Метод фіксації потенціалу

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Метод фіксації потенціалу

План

Експеримент з фіксацією потенціалу

Ємність та струм витоку
Струми іонів натрію і калію
Виборчі отрути для натрієвих і калієвих каналів
Залежність іонних струмів від мембранного потенціалу
Інактивація натрієвого струму
Натрієва і калієва провідність як функція потенціалу
Кількісний опис натрієвої і калієвої провідностей
Реконструкція потенціалу дії

Експеримент з фіксацією потенціалу

Метод фіксації потенціалу (voltage clamp) був розроблений Колем та його колегами, і вдосконалений Ходжкіна, Хакслі і Катцу. Все, що нам необхідно знати для того, щоб зрозуміти самі експерименти, це те, що метод дозволяє практично миттєво встановити потрібний рівень мембранного потенціалу і зафіксувати його на цьому рівні, вимірюючи при цьому мембранний струм. Струм, що протікає через мембрану при стрибкоподібному зміні потенціалу з рівня спокою (-65 мВ) на деполяризованої рівень (-9 мВ). Струм, що виникає у відповідь на стрибок потенціалу, має три стадії:
(1) короткий викид виходить струму, що триває всього кілька мілісекунд,
(2) ранній входить струм
(3) пізній вихідного струму.
Ємність та струм витоку
Початковий короткочасний викид струму представляє собою ємнісний струм, обумовлений зміною заряду на мембрані в результаті зміни мембранного потенціалу. Якщо підсилювач зворотного зв'язку здатний проводити великі струми, то ємнісний струм триває дуже недовго. На практиці викид ємнісного струму триває близько 20 мс, і за ним іде невеликий, але стійкий вихідного струму.
Цей вихідного струму, що протікає через провідності, активні при потенціалі спокою, називається струмом витоку. Здебільшого це ток іонів калію і хлору, який має лінійну залежність від величини зміщення потенціалу фіксації від потенціалу спокою і спостерігається на всьому протязі стрибка потенціалу. Велику частину часу, проте, цей струм замаскований іншими, набагато більшими за величиною іонними струмами.
Струми іонів натрію і калію
Ходжкін і Хакслі показали, що друга і третя стадії струму обумовлені спочатку входом іонів натрію, а потім виходом іонів калію з клітки. Їм також вдалося виділити індивідуальні компоненти струму та розрахувати їх величину і часовий хід. Одним із зручних способів добитися цього послужило видалення з розчину більшої частини іонів натрію і заміна їх на іони холіну (які не проходять через мембрану). Понизивши зміст позаклітинного натрію, вдалося домогтися того, що натрієвий рівноважний потенціал зрівнявся з деполярізованнимі мембранним потенціалом (-9 мВ). Таким чином, сумарний струм натрію дорівнював нулю. Залишився тільки калієвий струм. Натрієвий струм був отриманий шляхом вирахування калієвого компонента з сумарного струму.
Виборчі отрути для натрієвих і калієвих каналів
Від часів первинних дослідів Ходжкіна і Хакслі були знайдені зручні фармакологічні засоби, що дозволяють вибірково блокувати натрієві або калієві струми. Особливо зручним засобом блокування натрієвих струмів виявився тетродотоксин (ТТХ) і його фармакологічний супутник саксітоксін (STX). ТТХ є сильна отрута, що міститься в яєчниках та інших органах риби фугу. У своєму огляді Као описує захоплюючу історію цієї отрути, що починається з його відкриття китайським імператором Шун НУНГ (2838-2698 до н. Е.). Імператор особисто випробував 365 різних речовин, складаючи свою фармацевтичну колекцію, і прожив напрочуд довго. STX синтезується морським планктоном і накопичується в харчуються планктоном молюсках, таких як Аляскінський Saxidomus. За силою дії ця отрута порівняємо з ТТХ, вживання в їжу всього одного такого молюска (сирим або у вареному вигляді) може призвести до смертельного результату.
Важлива перевага ТТХ для нейробіологічних дослідів полягає у високій вибірковості його дії. Мур, Нарахаші і їх колеги у своїх експериментах на аксоні кальмара показали, що ТТХ в концентрації всього 1 мкмоль або нижче вибірково блокує потенціалзалежні натрієві канали. Зміна потенціалу фіксації аксона, обробленого ТТХ, не призводить до виникнення вхідного натрієвого струму, але лише виходить калієвого. Величина і часовий хід калієвого струму не змінюються в присутності ТТХ. Внутрішньоклітинне введення ТТХ в аксон ніяк не діє на струм. Ефект STX нічим не відрізняється від ефекту ТТХ. Обидва токсину пов'язуються з одним і тим же посадковим місцем, розташованим в зовнішньому гирлі каналу, через який проходять іони натрію, і фізично перекривають їм прохід через мембрану.
Для калієвих каналів, що беруть участь в потенціалі дії, також було знайдено кілька блокуючих їх речовин. Так, в аксоні кальмара і міелінізірованние аксоні жаби, як показали Армстронг, Хіллі і їх колеги, тетраетіламмоній (TEA, в концентраціях вище 10 ммоль) блокує потенціалзалежні калієві канали.
У аксоні кальмара TEA необхідно додавати у внутрішньоклітинний розчин, оскільки він блокує внутрішнє гирло каналу; в інших препаратах, таких як перехоплення Ранвье жаби, TEA ефективний і при позаклітинної аплікації. Інші сполуки, такі як 4-амінопірідін (4-АР) або діамінопірідін (DAP), блокують калієві канали в міллімолярних концентраціях як зовні, так і зсередини клітини.
