Η κυτταρική μεμβράνη ως πυκνωτής
Κάθε κύτταρο στο σώμα μας περιβάλλεται από εξωκυττάριο υγρό. Η κυτταρική μεμβράνη διαχωρίζει το εσωτερικό των κυττάρων από το εξωκυττάριο περιβάλλον και αποτελείται από φωσφολιπίδια, τα οποία περιέχουν μια υδρόφιλη κεφαλή (φωσφορική ομάδα) και δυο υδρόφοβες ουρές λιπιδίων. Τα φωσφολιπίδια που συναντώνται στις κυτταρικές μεμβράνες είναι η λεκιθίνη, η σφιγγομυελίνη, και η φωσφατιδυλοσερίνη. Τα φωσφολιπίδια σχηματίζουν μια διπλοστοιβάδα όπου οι υδρόφιλες κεφαλές βρίσκονται στις άκρες και οι υδρόφοβες ουρές προς το εσωτερικό
Βασική λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης είναι η επιλεκτική μεταφορά μορίων μεταξύ του ενδο- και έξω-κυττάριου χώρου, ώστε ένα κύτταρο να λαμβάνει τις ουσίες που χρειάζεται, όπως οξυγόνο, ιόντα, γλυκόζη, αμινοξέα, και να αποβάλει αυτές που δεν χρειάζεται, όπως το διοξείδιο του άνθρακα.
Οι ουσίες μετακινούνται είτε παθητικά, αν δεν χρειάζεται κατανάλωση ενέργειας ή ενεργητικά, αν απαιτείται ενέργεια (ΑΤΡ) για τη μεταφορά τους. Στην παθητική μεταφορά, μια ουσία μεταφέρεται από το διαμέρισμα με μεγαλύτερη συγκέντρωση (της συγκεκριμένης ουσίας) στο διαμέρισμα με μικρότερη συγκέντρωση. Στην ενεργητική μεταφορά, μια ουσία μεταφέρεται από το διαμέρισμα με χαμηλή συγκέντρωσης προς το διαμέρισμα με υψηλή συγκέντρωση. Παραδείγματα παθητικής μεταφοράς είναι η διάχυση, η ώσμωση και η διευκολυνόμενη μεταφορά. Η διάχυση είναι η μεταφορά μιας ουσίας από την περιοχή μεγαλύτερης συγκέντρωσης σε περιοχή μικρότερης συγκέντρωσης. Η ώσμωση είναι η διάχυση του νερού, ενώ η διευκολυνομένη μεταφορά είναι η μετακίνηση μορίων με τη βοήθεια μιας πρωτεΐνης ενσωματωμένης στη μεμβράνη, χωρίς τη χρήση ενέργειας.
Το εξωκυττάριο υγρό είναι πλούσιο σε διάφορα είδη ιόντων, τα οποία καθορίζουν τη σωστή λειτουργία του. H ελεγχόμενη μεταφορά των ιόντων από τη μεμβράνη έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφορετικών συγκεντρώσεων ιόντων εκατέρωθεν της μεμβράνης. Οι εξωκυττάριες και ενδοκυττάριες συγκεντρώσεις των βασικότερων ιόντων στα ζωικά κύτταρα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.
Η διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων εξαιτίας της δομής της προβάλει αντίσταση στην ελεύθερη μετακίνηση των ιόντων και μπορεί να θεωρηθεί ισοδύναμη με έναν πυκνωτή ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, δηλαδή μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο. Κάθε πυκνωτής αποτελείται από δύο αγωγούς ανάμεσα στους οποίους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Στην περίπτωση της μεμβράνης, αγωγοί είναι οι κεφαλές των φωσφολιπιδίων, ενώ μονωτής οι λιπιδικές ουρές (Εικόνα 1).
Κάθε πυκνωτής, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά, έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει συγκεκριμένο ηλεκτρικό φορτίο. Το χαρακτηριστικό του αυτό ονομάζεται χωρητικότητα. Η λιπιδική διπλοστοιβάδα έχει χωρητικότητα 1 µF/cm2, που εξαρτάται από τη δομή και τις ιδιότητες των λιπιδίων της. Η χωρητικότητα της διπλοστοιβάδας δεν μπορεί να τροποποιηθεί με κάποιο φυσικό τρόπο, αλλά μπορεί να είναι διαφορετική σε διαφορετικά κύτταρα. Για παράδειγμα, η λειτουργική χωρητικότητα των μυϊκών κυττάρων είναι μεγαλύτερη του 1 µF/cm2 εξαιτίας των αναδιπλώσεων της μεμβράνης (σωληνίσκοι Τ στα μυϊκά κύτταρα), ενώ η χωρητικότητα των μυελινομένων αξόνων των νευρώνων είναι πολύ μικρότερη του 1 µF/cm2 λόγω της μυελίνης.
