Методы измерения ионных токов

|капилляры Jencons – | | | | |

|твердое | | | | |

|боросиликатное стекло| | | | |

Мембранные фрагменты

При работе с некоторыми клетками, например, с изолированными с помощью

ферментов клетками миокарда, гигаомные контакты иногда формируются

спонтанно, при прикосновении кончиком пипетки к поверхности клетки

высокоомный контакт формируется без подсасывания. В этом случае не

наблюдается никаких деформаций клеточных мембраны, и площадь мембранного

фрагмента можно оценить по значению сопротивления пипетки до образования

контакта. Но в большинстве случаев контакт формируется только при небольшом

разрежении, создаваемом внутри пипетки. При этом поверхность мембраны

деформируется, часть её втягивается внутрь пипетки на 2-3 мкм, принимая Q-

образную форму. Когда фрагмент изолируют механическим отведением кончика

пипетки от поверхности клетки, его У-образная форма практически не

изменяется. При дальнейшем подсасывании образуется сферический пузырёк.

Если известна удельная ёмкость мембраны (как правило, она составляет 1

мкф/см2), площадь фрагмента можно оценить по величине его ёмкости; обычно

площадь варьирует от 2 до 25 мкм2.

Электронные схемы для пэтч-кламп регистрации

Электронная схема пэтч-кламп регистрации должна иметь такие параметры,

чтобы было возможным зарегистрировать передвижение всего лишь нескольких

сотен элементарных электрических зарядов через малый участок клеточной

мембраны. При максимально сниженных собственных шумах измерительной

аппаратуры, токи через одиночные электровозбудимые Са-каналы, можно

зарегистрировать только в нефизиологических условиях – например, при

использовании растворов, содержащих Ва2+ вместо Са2+.

Стандартным методом измерения малых токов является регистрация

создаваемого ими падения напряжения на высокоомном сопротивлении. На рис.3

представлен три электрические цепи, с помощью которых осуществляются

подобные измерения. Наиболее удобно автоматическое поддержание требуемого

значения Vб с помощью операционного усилителя, который представляет собой

управляемый потенциалом источник напряжения ( рис.3, в).

Регистрация от целой клетки в условиях плотного контакта

Несмотря на то, что метод пэтч-кламп был разработан для регистрации токов

через одиночные каналы, пэтч-пипетки можно с успехом использовать также для

регистрации токов от целой клетки (РЦК), особенно когда размеры её

невелики. После образования гигаомного контакта мембранный фрагмент под

пипеткой можно разрушить, прикладывая к ней короткие импульсы

отрицательного давления. Такая манипуляция в большинстве случаев не

нарушает контакта пипетки с мембраной, и в результате между пипеткой и

содержимым клетки устанавливается хорошо изолированный от омывающего

раствора проводящий путь. Такой способ проникновения в клетку наносит ей

гораздо меньше повреждений, чем введение стандартного микроэлектрода.

Входное сопротивление небольших клеток велико по сравнению с эффективным

сопротивлением кончика пипетки, поэтому при работе с ними электрические

измерения можно проводить от участка мембраны намного большей площади, чем

у исходного фрагмента. В отличие от разных вариантов ПК регистрации этот

метод позволяет осуществить регистрацию от мембраны целой клетки, а не от

маленького мембранного фрагмента.

Для регистрации на целой клетке пэтч-пипетки заполняют соответствующим

раствором с низкой концентрацией ионов кальция. Пипетку прижимают к

поверхности клеточной мембраны, в результате чего формируется высокоомный

контакт. Затем потенциал пипетки изменяют до отрицательного значения и

подают импульсы напряжения с амплитудой в несколько милливольт. На этом

этапе производится компенсация быстрой ёмкостной компоненты, обусловленной

ёмкостью держателя и стенок пипетки. К пипетке прикладывают импульсы

отрицательного давления до тех пор, пока вновь не появятся ёмкостные

переходные процессы (возникает дополнительный ток).

Регистрацию от целой клетки можно проводить в течение часа без визуальных

или электрических признаков нарушения мембраны. Если исследуемая клетка

плотно прикрепилась к культуральной чашке, плавным отведением её от пипетки

можно получить конфигурацию outside-out. После такой процедуры клеточная

мембрана быстро “зашивается” и клетка является интактной. Но содержимое

клетки соответствует раствору в пипетке. Это используется в различных

целях:

1. для изменения содержимого выбранной клетки с минимальным повреждением

её мембраны.