Залежність іонних струмів від мембранного потенціалу
Встановивши природу раннього і пізнього компоненту струму, Ходжкін і Хакслі досліджували залежність натрієвого і калієвого струмів від мембранного потенціалу. Стрибок потенціалу на -85 мВ призводить лише до виникнення невеликого вхідного струму, як і слід було очікувати на підставі властивостей мембрани в стані спокою. Кожен з невеликих деполярізаціонних стрибків виробляє спочатку входить струм, а потім більш тривалий виходить. Зі збільшенням величини деполярізаціонних стрибків ранній струм зменшується, при деполяризації на +52 мВ він дорівнює нулю, а при ще більш позитивних значеннях деполяризації змінює знак і стає незвичайним.
Потенціалзалежне ранньої та пізньої складових струму.
Максимальна амплітуда раннього струму і амплітуда рівня плато пізнього струму розташовані по осі ординат, а потенціал фіксації, який встановлювався стрибком з рівня потенціалу спокою - по осі абсцис. При гіперполярізуется перегонах немає поділу на ранні та пізні струми; мембрана відповідає на стрибок потенціалу як простий резистор. Пізній струм також веде себе як резистор, оскільки деполяризація активує вихідного струму, проте у міру збільшення рівня деполяризації величина струму починає значно перевершувати величину, очікувану на підставі властивостей мембрани в спокої. Це пояснюється активацією потенціалзалежне калієвої провідності, що пропускає додатковий струм. Поведінка раннього струму значно складніше. Як вже було зазначено, він спочатку зростає, а потім зменшується в міру збільшення деполяризації, стає рівним нулю при потенціалі +53 мВ, а потім і зовсім змінює знак. Потенціал реверсії розташований близько до рівноважного потенціалу для натрію, чого і слід було очікувати для струму іонів натрію.
Цікавою особливістю потенціалзалежне раннього струму є те, що в діапазоні потенціалів від -50 до +10 мВ струм зростає із зростанням деполяризації. Величина натрієвого струму залежить від натрієвої провідності (g Na), а також від рушійної сили для іонів натрію (V m - Е Nа). Можна було б припустити, що завдяки цьому струм буде зменшуватися в міру наближення мембранного потенціалу до натрієвим рівноважного потенціалу, тобто відбудеться зменшення рушійної сили. Однак цього не відбувається з причини різкого збільшення натрієвої провідності із зростанням деполяризації, яке переважує ефект зниження рушійної сили. Таким чином, натрієвий струм I Na = g Na (K m - E Na) зростає. Ця ділянка потенціалзалежне раннього струму називається «ділянкою провідності з від'ємним кутом нахилу».
Інактивація натрієвого струму
З дослідів Ходжкіна та Хакслі очевидно, що часовий хід натрієвого і калієвого струмів дуже різний. Розвиток калієвого струму загальмовано в порівнянні з натрієвим, однак після досягнення свого максимального рівня калієвий струм залишається на ньому досить довго. Навпаки, натрієвий струм зростає набагато швидше, але потім спадає до нуля, незважаючи на те, що мембрана все ще деполяризувати. Такий спад натрієвого струму називається інактивацією.
Ходжкін і Хакслі детально вивчили процес інактивації натрієвого струму. Зокрема, вони досліджували вплив гіперполярізуется і деполяризуючих пре-імпульсів на пікову амплітуду натрієвого струму, що виникає у відповідь на подальшу деполяризацію. Мембранний потенціал стрибкоподібно переведений з -65 на -21 мВ, в результаті чого виникає натрієвий струм величиною приблизно 1 мА / см 2. Коли деполяризації передує гіперполяризація величиною -13 мВ, пікове значення струму зростає. Деполяризуючий преімпульси, навпаки, знижують амплітуду натрієвого струму. Вплив деполяризуючих і гіперполярізуется пре-імпульсів залежить від часу впливу: короткі імпульси довжиною в кілька мілісекунд неефективні. У даному експерименті тривалість пре імпульсів була достатньою (30 мс) для досягнення максимального ефекту.
Результати представлені кількісно у вигляді залежності пікового натрієвого струму від потенціалу пре-імпульсу. Піковий струм виражений в частках амплітуди контрольного струму. При деполярізующего пре-імпульсі порядку -30 мВ натрієвий струм був знижений до нуля, тобто інактивація була повною. Гіперполярізуется пре-імпульси до -95 мВ і нижче викликали збільшення натрієвого струму на 70%. Ходжкін і Хакслі висловили цей діапазон значень натрієвого струму від нуля до максимуму одним параметром (h), які приймають значення від нуля (повна інактивація) до 1 (відсутність інактивації), як показано на правій осі ординат на рис. 6.6Е. У цих експериментах інактивація при потенціалі спокою була близько 40% максимального значення. Подальші експерименти показали, що натрієві канали всіх нейронів демонструють ту чи іншу ступінь інактивації в спокої.
Натрієва і калієва провідність як функція потенціалу
Вимірявши таким чином величину і часовий хід натрієвого і калієвого струмів як функції мембранного потенціалу V m і визначивши рівноважні потенціали E Na і Е к, Ходжкін і Хакслі отримали можливість розрахувати величину і часовий хід змін натрієвої н калієвої провідностей, використовуючи наведені раніше співвідношення

