Hermosolun toiminta

1. 8. Asiaa hermosoluista
8.1. Peruskäsitteitä
Ymmärtääksesi tähän tekstitiedostoon kokoamani katsauksen sinun
tulee valmiiksi osata hermosoluihin liittyvät seuraavat yleiset käsitteet:
hermosolu eli neuroni, solukeskus eli sooma, aksoni eli viejähaarake,
dendriitti eli tuojahaarake, päätejalka eli päätenappula ja synapsi eli
synapsirako (kuva 51). Näitä asioita käsitellään myös esim. BIOS4
Ihmisen biologia -kirjan sivuilla 25 – 31.
Tuojahaarake eli dendriitti
Viejähaarake eli aksoni
Päätejalka
(Solukelmulla Ca+-
kanavia, Ca+-
pumppuja, sisällä
välittäjäaine-
rakkuloita)
Tuma Solukeskus eli sooma
(Na+ / K+-pumppuja,
Na+-kanavia ja
K+-kanavia)
Synapsirako:
Postsynaptisen (= synapsin
jälkeisen) solukeskuksen solu-
kelmulla on välittäjäaineresepto-
reita ja niiden vieressä joko Na+
tai Cl- -kanavia. Impulssi ylittää
synapsiraon välittäjäaineen
avulla. Kloridi-ionien ulos-
pumppaamista varten on post-
synaptisella solukelmulla myös
kloridipumppuja.
Impulssin kulkusuunta
(määräytyy synapsissa)
Kuva 51. Hermosoluihin liittyvät keskeiset
käsitteet ja proteiinirakenteisten pumppu- ja
kanavamolekyylien sijainti.
Aksonia päällystävä myeliinituppi
(”A-luokan nakki”)

2. Hermosolut ovat monella tavalla erikoistuneita. Niiden ainutlaatuisin
piirre on kyky synnyttää solukalvollaan sähköisiä muutoksia (jännitteen
muutoksia) ja lisäksi kyky siirtää muutos naapurihermosoluihin, joskus
myös muihin solutyyppeihin.
Hermosolun solukelmu työskentelee ankarasti. Aikaisemmilta biologian
kursseilta muistat varmaankin, että solun (ja siis elämän) työkalut ovat
proteiineja. Varsinaisesti työn siis solukelmussa tekevät kelmuun
kiinnittyneet proteiinit.
Geeni puolestaan on sellainen jakso DNA-rihmaa, joka sisältää yhden
proteiinin rakenneohjeen. Siksi myös hermosolujen toiminnalla on
geneettinen perusta.
Hermosoluille ominaisten proteiinien tekemä työ johtaa siihen, että
solukelmun ulkopuolelle muodostuu positiivinen varaus suhteessa
sisäpuolella vallitsevaan negatiiviseen varaustilaan. Varausero on
nimeltään lepojännite.
Kaikkialla solukelmussa on myös proteiineja, jotka tietyssä tilanteessa
sallivat varausten vaihtaa paikkaa. Tuolloin jännitteen suunta muuttuu.
Solukelmua pitkin eteneviä varaustilan muutoksia kutsutaan
hermoimpulsseiksi.
Kahden hermosolun välissä olevan synapsiraon kohdalla solukelmun
osat lorauttelevat ulkopuolelleen välittäjäaineita, toiset solukelmun osat
taas vastaanottavat niitä ja reagoivat niihin jännitteen muutoksella.
Jännite syntyy aina positiivisten ja negatiivisten sähkövarausten välille.
Jännitteen eli potentiaalin arvo ilmoitetaan voltteina (V). Soluihin,
tarkasti ottaen solukelmun ulko- ja sisäpuolen välille, jännite syntyy, kun
sisä- ja ulkopuolella (=kudosnesteessä) on eri määrät ioneja tai jos
solukelmun eri puolilla olevien ionien sähkövaraus on
vastakkaismerkkinen. Hermosolun kannalta tärkeimmät ionit ovat:
- Na+ ioni, runsaasti kuosnesteessä, vähän solulimassa
- K+ ioni, runsaasti solulimassa, vähän kudosnesteessä
- Cl- ioni, runsaasti kudosnesteessä, vähän solulimassa
- Ca+ ioni, jonkin verran kudosnesteessä, vähän sisäpuolella