2. Для проведения исследований с различными внутриклеточными растворами на

одной и той же клетке путем смены регистрирующих пипеток.

3. Для регистрации в одном эксперименте интегральных токов и одиночных

каналов.

Пипетки должны быть сравнительно широкими и иметь кончики с большим углом

схождения.

Между раствором в пипетке и содержимым клетки происходит быстрый обмен,

поэтому раствор для заполнения пипеток должен быть близок по своему составу

к клеточному содержимому.

Таб. 2. Типичные

электрические параметры,

получаемые при регистрации

на хромафинных

клетках в конфигурации РЦК

|Последовательное сопротивление, |4 МОм |

|Rs | |

|Ёмкость клетки, C |5 пФ |

|Пост. Времени фиксации |20 мкс |

|потенциала, RsC | |

|Пост. Времени обмена ионов, tоб|5с |

|Сопротивление клетки, R |10ГОм |

|Сопротивление утечки, Rут |20ГОм |

|Шум (среднеквадр. значение, 0-400|0,15 пА |

|Гц) | |

Данные таблицы отличаются от значений, полученных с обычными стеклянными

микроэлектродами по трем основным пунктам:

1. большинство клеток с диаметром менее 20 мкм при прокалывании обычным

микроэлектродом повреждается, в то время как РЦК можно проводить даже на

клетках диаметром менее 10 мкм, совершенно не нарушая их.

2. Сопротивление утечки микроэлектрод-клетка при использовании обычных

микроэлектродов не превышает 500 МОм, в то время как соответствующее

значение сопротивления утечки при РЦК могут быть 20 ГОм и более.

3. Обычные микроэлектроды имеют сопротивление кончика Rs более 100 МОм, а

типичные значения для РЦК на хромафинных клетках составляют 4 МОм.

Метод РЦК применяется для регистрации токов в мембране опухолевых клеток

гипофиза, внутренних сегментов палочек сетчатки, островковых клеток

поджелудочной железы, клеток миокарда, наружных сегментов палочек сетчатки,

нейронов спинного мозга млекопитающих и др.

Пэтч-кламп регистрация при неплотном контакте

Метод регистрации от целой клетки в условиях плотного контакта позволяет

регистрировать ионные токи, протекающие через небольшие мембранные

фрагменты, которые содержат только один или несколько ионных каналов. Для

получения информации о кинетике работы каналов или о плотности токов через

мембрану проводится одновременная регистрация работы множественных каналов

с использованием метода пэтч-кламп или применяется классический метод

фиксации мембранного потенциала.

Регистрация при неплотном контакте по сути идентична регистрации одиночных

каналов, за исключением того, что участок мембраны, на котором фиксируется

потенциал, на 3 порядка больше, и при этом не требуется формирования

гигаомных контактов.

Метод позволяет без труда получать стабильные электрофизиологические

данные от локальных участков мембраны, используя интактные клетки

практически без их изоляции или других видов обработки. Например, можно

проводить измерения на целой мышце, не выделяя одиночные клетки. Отпадает

необходимость и в использовании внутриклеточных микроэлектродов.

Однако, необходимо отметить, что наиболее корректную информацию о

мембранной проводимости всё-таки даёт регистрация токов через одиночные

каналы, так как позволяет избавиться от ряда артефактов, которые могут быть

получены при регистрации макроскопического тока. Имеются, по крайней мере,

четыре основные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при

регистрации макроскопических токов. Во-первых, трудно создать условия для

регистрации тока только через каналы интересующего нас типа. Во-вторых,

влияние последовательного сопротивления

может приводить к различию между истинным мембранным и поддерживаемым

потенциалом. В-третьих, накопление ионов в примембранной области может

вызывать зависящее от времени изменение тока через отдельные каналы. И,

наконец, потенциал-зависимость проводимости открытого канала может быть

ошибочно принята за потенциал-зависимость активации канала.

Литература:

1. Медведев С.С. Электрофизиология растений. – СПб.: Изд-во

С-Петебург. ун-та, 1998. – 184 с.

2. Регистрация одиночных каналов / под ред. Сакмана Б. и

Неера Э. – М.: “Мир”, 1991

3. Эккерт Р., Рэнделл.Д, Огастин Дж. – Физиология животных,

механизмы и адаптация. – М.: “Мир”,1991

4. Hedrich R., Schroeder.J.I. and Fernandez J.M. – Patch-clamp studies

on higher plant cells: a perspective. // Trends biochemistry science.

– 1987. – v.12. pp. 49-52&

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2