uitstroom van K +, leidt dit tot een overmaat aan negatieve lading in de cel. Deze opbouw van negatieve lading binnen het neuron is de bron van het membraanpotentiaal. Wat voorkomt dat de opbouw van negatieve lading blijft toenemen voor onbepaalde tijd? Het antwoord ligt in het elektrische potentiaal zelf. De grote negatieve ladingen in de cel oefenen een aantrekkende kracht die de stroom van aanvullende positief geladen kaliumionen uit de cel trekt. De scheiding van lading resulteert dus in een elektrische gradiënt dat het chemische concentratiegradiënt van K + compenseert.

Modellering van de rustpotentiaal

De netto stroom van K + uit een neuron gaat door tot de chemische en elektrische krachten in evenwicht zijn. Hoe goed kunnen alleen deze twee krachten verantwoordelijk worden gehouden voor het rustpotentiaal in een zoogdier neuron? Om deze vraag te beantwoorden, moeten we eens kijken naar een eenvoudig model dat bestaat uit twee kamers gescheiden door een kunstmatig membraan. Stel je voor dat het membraan veel open-ion kanalen bevat, die alle aleen K + toe staan  te diffunderen. Om een concentratiegradiënt voor K + te creeren zoals als dat van een zoogdier neuron, hebben we een oplossing van 140 mM kaliumchloride (KCI) geplaatst in de binnenkamer en 5 mM KCl in de buitenste kamer. De kalium-ion (K +) zal diffunderen naar de buitenste kamer. Maar omdat de chloride-ionen (Cl-) niet kunnen oversteken via het membraan, zal een overmaat aan negatieve lading overblijven in de binnenkamer. Als ons neuron model evenwicht bereikt, zal de elektrische gradiënt precies de balans hebben van de chemische gradiënt, zodanig dat er geen verdere netto diffusie van K + ontstaat over het membraan. De omvang van de membraan spanning bij evenwicht voor een bepaald ion heet ion evenwicht potentiële (Eion). Voor een membraan doorlaatbaar voor een enkel type ion, kan Eion worden berekend met behulp van een formule, genaamd de Nernst vergelijking. Op de menselijke lichaamstemperatuur (3TC) en voor een ion met een netto lading van 1 +, zoals K + of Na +, is de Nernst-vergelijking

Het invoeren van de K + concentraties in de Nernst-vergelijking doet blijken  dat het evenwicht potentieel voor K + (Erd -90 mV is). Het minteken geeft aan dat K + in evenwicht is als de binnenkant van het membraan 90 mV negatiever is dan de daar buiten. Hoewel het evenwicht potentieel voor K+, -90mV is , is het rustpotentiaal van een neuron in zoogdieren iets minder negatief. Dit verschil weerspiegelt de kleine, maar gestage beweging van Na + in de weinige open natriumkanalen in een rustende neuron. Omdat de concentratie gradiënt van Na + een richting tegengesteld richting aan die van K + heeft, diffundeert Na + naar de cel en maakt dus de binnenkant van de cel minder negatief. Als we het model geven van een membraan waarin de Synapsenige open kanalen selectief permeabel voor Na + zijn, vinden we dat een tien keer hogere concentratie van Na + in de buitenste kamer resulteert in een evenwicht potentiële (ENA), van +62 mV. Het rustpotentiaal van een neuron is de werkelijke -60 tot -80 mV. Het rustpotentiaal is veel dichter bij de EK dan aan Ena in een neuron, want er zijn veel open kalium kanalen, maar slechts een klein aantal open natriumkanalen. Omdat noch K + noch Na +, in evenwicht is in een rustende-neuron, heeft Elk ion een netto-flow (een stroom) over het membraan. Het rustpotentiaal blijft constant, wat betekent dat de K + en Na + stromingen gelijk zijn en tegengesteld. Ion-concentraties aan beide zijden van het membraan zullen ook stabiel blijven omdat de lading seperatie die nodig is om het rustpotentiaal te genereren zeer klein is. Dit geeft de beweging weer van veel minder ionen dan nodig zou zijn om de chemische concentratiegradiënt te wijzigen.

Onder de omstandigheden die het mogelijk maken Na + makkelijker het membraan over te steken , zal het membraan potentiële meer overgaan naar Ena en uit de buurt van Ek. Zoals we zullen zien in de volgende paragraaf, is dit precies wat er gebeurt tijdens de uitzending van een zenuwimpuls langs een axon.

