Hoofdstuk 3: Voltage-dependent membrane
permeability
Ion kanalen
- Leak/Lek kanalen: passieve kanalen, zijn betrokken bij het rustpotentiaal. Zijn
afhankelijk van de drijvende kracht van ionen
- Ligand-gated kanalen: ligand geactiveerde kanalen, liganden zijn vaak
neurotransmitters zoals glutamaat.
- Voltage-gated kanalen: spanningsafhankelijke kanalen, zijn betrokken bij
actiepotentiaal generatie
- Light-gated kanalen: licht geactiveerde kanalen zoals Channelrhodopsins
- Mechanically-gated kanalen: zoals in spier, huid of haarcellen in het oor
- Er zijn nog meer kanalen die afhankelijk zijn van bijvoorbeeld temperatuur of pH
Ion currents across nerve cell membranes
Een actiepotentiaal ontstaat alleen wanneer het membraan potentiaal positiever dan de
threshold is. De Na+ permeabiliteit is gevoelig voor het membraan potentiaal.
Hodgkin en Huxley gebruikten de voltage clamp techniek voor het begrijpen van
permeabiliteitsverschillen in kanalen bij een actiepotentiaal. Ze gebruikten een giant axon uit
een inktvis omdat deze erg groot was en de electrode hier makkelijk in paste (1 mm diameter).
- Voltage clamp methoden: het
membraan potentiaal wordt
constant gehouden met een clamp.
Een elektrode in het axon meet
continue de membraan spanning
(Vm). Deze spanning wordt
vergeleken met een gewenste
spanning, command potential,
deze gewenste spanning wordt naar
het axon teruggeleid om de
gewenst spanning op het membraan
te hebben. Er zit zowel een
elektrode binnen als buiten de cel.
De hoeveelheid spanning die nodig is om het membraan potentiaal op de gewenste
spanning te houden wordt gemeten. De interne elektrode meet de hoeveelheid stroom,
deze stroom is omgekeerd de hoeveelheid stroom dat loopt over het membraan bij een
specifieke membraan spanning.
o De spanning wordt op een steady state gehouden en de hoeveelheid correctie
die de machine moet uitvoeren wordt gemeten.
- Het eerste doel was om te bepalen of de permeabiliteit van ionen daadwerkelijk
afhankelijk was van membraanpotentiaal verschillen
o De voltage clamp amplifier stond op -65 mV,
er werd een hyperpolariserende stap gemaakt
naar -130 mV. Er werd alleen een snelle
inwaardse capacitieve stroom waargenomen.
, Capacitive currents vinden alleen plaats bij een verschil in potentiaal. Er was
geen actieve stroom zichtbaar
Bij hyperpolarisatie vindt er een kleine transient plaats waardoor de
dubbellaag opgeladen en ontladen wordt (negatieve richting /
inwaards). Er is netto geen stroom.
o Bij een depolariserende stap waarbij de voltage
clamp amplifier op -65 mV stond, en er een
depolariserende stap werd gemaakt naar 0 mV, is
de capacitieve stroom het spiegelbeeld (outward)
van de capacitieve stroom bij de hyperpolarisatie.
Echter hierna gaat de capacitieve stroom heel snel
in de negatieve richting (inward) die wordt gevold
door een langzame outward stroom.
Bij depolarisatie vindt er eerst een kleine
transient plaats waardoor de dubbellaag
opgeladen en ontladen wordt (positieve
richting / outwaards). Deze wordt gevolgd door een transient inward
stroom en hierna een delayed outward current. Dit moet veroorzaakt
worden door een verlaging van membraan weerstand (delta I = delta
V / R) en dus kanalen die open gaan (inward is negatief dus Na+ erin of
Cl- eruit, outward is positief dus K+ eruit of Cl- erin). Er vindt een
netto outward stroom plaats.
Two types of voltage-dependent ion currents
Het veranderen van de stroom na de capacitieve stroom suggereert
voltage-gated kanalen. De specifieke amplitude van de snelle inwards
stroom en de langzame outwards stroom is uitgezet tegenover het
membraan potentiaal. De grootste amplitude voor de eerste snelle
component (inward) ligt rond de 0 mV, de grootste amplitude voor de
outward stroom is niet bereikt omdat dit een lineaire toename is.
- Hieruit is nu heel specifiek het omkeerpotentiaal
(evenwichtspotentiaal) te berekenen. Voor de early component
(inward) is het omkeerpotentiaal ongeveer +55 mV, voor de late
component (outward) is het omkeerpotentiaal ongeveer -75mV.
Het omkeerpotentiaal kan bepaald worden door te kijken naar het
snijpunt met de x-as (membraan current = 0, er loopt geen ion stroom).
- Ook de driving force (V – Ex) kan hieruit behaald worden. De driving force voor de
late component is eerst negatief en wordt alsmaar positiever, de V neemt lineair toe.
Voor de snelle component is het afhankelijk van de membraan spanning, eerst een
afname en vervolgens neemt die ook lineair toe omdat de Ex overstegen is.
Je kan de ionconcentratie veranderen om te kijken wat hun rol is. Inktvis heeft normaal hele
hoge Na+ concentratie aan de buitenkant. Als je de Na+ elimineert aan de buitenkant
verdwijnt de inward component, dit laat zien dat de early component afhankelijk is van Na+
concentratie (komt overeen met omkeerpotentiaal).