Εκτός από τα φωσφολιπίδια, στην κυτταρική μεμβράνη υπάρχει και πληθώρα πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες που υπάρχουν στη μεμβράνη συμμετέχουν στη επικοινωνία μεταξύ κυττάρων, στην πρόσδεση ουσιών που βρίσκονται στον εξωκυττάριο χώρο και στη μετάδοση του σήματος της κάθε ουσίας ενδοκυττάρια, στη μεταφορά ιόντων και άλλων ουσιών που δεν είναι διαπερατές στη μεμβράνη, κλπ.
Σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα αναφερθούμε σε δύο ειδών μεμβρανικές πρωτεΐνες: α) την αντλία νατρίου/καλίου και β) τους διαύλους ιόντων.
Η αντλία νατρίου/καλίου είναι εν μέρει υπεύθυνη για τη διατήρηση του δυναμικού ηρεμίας των κυττάρων και του κυτταρικού όγκου. Η αντλία νατρίου/καλίου μεταφέρει 3 ιόντα νατρίου στον εξωκυττάριο χώρο και 2 ιόντα καλίου στον ενδοκυττάριο χώρο, μετά από διάσπαση ενός μορίου ΑΤΡ (δράση ενζύμου ΑΤΡάσης). Με αυτό τον τρόπο, διατηρεί την αυξημένη συγκέντρωση νατρίου στον εξωκυττάριο χώρο και την αυξημένη συγκέντρωση καλίου στον ενδοκυττάριο χώρο ή επαναφέρει τις συγκεντρώσεις αυτές μετά από μια διαταραχή (π.χ. έκλυση δυναμικού ενέργειας).
Οι δίαυλοι ιόντων είναι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες, οι οποίες εκτείνονται από τον εξωκυττάριο στον ενδοκυττάριο χώρο. Σχηματίζουν έναν πόρο που όταν είναι ανοιχτός, διαχέονται ιόντα ανάλογα με το ηλεκτροχημικό δυναμικό τους.
Οι δίαυλοι ιόντων μπορούν να χαρακτηριστούν
ανάλογα με το είδος του ιόντος που διαπερνάει τον δίαυλο (π.χ. δίαυλοι νατρίου, δίαυλοι καλίου, δίαυλοι ασβεστίου, μη-επιλεκτικοί δίαυλοι ιόντων,
ανάλογα με τον τρόπο που ανοίγει ο δίαυλος (π.χ. τασο-εξαρτώμενοι δίαυλοι, προσδετο-εξαρτώμενοι δίαυλοι, ασβεστο-εξαρτώμενοι δίαυλοι)
ανάλογα με τον τρόπο που απενεργοποιούνται (π.χ. γρήγορης ή αργής απενεργοποίησης)
Οι δίαυλοι που είναι πολύ σημαντικοί για τη διατήρηση του δυναμικού ηρεμίας του κυττάρου είναι κυρίως δίαυλοι καλίου, και συγκεκριμένα ένα είδος διαύλων καλίου που ονομάζονται εισερχόμενοι δίαυλοι ανορθοτές καλίου (inward rectifying potassium, IRK). Οι δίαυλοι αυτοί κωδικοποιούνται από τα γονίδια IRK ή Kir. Κάθε υπομονάδα IRK αποτελείται από 2 διαμεμβρανικές περιοχές. Τέσσερις αντίστοιχες υπομονάδες αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν ένα δίαυλο. Αυτοί οι δίαυλοι είναι ενεργοποιημένοι όταν το κύτταρο βρίσκεται σε ηρεμία. Επειδή, λοιπόν, όταν το κύτταρο βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας υπάρχει διαρροή ιόντων καλίου μέσω αυτών των διαύλων, οι δίαυλοι αυτοί ονομάζονται δίαυλοι διαρροής.
