Informacija

Potencijal membrane nakon izlaganja glutamatu

Potencijal membrane nakon izlaganja glutamatu


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Neuroni su držani u fiziološkoj otopini. Tijekom faze mirovanja membranski potencijal u aksoplazmi neurona bio je negativan u usporedbi s izvanstaničnim prostorom te je u ovoj fazi uočena razlika potencijala od -70 mV. Neuroni su zatim tretirani u dva različita eksperimenta ili s gama-amino maslačnom kiselinom (GABA; inhibitorni neurotransmiter) ili glutamatom (ekscitatorni neurotransmiter) i zabilježeni su membranski potencijali. Odaberite točnu tvrdnju/e:

(A) Potencijal membrane mirovanja od -70 mV ne bi se promijenio ni s GABA ni s glutamatom.

(B) Potencijal membrane bio bi čak negativniji od faze mirovanja s GABA tretmanom.

(C) Potencijal membrane bi bio pozitivan kada bi neuron bio izložen glutamatu.

(D) Potencijal membrane bi bio negativniji od potencijala mirovanja nakon tretmana glutamatom.

Osjećam, budući da je glutamat uzbudljiv, pa bi se potencijal mirovanja trebao smanjiti kada je izložen glutamatu i povećati kada je izložen GABA. Dakle (A)&(D) se automatski eliminiraju i (B) je točan odgovor. Zbunjen sam kod (C)


Ispravnije je to nazvati "razlikom potencijala mirovanja" (poput vašeg pitanja), jer je električni potencijal relativan, a ne apsolutan.

Ta fraza razotkriva ključnu točku: razlika što? Stanične citoplazme su negativno nabijene (da biste to zapamtili, treba zapamtiti da se protoni obično pumpaju iz citosola ili u periplazmu, vezikule, mitohondrijski intermemberanski prostor ili izvan stanice). Ako oduzmete potencijal izvana od iznutra, dobit ćete +70. Ako to učinite obrnuto, dobit ćete -70. Po dogovoru, (+) sonda voltmetra je zaglavljena unutar ćelije, a (-) je zaglavljena vani, tako da na kraju dobivamo "službenu" brojku od -70 mV.

Priroda očito ne voli ovu potencijalnu razliku, i želi je neutralizirati gurajući struju kroz membranu. Srećom, membrana nije jako vodljiva, a stanica može trošiti energiju da poništi učinke bilo kakvog curenja i spriječi da potencijal [razlike] pomakne prema 0 (zapravo bi se pomicao prema broju iznad 0 jer potencijalna razlika nije jedina faktor, postoji i razlika u koncentraciji).

Dakle, ćelija je poput baterije koja se sama održava napunjenom. Ima i prag, a ispraznit će se samo ako se ispraznio barem do određene točke. Ta točka ovisi o ćeliji, ali tipična vrijednost je -55 mV (dakle bliže točki ravnoteže od -70 mV u mirovanju).

Što će učiniti inhibitorna kemikalija poput GABA? Odvući će ćeliju dalje od praga, pa ju je teže prevladati. Dovođenje -70 mV na -90 mV bi ga smanjilo (jer se broj smanjuje).

Što će učiniti ekscitatorna kemikalija poput glutamata? Približit će ćeliju pragu pa ju je lakše prevladati. Dovođenje -70 mV na -55 mV bi ga povisilo (jer broj raste).

Pitanje, nažalost, ne precizira da li se akcijski potencijal aktivira. Tipično, vrh AP je +40 mV. U teoriji, možete imati prag recimo na +20 mV, a onda bi možda potencijal mogao postati pozitivan (npr. +10 mv) i ostati tamo. Ali stvarno, jako sumnjam da biste mogli pronaći ćeliju s pragom iznad 0. Ako je prag ispod nule, tada će ćelija htjeti doseći pozitivnu potencijalnu razliku (ako upotrijebite dovoljno glutamata za izazivanje AP), ali će tamo ostati samo na trenutak prije nego što se ponovno sruši na -80 mV (refraktorno stanje).


Vjerujem da je i C u pravu. Ekscitatorni neurotransmiteri otvaraju $ce{Na}$ kanale što čini staničnu membranu propusnijom za natrij u usporedbi s kalijem i stoga bi ravnotežni membranski potencijal bio puno bliži nervnom potencijalu za natrij. Sada, budući da je koncentracija natrija izvana mnogo veća nego unutra, nernst potencijal za natrij je pozitivan u odnosu na unutarnju stranu membrane. To čini ukupni potencijal također pozitivnim.

