Hoofstuk 4: Ion channels and transporters
Ion channels underlying action potentials
Patch clamp
- Squid giant axon: 2 elektrode tegelijkertijd in giant axon, de ene meet het
spanningsverschil over het membraan, deze vergelijk je met command voltage. Je
houdt het membraanpotentiaal constant waardoor je de correctie kan meten. Dit is
voltage clamp
- Tegewoordig in neuronen: je gebruikt een glas electrode die de functie van de 2
electrode overneemt. Je stopt een vloeistof in je pipet die een directe verbinding
aangaat met intracellulaire vloeistof van het neuron. Dit is patch clamp.
o Synaptische current meting: door de patchclamp wordt het membraan op een
constante voltage van -70 mV gehouden, de afwijkingen hiervan
worden gecompenseerd door injectie van negatieve stroom, op deze
manier meet je de synaptische signalen van een cel
o Current clamp: je injecteert een hoeveelheid stroom en je kan de
reactie hierop waarnemen.
Single channel recordings
Je kunt natrium of kalium stromen meten of de eigenschappen van enkele
ionkanalen meten door een patch clamp pipet op het membraan te zetten. Je meet
de stroom die door dat kleine stukje membraan gaat, je meet de
microscopic current. Je kan de cel depolariseren en dan zie je de
reactie van de kanalen.
- Een enkel natrium kanaal kun je patchen en depolariseren
naar -20 mV, je zult een influx van natrium stroom zien. De
reactie is echter niet altijd hetzelfde
o Het gemiddelde van de single channel recordings
samen van 1 enkel kanaal geeft een vergelijkbaar
patroon als alle Na+ kanalen in een cel.
- Een enkel kalium kanaal zal bij een depolarisatie reageren
met een vrij trage kalium stroom. Nadat de kanalen open
zijn zullen ze niet inactiveren, de K+ kanalen blijven open
zolang de depolarisatie aanhoudt, pas zodra de depolarisatie
is afgenomen naar de hyperpolarisatie sluiten de kanalen.
De activatie curves van de natrium en kalium kanalen komen heel erg overeen.
Natrium kanalen hebben een snelle kinetiek en snelle inactivatie. Kalium
kanalen hebben een langzame kinetiek en geen inactivatie. Natrium en kalium
kanalen hebben dezelfde spanningsafhankelijkheid maar dus andere kinetiek
, Ionkanalen ruis
De ruis in signalen is een biologische ruis. De ruis in gemiddelde microscopische
stroommetingen ontstaat doordat ionkanalen niet elke keer op hetzelfde moment open of dicht
gaan.
- Als je een synaptische stroom meet heb je steeds een variatie omdat het aantal
ionkanalen die open gaan op dat moment steeds verschilt. Door noise analysis van
synaptische stroom kun je het aantal ionkanalen dat betrokken is berekenen. Het effect
van de ruis zal minder groot zijn als je meer kanalen hebt.
How ion channels work
K+ kanaal is goed bestudeerd. Het kanaal bestaat uit 4 subunits. Elke subunit
beweegt 2 keer door het membraan met een alfa-helix, aan de bovenzijde zijn
de alfa-helixen verbonden met een pore loop. De 4 subunits vormen in het
midden een pore waar heel selectief alleen K+ doorheen kan.
Selectiviteitsfilter
- Natriumkanalen hebben een hele kleine opening waar alleen Na+
doorheen kan
- Ionen in oplossing hebben een watermantel om zich heen. De
watermantel rondom Na+ is groter dan die rondom K+. Het
selectiviteitsfilter bevat een ladingsverdeling die goed werkt voor
het ene ion maar niet voor het andere ion. De lading van de
selectiviteitsfilter bevat precies de lading om het juiste ion te
centreren. Ionen gaan ‘naakt’ door het selectiviteitsfilter, ze
worden aan de andere kant weer gehydrateerd.
Open/dicht/geïnactiveerd ionkanalen
1. Hyperpolarisatie: Na+ en K+ kanalen zijn dicht
2. Depolarisatie: Na+ kanalen gaan gelijk open (snel), de
inactivatiepoort van het Na+ kanaal gaat heel langzaam
dicht wat uiteindelijk het kanaal inactiveert. K+ kanalen
gaan erg langzaam open
3. Hyperpolarisatie: Na+ en K+ kanalen gaan dicht en de
inactivatie van Na+ kanalen wordt opgeheven.
Hodgkin-Huxley model:
- Natriumkanalen bevatten activatie en inactivatie poorten.
Er loopt alleen stroom als alle activatie en inactivatie
poorten open zijn.