Η ικανότητα των διαύλων ιόντων να επιτρέπουν την κίνηση ιόντων, και άρα ηλεκτρικού ρεύματος, τους προσδίδει τη λειτουργία των αντιστάσεων. Επομένως, μπορούμε να αναπαραστήσουμε τη κυτταρική μεμβράνη με ένα κύκλωμα RC (Εικόνα 3), όπου ο πυκνωτής αντιπροσωπεύει τη διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων και η αντίσταση προσομοιώνει τους διαύλους διαρροής ή και άλλους ιοντικούς διαύλους όπως θα δούμε παρακάτω.
Δυναμικό ισορροπίας - Εξίσωση του Νερστ 2
Το δυναμικό ισορροπίας του κάθε ιόντος δεν μπορεί να μετρηθεί αλλά μόνο να υπολογιστεί όταν είναι γνωστές οι συγκεντρώσεις του ιόντος στον ενδοκυττάριο και εξωκυττάριο χώρο.
Το δυναμικό της μεμβράνης (Vm) δημιουργείται όταν ηλεκτροχημική διαβάθμιση ιόντων έχει ως αποτέλεσμα την άνιση κατανομή φορτίου εκατέρωθεν της μεμβράνης. Αυτό συμβαίνει όταν υπάρχουν οι παρακάτω συνθήκες:
α) Υπάρχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις ιόντων εκατέρωθεν της μεμβράνης: Αν όλα τα ιόντα έχουν την ίδια συγκέντρωση εκατέρωθεν της μεμβράνης, δεν θα υπήρχε διαβάθμιση (χημική ή ηλεκτρική) για να οδηγήσει σε καθαρή διάχυση ιόντων, και επομένως δεν θα υπάρξει καθαρή διάχυση ιόντων (=ηλεκτρικού φορτίου).
β)Η μεμβράνη δεν είναι τελείως μη-διαπερατή: Αν δεν υπήρχε καθόλου μετακίνηση ιόντων, δεν θα μπορούσε να αναπτυχθεί καθαρό φορτίο.
γ) Η μεμβράνη δεν είναι το ίδιο διαπερατή σε όλα τα ιόντα: Αν όλα τα ιόντα μπορούσαν να μετακινηθούν με την ίδια ευκολία εκατέρωθεν της μεμβράνης, δεν θα υπήρχε διαφορά στη διάχυση ιόντων με διαφορετικό είδος φορτίου, άρα δεν θα μπορούσε να φορτιστεί.
Αν η μεμβράνη μπορεί να γίνει διαπερατή σε ένα μόνο ιόν, το δυναμικό που προκύπτει μπορεί να υπολογιστεί με την εξίσωση του Νερστ.
Εξίωση 1 – Η εξίσωση του Νερστ
Όπου, R είναι η σταθερά αερίων, T είναι η θερμοκρασία, z είναι το σθένος του ιόντος, F είναι η σταθερά Faraday,[Co] είναι η συγκέντρωση του ιόντος Χ στο εξωκυττάριο υγρό, και [Ci] είναι η συγκέντρωση του ιόντος Χ στο ενδοκυττάριο υγρό (κυτταρόπλασμα). Η εξίσωση του Νερστ στην απλοποιημένη της μορφή έχει ως εξής:
Εξίωση 2 – Η εξίσωση του Νερστ στην απλοποιημένη μορφή της
Όπου, z είναι το σθένος του ιόντος, [Ce] είναι η συγκέντρωση του ιόντων Χ στο εξωκυττάριο υγρό, και [Ci] είναι η συγκέντρωση του ιόντος Χ στο ενδοκυττάριο υγρό (κυτταρόπλασμα).