Ako želite dodatna pojašnjenja u vezi izračunavanja ravnoteže i nervnog potencijala preko membrane, slobodno pitajte.

DODATAK

Približne koncentracije natrija i kalija unutar i izvan stanice su:
$$ce {Na+_{in}}=10 ext{mmoll}^{-1}$$ $$ce {K+_{in}}=105 ext{mmoll}^{-1} $$ $$ce {Na+_{out}}=140 ext{mmoll}^{-1}$$ $$ce {K+_{out}}=5 ext{mmoll}^{- 1}$$

Nernstov potencijal je dan sa $E=-frac{RT}{nF}lnfrac{ ext{in}}{ ext{out}}$

Što za dane koncentracije ispada $+67,7mV$ za natrij i $-78,1mV$ za kalij. Tijekom dovoljno jakog akcijskog potencijala, relativna propusnost natrija u odnosu na kalij postaje 10$. Korištenje GHK jednadžbe (zanemarujući doprinos klora) daje nam neto potencijal od $+47,5 mV$.

Graf akcijskog potencijala jasno pokazuje da je na vrhuncu AP membranski potencijal pozitivan. Izvor : Grafikon akcijskog potencijala


Mislim da nijedan od odgovora ovdje nije sasvim točan, pa ću pokušati:

(A) Potencijal membrane mirovanja od -70 mV ne bi se promijenio ni s GABA ni s glutamatom.

Odgovor je ovdje: "Ovisi".

Za glutamat, da neuron ima samo NMDA receptore koji nisu "otvoreni" na -70 mV, ne bi bilo promjene u membranskom potencijalu mirovanja. Međutim, da postoje barem neki AMPA receptori, membranski potencijal bi se promijenio u pozitivniji.

Za GABA, ako stanica ima samo GABAa receptore, tada se potencijal membrane u mirovanju ne bi promijenio, jer je potencijal preokreta za GABAa upravo tu na -70 mV. Ali ako bi stanica imala barem neke GABAb receptore, njihov povratni potencijal je oko -100 mV, što bi uzrokovalo promjenu potencijala membrane mirovanja na nešto negativnije od -70 mV.

(B) Potencijal membrane bio bi čak negativniji od faze mirovanja s GABA tretmanom.

Opet, ako samo GABAa receptori, onda ne, ne bi više bio negativan i zapravo bi ostao isti na -70 mV. Ako postoje GABAb receptori, onda da, potencijal membrane u mirovanju bio bi još negativniji.

(C) Potencijal membrane bi bio pozitivan kada bi neuron bio izložen glutamatu.

Možda – ovisi o tome smije li neuron imati akcijski potencijal. Glutamatni receptori općenito se okreću oko 0 mV. 0 mV nije ni pozitivan ni negativan. Da nema akcijskog potencijala u ovom neuronu, stoga ne bismo smjeli reći da bi membrana bila "pozitivna" (iako je ovo, pretpostavljam, cijepanje dlačica). Međutim, moglo bi se reći da je "pozitivniji od -70 mV". Međutim, ako bi se stanici omogućilo da ima akcijski potencijal, onda da, membranski potencijal bi dostigao oko +20 mV, pa bi se moglo reći da je pozitivan.

(D) Potencijal membrane bi bio negativniji od potencijala mirovanja nakon tretmana glutamatom.

Ne. Opet, potencijal preokreta glutamatnih receptora je oko 0 mV, tako da bi samo pomaknuo membranski potencijal na pozitivnije vrijednosti, blizu ili desno na 0 mV.


Mehanizam zadržavanja potencijala mitohondrijske membrane nakon oslobađanja citokroma c u apoptotičkim GT1-7 neuralnim stanicama

