Biologiske celler er omgivet af en cellemembran, som hos mennesker og dyr består af et dobbelt lag af fedtmolekyler (såkaldte fosforlipider), som adskiller cellens ydre og indre. Cellemembranen har mange funktioner, men er især vigtig for kommunikation mellem celler. Nogle celler kaldet eksiterbare celler (nerveceller, muskelceller og kirtelceller) kan producere bioelektriske potentiale (elektrisk signalering) som resultat af en elektrokemisk aktivitet som skabes på tvær af membranen. Hvis en eksiterbar celle påvirkes af et tilstrækkelig kraftigt eller tilstrækkeligt mange stimuli, i gang sættes et respons som forårsager en effektiv udbredelse af signalet kaldet et aktionspotentiale.
Cellemembranen fungerer som et isolerende lag, der kan kontrollere, hvad der bevæger sig ind og ud af cellen. Cellemembranen gør det muligt for cellen af opretholde koncentrationsforskelle af stoffer samt elektrisk ladning mellem den indre (intracellulær) og den ydre (ekstracellulær) del af cellen. Når en eksiterbare celle er i sin såkaldte hviletilstand, vil der være en et elektriskpotentiale over membranen på ca. -70 mV (kaldet membranpotentialet). Membranpotentialet er defineret som potentialet inden i cellen, relativt til potentialet udenfor cellen. De to vigtigest typer af ioner til opretholde af membranpotentiale er Natrium (Na+) og kalium (K+). Den intra- og ekstracellulære koncentration af Natrium (Na+) og kalium (K+) givet i tabel 8.1.1.
Ion | Intracellulær | Ekstracellulær |
Natrium (Na+) | 12 mmol/L | 145 mmol/L |
Kalium (K+) | 155 mmol/L | 4 mmol/L |
Fordi koncentration af natrium er meget højere ekstracellulært end intracellulært, og omvendt for kalium, vil natrium gerne bevæge sig ind i cellen, mens kalium gerne vil bevæge sig ud af cellen (hvis de får lov). Dette kan de gøre gennem små specifikke kanaler i membranen, som cellen kan holde henholdsvis åbnet eller lukket. Derudover, vil der virke en elektrisk kraft på ionerne grundet membranpotentialet. Hvis en type ion kan passere membranen frit, vil de strømme indtil der er opnået en ligevægt mellem de to kræfter: det kemiske potentiale (koncentrationsforskellen) og det elektriske potentiale (membranpotentialet). Når et aktionspotentiale opstår, sker det, fordi Natrium-ion-kanalerne åbner sig langs membranen, som skaber en stor strømning af Na+ ioner ind i cellen. Da Na+-ionerne har en positiv ladning, vil membranpotentiale også blive mere positivt. Denne ændring i membranpotentialet, vil forårsage en positiv feedback reaktion, som yderligere åbner Na+-kanalerne langs membranen, så ledes at ændringen i membranpotentiale spredes langs cellen. Denne positive feedback mekanisme kaldes for aktionspotentialet. Med en vis forsinkelse vil Na+-kanalerne lukkes igen og i stedet vil K+-kanalerne åbne sig. Da koncentrationen af kalium erhøjere indenfor end udenfor cellen, vil kalium-ionerne strømme ud af cellen. Da kalium-ionerne også er positivt ladet, vil denne udstrømning igen gøre membranpotentiale mere negativt, hvilket vil gøre at cellen igen efter et stykke tid vil nærme sig sit hvilemembranpotentiale på -70 mV.
For at kunne opretholde evnen til at danne aktionspotentialet er cellen nødt til at kunne opretholde koncentrationsgradienten for Natrium- og kalium-ionerne på tværs af cellemembranen, derfor har membranen en aktiv proces kaldet Natrium-Kalium-pumpen, som ved tilføjelse af energi (ATP) kan pumpe Na+ ud af cellen og K+ ind i cellen. Denne pumpe vedligeholder hvilemembranpotentialet, som er en forudsætning for at cellen er eksiterbar. Uden koncentrationsgradienten og membranpotentialerne ville det ikke være muligt for cellen at danne disse biopotentialer, som giver mulighed for hurtig og effektiv signalering mellem celler i en organisme.