Δυναμικό ηρεμίας
Το δυναμικό ηρεμίας ενός κυττάρου μπορεί να οριστεί ως η διαφορά δυναμικού, μεταξύ του ενδοκυττάριου και εξωκυττάριου χώρου όταν το κύτταρο βρίσκεται σε ηρεμία, δηλαδή όταν δέχεται κανένα είδους ερέθισμα. Το δυναμικό ηρεμίας στα κύτταρα καθορίζεται από τη δράση της αντλίας νατρίου/καλίου, καθώς και από τους διαύλους διαρροής IRK στους οποίους αναφερθήκαμε πιο πάνω. Πειραματικά, μπορούμε να μετρήσουμε το δυναμικό ηρεμίας ενός κυττάρου με την τοποθέτηση ενός ηλεκτροδίου στο εσωτερικό του κυττάρου και ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς στο εξωτερικό του κυττάρου (Εικόνα 4). Όταν το ηλεκτρόδιο βρίσκεται στο εξωκυττάριο υγρο, η διαφορά δυναμικού που καταγράφεται από το ηλεκτρόδιο αναφοράς είναι 0mV, καθώς και το ηλεκτρόδιο αναφοράς βρίσκεται επίσης στο εξωκυττάριο υγρό. Μόλις το ηλεκτρόδιο εισέλθει στο εσωτερικό του κυττάρου, ο παλμογράφος άμεσα καταγράφει μια αρνητική διαφορά δυναμικού μεταξύ του ενδοκυττάριου χώρου και του εξωκυττάριου υγρού. Αυτή η αρνητική διαφορά δυναμικού αποτελεί το δυναμικό ηρεμίας του κυττάρου, και στα νευρικά κύτταρα είναι συνήθως γύρω στα -70mV.
Το δυναμικό ηρεμίας στα κύτταρα καθορίζεται από τη δράση της αντλίας νατρίου/καλίου, καθώς και τους διαφορετικούς διαύλους διαρροής που υπάρχουν πάνω στη μεμβράνη. Διαφορετικά είδη κυττάρων έχουν διαφορετικό δυναμικό ηρεμίας.
Σκελετικά και καρδιακά μυϊκά κύτταρα: -80 mV
Νευρώνες: -70 mV
Λεία μυϊκά κύτταρα: -50 έως -60 mV
Άλλα κύτταρα: -30 ως -60 mV
Ερυθροκύτταρα -10 mV
Δυναμικό ενεργείας
Οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους καθώς και με τα μυϊκά ή άλλα κύτταρα με νευρικές ώσεις ή δυναμικά ενεργείας. Δυναμικά ενεργείας αναπτύσσονται επίσης και στα μυϊκά και καρδιακά κύτταρα, όπου δίνουν το έναυσμα για τη συστολή. Το δυναμικό ενεργείας είναι μια παροδική μεταβολή στο δυναμικό της μεμβράνης.
Το δυναμικό της μεμβράνης ουσιαστικά αντιστρέφεται, και από -70mV σε κατάσταση ηρεμίας, φτάνει το +40 mV στην κορυφή του δυναμικού ενεργείας.
Το δυναμικό ενεργείας ενεργοποιείται όταν το δυναμικό της μεμβράνης ξεπεράσει κάποιο συγκεκριμένη τιμή, γύρω στα -50mV. Αυτή η τιμή ονομάζεται ουδός και μπορεί να διαφέρει από κύτταρο σε κύτταρο. Το δυναμικό ενεργείας εμφανίζεται με τη μορφή «όλον ή ουδέν». Αυτό σημαίνει ότι η ένταση του ερεθίσματος, από τη στιγμή που ξεπεραστεί η ουδός του κυττάρου, δεν επηρεάζει το μέγεθος του δυναμικού ενεργείας.
Η καμπύλη του δυναμικό ενεργείας μπορεί να χωριστεί στις παρακάτω φάσεις (Εικόνα 5).
1) εκπόλωση μέχρι την ουδό
2) ανιούσα φάση
3) μέγιστη τιμή
4) κατιούσα φάση
5) μεθυπερπόλωση
Υπάρχουν δίαυλοι ιόντων Na+ και K+ που ανοίγουν εξαιτίας της διαφοράς δυναμικού της μεμβράνης (τασο-ελεγχομένοι). Όλα τα χαρακτηριστικά του δυναμικού ενεργείας μπορούν να γίνουν κατανοητά μέσω των μοριακών ιδιοτήτων των ιοντικών καναλιών και τις ηλεκτροχημικές διαβαθμίσεις των Na+ και K+. Συγκεκριμένα, οι τασο-ελεγχόμενοι δίαυλοι νατρίου ανοίγουν πολύ γρήγορα σε μια εκπόλωση της κυτταρικής μεμβράνης, και επιτρέπουν την εισροή ιόντων νατρίου στον ενδοκυττάριο χώρο. Το εισερχόμενο ρεύμα νατρίου προκαλεί μια μεγάλη και γρήγορη εκπόλωση της μεμβράνης. Επομένως, οι δίαυλοι νατρίου είναι υπεύθυνοι για την ουδό και το ύψος του δυναμικού ενεργείας. Οι τασο-ελεγχόμενοι δίαυλοι καλίου ανοίγουν πιο αργά σε μια εκπόλωση του δυναμικού της μεμβράνης και επιτρέπουν τη μεταφορά ιόντων καλίου προς τον εξωκυττάριο χώρο με αποτέλεσμα να υπερπολώνεται η μεμβράνη, δηλαδή το δυναμικό της μεμβράνης γίνεται πιο αρνητικό. Το εξερχόμενο ρεύμα καλίου είναι υπεύθυνο για τη φάση επαναπόλωσης του δυναμικού ενεργείας.
