Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Кернеулі тұтқа – электрофизиологтардың қозғайтын жасушалар, мысалы нейрондардың мембранасы арқылы иондық токтарды өлшеу үшін қолданатын, мембраналық кернеуді белгіленген деңгейде ұстап тұратын тәжірибелік әдіс. Негізгі кернеу тұтқасы мембраналық потенциалды қайталап өлшейді, содан кейін қажетті ток қосып мембраналық потенциалды (кернеуді) қажетті мәнге өзгертеді. Бұл жасуша мембранасын қажетті тұрақты кернеуде "тұрақтандырады", кернеу тұтқасына беріліп жатқан токтарды жазуға мүмкіндік береді. Жасушаға қолданылатын токтар, жасуша мембранасы арқылы белгіленген кернеуде өтетін токқа тең және оған қарама-қарсы болуы керек болғандықтан, жазылған токтар жасушаның мембраналық потенциалдағы өзгерістерге қалай ден қоятынын көрсетеді.
The voltage clamp is an experimental method used by electrophysiologists to measure the ion currents through the membranes of excitable cells, such as neurons, while holding the membrane voltage at a set level. A basic voltage clamp will iteratively measure the membrane potential, and then change the membrane potential (voltage) to a desired value by adding the necessary current. This "clamps" the cell membrane at a desired constant voltage, allowing the voltage clamp to record what currents are delivered. Because the currents applied to the cell must be equal to (and opposite in charge to) the current going across the cell membrane at the set voltage, the recorded currents indicate how the cell reacts to changes in membrane potential.
Тарих
Кернеулі тұтқа тұжырымы 1947 жылдың көктемінде Кеннет Коул мен Джордж Мармонтқа жатқызылады. Олар шағаланың алып аксонына ішкі электродты енгізіп, ток қолдана бастады. Коул екі электрод пен кері байланыс тізбегін пайдаланып, жасуша мембранасының потенциалын тәжірибеші белгілеген деңгейде ұстауға болатынын тапты. Коул микроэлектродтар пайда болғанға дейін кернеулі тұтқа техникасын жасаған, сондықтан оның екі электроды оқшаулағыш таяқтың айналасына оралған жіңішке сымдардан тұрды. Мұндай электродтарды тек ең ірі жасушаларға ғана енгізуге болатындықтан, алғашқы электрофизиологиялық тәжірибелер шамамен шағала аксондарымен жүргізілді. Шағалалар қашқанда немесе жылдам қозғалғанда, мысалы, жыртқыштан құтқару кезінде, суды шашыратады. Бұл қашуды мүмкіндігінше жылдам ету үшін олардың аксоны 1 мм-ге дейін диаметріне жетеді (сигналдар ірі аксондар арқылы жылдам таралады). Шағаланың алып аксоны трансмембраналық токты кернеумен тұрақтандыруға қолданылған алғашқы үлгі болды және ол Ходжкин мен Хакслидің әрекет потенциалының қасиеттері туралы пионерлік тәжірибелерінің негізі болды. Кернеулі тұтқамен тәжірибелер жүргізу арқылы Ходжкин мен Эндрю Хаксли 1952 жылдың жазында иондық токтың әрекет потенциалын қалай тудыратынын сипаттаған 5 мақала жариялады. Соңғы мақалада әрекет потенциалын математикалық тұрғыдан сипаттайтын Ходжкин-Хаксли моделі ұсынылды. Олардың эксперименттерінде кернеулі тұтқаларды пайдалану арқылы әрекет потенциалын егжей-тегжейлі зерттеу және модельдеу электрофизиологияның негізін қалады, осыған байланысты олар 1963 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті. Зерттеушілер бұл әдісті ең көп Xenopus ооциттерінде экспрессияланатын мембраналық құрылымдарды зерттеу үшін қолданады. Бұл ооциттердің үлкен өлшемі оларды оңай ұстауға және манипуляциялауға мүмкіндік береді. TEVC әдісі екі төмен кедергілі пипетканы қолданады, біреуі кернеуді сезінеді, ал екіншісі ток жібереді. Микроэлектродтар өткізгіш ерітіндімен толтырылады және жасушаға мембраналық потенциалды жасанды түрде басқару үшін енгізіледі. Мембрана диэлектрик және резистор ретінде жұмыс істейді, ал мембрананың екі жағындағы сұйықтықтар конденсатор