3. - negatiivisesti varautuneet makromolekyylit (=proteiinit), runsaasti
solulimassa, hyvin vähän kudosnesteessä
8.2. Lepojännite (kuva 52)
Kun kaikki varaukset lasketaan yhteen, voidaan sanoa, että hermosolun
sisäpuoli on negatiivisesti, ulkopuoli positiivisesti varautunut.
Tällaisessa solussa solukalvon yli vallitsee ns. lepojännite, jonka
suuruus on -70mV (jännite mitataan sisäpuolelta siksi se on
negatiivinen). Itse asiassa kaikissa soluissa vallitsee jonkinlainen
lepojännite, mutta hermosoluissa se on erityisen suuri. Ja vain
hermosoluissa jännite voi muuttua salamannopeasti johonkin toiseen
arvoon. Tällöin sanotaan, että hermosolussa ilmenee hermoimpulssi.
Ionipitoisuuksien erot eivät synny itsestään, vaan solukelmussa olevat
proteiinirakenteiset pumput siirtävät varsinkin Na+ ja K+ ioneja eri
suuntiin. Lisäksi (useimmiten negatiivisesti varautuneita)
makromolekyylejä esiintyy enimmäkseen solujen sisäpuolella, jossa ne
valmistetaan. Ionien siirtotyö kuluttaa runsaasti ATP:tä. Lepotilassa jopa
25% elimistön ATP-kulutuksesta menee tähän puuhaan.

4. Lepojännite siis perustuu solukelmun kykyyn pumpata ioneja ja
toisaalta estää niiden passiivinen siirtyminen kelmun läpi takaisin. Ionit
todella pysyvät paikoillaan, vaikka niiden pitoisuuserot ovat hyvinkin
suuria.
8.3. Yhteenveto hermosolun solukelmun molekyyleistä (Kaikki
muut ovat proteiineja paitsi kohta 1. Fosfolipidi-kolesterolikalvo):
1. Fosfolipidi-kolesterolikalvo
- solun ulkokalvo eli solukelmu, joka toimii sähköeristimenä, koska
ei läpäise ioneja lainkaan
Natrium / Kalium –pumppu
- pumppaa kolme Na+-ionia ulos samalla
kun vain kaksi K+-ionia sisään → solun
ulkopuoli muuttuu varaukseltaan
positiiviseksi solun sisäpuoleen verrattuna
(= lepojännite)
K+ -kanava
- K+-kanavat ovat
kiinni lepojännitteen
aikana
Na+-kanava
- Na+-kanavat ovat kiinni
lepojännitteen aikana
Hermosolun
sisäpuoli
Hermosolun
ulkopuoli
Solukelmu
ATP ADP + P
K+ K+
Na+ Na+Na+
K+ K+ K+ K+ K+ K+
Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+
Kuva 52. Hermosolun toiminta lepojännitteen
aikana.

5. 2. Natrium-kalium-pumppu eli Na/K-ATP-aasi
- pumppaa kerralla kaksi K+ionia sisään soluun, kolme Na+ionia
ulos ja käyttää tähän työhön yhden ATP-molekyylin, joka hajoaa
ADP:ksi ja fosfaatiksi
- näitä esiintyy koko solukelmun alueella, yhteenlaskettu määrä
lienee n. miljoona / hermosolu, tehtävänä lepopotentiaalin ylläpito
3. Na-kanava
- avautuvat jännitteen hiemankin muuttuessa (välittäjäaineen
vaikutuksesta tai joskus jopa solun sisäisten kemiallisten
muutosten takia) ja sallivat Na+ionien virrata niiden pitoisuus- ja/tai
varauseron määräämään suuntaan
4. K+kanava
- kuten Na+kanavat
5. Ca+kanava
- kuten Na+ ja K+kanavat, mutta näitä esiintyy aksonin päätejaloissa
synapsirakojen alueella
6. Cl-kanava
- kuten Na+, K+ tai Ca+kanavat, mutta näitä esiintyy vain
dendriittien ja sooman eli solukeskuksen alueella
välittäjäainereseptorien naapureina
7. Välittäjäainereseptori
- näitä on useita eri tyyppejä, esiintyvät dendriittien ja sooman
solukelmulla , näiden naapurina esiintyy usein joko Na+ tai Cl-
kanava
- välittäjäainereseptoreilla voi toisinaan olla myös
toisiolähettivaikutus
8. Ca+ pumppu ja Cl-pumppu
- sekä Ca+ että Cl-ionien aktiiviseen liikuttelemiseen solukelmulla on
ATP-käyttöisiä pumppuproteiineja, näitä on solukelmussa erityisesti
synapsirakojen alueella
8.4. Ionien liike solukelmun läpi

