1.7: Затискач напруги

Last updated
Save as PDF

Page ID: 72351

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

У попередньому розділі ми розглянули зміни іонного потоку та мембранного потенціалу, які відбуваються під час потенціалу дії в нейроні. Ми маємо такий рівень розуміння того, як іони рухаються під час потенціалу дії через спеціальну техніку, яка називається експериментом із затискачем напруги, яка використовувалася в 1950-х роках. Метод затиску напруги дозволяє дослідникам вивчати іонні канали з напругою, керуючи мембранним потенціалом нейрона.

Експеримент із затискачем напруги

Початкова настройка

Для проведення експерименту з затискачем напруги частина аксона, яка включала б клітинну мембрану та всі розташовані там іонні канали з напругою, видаляють з нейрона і поміщають у розчин, який імітує фізіологічний позаклітинний розчин. Концентрації іонів на мембрані, а також електрохімічні градієнти залишаться незмінними.

Ілюстрований нейрон із зображенням сегмента аксона видаляють і ставлять у ванну. Деталі в підписі. — Малюнок 7.1. Для проведення експерименту з затискачем напруги частина аксона видаляється з нейрона. Аксон поміщають в спеціальний розчин, схожий на фізіологічний позаклітинний розчин. «Аксон in vitro» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Вимірювання мембранного потенціалу

Початковим етапом методу затиску напруги є вимірювання мембранного потенціалу аксона. У аксон поміщають реєструючий електрод, а в позаклітинний розчин поміщають опорний електрод. Різниця напруг між цими двома електродами - мембранний потенціал аксона.

Ілюстрований аксон з електродами, що вимірюють потенціал мембрани. Деталі в підписі. — Малюнок 7.2. Вимірювання мембранного потенціалу сегмента аксона є першим кроком в експерименті напруга-затискач. Потенціал мембрани - це різниця напруг між внутрішньоклітинним реєструючим електродом і позаклітинним опорним електродом. «Виміряти мембранний потенціал» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Затискання напруги

Дослідники, які проводять експеримент, можуть встановити бажаний мембранний потенціал для клітини. Потім обладнання порівнює бажаний мембранний потенціал з виміряним потенціалом мембрани від електродів. Якщо ці значення відрізняються, в осередок вводять струм, щоб змінити виміряний мембранний потенціал і зробити його рівним потрібному потенціалу.

Етапи, які відбуваються під час експерименту з затискачем напруги. Деталі в підписі. — Малюнок 7.3. Для експерименту встановлюється бажаний мембранний потенціал. Потім експериментальне обладнання напруги-затискач порівнює виміряний потенціал мембрани з бажаним потенціалом. Потім струм вводять в аксон через струмопрохідний електрод, щоб виміряний потенціал мембрани був рівним бажаному потенціалу. «Напруга затиску» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Повторити

Устаткування продовжує цей цикл протягом тривалості експерименту. Він постійно вимірює і порівнює реальний мембранний потенціал з потрібним потенціалом, а потім використовує струм для корекції будь-яких змін, «затискаючи» потенціал на одному значенні.

Приклад експерименту з затискачем напруги

У стані спокою

Давайте попрацюємо по системі на прикладі. Ось аксон, що купається в позаклітинному розчині. Потенціал спокою мембрани вимірюється при -65 мВ.

Ілюстрований аксон з потенціалом мембрани спокою -65 мВ. Деталі в підписі. — Малюнок 7.5. Виміряйте мембранний потенціал. Мембранний потенціал цього аксона в спокої становить -65 мВ. «Приклад затискача напруги в стані спокою» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Поширення На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Встановити значення потенціалу затиснутої мембрани

Для цього експерименту потрібне значення мембранного потенціалу дорівнює 0 мВ.

Ілюстрований експеримент з затискачем напруги з встановленим затиснутим значенням 0 мВ. Деталі в підписі. — Малюнок 7.6. Встановіть бажаний мембранний потенціал. Встановлене значення для цього експерименту дорівнює 0 мВ. Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства Некомерційна частка на Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Порівняння фактичних та встановлених значень потенціалу мембрани

Обладнання визначить, що фактичний мембранний потенціал клітини не є правильним (-65 мВ порівняно з 0 мВ), тому комірка повинна деполяризуватися, щоб досягти заданого значення.

Ілюстрований експеримент із затискачем напруги, порівнюючи фактичні та встановлені значення потенціалу Деталі в підписі. — Малюнок 7.7. Порівняйте виміряний потенціал мембрани з бажаним потенціалом. Фактичний мембранний потенціал аксона знаходиться на рівні -65 мВ, тому клітинку потрібно деполяризувати, щоб досягти бажаного потенціалу 0 мВ. «Порівняння прикладів затискачів напруги» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Відрегулюйте мембранний потенціал

Щоб аксон рухався від свого потенціалу мембрани спокою до 0 мВ, струмовий електрод буде пропускати позитивний струм в комірку, деполяризуючи комірку, поки мембранний потенціал не досягне заданого значення.