Κατεβάστε εδώ την αναφορά της εργαστηριακής άσκησης 6 και το αρχείο excel
ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΣΚΗΣΗΣ
Θα ολοκληρώσετε τα παρακάτω πειράματα στο πρόγραμμα προσομοίωσης 'NEURONS IN ACTION'.
α) The membrane tutorial - Η μεμβράνη
β) Equilibrium potentials - Δυναμικό ισορροπίας
γ) The Na Action potential – Το δυναμικό ενέργειας νατρίου
Πείραμα πρώτο - ‘The membrane tutorial’
1. Πατήστε το πράσινο κουμπί με τη φράση “Start the Simulation”.
2.Θα εμφανιστεί για λίγο μια μαύρη οθόνη, και μετά τρία παράθυρα με επικεφαλίδες “P&G Manager”, “Run Control” και “Stimulus Control”.
3.Στο“P&G Manager” τα τέσσερα πρώτα κουμπιά που αποτελούν τα διαφορετικά πειράματα που θα πραγματοποιήσετε για να μελετήσετε τη απόκριση του δυναμικού της μεμβράνης σε ένα εκπολωτικό ερέθισμα.
Τι είδους ερέθισμα θα δώσουμε;
Στο παράθυρο “Stimulus Control”, πατήστε το ρόμβο που βρίσκετε δίπλα στο IClamp. Αμέσως, θα εμφανιστούν τα χαρακτηριστικά του ερεθίσματος. Το συγκεκριμένο ερέθισμα ενεργοποιείται με καθυστέρηση 1ms (millisecond), έχει διάρκεια 10ms, και μέγεθος 2nA.
Αρχικά, θα μελετήσουμε την απόκριση μιας μεμβράνης που αποτελείται μόνο από μια διπλοστοιβάδα λιπιδίων στο παραπάνω ερέθισμα.
1.Πατήστε το κουμπί στο παράθυρο “P&G Manager” με τίτλο “Plain Bilayer Membrane”.
2.Θα εμφανιστεί αμέσως ένα παράθυρο με τίτλο “Graph[0]”. Σε αυτό το γράφημα, ο Ψ άξονας είναι το δυναμικό της μεμβράνης και ο Χ- άξονας ο χρόνος.
3.Κάντε κλικ στο μπλε μέρος του παραθύρου και σύρετε το παράθυρο σε ένα άλλο τμήμα της οθόνης σας.
4. Πατήστε το “Resent & Run” στο “Run control”.
5. Στο παράθυρο "Graph[0]", θα εμφανιστεί μια καμπύλη που δείχνει το είδος του ερεθίσματος που δίνεται (σε πράσινο χρώμα) και σε μαύρο χρώμα την απόκριση του δυναμικού της μεμβράνης, όταν η μεμβράνη είναι μια διπλοστοιβάδα λιπιδίων.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΓΡΑΦΗΜΑ 1
7. Τοποθετείστε τον κέρσορα πάνω στο γράφημα “Graph[0]”, κάντε δεξί κλικ και επιλέξτε την επιλογή Keep lines. Με αυτό τον τρόπο, θα μπορείτε να δείτε συγκριτικά όλες τις καμπύλες από τις τέσσερις διαφορετικές συνθήκες.
Πατήστε τώρα το κουμπί “Add the Na/K Pump”.
1. Θα εμφανιστεί ένα νέο παράθυρο στην οθόνη.