На рис. 6.7А показані результати п'яти стрибків потенціалу. Як g Na, так і g до зростають зі збільшенням деполяризації. Тимчасової хід натрієвої провідності співпадає з натрієвим струмом, проте її потенціалзалежне істотно відрізняється від струмового. Провідність рівномірно наростає зі збільшенням деполяризації, в той час як величина натрієвого струму спочатку зростає, а потім зменшується в міру збільшення деполярізаціонних стрибків. Чим ближче мембранний потенціал під час деполяризації до натрієвим рівноважного потенціалу, тим менше натрієвий струм. У результаті входить струм зменшується, незважаючи на те, що провідність зростає.
Висновок:
Результати дослідів Ходжкіна та Хакслі показали, що деполяризація мембрани аксона викликає три процеси:
(1) активацію натрієвої провідності,
(2) її подальшу інактивацію
(3) активацію калієвої провідності.
Кількісний опис натрієвої і калієвої провідностей
На основі отриманих експериментальних даних Ходжкін і Хакслі розробили математичну модель, здатну точно описати часовий хід змін натрієвої і калієвої провідностей, що відбуваються у відповідь на Деполяризуючий стрибок потенціалу. Якщо розглядати калієву провідність, то логічним наслідком зміни потенціалу повинно бути виникнення рушійної сили, здатної перемістити один або кілька зарядів всередині потенціалзалежного калієвого каналу, який в результаті повинен відкритися. За умови, що мова йде про одному-єдиному процесі, кінетика змін калієвої провідності повинна описуватися рівнянням першого порядку, тобто зростання провідності у відповідь на деполяризацію повинно бути експоненціальним.
Всупереч таким міркуванням, процес збільшення калієвої провідності починається з затримкою і протікає по S-подібною кривою. Завдяки наявності цієї затримки, а також тому, що збільшення калієвої провідності виникає тільки у відповідь на деполяризацію, але не гіперполяризацію, цей іонний канал отримав назву затриманого випрямлення (delayed rectifier). Ходжкін і Хакслі знайшли спосіб для точного математичного опису процесу збільшення калієвої провідності, зробивши припущення про те, що для відкриття каналу необхідна активація чотирьох процесів першого порядку (наприклад, переміщення чотирьох заряджених частинок усередині мембрани). Іншими словами, S-образну криву можна описати сумою чотирьох експонент. Таким чином, калієву провідність можна представити як