Ілюстрований експеримент із затискачем напруги, що показує деполяризацію після введення. Деталі в підписі. — Малюнок 7.8. Правильний фактичний мембранний потенціал. Щоб деполяризувати цей аксон з спокою при -65 мВ до потрібного значення затиску 0 мВ, в комірку буде вводитися позитивний струм. Потенціал мембрани потім деполяризуватиметься до 0 мВ і залишиться там. «Приклад струмового затискача напруги» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

Іонні канали продовжують функціонувати під час затиску напруги

Важливий аспект деполяризації, помічений у прикладі, полягає в тому, що вона вище порогу. Переміщення потенціалу мембрани вище порогового значення активує іонні канали з напругою. Натрієві канали відкриються відразу, і натрій почне кидатися в клітку. Цей приплив позитивних іонів зазвичай призведе до зміни потенціалу мембрани для деполяризації, але обладнання затиску напруги вимірюватиме іонний потік і вводить струм однакової сили та протилежного заряду в аксон для підтримки потенціалу мембрани на 0 мВ. Це відбувається практично миттєво і є постійним процесом, так як змінюється іонний потік, так і інжектований струм.

Анімація 7.1. Затискання комірки при 0 мВ призведе до пропуску струму в аксон для деполяризації мембранного потенціалу. Ця деполяризація вище порогової, тому іонні канали з напругою в мембрані будуть активовані. Натрій буде надходити в аксон через відкриті натрієві канали. Обладнання затиску напруги буде вводити струм рівний за силою і протилежний відповідає за приплив натрію, щоб зберегти мембранний потенціал аксона на рівні 0 мВ. Потенціал мембрани залишатиметься на рівні 0 мВ, оскільки інжекторний струм компенсує будь-які зміни, які зазвичай відбуваються через іонний потік. 'Натрієвий потік напруги' від Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Перегляд статичного зображення анімації.

Оскільки іонні канали функціонують, як очікується, під час експерименту з затискачем напруги, натрієві канали з напругою інактивуються, а калієві канали із затримкою напруги відкриються, оскільки, як і натрієві канали, вони також активуються, коли потенціал мембрани досягає порогу. Це змушує іонний потік змінюватися від внутрішнього до зовнішнього. Зазвичай ефлюкс калію призведе до реполяризації мембранного потенціалу, але обладнання затиску напруги знову вводить струм, рівний за силою і протилежний потоку калію, щоб зберегти мембранний потенціал стабільним на 0 мВ.

Анімація 7.2. Натрієві канали з напругою інактивуються, а калієві канали відкриються. Калій потім буде витікати з аксона. Подібно до припливу натрію, обладнання затискача напруги буде вводити струм рівний за силою і протилежний відповідає за потік калію, щоб зберегти мембранний потенціал аксона на рівні 0 мВ. 'Потік калію напруги затискач' Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна Перегляд статичного зображення анімації.

Збір даних

Дослідники можуть визначити, скільки струму рухається через іонні канали з напругою, спостерігаючи, скільки струму обладнання повинно вводити в комірку, щоб зберегти мембранний потенціал стабільним. Якщо обладнання повинно вводити негативний струм протягом 2 мілісекунд, то дослідники знають, що позитивні іони протікали протягом 2 мілісекунд. Тож встановлений затискач напруги дозволив дослідникам у 1950-х роках дізнатися про те, як функціонували іонні канали з напругою під час потенціалу дії.

Ключові виноси

Потенціал мембрани не змінюється під час експерименту з затискачем напруги
Іонні канали з напругою все ще здатні нормально функціонувати і дозволяти іонний потік
Якщо потенціал затиснутої мембрани вище порогового, канали з напругою будуть діяти так, ніби осередок стріляє потенціал дії
Обладнання повинно компенсувати іонний потік нейрона шляхом впорскування струму в аксон. Кількість струму, необхідного для підтримки потенціалу мембрани стабільним, дорівнює і протилежний струму, фактично протікає в клітці.

Перевірте себе!

Інтерактивний елемент H5P був виключений з цієї версії тексту. Ви можете переглянути його онлайн тут:
https://openbooks.lib.msu.edu/neuroscience/?p=193#h5p-7

Додатковий відгук

Ви проводите експеримент із затискачем напруги, де ви переміщуєте потенціал мембрани з спокою при -65 мВ до 0 мВ. Ви збираєте такі дані:

Результати експерименту з затискачем напруги. Деталі в підписі. — Мембранний потенціал нейрона затискається при 0 мВ. Видно початковий струм всередину, за ним йде струм назовні.

Опишіть, що викликає спостережуваний іонний потік, включаючи інформацію про те, які іони (и) рухаються і в якому напрямку.

Відповіді

Відео-версія уроку

Мініатюра для вбудованого елемента «Глава 7 - Затискач напруги»

Елемент YouTube був виключений з цієї версії тексту. Ви можете переглянути його онлайн тут: https://openbooks.lib.msu.edu/neuroscience/?p=193