6. Kun hermosolussa, jossa vallitsee lepojännite, aukeaa ionikanavia, ionit
alkavat siirtyä solukalvon puolelta toiselle kahden erilaisen voiman
yhteisvaikutuksesta. Nämä voimat ovat
a) Coulombin voima: positiiviset ionit pyrkivät kohti negatiivista
varausta ja päinvastoin
b) pitoisuuserosta aiheutuva voima: ioni siirtyy sieltä, missä sitä on
paljon sinne, missä sitä on vähän
Huomaa, että useissa tapauksissa voimat vaikuttavat eri suuntiin. Kun
näin on, ionit ratkaisevat tilanteen hakeutumalla sellaisiin asemiin,
joissa vastakkaisiin suuntiin vaikuttavat voimat ovat yhtä suuret.
Lepäävässä hermosolussa K+ioni on tällaisessa asemassa: vaikka
lepojänniteen aikana osa K+kanavista onkin auki K+ionit pysyvät
solussa siitä huolimatta, että pitoisuuseron luulisi ajavan niitä solusta
ulos. Selityksenä on, että sisäpuolella vallitsee negatiivinen
kokonaisvaraus ja se vetää K+ioneja puoleensa. Muut ionit eivät tuolloin
(siis lepojännitteen vallitessa) ole tasapainossa, mutta nepä eivät
pääsekään liikkumaan, koska kanavat ovat kiinni.
8.5. Toimintajännite eli impulssi eli miten lepojännite purkautuu ?
Kun hermosolua ärsytetään, siinä saattaa käynnistyä impulssi.
Impulssiksi kutsuttu jännitemuutos tapahtuu useassa, osin
samanaikaisesti tapahtuvassa vaiheessa. Nämä ovat seuraavat:
1. Na+kanavia aukeaa paikallisesti, yleensä aksonin tyvessä. Tällöin
Na+ioneja alkaa virrata solun sisään, koska sekä Coulombin
voima, että pitoisuusero vaikuttavat samaan suuntaan.
2. Na+ioneja siirtyy niin paljon, että solun sisäpuoli muuttuu
varaukseltaan positiiviseksi ja ulkopuoli negatiiviseksi (koska
Na+ionit ovat poistuneet sieltä). Nyt Na+ionipitoisuus on
tasapainossa siihen vaikuttavien voimien suhteen. Solun
sisäpuolelta mitattuna jännitteen suuruus on nyt +35 mV ja solussa
vallitsee toimintajännite eli hermoimpulssi tällä solukelmun
kohdalla.
3a. Jänniteherkät K+kanavat avautuvat ja K+ioneja alkaa siirtyä
solun ulkopuolelle pitoisuuseron ja ulkopuolella nyt vallitsevan
negatiivisen varauksen ajamina. Tämä jatkuu, kunnes
K+ionipitoisuus on uudessa tasapainotilassa ja lepojännite on
palautunut solukelmun tälle kohdalle.