H = inactivatie / m = activatie
- Kaliumkanalen bevatten alleen activatie poorten
N = activatie
Ion channels underlying action potentials
Patch clamp
- Squid giant axon: 2 elektrode tegelijkertijd in giant axon, de ene meet het
spanningsverschil over het membraan, deze vergelijk je met command voltage. Je
houdt het membraanpotentiaal constant waardoor je de correctie kan meten. Dit is
voltage clamp
- Tegewoordig in neuronen: je gebruikt een glas electrode die de functie van de 2
electrode overneemt. Je stopt een vloeistof in je pipet die een directe verbinding
aangaat met intracellulaire vloeistof van het neuron. Dit is patch clamp.
o Synaptische current meting: door de patchclamp wordt het membraan op een
constante voltage van -70 mV gehouden, de afwijkingen hiervan
worden gecompenseerd door injectie van negatieve stroom, op deze
manier meet je de synaptische signalen van een cel
o Current clamp: je injecteert een hoeveelheid stroom en je kan de
reactie hierop waarnemen.
Single channel recordings
Je kunt natrium of kalium stromen meten of de eigenschappen van enkele
ionkanalen meten door een patch clamp pipet op het membraan te zetten. Je meet
de stroom die door dat kleine stukje membraan gaat, je meet de
microscopic current. Je kan de cel depolariseren en dan zie je de
reactie van de kanalen.
- Een enkel natrium kanaal kun je patchen en depolariseren
naar -20 mV, je zult een influx van natrium stroom zien. De
reactie is echter niet altijd hetzelfde
o Het gemiddelde van de single channel recordings
samen van 1 enkel kanaal geeft een vergelijkbaar
patroon als alle Na+ kanalen in een cel.
- Een enkel kalium kanaal zal bij een depolarisatie reageren
met een vrij trage kalium stroom. Nadat de kanalen open
zijn zullen ze niet inactiveren, de K+ kanalen blijven open
zolang de depolarisatie aanhoudt, pas zodra de depolarisatie
is afgenomen naar de hyperpolarisatie sluiten de kanalen.
De activatie curves van de natrium en kalium kanalen komen heel erg overeen.
Natrium kanalen hebben een snelle kinetiek en snelle inactivatie. Kalium
kanalen hebben een langzame kinetiek en geen inactivatie. Natrium en kalium
kanalen hebben dezelfde spanningsafhankelijkheid maar dus andere kinetiek
, Ionkanalen ruis
De ruis in signalen is een biologische ruis. De ruis in gemiddelde microscopische
stroommetingen ontstaat doordat ionkanalen niet elke keer op hetzelfde moment open of dicht
gaan.
- Als je een synaptische stroom meet heb je steeds een variatie omdat het aantal
ionkanalen die open gaan op dat moment steeds verschilt. Door noise analysis van
synaptische stroom kun je het aantal ionkanalen dat betrokken is berekenen. Het effect
van de ruis zal minder groot zijn als je meer kanalen hebt.
How ion channels work
K+ kanaal is goed bestudeerd. Het kanaal bestaat uit 4 subunits. Elke subunit
beweegt 2 keer door het membraan met een alfa-helix, aan de bovenzijde zijn
de alfa-helixen verbonden met een pore loop. De 4 subunits vormen in het
midden een pore waar heel selectief alleen K+ doorheen kan.
Selectiviteitsfilter
- Natriumkanalen hebben een hele kleine opening waar alleen Na+
doorheen kan
- Ionen in oplossing hebben een watermantel om zich heen. De
watermantel rondom Na+ is groter dan die rondom K+. Het
selectiviteitsfilter bevat een ladingsverdeling die goed werkt voor
het ene ion maar niet voor het andere ion. De lading van de
selectiviteitsfilter bevat precies de lading om het juiste ion te
centreren. Ionen gaan ‘naakt’ door het selectiviteitsfilter, ze
worden aan de andere kant weer gehydrateerd.
Open/dicht/geïnactiveerd ionkanalen
1. Hyperpolarisatie: Na+ en K+ kanalen zijn dicht
2. Depolarisatie: Na+ kanalen gaan gelijk open (snel), de
inactivatiepoort van het Na+ kanaal gaat heel langzaam
dicht wat uiteindelijk het kanaal inactiveert. K+ kanalen
gaan erg langzaam open
3. Hyperpolarisatie: Na+ en K+ kanalen gaan dicht en de
inactivatie van Na+ kanalen wordt opgeheven.
Hodgkin-Huxley model:
- Natriumkanalen bevatten activatie en inactivatie poorten.
Er loopt alleen stroom als alle activatie en inactivatie
poorten open zijn.
H = inactivatie / m = activatie
- Kaliumkanalen bevatten alleen activatie poorten
N = activatie