Na de depolarisatie heeft het verwijderen van Na+ geen effect meer, dit laat zien dat een
andere ionstroom verantwoordelijk moet zijn voor de langzame outward currents. De
hoeveelheid K+ efflux van een neuron is bijna gelijk aan de magnitude van de late outward
current, dit laat zien dat waarschijnlijk K+ verantwoordelijk is. Wanneer het membraan
permeability
Ion kanalen
- Leak/Lek kanalen: passieve kanalen, zijn betrokken bij het rustpotentiaal. Zijn
afhankelijk van de drijvende kracht van ionen
- Ligand-gated kanalen: ligand geactiveerde kanalen, liganden zijn vaak
neurotransmitters zoals glutamaat.
- Voltage-gated kanalen: spanningsafhankelijke kanalen, zijn betrokken bij
actiepotentiaal generatie
- Light-gated kanalen: licht geactiveerde kanalen zoals Channelrhodopsins
- Mechanically-gated kanalen: zoals in spier, huid of haarcellen in het oor
- Er zijn nog meer kanalen die afhankelijk zijn van bijvoorbeeld temperatuur of pH
Ion currents across nerve cell membranes
Een actiepotentiaal ontstaat alleen wanneer het membraan potentiaal positiever dan de
threshold is. De Na+ permeabiliteit is gevoelig voor het membraan potentiaal.
Hodgkin en Huxley gebruikten de voltage clamp techniek voor het begrijpen van
permeabiliteitsverschillen in kanalen bij een actiepotentiaal. Ze gebruikten een giant axon uit
een inktvis omdat deze erg groot was en de electrode hier makkelijk in paste (1 mm diameter).
- Voltage clamp methoden: het
membraan potentiaal wordt
constant gehouden met een clamp.
Een elektrode in het axon meet
continue de membraan spanning
(Vm). Deze spanning wordt
vergeleken met een gewenste
spanning, command potential,
deze gewenste spanning wordt naar
het axon teruggeleid om de
gewenst spanning op het membraan
te hebben. Er zit zowel een
elektrode binnen als buiten de cel.
De hoeveelheid spanning die nodig is om het membraan potentiaal op de gewenste
spanning te houden wordt gemeten. De interne elektrode meet de hoeveelheid stroom,
deze stroom is omgekeerd de hoeveelheid stroom dat loopt over het membraan bij een
specifieke membraan spanning.
o De spanning wordt op een steady state gehouden en de hoeveelheid correctie
die de machine moet uitvoeren wordt gemeten.
- Het eerste doel was om te bepalen of de permeabiliteit van ionen daadwerkelijk
afhankelijk was van membraanpotentiaal verschillen
o De voltage clamp amplifier stond op -65 mV,
er werd een hyperpolariserende stap gemaakt
naar -130 mV. Er werd alleen een snelle
inwaardse capacitieve stroom waargenomen.
, Capacitive currents vinden alleen plaats bij een verschil in potentiaal. Er was
geen actieve stroom zichtbaar
Bij hyperpolarisatie vindt er een kleine transient plaats waardoor de
dubbellaag opgeladen en ontladen wordt (negatieve richting /
inwaards). Er is netto geen stroom.
o Bij een depolariserende stap waarbij de voltage
clamp amplifier op -65 mV stond, en er een
depolariserende stap werd gemaakt naar 0 mV, is
de capacitieve stroom het spiegelbeeld (outward)
van de capacitieve stroom bij de hyperpolarisatie.
Echter hierna gaat de capacitieve stroom heel snel
in de negatieve richting (inward) die wordt gevold
door een langzame outward stroom.
Bij depolarisatie vindt er eerst een kleine
transient plaats waardoor de dubbellaag
opgeladen en ontladen wordt (positieve
richting / outwaards). Deze wordt gevolgd door een transient inward
stroom en hierna een delayed outward current. Dit moet veroorzaakt
worden door een verlaging van membraan weerstand (delta I = delta
V / R) en dus kanalen die open gaan (inward is negatief dus Na+ erin of
Cl- eruit, outward is positief dus K+ eruit of Cl- erin). Er vindt een
netto outward stroom plaats.
Two types of voltage-dependent ion currents
Het veranderen van de stroom na de capacitieve stroom suggereert
voltage-gated kanalen. De specifieke amplitude van de snelle inwards
stroom en de langzame outwards stroom is uitgezet tegenover het
membraan potentiaal. De grootste amplitude voor de eerste snelle
component (inward) ligt rond de 0 mV, de grootste amplitude voor de
outward stroom is niet bereikt omdat dit een lineaire toename is.
- Hieruit is nu heel specifiek het omkeerpotentiaal
(evenwichtspotentiaal) te berekenen. Voor de early component
(inward) is het omkeerpotentiaal ongeveer +55 mV, voor de late
component (outward) is het omkeerpotentiaal ongeveer -75mV.
Het omkeerpotentiaal kan bepaald worden door te kijken naar het
snijpunt met de x-as (membraan current = 0, er loopt geen ion stroom).
- Ook de driving force (V – Ex) kan hieruit behaald worden. De driving force voor de
late component is eerst negatief en wordt alsmaar positiever, de V neemt lineair toe.
Voor de snelle component is het afhankelijk van de membraan spanning, eerst een
afname en vervolgens neemt die ook lineair toe omdat de Ex overstegen is.
Je kan de ionconcentratie veranderen om te kijken wat hun rol is. Inktvis heeft normaal hele
hoge Na+ concentratie aan de buitenkant. Als je de Na+ elimineert aan de buitenkant
verdwijnt de inward component, dit laat zien dat de early component afhankelijk is van Na+
concentratie (komt overeen met omkeerpotentiaal).
Na de depolarisatie heeft het verwijderen van Na+ geen effect meer, dit laat zien dat een
andere ionstroom verantwoordelijk moet zijn voor de langzame outward currents. De
hoeveelheid K+ efflux van een neuron is bijna gelijk aan de magnitude van de late outward
current, dit laat zien dat waarschijnlijk K+ verantwoordelijk is. Wanneer het membraan
