How Valproate and Phenytoin Affect the Ionic Conductances and Active Transport Characteristics of the Crayfish Giant Axon
Authors: Nosek Thomas M. 
Published: August 2010

Summary:The purpose of this study was to determine the effect of valproic acid (VPA) and phenytoin (DPH) on chloride conductance and electrogenic Na+‐K+active transport in the crayfish giant axon. Exposure of the axon to a medium containing no chloride (isethionate substitution) produced no change in the resting potential but significantly decreased the resting conductance and +dV/dtmaxand increased the action potential duration. The response of axons bathed in a Cl‐‐free medium to VPA was not significantly different from that of axons bathed in Ch‐containing medium; the resting potential, total membrane conductance (gM), +dV/dtmax, and ‐dV/dtmaxdecreased, while the action potential duration increased. These results indicate that VPA does not produce its effects on membrane properties through an influence on chloride conductance. Similarly, DPH does not produce its effects through a change in chloride conductance; DPH decreases +dV/dtmax, ‐dV/dtmax, and gM, increases the duration of the action potential, and is without effect on the resting and action potentials with or without chloride in the bathing medium. Ouabain depolarized control axons and axons pretreated with VPA or DPH to an equal extent. From these data and other electrophysiologic characteristics of the axons, the resting Na+and K+conductances and the net pump current and coupling ratio were calculated. VPA significantly decreased gKbut was without effect on gNa. That VPA was without effect on any property of the electrogenic Na+‐K+active transport process indicates that the depolarization and decrease in total membrane conductance in response to VPA are due to the decrease in gK> produced by this compound. Even though VPA did not affect active transport at rest, it did suppress the response of active transport to drive, suggesting that VPA inhibits posttetanic potentiation. In contrast, DPH decreased gKand gNaso as to maintain the gnJgKratio constant. This effect, coupled with a lack of an influence on the electrogenic active transport process, explains the absence of an effect of DPH on the resting membrane potential. The decrease in gMby DPH accounts for the increase in magnitude of the response to drive noted in the presence of DPH. These membrane effects suggest cellular mechanisms by which VPA and DPH can interfere with the spread of high‐frequency electrical activity away from an epileptic focus.RÉSUMÉLe but de cette étude était de detérminer les effets de l'acide Valproïque (VPA) et de la Phénytoïne (DPH) sur la conductance du chlore et les transports actifs électrogéniques Na+/K+de I'axone géant de l'écrevisse. L'immersion de I'axone dans un milieu dépourvu d'ions chlore (par substitution au moyen d'isothionate) ne modifie pas le potentiel de repos, mais diminue de facon significative la conductance de repos 1dV/dtmaxet, augmente la durée du potentiel d'action. La réponse des axones plonges dans un milieu dépourvu d'ions CI en présence de VPA n'est pas significativement differente de celle obtenue en presence d'ions CI; le potentiel de repos, la conductance membranaire totale (gM). +dV/dtmaxet –dV/dtmaxdécroissent en meme temps que la durée du potentiel d'action s'accroit. Ces resultats indiquent que le VPA n'agit pas sur les propriétéas membranaires par l'intermédiaire de modifications de la conductance au chlore. De même, la DPH n'agit pas par modification de la conductance au chlore; la DPH diminue +dV/dtmax‐ dV/dtmaxet gM, augmente la durée du potentiel d'action et ne modifie pas les potentiels de repos et d'action, avec ou sans ions chlore dans le milieu d'immersion. L'ouabaïne dépolarise aussi bien les axones témoins que ceux pré‐traités au VPA et a la DPH. A partir de ces données, et des autres caractéristiques électrophysiologiques des axones, nous avons calculé les conductances de repos au Na+et au K+, le débit net de la pompe, et le rapport de couplage. Le VPA décroit significativement la conductance du potassiumgK. mais est sans effet sur la conductance du sodium gNa. Le fait que le VPA soit inactif sur les processus éléctrogeniques de transports actifs Na+/K+indique que la depolarisation et la diminution de la conductance membranaire totale sous 1'effet de VPA sont dues à la diminution de gKproduite par cette molócule. Même si le VPA ne modifie pas les transports actifs au repos, il supprime du moins les transports actifs provoqués par un stimulus, ce qui suggere que le VPA inhibe la potentialisation post‐tetanique (PTP). Au cont'raire, la DPH diminue gKetagNa, de telle sorte que le rapport gN/gKreste constant. Cet effet, s'ajoutant à l'absence d'action sur les processus de transports électrogéniques actifs, explique l'absence de modification du potentiel de repos membranaire par la DPH. La diminution degMpar la DPH explique l'augmentation d'amplitude de la réponse aux stimulus constatee en presence de DPH. Ces effets membranaires suggérent des mécanismcs cellulaires par lesquels le VPA et la DPH peuvent modifier la propagation des activités de haute fréquence à partir d'un foyer épileptogéne.ZUSAMMENFASSUNGDer