 

Laatst aangepast (woensdag 22 december 2010 14:19)

 
Meer artikelen...
  • Chemie en de Biologie deel 1
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
     Hoofdstuk 2 2008
    View more webinars from Biology, Utrecht University.   Biologie en Chemie zijn met elkaar verbonden. Materie bestaat uit chemische elementen en in combinaties van elementen die we bindingen noemen. Alle organismen op aarde bestaan uit materie. Materie is iets wat ruimte in nee.....
    Lees meer
  • Veranderingen in de synaptische verbindingen die ten grondslag liggen aan leren en geheugen
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    Veranderingen in de synaptische verbindingen die ten grondslag liggen aan leren en geheugen Veranderingen in de synaptische verbindingen die ten grondslag liggen aan leren en geheugen Tijdens de embryonale ontwikkeling, stellen gereguleerde genexpressie en signaaltransductie de algemene structuur van het zenuwstelsel vast. Twee processen domineren de rest van de ontwikkeling van het ..... Lees meer
  • Command and control center
    19/12/2010 | Jacko
    Command and control center  Command and control center Wat gebeurt er in je hersenen als je iets met je gedachten een foto "voor de geest haalt"? Tot voor kort hadden wetenschappers weinig hoop om deze vraag te beantwoorden. Het menselijk brein bevat naar schatting 100 miljard neuronen. De circuits die deze hersencelle..... Lees meer
  • Abiotische synthese van macromoleculen.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    Abiotische synthese van macromoleculen. De aanwezigheid van kleine organische moleculen, zoals aminozuren, is niet voldoende voor het ontstaan van leven zoals wij het kennen. Elke cel heeft een uitgebreid assortiment van macromoleculen, met inbegrip van enzymen en andere eiwitten en de nucle..... Lees meer
  • De structuur en functie van grote biologische moleculen.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
     Hoofdstuk 5 2008
    View more webinars from Biology, Utrecht University.   De structuur en functie van grote biologische moleculen. De moleculen van het leven Gezien de grote complexiteit van het leven op aarde zou je verwachten dat organismen een enorme verscheidenheid van moleculen hebben. Opme.....
    Lees meer
  • Aandoeningen van het zenuwstelsel kan worden verklaard in moleculaire termen.
    19/12/2010 | Jacko
    Aandoeningen van het zenuwstelsel kan worden verklaard in moleculaire termen. Aandoeningen van het zenuwstelsel, waaronder schizofrenie, depressie, drugsverslaving, de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson, zijn een belangrijk probleem voor de volksgezondheid. Samen, leiden ze tot meer ..... Lees meer
  • De gewervelde hersenen regionaal gespecialiseerd.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    De gewervelde hersenen regionaal gespecialiseerd. De gewervelde hersenen regionaal gespecialiseerd. Na bestudering van de organisatie van het ruggenmerg en het parasympathische zenuwstelsel, wenden wij ons nu naar de hersenen. Bij de bespreking van de hersen organisatie, verwezen biologen vaak naar de deelsectoren die specifiek zijn op bepaald..... Lees meer
  • De polariteit van water moleculen zorgt voor waterstof bindingen.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
     Hoofdstuk 3 2008
    View more webinars from Biology, Utrecht University.   De polariteit van water moleculen zorgt voor waterstof bindingen. Water is zo normaal voor ons dat we vaak vergeten hoe belangrijk het is en wat voor belangrijke functies het voor ons vervult. Hoe water werkt en beweegt is.....
    Lees meer
  • Verloren werelden.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
      Verloren werelden. Bezoekers die naar Antarctica gaan vandaag de dag ontmoeten een van zwaarste omgevingen op aarde. In dit land van extreme koude, waar er bijna geen vloeibaar wateris, is het leven schaars en klein. Het grootste, volledige landdier is een vlieg 5 mm lang. Maar zelfs de Zui..... Lees meer
  • Koolstof de ruggengraat van het leven.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
     Koolstof de ruggengraat van het leven. Hoewel water het universele medium voor het leven op aarde is, bestaan niet alle levende organismen uit water, er zijn ook organismen die uit chemische oplossingen bestaan zoals sommige planten en een bepaalde kever. Deze organismen zijn gebaseerd de chem..... Lees meer
  • De cerebrale cortex controleerd vrijwillige beweging en cognitieve functies.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    De cerebrale cortex controleerd vrijwillige beweging en cognitieve functies. De cerebrale cortex controleerd vrijwillige beweging en cognitieve functies.

