Elektrische signalen in neuronen – Neurowetenschappen
Hoorcollege 2 t/m 6. Zelfstudie 2. Hoofdstuk 2, 3 en 4.
Informatieoverdracht in het zenuwstelsel geschiedt d.m.v. elektrische signalen. Deze elektrische signalen
bestaan uit veranderingen van de membraanpotentiaal van afzonderlijke neuronen, die van neuron on
neuron worden doorgegeven.
Concentratiegradiënt
Een neuron in rust is heeft een verschil in ionconcentraties tussen intracellulair en extracellulair. Diffusie
van ionen over de plasmamembraan is mogelijk via ionkanalen. Deze kanalen reguleren de verplaatsing
van specifieke ionen.
Intracellulaire Extracellulaire
concentratie concentratie
K+ Hoog Laag
Na+ Laag Hoog
Cl- Laag Hoog
Ca2+ Laag Hoog
Negatief Hoog Laag
geladen
eiwitten
Evenwichtspotentiaal
Als de concentratie K+ aan beide zijden van het membraan gelijk is, dan is de concentratie gradiënt 0. Als
de concentratie K+ intracellulair hoger is dan extracellulair, dan ontstaat er een concentratie gradiënt. De
elektrische potentiaal is dan negatief, omdat K+ met zijn concentratiegradiënt mee stroomt naar
extracellulair. Echter zal door het stromen van K+ naar extracellulair een tweede, tegengestelde elektrische
gradiënt gegenereerd worden. Deze tweede, tegengestelde elektrische gradiënt ontstaat doordat de
ontstane positieve extracellulaire ruimte minder aantrekkelijk is voor K+. Op een bepaald punt, de
evenwichtspotentiaal, zal de netto verplaatsing van K+ daarom stoppen.
Evenwichtspotentiaal = De waarde van de membraanpotentiaal waarbij er een evenwicht is tussen de
concentratiegradiënt en elektrische gradiënt van een ion. → Er is geen netto stroom van het ion over het
membraan.
Membraanpotentiaal
De membraanpotentiaal is gelijk aan 0 als de concentratie ionen intracellulair gelijk is aan de concentratie
ionen extracellulair. Echter is dit niet het geval in een neuron. De membraanpotentiaal ontstaat, doordat:
• Intracellulair de concentratie van een specifiek ion anders is dan extracellulair.
• Het membraan selectief permeabel is voor sommige ionen. Dit voorkomt vrije diffusie van ionen
tussen intracellulair en extracellulair.
Rustmembraanpotentiaal
Rustmembraanpotentiaal = De waarde van de membraanpotentiaal tijdens een inactieve periode van een
neuron.
Neuronen hebben een negatieve rustmembraanpotentiaal: -65 mV.
De rustmembraanpotentiaal wordt bepaald door:
1
, • De permeabiliteit van het rustmembraan voor K+. → Belangrijkste factor!
In het plasmamembraan van een neuron in rust zijn een aantal K+-kanalen geopend: de K+-
lekkanalen. Hierdoor is in rust vrije diffusie van K+ van intracellulair naar extracellulair mogelijk.
• De permeabiliteit van het rustmembraan voor Na+.
• De permeabiliteit van het rustmembraan voor Cl-.
• Na+/K+-ATPase.
EXPERIMENT 1: Aantonen dat de rustmembraanpotentiaal niet alleen bepaald wordt door de
permeabiliteit van de rustmembraan voor K+.
Men meet de rustmembraanpotentiaal bij veranderingen van de extracellulaire K +-concentratie. Als de
rustmembraan alleen permeabel is voor K+ (en niet voor andere ionen), dan zou de membraanpotentiaal
evenredig veranderen met de logaritme van de
K+-concentratiegradiënt over het membraan
(Nernst vergelijking). Hierdoor zou rechte lijn
met een helling van 58 mV per tienvoudige
verandering in de extracellulaire K+-concentratie
ontstaan. Echter ontstond er geen rechte lijn
met een helling van precies 58 mV. Dit betekent
dat de rustmembraan ook licht permeabel is
voor andere ionen.