Hvis du ønsker en dybere forståelse af eksiterbare celler og deres evne til at danne aktionspotentialer anbefales du at se videoerne i følgende link, som giver en pædagogisk og illustrativ gennemgang af emnet:
https://www.biotechacademy.dk/e-learning/biostriben/gymnasie/neurologi/#1516018015627-81e7fe59-a004
Vores krop består af milliarder af celler, som skal kunne fungere som en samlet organisme. For at dette kan lade sig gøre, er de nødt til at have metoder, hvorpå de kan kommunikere med hinanden. De to metoder, hvormed kroppen kommunikerer over længere afstande er via nervesystemet (hurtig) eller via blodbanen (langsom). Nerveceller kan vha. den hurtige udbredelse af aktionspotentialer på en brøkdel af et sekund sende besked fra hjernen til f.eks. vores tæer. For langsommere og længerevarende signalering bruger kroppen hormoner. Hormoner er kemiske molekyler, som udskilles fra kirtelvæv til blodbanen og virker som signalstoffer enkelte eller flere steder i kroppen ved at binde sig til receptorer på ydersiden af cellemembranen.
Balancen mellem søvn og vågen tilstand er et komplekst sammenspil mellem nerve aktivitet og koncentrationer af særlige hormoner i blodet. I de følgende afsnit vil vi kigge ind i, hvordan nerveaktiviteten og hormonerne spiller en rolle for evnen til at holde sig vågen og ligeledes evnen til at sove.
I Biologi tilvalgspakken findes en introduktion til de fem stoffer som har størst indflydelses på reguleringen af vores cirkadiske rytme. I dette afsnit vil vi kigge videre ind i, hvor stofferne kommer fra og hvordan de rent kemisk virker i kroppen.
Adenosin er et organisk molekyle som er meget udbredt og en del af mange vigtige kemiske forbindelser. Bl.a. indgår adenosin som en af de 4 byggeklodser i RNA og DNA, og som komponent i kroppens vigtige energi produkter AMP/ADP/ATP (adenosin mono-, di og trifosfat). I hjernen tyder adenosin på at fungere som neuromodulator, dvs. et stof, som er med til at regulere aktiviteten af nerveceller. Det anses for at være grundstenen til det vi kalder for søvnpresset. Søvnpresset (behovet for at sove) stiger i takt med den tid vi er vågne. Ligeledes viser studier at koncentrationen af ekstracellulært frit adenosin også stiger med vågentiden. Frit adenosin i hjernen opstår som et restprodukt af energiomsætningen. Når AMP omsættes til energi ved at bryde bindingen til fosfatmolekylet dannes den frie adenosin, denne proces forekommer intracellulært i nerveceller og hjernens støtteceller. Noget af den adenosin som frigøres i cellerne vil blive transporteret gennem specifikke membran-kanaler ud i det ekstracellulære rum. Her tjener adenosin sin funktion som neuromodulator, ved at binde sig til specifikke adenosin receptorer på ydersiden af nervecellernes membran. Når adenosin binder sig til disse receptorer, vil det hæmme nervecellens aktivitet ved at aktivere frigivelsen af et nervesignalstof kaldet GABA, der dæmper nerveaktiviteten ved at gøre membranpotentialet mere negativ, hvilket vil forårsage at strømmen af Na+ ioner ind i cellen skal være større for at producere et aktionspotentiale. Det bliver altså sværere for nervecellerne at danne aktionspotentialer og vi vil derfor få følelsen af at hjernen fungerer langsommere. I løbet af den tid vi er vågne akkumuleres mængden af ekstracellulært adenosin, som løbende vil binde sig til adenosin receptorerne og dermed øge vores trang til at sove. Når vi sover, nedskaleres mængden af frit adenosin ved adenosin kinase, hvor adenosinen bindes til fosfat og bliver til AMP. AMP bruges herefter til energioplagring ved yderligere fosforylering til ADP og ATP.
