A. Pomiar przepływu jonów i potencjału membranowego
Gdy neuroprzekaźniki wiążą się ze swoimi receptorami, kanały jonowe w reagujących neuronach lub komórkach mięśniowych otwierają się. Wynikający z tego napływ jonów Na+ zakłóca potencjał spoczynkowy komórki docelowej. Efekt ten jest tylko przejściowy, jeśli potencjał membrany pozostaje ujemny. Jeśli jednak do komórki dostanie się wystarczająca ilość jonów Na+, błona ulega depolaryzacji. Jeśli komórka doświadczy hiperpolaryzacji, lokalne odwrócenie normalnej polaryzacji błony (powiedzmy z -70 mV do +65 mV lub więcej) wygeneruje potencjał czynnościowy. Ten potencjał czynnościowy będzie się przemieszczał jak prąd wzdłuż błony komórki nerwowej lub mięśniowej, ostatecznie wyzwalając odpowiedź fizjologiczną, np. pobudzenie następnej komórki nerwowej w ścieżce neuronalnej lub skurcz komórki mięśniowej. Urządzenie typu patch-clamp wykrywa specyficzny przepływ jonów i każdą wynikającą z tego zmianę różnicy potencjałów w poprzek błony. Zasady pomiaru patch-clamp są zilustrowane poniżej.
W powyższym przykładzie, zamknięcie przełącznika na zasilaczu wysyła ładunek elektryczny do komórki, otwierając napięciowo bramkowany kanał jonowy. W tym przypadku, czujnik potasu w urządzeniu wykrywa przepływ jonów K+ przez kanał i poza komórkę. W tym samym czasie woltomierz rejestruje zmianę potencjału membrany.
297 Urządzenie Patch Clamp może rejestrować potencjał membrany i przepływ jonów
298 Patch Clamp mierzy potencjał spoczynkowy i depolaryzację
Oprócz napięciowo bramkowanych kanałów jonowych, urządzenie patch clamp może mierzyć przepływ jonów przez ligandowe kanały jonowe i mechanicznie bramkowane kanały jonowe.
Te pierwsze kanały są bramkami jonowymi receptora, które otwierają się po związaniu cząsteczki efektora. Mechanicznie bramkowane kanały jonowe wykrywają nacisk fizyczny lub stres, które powodują lokalne odkształcenie błony, otwierając kanał.
299 Bramkowane kanały jonowe
300 Typy bramkowanych kanałów jonowych – ilustracja
Wreszcie, komórki utrzymują wysokie wewnątrzkomórkowe stężenie jonów K+, powodując powolny wyciek jonów K+ z komórki, zjawisko wykrywalne przez patch-clamp. Obecność jonów ujemnych (klonów, jonów organicznych) we wnętrzu komórki ogranicza ten wyciek. W ten sposób powstaje elektronegatywne wnętrze komórki w stosunku do jej otoczenia, czyli potencjał spoczynkowy przez jej błonę plazmatyczną. Technika patch-clamp została wykorzystana do korelacji przepływu jonów i zmian potencjału błony komórkowej, gdy neuron strzela, wywołując potencjał czynnościowy w komórce odpowiadającej.
Taką korelację opisano na następnej stronie. Na ilustracji należy śledzić otwieranie i zamykanie kanałów jonowych oraz przepływ jonów. Potencjał czynnościowy (a właściwie każda zmiana potencjału spoczynkowego) wynika z ułatwionej dyfuzji określonych jonów do lub z komórki przez bramkowane kanały jonowe (zielone, powyżej), które muszą się kolejno otwierać i zamykać. Zachowanie dwóch różnych kanałów jonowych bramkowanych napięciem jest zilustrowane na wykresie. Stymulacja elektryczna otwiera kanały Na+. Jony Na+ pędzą do wnętrza komórki, obniżając potencjał błony ze stanu spoczynkowego do zera, a nawet sprawiając, że cytoplazma staje się bardziej dodatnia niż płyn zewnątrzkomórkowy. Jeśli odwrócenie polaryzacji jest wystarczająco duże, otwiera się woltagegat K+ i jony potasu pędzą do komórki, przywracając potencjał spoczynkowy komórki.