де g K (max) - максимальна провідність для даного стрибка потенціалу, а n - зростаюча експонентна функція, що приймає значення від 0 до 1: n = 1 - е-t /  n.
Залежність g K (max) від потенціалу.
Тимчасова константа експоненти, n, також залежить від потенціалу: чим більше деполяризація, тим швидше зростає провідність. При температурі 10 ° С n приймає значення в діапазоні від 4 мс для невеликих деполяризації до 1 мс для деполяризації до нуля мембранного потенціалу.
Тимчасової хід зростання натрієвої провідності також має форму S-подібною кривою, але описується експонентою, зведеної в третю ступінь. Навпаки, спад натрієвої провідності в результаті інактивації відбувається за моноекспоненціальной кривої. Для кожного конкретного стрибка потенціалу, загальний часовий хід змін натрієвої провідності представляє собою результат накладання процесів активації та інактивації:

де g Na (max) - це максимальний рівень, якого натрієва провідність досягла б за відсутності інактивації, am = 1 - е-t / n Процес інактивації представлений не наростаючій, а спадаючою експонентою, представленої як h = е-t /  h. Як і у випадку калієвої провідності, g Na (max) залежить від потенціалу, також як і тимчасові константи активації та інактивації. Тимчасова константа активації натрієвої провідності m набагато коротше калієвої, і при 10 ° С бере значення від 0,6 мс (при значеннях потенціалу близьких до потенціалу спокою) до 0,2 мс при нульовому мембранному потенціалі. Тимчасова константа інактивації h близька за значенням константі n
Реконструкція потенціалу дії
Емпірично отримані формули, що відображають залежність натрієвої і калієвої провідностей від потенціалу і від часу, дозволили Ходжкіна та Хакслі передбачити часовий хід всього потенціалу дії і що відбуваються при цьому змін провідностей. Почавши з деполярізующего стрибка потенціалу, лише трохи перевищує порогове значення, вони розрахували всі наступні зміни мембранного потенціалу з кроком 0,01 мс. Так, вони підрахували, як протягом перших 0,01 мс після деполяризації до -45 мВ зміняться g Na і g к, яке буде збільшення I Na і I K, і, нарешті, яким буде в результаті вплив сумарного струму на V m. Знаючи значення V m в кінці першого відрізка часу в 0,01 мс, вони повторили ті ж обчислення для наступного проміжку, потім для наступного, і так далі, протягом усіх фаз наростання і спаду потенціалу дії (виключно трудомістка процедура, якщо врахувати, що ні комп'ютерів, ні навіть калькуляторів в ті часи не було!).
Результати розрахунків з дивовижною точністю повторили форму реального потенціалу дії аксона кальмара. Експериментально виміряний і розрахований потенціали дії при трьох різних рівнях деполяризації. Для того, щоб по достоїнству оцінити значимість цих досягнень, потрібно мати на увазі, що параметри, що використовувалися для розрахунків, були отримані в абсолютно неприродних умовах, при яких потенціал послідовно фіксувався на різних рівнях.

Література:
1. Малиновський А.А. Тектологія. Теорія систем. Теоретична біологія.
2. Людський потенціал: досвід комплексного підходу. Ред. Фролов І.Т.
3. Золотов Ю.А., Іванов В.М., Амелін В.Г. Хімічні тест-методи аналізу.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Контрольна робота
32.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Іонні механізми потенціалу дії Методи фіксації
Метод лінгвістичної географії Зіставний метод Структурний метод у лінгвістичних дослідженнях
Метод лінгвістичної географії Зіставний метод Структурний метод у л
Подолання фіксації клієнта на психотравме
Відеозапис як засіб фіксації ходу розслідування
Особливості фіксації та вилучення слідів транспортних засобів
Особливості фіксації та вилучення слідів транспортних засобів
Родові шляхи жіночий таз м`язи і фіксації тазового дна
Завдання та етапи проведення слідчого допиту форми фіксації резу
© Усі права захищені
написати до нас