Koffein er kendt for sin opkvikkende effekt og er den mest anvendte psykoaktive stimulans (stof som påvirker ens adfærd og væremåde) i verden. Det estimeres at 70-80 % af alle unge i den vestlige verden indtager koffein på daglig basis, dog i en svingende mængde fra 40 til 400 mg. Koffein findes i en række drikke og fødevarer, men de største kilder er kaffe, tee, læskedrikke og chokolade. Især kaffe og ”energidrikke” anvendes i høj grad som middel til at undertrykke søvnighed i løbet af dagen, og ikke uden grund. Koffein er nemlig bevist at have en hurtigvirkende effekt i hjernen som gør os mere årvågen og opmærksom, og kan derfor fungere som et præstationsfremmende middel. Måden hvorpå koffein virker på hjernen er som en antagonist til adenosin. En antagonist er et molekyle som binder sig til en receptor og deaktiverer den, dvs. at koffein virker ved at binde sig til adenosin receptorerne i hjernen og på den måde deaktivere dem. Sagt på en anden måde, kæmper adenosin og koffein mod hinanden om adenosin receptorernes bindingssteder. Koffein forskyder altså søvnpresset ved midlertidigt at undertrykke den søvndyssende virkning af adenosin.
Effekten af koffein lyder på mange måder meget tiltalende. Hvem vil ikke gerne kunne sove mindre, og stadig føle sig vågen og opmærksom? Det lyder næsten for godt til at være sandt, og det er det desværre også – på den lange bane. Koffein er et effektivt stof, som kan være brugbart i situation, hvor du virkelig skal være i stand til at præstere, f.eks. til en eksamen, en sportskonkurrence eller en sceneperformance. Dog skal det nævnes at der i disse situationer oftest vil blive produceres et andet meget potent stof, adrenalin, i din krop, som i de fleste tilfælde nok ville være rigeligt tilstrækkelig til at holde dig vågen. Indtager du derimod koffeinholdige produkter på daglig basis, vil du efter kort tid opleve en dalende effekt. Dette skyldes formentligt to årsager: din koffein tolerance stiger og du sover dårligere. Når du indtager store mængder af koffein over en længere periode, vil din krop tilpasse sig dette forhold ved at opregulere mængden af adenosin receptorer i hjernen. Det vil altså gradvist kræve en højere koncentration af koffein, for at opnå samme effekt. Værre endnu tyder al forskning på at koffein har en negativ effekt på vores søvn. Koffein forskubber vores følelse af træthed og øger dermed vores motivation til at holde os vågen. Når det alligevel lykkes at falde i søvn efter indtagelsen af koffein, tyder det på at den dybe søvn er hæmmet (som er særlig vigtig for hukommelse, restitution og opbygning/vedligeholdelse af hjernen). Du kan dermed opleve at kvaliteten af din søvn falder og at du føler dig mere træt i løbet af dagen.
Halveringstiden for nedbrydningen af koffein i kroppen har en stor individuel variation fra person til person, men estimeres til en gennemsnitlig halveringstid på 5 timer. Dvs. at hvis du indtager 100 mg koffein (svarende til en stor kop kaffe) kl. 17 vil halvdelen, altså 50 mg, stadig befinde sig i din krop kl. 22. Denne dosis kan sandsynligvis ikke forhindre dig i at falde i søvn, men kan stadig have en hæmmende effekt på din søvn.
Hvad er frie radikaler? Et frit radikaler er en betegnelse for et atom eller molekyle som er kemisk ustabilt i den forstand at de har et eller flere uparrede elektronpar (lang de fleste forbindelser har et lige antal elektroner, da de sædvanligvis findes i par). Frie radikaler stræber hele tiden efter at blive stabile og er derfor meget reaktive og indgår derfor meget nemt i kemiske reaktioner. De frie radikalerne har det med at ”stjæle” elektroner fra andre molekyler. Når det sker, bliver det molekyle der har mistet en elektron selv til en fri radikal, som igen reagerer og på den måde skaber en kædereaktion, som kan have ødelæggende konsekvenser for en celle. Hvis radikalerne interagerer med DNA-baser, kan det medføre mutation og øge risikoen for kræft. Frie radikaler dannes naturligt i kroppen som et mellemprodukt under respiration og i immunceller når de skal bekæmpe bakterier og vira samt som signalstof i bl.a. nerve og blodkar. I disse tilfælde produceres de steder, hvor de anvendes til et brugbar formål og kroppen har udviklet et forsvar mod dem. Men vi eksponeres også for de meget reaktive stoffer på mange andre måder, bl.a. dannes de ved røg og udstødning, lægemidler, opløsningsmidler og husholdnings-/landbrugskemikalier, sollys og ioniserende stråling. |
Melatonin er på mange måder et interessant stof, som kan siges at have fået en ophøjet status de seneste år. Funktionerne af melatonin tyder nemlig på at strække sig langt udover titlen som ”kaptajn af søvnen”. Interessen for melatonin er især vokset inden for forebyggelse og behandling af kræft. Melatonin har nemlig vist sig at være en usædvanlig effektiv antioxidant, som både virker direkte og indirekte i bekæmpelsen af frie radikaler (Se faktaboks om frie radikaler). Direkte virker melatonin som antioxidant, ved at donere en elektron til en fri radikale, og dermed uskadeliggøre den. Melatonin bliver hermed selv til en meget lidt reaktiv radikale, som ingen fare udgør for cellerne, men som derimod også har en antioxidativ effekt. Melatonin virker også indirekte, ved at binde sig til melatonin receptorer på cellemembranen, som igangsætter en stimulering af antioxidantiske enzymer.