Komórka może nadal odpowiadać na bodźce potencjałami czynnościowymi tak długo, jak długo jest wystarczająca ilość Na+ na zewnątrz komórki i K+ wewnątrz komórki. Podczas gdy aktywny transport Na+ i K+ nie jest wymagany do przywrócenia potencjału spoczynkowego, będzie on w końcu konieczny do przywrócenia równowagi tych dwóch jonów w komórce. Jeśli komórka nerwowa lub mięśniowa wystrzeli kilka razy (lub nawet jeśli po prostu wycieknie jony), wewnątrz komórki i na zewnątrz komórki spadnie do punktu, w którym komórka nie będzie mogła wygenerować potencjału czynnościowego, gdy zostanie pobudzona. Ostatecznie, rolą ATP-zależnych pomp Na+/K+ jest przywrócenie odpowiedniej równowagi Na+:K + przez reagującą błonę komórkową. Jak widzieliśmy, każdy cykl pompowania wymienia 3 jony Na+ z przestrzeni wewnątrzkomórkowej na 2 jony K+ z przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Pompa ma dwa efekty:
- Przywraca stężenie Na+ w przestrzeni zewnątrzkomórkowej w stosunku do cytoplazmy.
- Przywraca stężenie K+ w cytoplazmie w stosunku do przestrzeni zewnątrzkomórkowej.
301 Gated Ion Channels Open and Close in Order During an Action Potential
Wraz z wyższym stężeniem jonów ujemnych w cytozolu, nierównomierna wymiana jonów Na+ na K+ utrzymuje potencjał spoczynkowy komórki w dłuższym okresie czasu i zapewnia, że komórki nerwowe i mięśniowe pozostają pobudliwe. Następnie przyjrzymy się bliżej roli zarówno kanałów jonowych bramkowanych ligandami, jak i bramkowanych napięciem w neurotransmisji.
B. Kanały jonowe w neurotransmisji
Potencjały czynnościowe powodują uporządkowane, sekwencyjne otwieranie i zamykanie kanałów bramkowanych przez ligand i napięcie wzdłuż aksonu neuronu. W poniższym linku można zobaczyć sekwencyjny cykl kanałów bramkowanych napięciem, który propaguje zlokalizowany potencjał czynnościowy (depolaryzację membrany) wzdłuż aksonu w kierunku synapsy.
302 Propogating an Action Potential Along an Axon
Gdy propagowana depolaryzacja dociera do synapsy, bramkowane kanały jonowe otwierają się lub zamykają w neuronie i komórce odpowiadającej. Współpraca kanałów bramkowanych napięciem i ligandami w złączu nerwowo-mięśniowym jest zilustrowana poniżej.
Jak widać na ilustracji, po wystrzeleniu neuronu impuls elektryczny (ruchomy obszar hiperpolaryzacji) wędruje w dół aksonu do zakończenia nerwowego. W miejscu zakończenia nerwu, podróżująca różnica ładunków (potencjał elektryczny) przez błonę komórkową stymuluje specyficzny dla Ca++ kanał bramkowany napięciem do otwarcia. Jony Ca++ wpływają do komórki, ponieważ w szczelinie synaptycznej są one w wyższym stężeniu niż w cytoplazmie.
Jony Ca2+ w komórce powodują, że pęcherzyki synaptyczne łączą się z błoną w zakończeniu nerwowym, uwalniając neuroprzekaźniki do szczeliny synaptycznej. Następnie neuroprzekaźniki wiążą się z receptorem na błonie plazmatycznej komórki odpowiadającej. Receptor ten jest kanałem bramkowanym przez ligand (zwanym również kanałem bramkowanym chemicznie). Po związaniu ligandu neuroprzekaźnika, kanał otwiera się. Gwałtowna dyfuzja jonów Na+ do wnętrza komórki powoduje powstanie potencjału czynnościowego, który prowadzi do odpowiedzi komórkowej, w tym przypadku do skurczu mięśnia. Widzieliśmy już, że kanały K+ biorą udział w przywracaniu potencjału błonowego po potencjale czynnościowym, a także rolę pompy sodowo-potasowej w przywracaniu równowagi komórkowej Na+/K+.
303 Rola bramkowanych kanałów jonowych w złączu nerwowo-mięśniowym