Istražuje se odnos između potencijala mitohondrijske membrane (ΔΨM), disanje i citokrom c (cit c) oslobađanje u jednom neuralnom bcl-2 transficirane stanice (GT1-7bcl-2) ili GT1-7puro stanice tijekom apoptoze inducirane staurosporinom (STS). Bcl-2 inhibira mitohondrijsko oslobađanje cyt c i apoptozu. U GT1-7 su identificirana tri različita stanična odgovora na STSpuro stanice: (i) ni ΔΨM niti cyt c značajno je utjecalo na (ii) smanjenje ΔΨM je popraćeno potpunim oslobađanjem cyt c ili (iii) cyt c oslobađanje se dogodilo neovisno o gubitku ΔΨM. Proton protona endogene unutarnje membrane in situ mitohondrije, praćene disanjem u prisutnosti oligomicina, povećane su STS-om za 92% u puro stanicama, ali za samo 23% in bcl-2 Stanice. STS je smanjio respiratorni kapacitet, u prisutnosti protonofora, za 31% in puro stanica i za 20% in bcl-2 Stanice. U nedostatku STS-a, oligomicin hiperpolarizira mitohondrije unutar oba puro i bcl-2-transficirane stanice, što ukazuje da su organele bili neto generatori ATP-a. Međutim, nakon 15 sati izlaganja STS oligomicinu brzo je kolabirala zaostala mitohondrijska polarizacija u puro stanice, što ukazuje da ΔΨM održavao se preokretom ATP sintaze. bcl-2 stanice nasuprot tome, održava ΔΨM dok se ne doda protonofor. Ovi rezultati pokazuju da održavanje ΔΨM nakon oslobađanja cyt c može biti posljedica preokreta ATP sintaze i citoplazmatske ATP hidrolize u GT1-7 stanicama tretiranim STS. Stanična smrt i diferencijacija (2001) 8, 995–1003


Sažetak

Glutamat ili depolarizira ili hiperpolarizira neurone retine. To su početni i primarni učinci. Korištenjem naponske sonde (oksonol, DiBaC4 (5)) za proučavanje disociranih neurona retine zebrice nalazimo sekundarni, dugotrajniji učinak: postekscitatorno obnavljanje membranskog potencijala, nazvano nakon hiperpolarizacije (AHP). AHP se javlja samo u neuronima koji su depolarizirani glutamatom i obično doseže maksimum oko 5 minuta nakon primjene glutamata. AHP se vidi u disociranim horizontalnim stanicama (HCs) i hiperpolarizirajućim, ili OFF tipu, bipolarnim stanicama (HBCs). Ove stanice obično reagiraju samo s AHP komponentom. AHP se nikada ne pojavljuje u depolarizirajućim ili ON-tip bipolarnim stanicama (DBC), koje su tipovi stanica hiperpolarizirane glutamatom. AHP blokira 6-cijano-7-nitrokinoksalin-2,3-dion (CNQX). Izazivaju ga kainat, AMPA i AMPA-selektivni agonist (S)-5-fluorovilardiin, ali ne pomoću NMDA, d-aspartata, kainatno-selektivnog agonista SYM 2081 ili dl-2-amino-4-fosfonobutirne kiseline (dl-AP4). Stanice s isključivo AHP odgovorima su tonički depolarizirane. Potencijali mirovanja mogu se obnoviti nifedipinom, sugerirajući tonično, depolarizirajuće djelovanje Ca 2+ kanala L-tipa. Međutim, nifedipin ne blokira AHP i neosjetljiv je na [Cl − ]o. AHP blokira Li + o zamjena za Na+ o a po ouabain. Predlaže se mehanizam u kojem Na + ulazeći kroz ionotropne AMPA kanale stimulira Na + ,K + -ATPazu, koja elektrogenim djelovanjem obnavlja membranski potencijal, generirajući AHP odgovor. Obrasci imunoreaktivnosti ATPaze podržavaju lokalizaciju u vanjskom pleksiformnom sloju (OPL) jer su konusni pedikuli, HC i BC bili pozitivno obilježeni. Označavanje je bilo slabije u unutarnjem pleksiformnom sloju (IPL) nego u nuklearnim slojevima, iako su se mogle uočiti dvije IPL trake imunoreaktivnih BC terminala, jedna u sublamini a a drugi u sublamini b. Trajna stimulacija distalne retine fotoreceptorskim glutamatom može potaknuti povećanu ekspresiju i aktivnost Na + ,K + -ATPaze, s posljedičnim utjecajem na distalne glutamatne odgovore.

Na + ,K + -ATPaza je jako izražena u vanjskom pleksiformnom sloju retine (OPL) (McGrail & Sweadner, 1986 Yazulla & Studholme, 1987 Wetzel et al. 1999), a aktivnost Na+,K+-ATPaze se lako mjeri u distalnim neuronima retine (Shimura et al. 1998. Zushi et al. 1998.). Uloga koju Na + ,K + -ATPaza igra u obradi vizualnih informacija interneuronima retine malo je proučavana. U ovom izvješću ispitujemo distribuciju Na + ,K + -ATPaze u retini zebrice, opisujemo njezinu aktivaciju u neuronima mrežnice pobuđenih glutamatom i tvrdimo da ova aktivacija pruža značajnu pokretačku snagu za mirovanje membranskog potencijala u horizontalnim stanicama (HCs) i hiperpolarizirajuće, ili OFF centar, bipolarne stanice (HBC).

