CHAPTER 6 – ELECTROPHYSIOLOGY OF THE CELL MEMBRANE

inhoud

1 — membraanpotentiaal

2 — elektrisch model celmembraan

3 — ionkanalen

1 — MEMBRAANPOTENTIAAL

stroom (I)

• I = q / t

• [A] = [C/s]

‎

• hoe kleiner structuur, hoe kleiner stroom;

  • μA bij spieren

  • nA bij grote neuronen

  • pA bij ionkanalen/synapsen

‎

• + = naar buiten

• - = naar binnen

Ca-stroom — uitzondering

• vormt uitzondering op regel;

  • + = naar buiten

  • - = naar binnen

• vanwege negatieve lading die het draagt; doet exact omgekeerd

‎

• +50 mV; positieve ionenstroom, dus naar binnen

• 0 mV = E_Nernst → lineaire IV curve

• -50 mV; negatieve ionenstroom, dus naar buiten

lading ion (q)

• q = z*e₀

  • z = valentie

  • e₀ = elementaire lading = 1.6022×10^-19 C

diëlektrische cte (ε)

• ε > 1

• mogelijkheid medium om te polarizeren

  • hoe hoger, hoe makkelijker

  • bij lage ε, nood aan permeatie mechanismen = kanalen

elektrisch veld (E) membraan

• E = V_m / d

  • V_m = V_in - V_out = membraanpotentiaal

  • d = dikte membraan

  • [V/m] = [N/C]

meting V_m

• rustmembraanpotentiaal;

  • negatieve waarde; tss -60 en -90 mV

  • zo goed als elke cel heeft dit

    ‎

• methoden meting;

  • micro-elektrode

  • fluorescentie microscoop

micro-elektrode

• zilver-elektrode

• glazen pipet met goed geleidende vloeistof

fluorescentie microscoop

• kleuring afhankelijk V_m

• toepasbaar als micro-elektroden niet bruikbaar zijn

2 — ELEKTRISCH MODEL CELMEMBRAAN

V_m en ionen

• V_m afhankelijk van;

  • extracellulaire K⁺ concentratie

  • ion-gradiënt

‎

• merk op; zo goed als rechtlijnig verband

Nernst potentiaal (E_Nernst)

• = equilibrium potentiaal = E_equilibrium = E_reversal

• berekenen evenwichtspotentiaal één ion

• E_Nernst = RT / zF * ln([X]_out / [X]_in)

  • R = gas cte = 8,314 J/mol*K

  • T = temperatuur [K]

  • z = valentie

  • F = cte Faraday = 96.500 C

elektromotrische kracht (EMK)

• EMK = V_m - E_Nernst

• kracht die zorgt voor het verplaatsen van ionen over het celmembraan

EMK — voorbeeld

flux ion X is afhankelijk van (3)

• concentratie gradiënt van X

• V_m = membraan potentiaal

• P_x = membraan-permeabiliteit voor X

Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)

• = constant field equation

• uitbreiding op Nernst vgl; meerdere ionen

• berekenen rustmembraanpotentiaal (V_m)

  ‎

• V_m = RT/F * ln(P_x[X]_out + P_y[Y]_out/P_x[X]_in + P_y[Y]_in)

‎‎

• voorwaarden;

  • homogeen membraan

  • constant field assumption; E = V_m / d

  • ionen bewegen onafhankelijk

  • P_x = D_xβ/ L = cte

relatieve permeabiliteit (P_x)

• bepaalt;

  • expressie ionenkanalen

  • ionenselectiviteit kanaal

    ‎

• bijgevolg beïnvloedt het dus ook V_m;

  • ligt dichtst bij ion met hoogste P_x

  • meestal is dat P_K

conductantie vs permeabiliteit

• geven beiden doorlaatbaarheid membraan weer

  ‎

• conductantie

  • enkel voor geladen deeltjes

  • [Ω] = Ohm

• permeabiliteit

  • [S] = Siemens

wet Ohm (Ω)

• I = V/R = V*G = G*(V_m - E_Nernst)

  ‎

  • I = stroom [A] = [C/s]

  • V = potentiaal [V] = [J/C]

  • R = weerstand [Ω/cm²]

  • G = 1/R = conductantie [S]

conductantie (G)

• G = p(0) γ N

  • p(0) = kans dat kanaal open is

  • γ = single channel conduction

  • N = aantal kanalen

‎

• opm;

  • i = γ *(V_m - E_Nernst)

  • I = N p(0) i = N p(0) γ *(V_m - E_Nernst)

elektrisch circuit — model celmembraan

celmembraan als condensator (C_m)

• C_m = Q/V

• [Farad] = [Coulomb/Volt]

  • altijd hele kleine waarden; μF en pF

    ‎

• tijd nodig om te (ont)laden; vertraagt ΔV_m

  • τ = capacitaire tijdsconstante

capacitaire tijdsconstante (τ)

• τ = RC

• na tijd = τ;

  • 63% opgeladen

  • 37% ontladen

‎

• V = V₀ * e^(-t/τ)