7. 3b. Samaan aikaan ensimmäisinä avautuneiden Na+kanavien
lähistöllä olevat Na+kanavat aukeavat jännitemuutoksen ärsyttäminä.
Näin hermoimpulssi alkaa edetä pitkin aksonia.
K+ -kanavat
- K+-kanavat
avautuvat
toimintajännitteen
jälkimmäisen vaiheen
aikana
Na+-kanavat
- Na+-kanavat avautuvat
toimintajännitteen alkaessa
Hermosolun
sisäpuoli
Hermosolun
ulkopuoli
Solukelmu
K+ K+
Na+ Na+Na+
K+ K+ K+
K+ K+ K+
Na+ Na+ Na+
Na+ Na+ Na+
Kuva 53. Hermosolun toiminta toimintajännitteen
aikana.
Toimintajännitteen
päätyttyä aloittaa Na+
/ K+ -pumppu jälleen
toimintansa niin, että
hermosolu saavuttaa
uudelleen lepojännite-
tilanteen
Aksonien tehtävänä on kuljettaa impulssi hermosolun loppuun
synapsiin asti. Aksonit toimivatkin ”kaikki tai ei mitään” –periaatteella.
Kun niissä tapahtuu jännitemuutos, se on aina samansuuruinen eli n.
+35 mV. Hermosolun muissa osissa, solukeskuksessa ja
dendriiteissä lepojännite on samansuuruinen kuin aksonissa, mutta
tilanteesta riippuen tämä jännite voi muuttua negatiivisemmaksi tai
positiivisemmaksi. Negatiiviseksi muuttuminen tarkoittaa sitä, että
lepojännite voimistuu. Mitä positiivisemmaksi jännite muuttuu, sitä
todennäköisemmin hermosolussa syntyy impulssi.
8.6. Synapsi
Jännitteen muutokset kumpaankin edellä mainittuun suuntaan
tapahtuvat useimmiten synapsivaikutuksen (siis muista hermosoluista

8. saapuvien välittäjäaineiden) tuloksena. Kun impulssi etenee
synapsirakoon asti, ratkaistaan sen eteneminen tai pysähtyminen
uudelleen seuraavan hermosolun pinnalla olevien satojen tai tuhansien
synapsien yhteisvaikutuksen perusteella. Tätä tarkoittaa sanonta
”hermosolu toimii laskukoneena” (kuva 54).
Hermosolujen toimintaa käsittelevässä kirjallisuudessa esiintyy usein
käsitepari pre- ja postsynaptinen hermosolu (=neuroni). Synapsissa
presynaptinen (=synapsia edeltävä) hermosolu vaikuttaa
välittäjäainemolekyylien välityksellä postsynaptiseen (= synapsin
jälkeiseen) hermosoluun.
Synapseja on tavallisimmin aksonin ja dendriitin välillä, mutta niitä voi
olla myös aksonin ja sooman tai jopa kahden aksonin välillä. Synapsin
kaltaisia ovat myös seuraavat liittymät (impulssin etenee ensin
mainitusta solutyypistä jälkimmäiseen):
- hermosolu – poikkijuovainen lihassolu
- hermosolu – sileä lihassolu
- hermosolu – rauhassolu
- aistireseptorisolu – hermosolu
8.7. Mitä synapsin alueella tapahtuu?
Myeliinituppi
Kuva 54. Pieni osa
yksittäiseen hermosoluun
saapuvista synapsiyhteyksistä.

9. Synapsissa tapahtuu seuraavia asioita (vaiheet 1 – 6):
1. Toimintajännite eli aktiopotentiaali saapuu päätejalan
solukelmulle. Päätejalan solukelmulla sijaitsevat
jännitemuutoksille herkät Ca+-kanavat avautuvat.
2. Ca+-ioneja virtaa kudosnesteestä solun sisäpuolelle (vaihe 1)
+
+
+
+
_ _
__
+
_
+
_
_
+
_
+
_
Ca+ Ca+ Ca+
Postsynapti
nen
neuroni
Presynap-
tinen
neuroni
Impulssin eli
toiminta-
jännit-
teen
etenemis-
kohta
Vaihe 1. Impulssin saapuminen presynaptisen neuronin
päätejalan alueelle. Päätejalan alueella solun sisälle
syöksyy natriumin sijasta kalsium-ioneja.
Välittäjäaine-
reseptori
Mitokondrio
3. Ca+-onien sisääntulo saa välittäjäainetta sisältävät kalvorakkulat
yhtymään solukelmuun, jolloin välittäjäaineet eksosytoidaan eli
”oksennetaan” synapsirakoon (vaihe 2).