Proučavali smo glutamatergične odgovore akutno disociranih neurona retine zebrice (Connaughton & Dowling, 1998.), koristeći oksonol boju kao sondu za promjene membranskog potencijala izazvane neurotransmiterima (Waggoner, 1976. Walton et al. 1993 Nelson et al. 1999.). Sonda omogućuje mjerenje takvih promjena bez promjene unutarstanične Na + , aktivatora Na + ,K + -ATPaze. Kada su glutamatni odgovori istraživani ovom metodom, bili smo iznenađeni kad smo pronašli skupinu stanica u kojoj je najveći amplitudski učinak bio nekoliko minuta dug gubitak fluorescencije sonde (FL) nakon uklanjanja glutamata. Ovaj gubitak, koji ukazuje na hiperpolarizaciju membrane, nazivamo naknadnom hiperpolarizacijom (AHP). Ciljevi ove studije su ispitati mehanizam AHP odgovora, za koji se čini da ga pokreće aktivacija Na + ,K + -ATPaze, te identificirati tipove stanica s kojima je povezan.

Retinalne disocijacije ribice zebrice daju mješavinu HC-a tipa A (okrugla zvjezdasta) i tipa B (izduženi), bipolarnih stanica dugih i kratkih aksona (BC), kao i drugih vrsta neurona retine (Connaughton & Dowling, 1998 Nelson et al. 2001.). Sposobnost prepoznavanja nekoliko tipova stanica u disocijaciji čini retinu zebrice dobrim izvorom tkiva za korelaciju fizioloških mehanizama s morfološki identificiranim tipovima stanica. AHP odgovori pronađeni su u oba tipa A i B HC, u subpopulaciji HBC, ali ne i u depolarizirajućim ili ON tipu bipolarnih stanica (DBC). Rezultati sugeriraju dvokomponentni model za neurone retine pobuđene glutamatom: izravna komponenta osjetljiva na membranski potencijal koju osiguravaju ionotropni glutamatni receptor (IgluR) kanali koji ulaze u propusnost Na+ i K+, i neizravnu, dugotrajnu, hiperpolarizirajuću membranu -potencijalno neosjetljiva komponenta osigurana stimulacijom ouabain i Na + -osjetljive ATPaze. Dok je aktivnost retinalne Na+,K+-ATPaze obično povezana s visokim metaboličkim potrebama fotoreceptora u održavanju tamne struje (Hagins et al. 1970), ova studija pruža potencijalnu ulogu Na + ,K + -ATPaze u distalnim interneuronima retine pobuđenim glutamatom.


Sadržaj

Membranski potencijal u stanici u konačnici proizlazi iz dva čimbenika: električne sile i difuzije. Električna sila proizlazi iz međusobnog privlačenja između čestica suprotnih električnih naboja (pozitivnih i negativnih) i međusobnog odbijanja između čestica istog tipa naboja (obje pozitivne ili obje negativne). Difuzija proizlazi iz statističke tendencije čestica da se preraspodijele iz područja u kojima su visoko koncentrirane u regije gdje je koncentracija niska.

Uređivanje napona

Napon, što je sinonim za razlika u električnom potencijalu, je sposobnost pokretanja električne struje preko otpora. Doista, najjednostavniju definiciju napona daje Ohmov zakon: V=IR, gdje je V napon, I je struja, a R otpor. Ako je izvor napona kao što je baterija stavljen u električni krug, što je veći napon izvora to će veća količina struje koju će potjerati preko raspoloživog otpora. Funkcionalni značaj napona je samo u potencijalu Razlike između dvije točke u krugu. Ideja o naponu u jednoj točki je besmislena. U elektronici je uobičajeno dodijeliti napon nula nekom proizvoljno odabranom elementu kruga, a zatim dodijeliti napone za druge elemente mjerene u odnosu na tu nultu točku. Nema značaja u tome koji je element odabran kao nulta točka - funkcija kruga ovisi samo o razlikama, a ne o naponima po sebi. Međutim, u većini slučajeva i po konvenciji, nulta razina najčešće se dodjeljuje dijelu kruga koji je u kontaktu s uzemljenjem.

Isti princip vrijedi i za napon u staničnoj biologiji. U električno aktivnom tkivu, razlika potencijala između bilo koje dvije točke može se izmjeriti umetanjem elektrode u svaku točku, na primjer jednu unutar i jednu izvan ćelije, i povezivanjem obje elektrode na izvode onoga što je u biti specijalizirani voltmetar. Po dogovoru, nulta vrijednost potencijala dodjeljuje se vanjskoj strani ćelije, a predznak razlike potencijala između vanjskog i unutarnjeg određen je potencijalom unutarnjeg u odnosu na vanjsku nulu.