Nernst vergelijking
De Nernst vergelijking wordt gebruikt om de evenwichtspotentiaal van een hypothetisch systeem met één
type ion in te berekenen.
𝑅𝑇 [𝑋]𝑜𝑢𝑡 EX = Evenwichtspotentiaal ion X [V] [J/C].
𝐸𝑋 = ln
𝑧𝐹 [𝑋]𝑖𝑛 R = Gasconstante = 8,31 J/mol/K.
T = Absolute temperatuur [K].
De Nernst vergelijking kan versimpeld worden naar de z = Elektrische lading van ion X.
volgende vergelijking. F = Constante van Faraday = 96,5 C/mol.
[X]out = Concentratie van ion X extracellulair.
58 [𝑋]𝑜𝑢𝑡 [X]in = Concentratie van ion X intracellulair.
𝐸𝑋 = log
𝑧 [𝑋]𝑖𝑛
De evenwichtspotentiaal is gedefinieerd als het potentiaalverschil tussen extracellulair en intracellulair. Dit
betekent voor een positief ion:
• Als de concentratie van een ion hoger is intracellulair dan
extracellulair, dan is de evenwichtspotentiaal negatief.
• Als de concentratie van een ion lager is intracellulair dan
extracellulair, dan is de evenwichtspotentiaal positief.
De relatie tussen de logaritme van de
transmembraanconcentratiegradiënt ([X]out/[X]in) en de
membraanpotentiaal is lineair (op semi-logaritmisch papier). Dit is in het
figuur hiernaast weergegeven voor K+ in een hypothetische situatie.
De evenwichtspotentiaal voor K+ is sterk negatief. Hoe lager de membraanpotentiaal, hoe minder groot de
K+-stroom. De evenwichtspotentiaal voor Na+ is sterk positief. Hoe hoger de membraanpotentiaal, hoe
minder groot de Na+-stroom is.
2
Hoorcollege 2 t/m 6. Zelfstudie 2. Hoofdstuk 2, 3 en 4.
Informatieoverdracht in het zenuwstelsel geschiedt d.m.v. elektrische signalen. Deze elektrische signalen
bestaan uit veranderingen van de membraanpotentiaal van afzonderlijke neuronen, die van neuron on
neuron worden doorgegeven.
Concentratiegradiënt
Een neuron in rust is heeft een verschil in ionconcentraties tussen intracellulair en extracellulair. Diffusie
van ionen over de plasmamembraan is mogelijk via ionkanalen. Deze kanalen reguleren de verplaatsing
van specifieke ionen.
Intracellulaire Extracellulaire
concentratie concentratie
K+ Hoog Laag
Na+ Laag Hoog
Cl- Laag Hoog
Ca2+ Laag Hoog
Negatief Hoog Laag
geladen
eiwitten
Evenwichtspotentiaal
Als de concentratie K+ aan beide zijden van het membraan gelijk is, dan is de concentratie gradiënt 0. Als
de concentratie K+ intracellulair hoger is dan extracellulair, dan ontstaat er een concentratie gradiënt. De
elektrische potentiaal is dan negatief, omdat K+ met zijn concentratiegradiënt mee stroomt naar
extracellulair. Echter zal door het stromen van K+ naar extracellulair een tweede, tegengestelde elektrische
gradiënt gegenereerd worden. Deze tweede, tegengestelde elektrische gradiënt ontstaat doordat de
ontstane positieve extracellulaire ruimte minder aantrekkelijk is voor K+. Op een bepaald punt, de
evenwichtspotentiaal, zal de netto verplaatsing van K+ daarom stoppen.
Evenwichtspotentiaal = De waarde van de membraanpotentiaal waarbij er een evenwicht is tussen de
concentratiegradiënt en elektrische gradiënt van een ion. → Er is geen netto stroom van het ion over het
membraan.