10. Asetylikoliini-molekyylejä
vapautuu synapsirakoon
Postsynap-
tinen
neuroni
Presynaptinen
neuroni
Vaihe 2. Impulssin eteneminen synapsiraon kohdalla.
Presynaptisen hermosolun sisälle syöksyvä kalsium saa
välittäjäainetta sisältävät kalvorakkulat yhtymään
solukelmuun ja purkamaan välittäjäainemolekyylinsä
synapsirakoon.
Välittäjäaine-
reseptori
Mitokondrio
4. Välittäjäaineesta ja reseptorien rakenteesta riippuen tapahtuu
jokin seuraavista vaihtoehdoista:
a) reseptorien yhteydessä olevat Na+kanavat avautuvat eli
aktiopotentiaali alkaa levitä myös postsynaptisen hermosolun
solukelmulla (vaihe 3)
b) reseptorien yhteydessä onkin Cl-kanavia, jolloin Cl-ionit ryntäävät
postsynaptisen hermosolun sisälle eli lepopotentiaali voimistuu
(Cl-ionien negatiivinen varaus muuttaa soluliman varaustilan
entistä negatiivisemmaksi, siis lepopotentiaalin suuntaan), tässä
on kyseessä estävä eli inhiboiva synapsi

11. c) reseptoreihin liittyvät kalvoproteiinit synnyttävät postsynaptisessa
hermosolussa toisiolähettiä, esim cAMP:tä, joka voi aiheuttaa
siihen pitempiaikaisia vaikutuksia
Koska jokaisella hermosolulla on lukuisia synapsikytkentöjä muihin
hermosoluihin, ei yhden synapsin toiminta riitä aiheuttamaan
dendriittien tai sooman depolarisaatiota eli synnyttämään impulssia
(edellä ollut kuva 54).
Asetylikoliini-molekyylit sitoutuvat
reseptoreihinsa, impulssin eteneminen
käynnistyy postsynaptisen neuronin
solukelmulla
Postsynap-
tinen
neuroni
Presynaptinen
neuroni
Vaihe 3. Impulssin saapuminen
postsynaptisen neuronin tuojahaarakkeen tai
solukeskuksen alueelle.
Tyhjiä välittäjä-aine-
rakkuloita
Na+ Na+ Na+
+
+
++
+
+
_
_
_
_

12. Postsynap-
tinen
neuroni
Presynaptinen
neuroni
Vaihe 4. Impulssi alkaa edetä
postsynaptisen neuronin solukelmulla.
Mitokondrio
Tyhjiä välittäjä-
ainerakkuloita
+
+
+
+
_
_ _
_
Impulssin eli
toimintajännit-
teen etenemis-
kohta

13. Postsynap-
tinen
neuroni
Presynaptinen
neuroni
Vaihe 5. Asetylikoliiniesteraasi hajottaa
välittäjäainemolekyylit koliiniksi ja etikkahapoksi
(etikkahappo + koliini = asetylikoliini). Tässä muodossa
välittäjäainemolekyylit imetään takaisin presynaptisen
neuronin sisälle.
Mitokondrio
Tyhjiä välittäjä-
ainerakkuloita
Etikkahappo
Koliini

14. 8. 8. Välittäjäaineet
Hermosolujen valmistamia välittäjäaineita on pitkään tunnettu
kymmenittäin. Ne muistuttavat vesiliukoisia (siis aminohappo- tai
proteiinirakenteisia) hormoneita rakenteeltaan ja toiminnaltaan.
Postsynap-
tinen
neuroni
Presynaptinen
neuroni
Vaihe 6. Koliini- ja etikkahappomolekyyleistä
valmistetaan uutta välittäjäainetta. Tapahtuma kuluttaa
ATP:tä, jota mitokondriot tuottavat soluhengityksen
avulla. Välittäjäainerakkulat jäävät odottamaan uuden
impulssin saapumista.
Mitokondrio
ATP