U matematičkom smislu, definicija napona počinje pojmom električnog polja E , vektorsko polje koje svakoj točki u prostoru dodjeljuje veličinu i smjer. U mnogim situacijama električno polje je konzervativno polje, što znači da se može izraziti kao gradijent skalarne funkcije V , tj. E = –∇ V . Ovo skalarno polje V naziva se raspodjela napona. Imajte na umu da definicija dopušta proizvoljnu konstantu integracije - to je razlog zašto apsolutne vrijednosti napona nisu smislene. Općenito, električna polja mogu se tretirati kao konzervativna samo ako magnetska polja ne utječu značajno na njih, ali to se stanje obično dobro odnosi na biološko tkivo.

Budući da je električno polje gradijent raspodjele napona, brze promjene napona unutar malog područja impliciraju snažno električno polje nasuprot tome, ako napon ostane približno isti u velikom području, električna polja u tom području moraju biti slaba . Jako električno polje, ekvivalentno jakom gradijentu napona, implicira da se na sve nabijene čestice koje leže unutar regije djeluje jaka sila.

Ioni i sile koje pokreću njihovo kretanje Uredi

Električne signale unutar bioloških organizama općenito pokreću ioni. [4] Najvažniji kationi za akcijski potencijal su natrij (Na + ) i kalij (K + ). [5] I jedno i drugo jesu jednovalentan kationa koji nose jedan pozitivan naboj. Akcijski potencijali mogu uključivati ​​i kalcij (Ca 2+ ), [6] koji je a dvovalentan kation koji nosi dvostruki pozitivni naboj. Kloridni anion (Cl − ) igra veliku ulogu u akcijskim potencijalima nekih algi, [7] ali ima zanemarivu ulogu u akcijskim potencijalima većine životinja. [8]

Ioni prolaze kroz staničnu membranu pod dva utjecaja: difuzijskim i električnim poljima. Jednostavan primjer u kojem su dvije otopine — A i B — razdvojene poroznom barijerom ilustrira da će difuzija osigurati da se one na kraju pomiješaju u jednake otopine. Ovo miješanje nastaje zbog razlike u njihovim koncentracijama. Područje s visokom koncentracijom će se difundirati prema području s niskom koncentracijom. Da proširimo primjer, neka otopina A ima 30 natrijevih iona i 30 kloridnih iona.Također, neka otopina B ima samo 20 natrijevih iona i 20 kloridnih iona. Uz pretpostavku da barijera dopušta da obje vrste iona putuju kroz nju, tada će se postići stabilno stanje u kojem obje otopine imaju 25 natrijevih iona i 25 kloridnih iona. Međutim, ako je porozna barijera selektivna na propuštanje iona, tada sama difuzija neće odrediti rezultirajuću otopinu. Vraćamo se na prethodni primjer, konstruirajmo sada barijeru koja je propusna samo za natrijeve ione. Sada je samo natriju dopušteno da difundira preko barijere od svoje veće koncentracije u otopini A do niže koncentracije u otopini B. To će rezultirati većim nakupljanjem natrijevih iona nego kloridnih iona u otopini B i manjim brojem natrijevih iona od kloridni ioni u otopini A.

To znači da u otopini B postoji neto pozitivan naboj iz veće koncentracije pozitivno nabijenih natrijevih iona nego negativno nabijenih kloridnih iona. Isto tako, u otopini A postoji neto negativni naboj zbog veće koncentracije negativnih kloridnih iona nego pozitivnih natrijevih iona. Budući da se suprotni naboji privlače, a slični odbijaju, na ione sada također utječu električna polja kao i sile difuzije. Stoga će pozitivni natrijevi ioni manje vjerojatno putovati do sada pozitivnije B otopine i ostati u sada negativnijoj A otopini. Točka u kojoj se sile električnih polja potpuno suprotstavljaju sili zbog difuzije naziva se ravnotežni potencijal. U ovom trenutku, neto protok specifičnog iona (u ovom slučaju natrija) je nula.