2. Πατήστε το “Resent & Run” στο“Run control”. Τόσο στο πρώτο παράθυρο όσο και στο νέο παράθυρο που έχει ανοίξει, θα εμφανιστεί μια καμπύλη που θα δείχνει την απόκριση της μεμβράνης όταν η μεμβράνη αποτελείται από μια διπλοστοιβάδα λιπιδίων και την αντλία νατρίου/καλίου.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΓΡΑΦΗΜΑ 1
Πατήστε τώρα το κουμπί “Add Leak Channels”.
1. Θα εμφανιστεί ένα νέο παράθυρο στην οθόνη.
2. Πατήστε το “Resent & Run” στο “Run control”. Τόσο στο πρώτο παράθυρο όσο και στο νέο παράθυρο που έχει ανοίξει, θα εμφανιστεί μια καμπύλη που θα δείχνει την απόκριση της μεμβράνης όταν η μεμβράνη αποτελείται από μια διπλοστοιβάδα λιπιδίων, την αντλία νατρίου/καλίου και τους διαύλους διαρροής.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΓΡΑΦΗΜΑ 1
3. Κλείστε όλα τα παράθυρα γραφημάτων στην οθόνη σας.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1-3
4.
Πείραμα δεύτερο - ‘Equilibrium potentials’
1. “Start the Simulation”.
2. Θα εμφανιστεί για λίγο μια μαύρη οθόνη, και μετά τρία παράθυρα με επικεφαλίδες “P&G Manager”, “Run Control” και “Patch Parameters”.
3. Τα πειράματα που θα κάνουμε υπάρχουν στο “P&G Manager”.
4. Στο “K conductance only”. Θα εμφανιστεί αμέσως ένα παράθυρο με ένα γράφημα, στο οποίο, ο Ψ άξονας είναι το δυναμικό της μεμβράνης και ο Χ- άξονας ο χρόνος.
5. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο παράθυρο, και επιλέξτε το “Keep lines”.
Στο “Patch parameters”, θα παρατηρήσετε ότι η αγωγιμότητα του καλίου είναι 1, ενώ η αγωγιμότητα του νατρίου είναι 0. Αυτό σημαίνει ότι η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο στο κάλιο. Επίσης, παρατηρήστε την τιμή της εξωκυττάριας και ενδοκυττάριας συγκέντρωσης καλίου στο ίδιο παράθυρο.
6. Ανοίξτε το 'Run’ στο“Run Control”. Δείτε την τιμή του δυναμικού της μεμβράνης (Vm) που εμφανίζεται στο “Patch parameters”. Αυτό το δυναμικό της μεμβράνης είναι και το δυναμικό ισορροπίας του καλίου, με τις δεδομένες συγκεντρώσεις καλίου.
7. Υπολογίστε τώρα το δυναμικό ισορροπίας του καλίου για τις ίδιες συγκεντρώσεις, με βάση την εξίσωση του Νερστ. Γράψτε τα αποτελέσματά σας στο φυλλάδιο. Συγκρίνετε τις δύο τιμές.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 4
8. Βρείτε την τιμή του Vm για τις εξωκυττάριες συγκεντρώσεις καλίου: 0.5, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 150, 200 mM, και συμπληρώστε τον αντίστοιχο πίνακα στο φυλλάδιό σας.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 5
9. Σχεδιάστε την καμπύλη που δείχνει τη σχέση της εξωκυττάριας συγκέντρωσης καλίου με το δυναμικό ισορροπίας του καλίου στο αντίστοιχο γράφημα του φυλλαδίου σας.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 6
10. Στο“P&G Manager”, ανοίξτε το “Na conductance only”. Θα εμφανιστεί αμέσως ένα παράθυρο με ένα γράφημα, στο οποίο, ο Ψ άξονας είναι το δυναμικό της μεμβράνης και ο Χ- άξονας ο χρόνος. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο παράθυρο, και επιλέξτε την επιλογή “Keep lines”. Στο “Patch parameters”, θα παρατηρήσετε ότι η αγωγιμότητα του καλίου είναι 0, ενώ η αγωγιμότητα του νατρίου είναι 1. Αυτό σημαίνει ότι η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο στο νάτριο. Επίσης, παρατηρήστε την τιμή της εξωκυττάριας και ενδοκυττάριας συγκέντρωσης νατρίου στο ίδιο παράθυρο.