Melatonin kaldes også for ”the hormone of darkness”, fordi den maksimale udskillelse af stoffet sker når mørket falder på. Dette skyldes at blåt lys hæmmer produktionen af melatonin. Melatonin produceres dybt inde i hjernen i en region, som kaldes for koglekirtlen. Herfra udskilles det til hjernevæsken og videre til blodbanen, hvor det virker på alle kroppens celler. Melatonin omdannes ud fra stoffet serotonin (også kendt som ”lykkehormonet”), som derimod produceres når vi udsættes for sollys. For at opnår en maksimal produktion af melatonin er det essentielt at have en god lys-mørke cyklus i løbet af døgnet. Masser af lys i løbet af dagen stimulerer dannelsen af serotonin (som også øger dit humør), for så senere ved mørkest frembrud at blive omdannet til melatonin. Melatonin har en søvn-promoverende effekt, ved at virke beroligende, sænke kernekropstemperaturen og fortælle hjernen at det ville være en god ide at gøre klar til sengetid. Melatonin er altså ikke hormonet, som gør at du sover, men snare starten, som råber ”PÅ JERES PLADSER” til søvnprocesserne. Melatonin udskillelsen vil peake ca. halvvejs igennem natten og herefter dale igen og være meget lav ved daggry.
Alkohol er et stof som virker sløvende/bedøvende på mange af kroppens funktioner, særligt på hjernen. Alkoholen svækker vores sanser, gør os mere ukritiske og virker angstdæmpende. Derfor kan alkohol virke, som en god måde at sænke skulderne på efter f.eks. en lang uge i skolen. Mange oplever også at de får lettere ved at falde i søvn oven på en fyraftensøl eller et glas vin. Talrige forsøg har bekræftet denne følelse, da indsovningstiden (tiden fra man går i seng til man sover) har vist sig at være kortere efter indtagelse af alkohol. Ydermere, tyder studier på at en moderat indtagelse af alkohol før sengetid øger mængden af dybsøvn i den første halvdel af natten, dog ses der en reduktion i mængden af drømmesøvn (REM-søvn) og en generel forstyrrelse af søvnstrukturen. Generelt tyder de eksperimenter man har foretaget i søvnlaboratorier på, at der er en korrelation mellem mængden af indtaget alkohol og nedsat søvnkvalitet. Alkoholen vil resultere i en forkortet og afbrudt søvn. Så selvom det kan virke fristende at nuppe en lille en inden sengetid, for hurtigere at falde i søvn, er alkohol altså ikke egnet som sovemiddel. Alkohol har en indvirkning på mange af hjernens signalstoffer, bl.a. fungerer alkohol som en agonist (et stof, som har samme virkning) til GABA (et naturligt produceret signalstof som hæmmer hjerneaktiviteten, se Biologi tilvalgspakke for uddybning). Uden drømmesøvn er hjernen meget aktivt, derfor er det sandsynligt at alkoholens sløvende effekt på hjerneaktivitet, spiller en rolle i forhold til den hurtigere indtræffende dybe søvn samt den mere eller mindre udeblivende drømmesøvn. Man mener at drømmesøvnen er særligt vigtig for hukommelsen og følelsesreguleringen. Derfor kan mangel på drømmesøvn føre til nedsat hukommelse og dårligere mentalt helbred.