Plazma membrane Uredi

Svaka stanica je zatvorena u plazma membranu, koja ima strukturu lipidnog dvosloja s mnogo vrsta velikih molekula ugrađenih u nju. Budući da je izgrađena od lipidnih molekula, plazma membrana sama po sebi ima visoku električnu otpornost, drugim riječima nisku unutarnju propusnost za ione. Međutim, neke od molekula ugrađenih u membranu sposobne su ili aktivno transportirati ione s jedne strane membrane na drugu ili osigurati kanale kroz koje se mogu kretati. [9]

U električnoj terminologiji, plazma membrana funkcionira kao kombinirani otpornik i kondenzator. Otpor proizlazi iz činjenice da membrana sprječava kretanje naboja po njoj. Kapacitet proizlazi iz činjenice da je lipidni dvosloj toliko tanak da nakupljanje nabijenih čestica na jednoj strani dovodi do električne sile koja vuče suprotno nabijene čestice prema drugoj strani. Na kapacitet membrane relativno ne utječu molekule koje su ugrađene u nju, tako da ima manje-više nepromjenjivu vrijednost procijenjenu na oko 2 μF/cm 2 (ukupni kapacitet dijela membrane proporcionalan je njegovoj površini). S druge strane, vodljivost čistog lipidnog dvosloja toliko je niska da u biološkim situacijama uvijek dominira vodljivost alternativnih puteva koje osiguravaju ugrađene molekule. Dakle, kapacitet membrane je manje-više fiksan, ali je otpor vrlo varijabilan.

Procjenjuje se da je debljina plazma membrane oko 7-8 nanometara. Budući da je membrana tako tanka, nije potreban jako velik transmembranski napon da bi se unutar nje stvorilo jako električno polje. Tipični membranski potencijali u životinjskim stanicama su reda veličine 100 milivolta (to jest, jedna desetina volta), ali izračuni pokazuju da to stvara električno polje blizu maksimuma koje membrana može izdržati – izračunato je da napon razlika mnogo veća od 200 milivolti mogla bi uzrokovati dielektrični slom, odnosno stvaranje luka preko membrane.

Olakšana difuzija i transport Uredi

Otpornost čistog lipidnog dvosloja na prolaz iona kroz njega je vrlo visoka, ali strukture ugrađene u membranu mogu uvelike poboljšati kretanje iona, bilo aktivno ili pasivno, putem mehanizama koji se nazivaju olakšani transport i olakšana difuzija. Dvije vrste strukture koje igraju najveću ulogu su ionski kanali i ionske pumpe, obje obično formirane od skupova proteinskih molekula. Ionski kanali osiguravaju prolaze kroz koje se ioni mogu kretati. U većini slučajeva, ionski kanal je propustljiv samo za određene vrste iona (na primjer, natrij i kalij, ali ne i klorid ili kalcij), a ponekad propusnost varira ovisno o smjeru kretanja iona. Ionske pumpe, također poznate kao ionski transporteri ili proteini nosači, aktivno transportuju određene vrste iona s jedne strane membrane na drugu, ponekad koristeći energiju dobivenu iz metaboličkih procesa za to.

Ionske pumpe Uredi

Ionske pumpe su integralni membranski proteini koji provode aktivni transport, tj. koriste staničnu energiju (ATP) za "pumpanje" iona u odnosu na njihov koncentracijski gradijent. [10] Takve ionske pumpe uzimaju ione s jedne strane membrane (smanjujući njihovu koncentraciju tamo) i otpuštaju ih s druge strane (tamo povećavajući koncentraciju).

Ionska pumpa najrelevantnija za akcijski potencijal je natrij-kalijeva pumpa, koja transportira tri natrijeva iona iz stanice i dva iona kalija unutra. [11] Kao posljedica toga, koncentracija kalijevih iona K+ unutar neurona je otprilike 20 puta veća od vanjske koncentracije, dok je vanjska koncentracija natrija otprilike devet puta veća nego unutra. [12] [13] Na sličan način, drugi ioni imaju različite koncentracije unutar i izvan neurona, kao što su kalcij, klorid i magnezij. [13]

Kad bi brojevi svake vrste iona bili jednaki, natrij-kalijeva pumpa bi bila električki neutralna, ali, zbog razmjene tri za dva, daje neto kretanje jednog pozitivnog naboja iz unutarstaničnog u ekstracelularno za svaki ciklus, čime se doprinosi pozitivnoj razlici napona. Pumpa ima tri učinka: (1) čini koncentraciju natrija visokom u izvanstaničnom prostoru i niskom u unutarstaničnom prostoru (2) čini koncentraciju kalija visokom u unutarstaničnom prostoru i niskom u izvanstaničnom prostoru (3) daje intracelularni prostor negativan napon u odnosu na izvanstanični prostor.

