Hermosto ja lihakset: hermoimpulssi, synapsi ja lihassupistus

Lyhyesti

Hermosto vastaanottaa ärsykkeitä, käsittelee tietoa ja ohjaa lihaksia ja rauhasia. Viesti kulkee hermosolun sisällä sähköisenä impulssina ja solusta toiseen kemiallisesti synapsissa. Lihassolu muuttaa hermon viestin liikkeeksi. Kaikki kolme vaihetta tarvitsevat energiaa ATP:n muodossa.

Hermosolun rakenne

Hermosolussa on solukeskus, jossa on tuma, lyhyitä haarakkeita eli dendriittejä, jotka vastaanottavat viestejä, ja pitkä viejähaarake eli aksoni, joka vie impulssin eteenpäin. Monen aksonin ympärillä on rasvapitoinen myeliinituppi, jossa on säännöllisin välein katkoja, kuroumia. Aksonin päässä on päätehaaroja, joiden päätenupit muodostavat synapseja seuraavien solujen kanssa. Tuntohermosolut tuovat tietoa keskushermostoon, liikehermosolut vievät käskyjä lihaksiin, ja välineuronit yhdistävät niitä keskushermostossa.

Lepopotentiaali ja aktiopotentiaali

Levossa hermosolun kalvon sisäpuoli on ulkopuolta negatiivisempi, tyypillisesti noin −70 mV. Tämä lepopotentiaali syntyy, koska natrium-kaliumpumppu kuljettaa ATP:n energialla Na⁺-ioneja ulos ja K⁺-ioneja sisään, ja koska kalvo päästää levossa K⁺-ioneja läpi paljon paremmin kuin Na⁺-ioneja.

1. Kynnys: ärsyke muuttaa kalvojännitettä. Jos muutos ylittää kynnysarvon, jänniteherkät natriumkanavat aukeavat.
2. Depolarisaatio: Na⁺-ioneja virtaa soluun, ja kalvon sisäpuoli muuttuu hetkeksi positiiviseksi.
3. Repolarisaatio: natriumkanavat sulkeutuvat ja kaliumkanavat aukeavat. K⁺-ioneja virtaa ulos, ja sisäpuoli palaa negatiiviseksi, hetkeksi jopa lepotasoa negatiivisemmaksi.
4. Palautuminen: natrium-kaliumpumppu palauttaa ionien jakauman ennalleen.

Aktiopotentiaali on "kaikki tai ei mitään" -ilmiö: se syntyy aina samankokoisena tai ei ollenkaan. Voimakas ärsyke ei tee impulssista suurempaa, vaan impulsseja syntyy tiheämmin, ja useampi hermosolu aktivoituu.

Miten impulssi etenee

Aktiopotentiaali avaa viereisen kalvon natriumkanavat, ja muutos etenee aksonia pitkin. Juuri lauennut kohta ei hetkeen pysty laukeamaan uudelleen, joten impulssi kulkee vain yhteen suuntaan. Myeliinituppi eristää aksonia, ja impulssi hyppää kuroumasta toiseen. Tämä hyppivä johtuminen on paljon nopeampaa kuin johtuminen myelinisoimattomassa aksonissa. Myös paksu aksoni johtaa nopeammin kuin ohut.

Synapsi ja välittäjäaineet

1. Impulssi saapuu päätenuppiin, ja jänniteherkät kalsiumkanavat aukeavat. Ca²⁺-ioneja virtaa sisään.
2. Kalsium saa välittäjäainetta sisältävät rakkulat sulautumaan solukalvoon, ja välittäjäaine vapautuu synapsirakoon.
3. Välittäjäaine sitoutuu seuraavan solun kalvon reseptoreihin ja avaa ionikanavia. Kiihdyttävä välittäjäaine depolarisoi kalvoa ja helpottaa impulssin syntyä, estävä tekee kalvosta negatiivisemman ja vaikeuttaa sitä.
4. Välittäjäaine poistetaan raosta nopeasti: entsyymi hajottaa sen, tai se otetaan takaisin päätenuppiin. Siksi viesti on lyhyt ja tarkka.

Esimerkkejä välittäjäaineista ovat asetyylikoliini (hermo-lihasliitokset), glutamaatti (keskushermoston tärkein kiihdyttävä), GABA (tärkein estävä), dopamiini ja serotoniini. Monet lääkkeet ja päihteet vaikuttavat synapsiin: ne voivat jäljitellä välittäjäainetta, estää sen sitoutumista tai estää sen takaisinottoa. Paikallispuudutteet toimivat jo ennen synapsia: ne salpaavat hermosolujen natriumkanavia, jolloin kipuhermoissa ei synny aktiopotentiaaleja, eikä kipuviesti kulje aivoihin.

Hermo-lihasliitos

Liikehermosolun aksoni päättyy luustolihassoluun hermo-lihasliitoksessa. Sinne vapautuva asetyylikoliini depolarisoi lihassolun kalvon, ja impulssi leviää lihassolun pinnalta sen sisään ulottuviin putkiin. Ne käskevät lihassolun solulimakalvostoa vapauttamaan varastoimansa kalsiumin. Yksi liikehermosolu ja sen hermottamat lihassolut muodostavat motorisen yksikön. Lihas säätelee voimaansa sillä, kuinka monta yksikköä se aktivoi ja kuinka tiheästi.