• ΔV/Δt is exponentieel

I_tot

• I_tot = I_c + I_ionen

  • [A] = [C/s]

    ‎

• I_c = C_m * ΔV/Δt

• I_ion = G_ion * (V_m - E_ion)

I_c — controle eenheden

• I_c = C_m * ΔV/Δt

• = capacitaire stroom

‎

• I_c in [A] = [C/s]

• C_m in [F] = [C/V]

• ΔV/Δt in [V/s]

I_ion — controle eenheden

• I_ion = G_ion * (V_m - E_ion)

• = ionenstroom

‎

• I_ion in [A] = [C/s] = [S]*[V]

• G_ion in [S] = Siemens

• V_m in [V]

• E_ion in [V] (evenwichtspotentiaal ion)

I_c vs I_ion

• -80mV = start

• -120mV = niet-fysiologisch relevant;

  • geen ionenstroom, wel capacitieve stroom (ladingen die worden opgeslagen in membraan)

  • bij wegnemen puls → ontladen

• -40mV = wel ionkanalen die activeren;

  • ionenstroom + capacitieve stroom

  • I_ionen = I_tot - I_c = macroscopische stroom

macro- vs microscopische stroom

• micro = i = γV

  • single channel

• macro = I = GV

  • alle channels samen

current vs voltage clamp

• current clamp

  • gecontroleerde stroom stimulus

  • meting V_m

• voltage clamp

  • gecontroleerde potentiaal stimulus

  • meting I over membraan

voltage clamp — Hodgkin-Huxley

• werking;

  • membraanpotentiaal (V_m) wordt kunstmatig op bepaalde waarde vastgezet (clampen)

  • stroom die nodig is om dat zo te houden wordt gemeten = ionenstroom (I_ion)

• doel = bestuderen;

  • werking ionkanalen bij specifieke voltages

  • bij welk V_m bepaalde kanalen openen/sluiten

  • …

voltage clamp — Hodgkin-Huxley onderdelen uitgelegd

• squid giant axon

  • = neuron waar alles gemeten wordt

• intracellular recording electrode

  • meet Vm binnenin axon

• extracellular reference electrode

  • vergelijkt intracellulaire met extracellulaire (referentie) waarde

• membrane potential amplifier; “hart” v/h systeem

  • versterkt verschil tss binnen en buiten

• signal generator with command voltage

  • bepaalt welk Vm je wilt afdwingen; “command voltage”

• feedback amplifier

  • vergelijkt de gewenste V_m (van de signal generator) met de echte (gemeten) V_m en stuurt stroom bij via de current-passing electrode om ze gelijk te maken

• current-passing electrode

  • stuurt precies genoeg stroom het axon in om de gewenste V_m te behouden

• ampere meter

  • meet hoeveel stroom er werd ingespoten = ionstroom door het membraan (onder ideale omstandigheden)

voltage clamp — Hodgkin-Huxley werking uitgelegd

• Je stelt een gewenst membraanpotentiaal in via de signal generator.

• Het systeem vergelijkt dat met het werkelijke membraanpotentiaal.

• Als er een verschil is, injecteert de feedback amplifier stroom via de current-passing electrode.

• Deze stroom compenseert de natuurlijke ionstromen zodat Vm op niveau blijft.

• Die geïnjecteerde stroom = ionstroom en wordt gemeten door de ampèremeter.

3 — IONKANALEN

ionkanaal — indeling

• functionele criteria;

  • biofysica: selectiviteit, gating & permeatie

  • farmacologie: gevoeligheid toxines/middelen

  • stimuli die een kanaal openen/sluiten: voltage, interne/externe liganden

• sequentie homologie;

  • proteïne

  • DNA-sequentie

verband vorm & type ionkanaal

• trimeer

  • = porie

• tetrameer

  • = vaak voltage gated

  • 6 transmembranaire helices (S1-S6-

    • S4 = spanningssensor

• pentameer

  • = vaak ligand gated

  • binding meestal extracellulair

• hexameer

  • = gap junction

N- en C-terminus

• N-terminus

  • bevat aminegroep

  • -NH₂

• C-terminus

  • bevat carboxylgroep

  • -COOH

‎

• opm; elk ionkanaal heeft beide

• opm; meestal vormen laatste twee transmembranaire segmenten een porie

types ionkanalen

• B. 4 = voltagesensor, 5+6 = porie

• C. = K-kanaal gevoelig voor Ca

• E. geen voltagesensor

• N. enkel voltagesensor, kan gekoppeld zijn aan:

  • porie

  • enzym

  • …

• I. geen selectieve kation-kanalen; maar gevoelig voor menthol, look, temperatuur …

• J. NK

• K. één groot proteïne met 4 niet-identieke domeinen;

  Na-kanaal = pseudotetrameer

• L. één groot proteïne met 4 niet-identieke domeinen;

  Ca-kanaal = pseudotetrameer

types ionkanalen

• O. = ligand gated

• S. = CFTR Cl^- (cystic fibrosis)

‎

• overige zijn niet te kennen