Natrij-kalijeva pumpa je relativno spora u radu. Kad bi se stanica inicijalizirala s jednakim koncentracijama natrija i kalija posvuda, trebalo bi satima da pumpa uspostavi ravnotežu. Crpka radi stalno, ali postaje sve manje učinkovita kako se smanjuju koncentracije natrija i kalija dostupne za crpljenje.

Ionske pumpe utječu na akcijski potencijal samo uspostavljanjem relativnog omjera intracelularnih i izvanstaničnih koncentracija iona. Akcijski potencijal uključuje uglavnom otvaranje i zatvaranje ionskih kanala, a ne ionske pumpe. Ako se ionske pumpe isključe uklanjanjem njihovog izvora energije ili dodavanjem inhibitora kao što je ouabain, akson još uvijek može aktivirati stotine tisuća akcijskih potencijala prije nego što se njihove amplitude počnu značajno smanjivati. [10] Konkretno, ionske pumpe nemaju značajnu ulogu u repolarizaciji membrane nakon akcijskog potencijala. [5]

Druga funkcionalno važna ionska pumpa je natrij-kalcij izmjenjivač. Ova pumpa radi na konceptualno sličan način kao i natrij-kalijeva pumpa, osim što u svakom ciklusu izmjenjuje tri Na + iz izvanstaničnog prostora za jedan Ca ++ iz intracelularnog prostora. Budući da je neto tok naboja prema unutra, ova pumpa radi "nizbrdo", zapravo, i stoga ne zahtijeva nikakav izvor energije osim membranskog napona. Njegov najvažniji učinak je pumpanje kalcija prema van – on također omogućuje unutarnji protok natrija, čime se suprotstavlja natrij-kalij pumpi, ali, budući da su ukupne koncentracije natrija i kalija mnogo veće od koncentracija kalcija, ovaj učinak je relativno nevažan. Neto rezultat izmjenjivača natrij-kalcij je da u stanju mirovanja, unutarstanične koncentracije kalcija postaju vrlo niske.

Ionski kanali Uredi

Ionski kanali su integralni membranski proteini s porama kroz koje ioni mogu putovati između izvanstaničnog prostora i unutrašnjosti stanice. Većina kanala je specifična (selektivna) za jedan ion, na primjer, većinu kalijevih kanala karakterizira omjer selektivnosti 1000:1 za kalij u odnosu na natrij, iako ioni kalija i natrija imaju isti naboj i samo se neznatno razlikuju po polumjeru. Pore ​​kanala su obično toliko male da ioni moraju proći kroz nju u jednom redu. [15] Pore kanala mogu biti otvorene ili zatvorene za prolaz iona, iako brojni kanali pokazuju različite razine podvodljivosti. Kada je kanal otvoren, ioni prodiru kroz pore kanala niz transmembranski koncentracijski gradijent za taj određeni ion. Brzina ionskog protoka kroz kanal, tj. amplituda jednokanalne struje, određena je maksimalnom vodljivošću kanala i elektrokemijskom pokretačkom silom za taj ion, što je razlika između trenutne vrijednosti membranskog potencijala i vrijednosti reverznog potencijala. [16]

Kanal može imati nekoliko različitih stanja (koja odgovara različitim konformacijama proteina), ali svako takvo stanje je ili otvoreno ili zatvoreno. Općenito, zatvorena stanja odgovaraju ili kontrakciji pore – što je čini neprohodnom za ion – ili odvojenom dijelu proteina, zatvarajući pore. Na primjer, naponski ovisni natrijev kanal prolazi inaktivacija, u kojem dio proteina ljulja u pore, zatvarajući je. [17] Ova inaktivacija isključuje natrijevu struju i igra ključnu ulogu u akcijskom potencijalu.

Ionski kanali se mogu klasificirati prema tome kako reagiraju na okolinu. [18] Na primjer, ionski kanali uključeni u akcijski potencijal su kanali osjetljivi na napon otvaraju se i zatvaraju kao odgovor na napon na membrani. Ligand-gated kanali čine drugu važnu klasu, ti ionski kanali se otvaraju i zatvaraju kao odgovor na vezanje molekule liganda, kao što je neurotransmiter. Ostali ionski kanali otvaraju se i zatvaraju mehaničkim silama. Drugi ionski kanali – kao što su oni senzornih neurona – otvaraju se i zatvaraju kao odgovor na druge podražaje, poput svjetlosti, temperature ili pritiska.