Lihassupistus: aktiini, myosiini, kalsium ja ATP

Luustolihassolussa on pitkiä myofibrillejä, jotka koostuvat toistuvista yksiköistä, sarkomeereista. Sarkomeerissa ohuet aktiinisäikeet ja paksut myosiinisäikeet ovat osittain lomittain, mikä näkyy mikroskoopissa poikkijuovina.

1. Levossa aktiinin sitoutumiskohdat ovat peitossa. Kun Ca²⁺ vapautuu, se sitoutuu aktiinisäikeen säätelyproteiiniin, ja sitoutumiskohdat paljastuvat.
2. Myosiinin päät kiinnittyvät aktiiniin ja kääntyvät, jolloin aktiinisäikeet liukuvat sarkomeerin keskustaa kohti.
3. ATP irrottaa myosiinin pään aktiinista, ja ATP:n energia virittää sen uuteen otteeseen. Kierto jatkuu niin kauan, kuin kalsiumia ja ATP:tä on.
4. Kun hermoimpulssit loppuvat, kalsium pumpataan ATP:n energialla takaisin solulimakalvostoon, ja lihas rentoutuu.

Säikeet eivät itse lyhene, vaan liukuvat lomittain, ja sarkomeeri lyhenee. Lihas pystyy vain vetämään, joten liikkeeseen tarvitaan vastavaikuttajalihaksia. ATP:tä lihassolu saa soluhengityksestä, kovassa rasituksessa myös maitohappokäymisestä ja hetkeksi kreatiinifosfaattivarastosta.

Lihaskudostyypit vertailussa

Näin aihetta on kysytty yo-kokeessa

Hermoimpulssi, synapsi ja lihaksen toiminta ovat olleet tehtävän aiheena 5 kertaa niissä kokeissa, jotka olemme käyneet läpi vanhojen kokeiden aihetaulukossa. Linkki vie tehtävän riville taulukossa, ja piirteet-linkki YTL:n hyvän vastauksen piirteisiin.

• Syksy 2025, tehtävä 9 (20 p.): Viisaudenhampaan poisto: kipuaisti, puudutus ja verenvuodon tyrehtyminen. Tältä sivulta: kipuviesti ja puudutus (natriumkanavat); verenvuodon tyrehtyminen ei kuulu tähän. Hyvän vastauksen piirteet, syksy 2025, tehtävä 9
• Kevät 2025, tehtävä 11 (20 p.): Luustolihaksen toiminta ja hermosäätely. Hyvän vastauksen piirteet, kevät 2025, tehtävä 11
• Kevät 2024, tehtävä 7 (15 p.): Synapsit ja hermoviestin välittyminen. Hyvän vastauksen piirteet, kevät 2024, tehtävä 7
• Kevät 2023, tehtävä 10 (20 p.): Lihaskudostyypit ja luustolihaksen supistuminen. Hyvän vastauksen piirteet, kevät 2023, tehtävä 10
• Kevät 2021, tehtävä 7 (15 p.): Hermoimpulssin synty ja kulku. Hyvän vastauksen piirteet, kevät 2021, tehtävä 7

Yleisimmät virheet

• Ionit väärään suuntaan. Depolarisaatiossa Na⁺ virtaa sisään, repolarisaatiossa K⁺ ulos. Natrium-kaliumpumppu vie Na⁺:n ulos ja K⁺:n sisään.
• "Voimakas ärsyke tekee suuremman impulssin." Impulssi on aina samankokoinen; vahvuus näkyy impulssien tiheytenä.
• Sähköinen viesti hyppää synapsin yli. Synapsissa viesti on kemiallinen: välittäjäaine kulkee raon yli.
• "Lihassäikeet lyhenevät." Aktiini ja myosiini liukuvat lomittain; sarkomeeri lyhenee.
• Kalsiumin ja ATP:n tehtävät jäävät puuttumaan. Kerro, että kalsium vapauttaa sitoutumiskohdat ja että ATP:tä tarvitaan sekä myosiinin irtoamiseen että kalsiumin pumppaamiseen takaisin.

Jatka tästä

Mistä lihaksen ATP tulee, kerrotaan artikkelissa fotosynteesi ja soluhengitys, ja miten solu valmistaa ionikanavat ja reseptorit, artikkelissa proteiinisynteesi. Kokeen rakenne ja pisteytys ovat artikkelissa biologian yo-koe, ja vastauksen rakentamisesta kerrotaan artikkelissa biologian yo-kokeen vastaustekniikka. Ihmisen biologian tehtäviä pääset harjoittelemaan palautteen kanssa Laran biologian abikurssilla.

Lähteet

• Opetushallitus, ePerusteet: Lukion opetussuunnitelman perusteet 2019, biologia (opintojakso BI5 Ihmisen biologia).
• Ylioppilastutkintolautakunta: biologian hyvän vastauksen piirteet, syksy 2025
• Ylioppilastutkintolautakunta: biologian hyvän vastauksen piirteet, kevät 2025
• Ylioppilastutkintolautakunta: biologian hyvän vastauksen piirteet, kevät 2024
• Ylioppilastutkintolautakunta: biologian hyvän vastauksen piirteet, kevät 2023
• Ylioppilastutkintolautakunta: biologian hyvän vastauksen piirteet, kevät 2021