ретінде жұмыс істейді. Екі электродты жүйе тез тұрақтандыру уақыты мен төмен шу деңгейі үшін де қолайлы. Алайда, TEVC жасуша өлшемімен байланысты шектеулерге ие. Ол үлкен диаметрлі ооциттерде тиімді, бірақ кішкентай жасушаларда қолдану қиын. Сонымен қатар, TEVC әдісі ток берушінің пипеткада болуымен шектеледі. Клеймптеу кезінде жасушаішілік сұйықтықты манипуляциялау мүмкін емес, бұл патч-клеймптеу әдістерін қолдану арқылы мүмкін болады. Тағы бір кемшілік – «кеңістік тұтқасы» мәселесі. Коулдың кернеулі тұтқасы шағала аксонын оның барлық ұзындығы бойынша біркелкі тұтқалаған ұзын сымды пайдаланды. TEVC микроэлектродтары тек кеңістіктегі нүктелік ток көзін қамтамасыз ете алады, бұл қалыпсыз пішінді жасушаның барлық бөліктеріне біркелкі әсер етпеуі мүмкін.
The concept of the voltage clamp is attributed to Kenneth Cole and George Marmont in the spring of 1947. They inserted an internal electrode into the giant axon of a squid and began to apply a current. Cole discovered that it was possible to use two electrodes and a feedback circuit to keep the cell's membrane potential at a level set by the experimenter. Cole developed the voltage clamp technique before the era of microelectrodes, so his two electrodes consisted of fine wires twisted around an insulating rod. Because this type of electrode could be inserted into only the largest cells, early electrophysiological experiments were conducted almost exclusively on squid axons. Squids squirt jets of water when they need to move quickly, as when escaping a predator. To make this escape as fast as possible, they have an axon that can reach 1 mm in diameter (signals propagate more quickly down large axons). The squid giant axon was the first preparation that could be used to voltage clamp a transmembrane current, and it was the basis of Hodgkin and Huxley's pioneering experiments on the properties of the action potential. Using experiments with the voltage clamp, Hodgkin and Andrew Huxley published 5 papers in the summer of 1952 describing how ionic currents give rise to the action potential. The final paper proposed the Hodgkin–Huxley model which mathematically describes the action potential. The use of voltage clamps in their experiments to study and model the action potential in detail has laid the foundation for electrophysiology; for which they shared the 1963 Nobel Prize in Physiology or Medicine. Researchers use this method most commonly to investigate membrane structures expressed in Xenopus oocytes. The large size of these oocytes allows for easy handling and manipulability. The TEVC method utilizes two low resistance pipettes, one sensing voltage and the other injecting current. The microelectrodes are filled with conductive solution and inserted into the cell to artificially control membrane potential. The membrane acts as a dielectric as well as a resistor, while the fluids on either side of the membrane function as capacitors. The two electrode system is also desirable for its fast clamp settling time and low noise. However, TEVC is limited in use with regard to cell size. It is effective in larger diameter oocytes, but more difficult to use with small cells. Additionally, TEVC method is limited in that the transmitter of current must be contained in the pipette. It is not possible to manipulate the intracellular fluid while clamping, which is possible using patch clamp techniques. Another disadvantage involves "space clamp" issues. Cole's voltage clamp used a long wire that clamped the squid axon uniformly along its entire length. TEVC microelectrodes can provide only a spatial point source of current that may not uniformly affect all parts of an irregularly shaped cell.