Membraanpotentiaal
De membraanpotentiaal is gelijk aan 0 als de concentratie ionen intracellulair gelijk is aan de concentratie
ionen extracellulair. Echter is dit niet het geval in een neuron. De membraanpotentiaal ontstaat, doordat:
• Intracellulair de concentratie van een specifiek ion anders is dan extracellulair.
• Het membraan selectief permeabel is voor sommige ionen. Dit voorkomt vrije diffusie van ionen
tussen intracellulair en extracellulair.
Rustmembraanpotentiaal
Rustmembraanpotentiaal = De waarde van de membraanpotentiaal tijdens een inactieve periode van een
neuron.
Neuronen hebben een negatieve rustmembraanpotentiaal: -65 mV.
De rustmembraanpotentiaal wordt bepaald door:
1
, • De permeabiliteit van het rustmembraan voor K+. → Belangrijkste factor!
In het plasmamembraan van een neuron in rust zijn een aantal K+-kanalen geopend: de K+-
lekkanalen. Hierdoor is in rust vrije diffusie van K+ van intracellulair naar extracellulair mogelijk.
• De permeabiliteit van het rustmembraan voor Na+.
• De permeabiliteit van het rustmembraan voor Cl-.
• Na+/K+-ATPase.
EXPERIMENT 1: Aantonen dat de rustmembraanpotentiaal niet alleen bepaald wordt door de
permeabiliteit van de rustmembraan voor K+.
Men meet de rustmembraanpotentiaal bij veranderingen van de extracellulaire K +-concentratie. Als de
rustmembraan alleen permeabel is voor K+ (en niet voor andere ionen), dan zou de membraanpotentiaal
evenredig veranderen met de logaritme van de
K+-concentratiegradiënt over het membraan
(Nernst vergelijking). Hierdoor zou rechte lijn
met een helling van 58 mV per tienvoudige
verandering in de extracellulaire K+-concentratie
ontstaan. Echter ontstond er geen rechte lijn
met een helling van precies 58 mV. Dit betekent
dat de rustmembraan ook licht permeabel is
voor andere ionen.
Nernst vergelijking
De Nernst vergelijking wordt gebruikt om de evenwichtspotentiaal van een hypothetisch systeem met één
type ion in te berekenen.
𝑅𝑇 [𝑋]𝑜𝑢𝑡 EX = Evenwichtspotentiaal ion X [V] [J/C].
𝐸𝑋 = ln
𝑧𝐹 [𝑋]𝑖𝑛 R = Gasconstante = 8,31 J/mol/K.
T = Absolute temperatuur [K].
De Nernst vergelijking kan versimpeld worden naar de z = Elektrische lading van ion X.
volgende vergelijking. F = Constante van Faraday = 96,5 C/mol.
[X]out = Concentratie van ion X extracellulair.
58 [𝑋]𝑜𝑢𝑡 [X]in = Concentratie van ion X intracellulair.
𝐸𝑋 = log
𝑧 [𝑋]𝑖𝑛
De evenwichtspotentiaal is gedefinieerd als het potentiaalverschil tussen extracellulair en intracellulair. Dit
betekent voor een positief ion:
• Als de concentratie van een ion hoger is intracellulair dan
extracellulair, dan is de evenwichtspotentiaal negatief.
• Als de concentratie van een ion lager is intracellulair dan
extracellulair, dan is de evenwichtspotentiaal positief.
De relatie tussen de logaritme van de
transmembraanconcentratiegradiënt ([X]out/[X]in) en de
membraanpotentiaal is lineair (op semi-logaritmisch papier). Dit is in het
figuur hiernaast weergegeven voor K+ in een hypothetische situatie.
De evenwichtspotentiaal voor K+ is sterk negatief. Hoe lager de membraanpotentiaal, hoe minder groot de
K+-stroom. De evenwichtspotentiaal voor Na+ is sterk positief. Hoe hoger de membraanpotentiaal, hoe
minder groot de Na+-stroom is.
2