    Elke zijde van de hersenschors wordt gewoonlijk omschreven als dat hij vier lobben heeft, de zogenaamde frontale, temporale en occipitale en pariëtale kwabben (elke kwab is vernoemd naar een bot van de schedel). Ond.....
    Lees meer
  • Waarnemen en handelen
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    Zintuiglijke en motorische mechanismen Waarnemen en handelen Een lichtflits verlicht een kort moment in een nachtelijke confrontatie. Een vleermuis die patrouilleren in de zomer de lucht op zoek naar voedsel, is op de rand van het vangen van een nachtvlinder. Geschrokken van zijn vlucht, heef..... Lees meer
  • De condities die het leven op aarde mogelijk maakten.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    De condities die het leven op aarde mogelijk maakten. Het vroegste bewijs van leven op aarde is afkomstig van fossielen van microorganismen die ongeveer 3,5 miljard jaar oud zijn. Maar wanneer en hoe zijn de eerste levende cellen verschenen? Observaties en experimenten in de chemie, geologie ..... Lees meer
  • De synthese van organische binding op de jonge aarde.
    19/12/2010 | Jacko van de Wetering
    De synthese van organische binding op de jonge aarde. Er is wetenschappelijk bewijs dat de aarde en de andere planeten van het zonnestelsel gevormd zijn ongeveer 4,6 miljard jaar geleden. Ontstaan uit een enorme wolk van stof en stenen die rond de jonge zon Voor de eerste paar honderd miljoen..... Lees meer
Snel zoeken
cyanobacterien.jpg
Tot 80% minder kwijt aan je (Nederlandse) studieboeken

Faqt nieuws
Nieuws
De laatst gepubliceerde content van MSN Nieuws.
  • Eerste geval van ebola vastgesteld in VS
    DALLAS (ANP) - Voor het eerst is in de Verenigde Staten bij een patiënt ebola vastgesteld. Dat hebben de gezondheidsautoriteiten in de VS dinsdag laten weten, aldus Amerikaanse media. Verdere bijzonderheden over de persoon ontbreken nog.
  • EU wil vredesmissie CAR verlengen
    BRUSSEL (ANP) - De vredesmissie van de EU in de Centraal-Afrikaanse Republiek (CAR) wordt waarschijnlijk verlengd met drie maanden. De ambassadeurs van de EU-landen zijn dat dinsdag in principe overeengekomen.
  • Tips stromen binnen over afpersing De Mol
    HILVERSUM (ANP) - De tips over de afpersing en bedreiging van John en Linda de Mol stromen dinsdagavond bij de politie binnen. Ruim een half uur nadat er op televisie aandacht was besteed aan de zaak, waren er al ruim 30 tips binnengekomen. Volgens de politie worden er namen genoemd van de man op de getoonde compositietekening.
  • Dreigbrieven onder stenen voor familie De Mol
    HILVERSUM (ANP) - John de Mol ontvangt dreigbrieven die onder andere worden achtergelaten onder bakstenen bij zijn huis in Blaricum en op andere plekken. In de brieven staat dat hij een fors geldbedrag moet betalen, anders zou de kinderen van zijn zus Linda iets worden aangedaan.
Wat vind jij van de nieuwe layout?
Wat vind je van de nieuwe layout?
 
Nieuwslog » biologie
De nieuwe krant
  • Onderzoekster van Grote Waternavel genomineerd voor HAS Award (video)
    Op 1 juni 2012 vindt tijdens het HAS Year Event de uitreiking van de HAS Awards plaats in de categorieën Jong Talent, Praktijkonderwijs en Bedrijfsopdracht. Anne van Gisbergen uit Bergeijk is genomineerd in de categorie Jong Talent voor haar onderzoek naar de beruchte invasieve waterplant Grote Waternavel. Anne (22 jaar) doet dit onderzoek in het [...]
  • Belang Japanse oesters in de Waddenzee veel groter dan vermoed
    Japanse oesters en mosselen zijn belangrijk voor de biodiversiteit in de Waddenzee, als voedselbron, maar ook omdat ze een leefomgeving creëren voor veel andere soorten. In een studie die onlangs online verscheen in het internationale wetenschappelijke tijdschrift Ecosystems laten onderzoekers van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ) en de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) zien dat de [...]
grand-canyon.jpg