Zweck dieser Untersuchung war es, die Wirkung der Valproinsäure (VPA) und des Phenytoins (DPH) auf die Chloridleitfahigkeit und den aktiven elektrogenen Natrium‐Kalium‐Transport im Riesen‐axon der Flußkrabbe zu bestimmen. Bringt man das Axon in ein Medium, das kein Chlorid (Isethionat‐Substitution) enthält, erfolgt keine Veränderung des Ruhepotentials aber eine signifikante Verminderung der Ruheleitfahigkeit und des +dV/dtmaxsowie eine verlängerte Dauer des Aktionspotentials. Die axonale Antwort in einem chlorfreien Medium gegenüber VPA unterschied sich nicht signifikant von der des Axons im chloridhaltigen Medium. Das Ruhepotential, die Gesamtmembranleitfahigkeit (gM), die +dV/dtmax, und ‐dVldtmaxnahmen ab, während die Dauer des Aktionspotentials zunahm. Diese Ergebnisse bedeuten, daß VPA seinen Einfluß auf die Membraneigenschaften nicht über einen Einfluß auf die Chloridleitfähigkeit ausübt. Ähnlich hierzu wirkt das DPH nicht über eine Veränderung in der Chloridleitfähigkeit; DPH vermindert +dV/dtmax‐dV/dlmaxundgM, vermindert die Dauer des Aktionspotentials und ist wirkungslos auf das Ruhe‐ und Aktionspotential mit oder ohne Chlorid im umspülenden Medium. Ouabain de‐polarisierte Kontrollaxone and Axone. die mit VPA oder DPH vorbehandelt waren, in gleichem Ausmaß. Von diesen Daten und anderen elektrophysiologischen Charakteristika des Axons wurden die Natrium‐Kaliumleitfahigkeiten in Ruhe, der Netto‐Pumpen‐Strom und die umsatzrate (coupling ratio) berechnet. VPA verminderte singifikantermaßengK, war aber ohne Wirkung auf gNaDie Tatsache, daß VPA Wir‐kung auf irgendeine Eigenschaft des elektrogenen Kalium‐Natrium‐aktiven Transportprozesses war, be‐deutet, daß die Depolarisation und die Abnahme der gesamten Membranleitfähigkeit als Antwort auf das VPA Folge der Verminderung in dergKsein miissen, die durch diesen Stoff hervorgerufen werden. Obwohl VPA den aktiven Transport in Ruhe nicht beeinflusste, unterdrückte es die Antwort des aktiven Transports ein Zeichen dafür, daß VPA die post‐tetanische Poten‐sierung (PTP) inhibiert. Im Gegensatz dazu verminderte DPH die gKundgNa, wobei das Verhältnis gNa‐/gkkonstant blieb. Dieser Effekt zusammen mit einem fehlenden Einfluß auf den elektrogenen aktiven Transportprozess erklärt die Wirkungslosigkeit des DPH auf das Ruhemembranpotential. Die Abnahme vongmdurch DPH ist die Erk14aUrung für die Zunahme der Stärke der Antwort wie sie in Gegenwart von DPH beobachtet wurde. Diese Membranwirkungen lassen den cellularen Mechanismus erkennen, durch welchen VPA und DPH mit der Ausbreitung hochfrequenter eiektrischer Aktivität von einem epileptischen Fokus interferieren können.RESUMENEl propósito de este estudio fue determinar el efecto del ácido valproico (VPA) y de la fenitoína (DPH) sobre la conductancia del cloruro y sobre la conduc‐tancia electrogénica Na‐K+del transporte activo en el axón gigante del cangrejo. La exposicion del axon a un medio que no contiene cloro (substitución por isotionato) no produjo cambios en el potencial de re‐poso aunque disminuyó de modo significativo la conductancia de reposo y el +dV/dtmaxaumentando la duración del potencial de acción. La respuesta de los axones al VPA cuando fueron sumergidos en un bano con un medio libre de CI‐no fue diferente. El potencial de reposo, la conductacia total de la membrana (gM), el +dV/dtmaxy el ‐dVldtmaxdisminuyeron mientras que la duración del potencial de acció n aumentó. Estos resultados indican que el VPA no produce sus efectos en las propiedades de la membrana modificando la conductancia del cloro. De un modo similar, la DPH no produce su acción por medio de un cambio en la conductancia del cloro. La DPH disminuye el+dV/dtmax, el ‐dV/dtmx y la gMaumentando la duración del potencial de accibn y no afectando los potenciales (de reposo o acción) tanto si se usa un medio con cloro como libre de él. La uabaína depolarizo tanto los axones de control como los pre‐tratados con VPA o DPH. De estos datos y de otras caracteristicas elec‐trofisiológicas de los axones, las conductancias en re‐poso de Na+y de K+asi como la corriente neta de bombeo y la relación de acoplamiento fueron calculadas. El VPA disminuyó lagKpero no afectb lagna. El hecho de que el VPA no tuviese efecto en el proceso de transporte activo electrogénico del Na+y del K+, indica que la depolarización y descenso en la conductancia de la membrana en respuesta al VPA fueron causados por un decremento de lagkproducida por este compuesto. Aunque el VPA no afecto el transporte activo en reposo. si suprimio la respuesta in‐ducida de transporte activo sugiriendo que el VPA in‐hibe la potenciacion post‐tetanica (PTP). Por el contrario, la DPH disminuyó lasgkygNamanteniendo una relaciongNa/gKconstante. Este efecto, junto con la falta de influencia sobre el proceso electrogénico de transporte activo, explica la ausencia de efecto de la DPH sobre el potencial de membrana en reposo. El descenso de lagMpor la DPH justifica el aumento en la magnitud de la respuesta inducida que se observa en presencia de DPH. Este efecto sobre la membrana sugiere mecanismos celulares a través de los cuales el VPA y la DPH pueden interferir en la difusión de la actividad eléctrica de alta frecuencia a partir de un foco epileptico.