15. Noradrenaliini, adrenaliini, dopamiini ja serotoniini ovat amiineja
(tarkkaan ottaen tyrosiini-nimisen aminohapon muunnelmia),
glutamaatti, gamma-aminovoihappo (GABA) ja glysiini ovat
aminohappoja. Yksi yleisimmistä välittäjäaineista on
etikkahappojohdannainen nimeltä asetylikoliini.
Kukin hermosolu valmistaa useita välittäjäainetyyppejä. Yksittäinen
päätejalkakin saattaa tuottaa useata eri välittäjäainetta, mutta
postsynaptiseen hermosoluun kohdistuvalta vaikutustavaltaan ne
kuitenkin tuolloin ovat vain joko ekshiboivia tai inhiboivia.
Samallekin välittäjäaineelle voi eri synapseissa olla eri tavoin
vaikuttavia reseptoreita. Esimerkiksi lihassoluissa on asetylikoliinille
reseptoreita, joihin liittyy Na+kanavia, mutta muissa soluissa
reseptoreihin liittyykin G-proteiini- ja toisiolähettijärjestelmä, jolloin
asetylikoliinin vaikutukset ovat hitaita, monipuolisia ja pitkäkestoisia.
Viime aikoina on havaittu, että hermosolut viestivät toisilleen myös
muiden kuin tavanomaisten välittäjäaineiden välityksellä. Tällaisia
erikoisemman puoleisia viestiaineita ovat mm. endorfiinit ja ACTH
(=adrenokortikotrooppinen hormoni). Nämä ovat neuropeptidejä eli
isoista proteiineista leikattuja pikkuproteiineja. Ne kulkeutuvat aksonin
päätteisiin kalvorakkuloissa. Leikkaaminen, sivumennen sanoen,
tapahtuu Golgin laitteessa, hii!
Neuropeptidien reseptoreihin ei liity ionikanavia, eivätkä ne siis voi
aiheuttaa nopeita jännitemuutoksia kohdesoluissaan. Sen sijaan
neuropeptidit synnyttävät toisiolähettejä (G-proteiinijärjestelmän
välityksellä) tai saavat aikaan kohdeproteiiniensa fosforyloitumisen (eli
aktivoitumisen). Kummassakin tapauksessa vastaanottavan solun
yleinen toiminta muuttuu.
Välittäjäaineiden synteesi tapahtuu hermosolun solukeskuksessa
valmistuvien proteiinien avulla. Nämä työkalut puolestaan voivat siirtyä
minne tahansa koko hermosolun alueella ja valmistaa siellä
asianomaisia välittäjäaineita. Ennen niiden varsinaista käyttöä
synapsissa välittäjäaineet on kuitenkin ensin pakattava
kalvorakkuloihin, joita saadaan Golgin laitteesta tai ER:stä. Näissä
kalvorakenteisissa soluelimissä on proteiineja, jotka saavat niistä
kuroutumaan irti pieniä kalvorakkuloita eli vesikkeleitä.
Välittäjäainemolekyylit päätyvät kalvorakkuloiden sisälle.

16. Toiset proteiinit (VAMPit ja Syntaxinit) avustavat kalvorakkulan
sulautumisessa solukelmuun. Tällöin välittäjäainemolekyylit purkautuvat
synapsirakoon.
BI5-kurssin työalueellamme on luentovideo otsikolla ”Kalvorakkulat
liikkeessä”. Siinä rER:in ja Golgin laitteen toiminta esitellään kattavasti.
Koska jo yhdessä rakkulassa on tuhansia välittäjäainemolekyylejä, solut
pyrkivät kierrättämään niitä. Aksonin päätejalka pystyy imemään
(solukelmulla olevien pumppuproteiinien avulla) synapsiraosta
välittäjäaineita, jotka pakataan sitten tyhjiin kalvopusseihin. Näitä
saadaan päätenappulan alueella esim. solukelmusta kuromalla.
Välittäjäaineet
Hermoston välittäjäaineet jaetaan kolmeen ryhmään. Vaikka näistä vain
viimeisen ryhmän edustajat ovat proteiinirakenteisia, on hyvä pitää
mielessä, että kaikkia muitakin välittäjäaineita valmistetaan proteiinien
avulla. Ja proteiinien rakenneohjeethan ovat geeneinä solun tumassa.
1. Aminohapot
Gamma-amino-butyyrihappo (GABA)
Glutamaatti (Glu)
Glysiini (Gly)
2. Amiinit eli aminohappomuunnelmat
Asetylikoliini (ACh)
- asialla kaikissa lihassynapseissa
Dopamiini (DA)
Epinefriini eli adrenaliini
Histamiini
Norepinefriini (NE)
Serotoniini (5-HT)
3. Peptidit
Kolekystokiniini eli Cholecystokinin (CCK)
Dynorphin
Enkefaliinit (Enk)
N-Asetylaspartylglutamaatti (NAAG)
Neuropeptidi Y
Somatostatiini
Substance B (siis suomeksi aine B)

17. Thyreotropiinia vapauttava hormoni
Suoliston vasoaktiivinen polypeptidi (VIP)
Sellainen pläjäys oli siis katsauksemme hermosolun toimintaan!
.