11. Κάντε κλικ στο 'Run’ στο “Run Control”. Δείτε την τιμή του δυναμικού της μεμβράνης (Vm) που εμφανίζεται στο “Patch parameters”. Αυτό το δυναμικό της μεμβράνης είναι και το δυναμικό ισορροπίας του νατρίου, με τις δεδομένες συγκεντρώσεις νατρίου.
12. Υπολογίστε τώρα το δυναμικό ισορροπίας του νατρίου για τις ίδιες συγκεντρώσεις, με βάση την εξίσωση του Νερστ. Συγκρίνετε τις δύο τιμές.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 7
13. Βρείτε την τιμή του Vm για τις εξωκυττάριες συγκεντρώσεις νατρίου: 2, 5, 10, 20, 50, 100, 140, 175, 200 mM.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 8
14. Σχεδιάστε την καμπύλη που δείχνει τη σχέση της εξωκυττάριας συγκέντρωσης νατρίου με το δυναμικό της μεμβράνης.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 9
Πείραμμα τρίτο - ‘The Na Action Potential’
1. “Start the Simulation”.
2. Θα εμφανιστεί για λίγο μια μαύρη οθόνη, και μετά τρία παράθυρα με επικεφαλίδες “P&G Manager”, “Run Control” και “Stimulus Parameters”. Παρατηρήστε τη θερμοκρασία στην οποία θα πραγματοποιηθούν οι προσομοιώσεις (στο Run Control).
3. Κάντε κλικ στο “Patch Parameters” στο “P&G Manager”. Θα εμφανιστούν οι τιμές για τις παραμέτρους που συμβάλλουν στο πείραμα. Η χωρητικότητα της μεμβράνης, η πυκνότητα των διαύλων νατρίου, η πυκνότητα των διαύλων καλίου, η πυκνότητα των διαύλων διαρροής, οι τιμές των συγκεντρώσεων του ενδοκυττάριου και εξωκυττάριου νατρίου, και του ενδοκυττάριου και εξωκυττάριου καλίου, καθώς και οι τιμές των δυναμικών ισορροπίας του νατρίου, του καλίου και των διαύλων διαρροής.
4. Κάντε κλικ στο ρόμβο δίπλα στο IClamp στο Stimulus Control, και παρατηρήστε τις παραμέτρους του ερεθίσματος που θα δώσετε.
5. Στο “Panel & Graph Manager”, κάντε κλικ στο “Membrane Current Plots” και “Membrane Conductance Plots”. Θα εμφανιστούν δυο ακόμη γραφήματα στην οθόνη.
6. Κάντε κλικ στο “Reset & Run” στο “Run Control”.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 10
7. Κλείστε τα δύο τελευταία γραφήματα (του ρεύματος και της αγωγιμότητας).
8. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα δυναμικού-χρόνου που έχει μείνει, και επιλέξτε “Keep lines”.
9. Στο γράφημα θα πρέπει να υπάρχει ακόμη η καμπύλη του δυναμικού ενέργειας από το προηγούμενο πείραμα. Στο “Ρatch parameters”, αλλάξτε την τιμή του εξωκυττάριου καλίου σε 2.
10. Πατήστε “Reset & Run” στο “Run Control”.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 11
11. Στο “Ρatch parameters”, αλλάξτε την τιμή του εξωκυττάριου καλίου σε 10, και επαναλάβετε τα παραπάνω.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 12
Γ) Επίδραση του δυναμικού ισορροπίας νατρίου στο δυναμικό ενέργειας.
1. Κλείστε τα γράφημα δυναμικού-χρόνου, και ανοίξτε ένα καινούριο κάνοντας κλικ στο Voltage vs Time Plot.
2. Σιγουρευτείτε ότι έχετε επαναφέρει όλες τις τιμές του “Patch parameters” στις αρχικές.
3. Κάντε κλικ στο “Reset & Run”, για να εμφανιστεί το δυναμικό ενεργείας σε συνθήκες ελέγχου.
4. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα δυναμικού-χρόνου που έχει μείνει, και επιλέξτε “Keep lines”.
5. Στο “Ρatch parameters”, αλλάξτε την τιμή του εξωκυττάριου νατρίου σε 100.
6. Πατήστε “Reset & Run” στο “Run Control”.
7. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα, επιλέξτε “View” και αμέσως μετά “View=plot” για να δείτε την νέα καμπύλη του δυναμικού ενέργειας.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 13
8. Στο “Ρatch parameters”, αλλάξτε την τιμή του εξωκυττάριου νατρίου σε 180. ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 14
Δ) Επίδραση της θερμοκρασίας στο δυναμικό ενεργείας.
1. Κλείστε το γράφημα δυναμικού-χρόνου, και ανοίξτε ένα καινούριο κάνοντας κλικ στο Voltage vs Time Plot.
2. Σιγουρευτείτε ότι έχετε επαναφέρει όλες τις τιμές στο παράθυρο “Patch parameters” στις αρχικές. Κάντε κλικ στο “Reset & Run”, για να εμφανιστεί το δυναμικό ενεργείας σε συνθήκες ελέγχου.
3. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα δυναμικού-χρόνου που έχει μείνει, και επιλέξτε “Keep lines”.
4. Στο “Run control”, αλλάξτε την τιμή της θερμοκρασίας σε 200C (η αρχική τιμή της θερμοκρασίας είναι 6,30C).
5. Κάντε κλικ στο “Reset & Run”.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 15
Ε) Επίδραση της μείωσης της πυκνότητας των διαύλων νατρίου και της ταυτόχρονης μείωσης της πυκνότητας των διαύλων νατρίου και καλίου στο δυναμικό ενεργείας.
1. Κλείστε το γράφημα δυναμικού-χρόνου, και ανοίξτε ένα καινούριο κάνοντας κλικ στο Voltage vs Time Plot.
2. Σιγουρευτείτε ότι έχετε επαναφέρει όλες τις τιμές στο παράθυρο “Patch parameters” στις αρχικές. Κάντε κλικ στο “Reset & Run”, για να εμφανιστεί το δυναμικό ενεργείας σε συνθήκες ελέγχου.
3. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα δυναμικού-χρόνου που έχει μείνει, και επιλέξτε “Keep lines”.
4. Στο “Ρatch parameters”, η αρχική τιμή της πυκνότητας των διαύλων νατρίου είναι 0.12 και καλίου 0,036.
5. Μειώστε αυτή την τιμή στο μισό (0.06).
6. Πατήστε “Reset & Run” στο “Run Control”.
7. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα, επιλέξτε “View” και αμέσως μετά “View=plot” για να δείτε την νέα καμπύλη του δυναμικού ενέργειας.
8. Μειώστε την τιμή της πυκνότητας των διαύλων νατρίου επιπλέον 50% (δηλαδή, στο 25% της αρχικής, 0.03).
9. Πατήστε “Reset & Run” στο παράθυρο “Run Control”.
10. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα, επιλέξτε “View” και αμέσως μετά “View=plot” για να δείτε την νέα καμπύλη του δυναμικού ενεργείας.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 16
11. Κλείστε τα γράφημα δυναμικού-χρόνου, και ανοίξτε ένα καινούριο κάνοντας κλικ στο Voltage vs Time Plot.
12. Σιγουρευτείτε ότι έχετε επαναφέρει όλες τις τιμές στο “Patch parameters” στις αρχικές. Κάντε κλικ στο “Reset & Run”, για να εμφανιστεί το δυναμικό ενεργείας σε συνθήκες ελέγχου.
13. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα δυναμικού-χρόνου που έχει μείνει, και επιλέξτε “Keep lines”.
14. Στο “Ρatch parameters”, η αρχική τιμή της πυκνότητας των διαύλων νατρίου είναι 0.12 και η αρχική τιμή της πυκνότητας των διαύλων καλίου είναι 0,036. Μειώστε και τις δύο τιμές κατά 50% (0.06 για νάτριο και 0.018 για κάλιο).
15. Πατήστε “Reset & Run” στο “Run Control”.
16. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα, επιλέξτε “View” και αμέσως μετά “View=plot” για να δείτε την νέα καμπύλη του δυναμικού ενεργείας.
17. Μειώστε τις τιμές επιπλέον 50% (δηλαδή, στο 25% της αρχικής, 0.03 για νάτριο και 0.009 για κάλιο).
18. Πατήστε “Reset & Run” στο “Run Control”.
19. Κάντε δεξί κλικ πάνω στο γράφημα, επιλέξτε “View” και αμέσως μετά “View=plot” για να δείτε την νέα καμπύλη του δυναμικού ενεργείας.
ΟΔΗΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ – ΕΡΩΤΗΣΗ 17