Kanali curenja Uredi

Kanali propuštanja su najjednostavniji tip ionskog kanala po tome što je njihova propusnost manje-više konstantna. Vrste kanala propuštanja koje imaju najveće značenje u neuronima su kalijevi i kloridni kanali. Čak ni oni nisu savršeno konstantni u svojim svojstvima: prvo, većina njih ovisi o naponu u smislu da provode bolje u jednom smjeru od drugog (drugim riječima, oni su ispravljači), drugo, neki od njih mogu biti isključeni kemijskim ligandima iako ne zahtijevaju ligande da bi djelovali.

Ligand-gated kanali Uredi

Ionski kanali vođeni ligandom su kanali čija se propusnost uvelike povećava kada se neka vrsta kemijskog liganda veže na strukturu proteina. Životinjske stanice sadrže stotine, ako ne i tisuće, takvih vrsta. Velika podskupina funkcionira kao neurotransmiterski receptori - pojavljuju se na postsinaptičkim mjestima, a kemijski ligand koji ih zatvara oslobađa presinaptički terminal aksona. Jedan primjer ovog tipa je AMPA receptor, receptor za neurotransmiter glutamat koji kada se aktivira omogućuje prolaz natrijevih i kalijevih iona. Drugi primjer je GABAA receptor, receptor za neurotransmiter GABA koji kada se aktivira omogućuje prolaz kloridnih iona.

Neurotransmiterske receptore aktiviraju ligandi koji se pojavljuju u izvanstaničnom području, ali postoje i druge vrste ligandom upravljanih kanala koji su kontrolirani interakcijama na intracelularnoj strani.

Kanali ovisni o naponu Uredi

Naponski vođeni ionski kanali, također poznati kao ionski kanali ovisni o naponu, su kanali na čiju propusnost utječe membranski potencijal. Oni čine drugu vrlo veliku skupinu, sa svakim članom koji ima određenu ionsku selektivnost i određenu naponsku ovisnost. Mnogi su također ovisni o vremenu - drugim riječima, ne reagiraju odmah na promjenu napona, već tek nakon odgode.

Jedan od najvažnijih članova ove skupine je vrsta naponski upravljanih natrijevih kanala koji su u osnovi akcijskih potencijala - oni se ponekad nazivaju Hodgkin-Huxley natrijevi kanali jer su ih u početku obilježili Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Huxley u svojim Nobelovom nagradom nagrađenim studijama fiziologije akcijskog potencijala. Kanal je zatvoren na razini napona mirovanja, ali se naglo otvara kada napon prijeđe određeni prag, dopuštajući veliki priljev natrijevih iona koji proizvodi vrlo brzu promjenu membranskog potencijala. Oporavak od akcijskog potencijala djelomično ovisi o vrsti naponski upravljanog kalijevog kanala koji je zatvoren na razini napona mirovanja, ali se otvara kao posljedica velike promjene napona nastale tijekom akcijskog potencijala.

Potencijal preokreta Uredi

Potencijal preokreta (ili ravnotežni potencijal) iona je vrijednost transmembranskog napona pri kojoj su difuzijske i električne sile protuteža, tako da nema neto protoka iona kroz membranu. To znači da se transmembranski napon točno suprotstavlja sili difuzije iona, tako da je neto struja iona kroz membranu nula i nepromjenjiva. Potencijal preokreta je važan jer daje napon koji djeluje na kanale propusne za taj ion—drugim riječima, daje napon koji gradijent koncentracije iona stvara kada djeluje kao baterija.

Ravnotežni potencijal određenog iona obično se označava oznakom Eion.Ravnotežni potencijal za bilo koji ion može se izračunati pomoću Nernstove jednadžbe. [19] Na primjer, potencijal preokreta za kalijeve ione bit će sljedeći:

  • Eeq,K + je ravnotežni potencijal za kalij, mjeren u voltima
  • R je univerzalna plinska konstanta, jednaka 8,314 džula·K −1 ·mol −1
  • T je apsolutna temperatura, mjerena u kelvinima (= K = stupnjeva Celzija + 273,15)
  • z je broj elementarnih naboja dotičnog iona uključenih u reakciju
  • F je Faradayeva konstanta, jednaka 96,485 kulona·mol −1 ili J·V −1 ·mol −1
  • [K + ]o je ekstracelularna koncentracija kalija, mjerena u mol·m −3 ili mmol·l −1
  • [K + ]i je unutarstanična koncentracija kalija

Čak i ako dva različita iona imaju isti naboj (tj. K+ i Na+), oni i dalje mogu imati vrlo različite ravnotežne potencijale, pod uvjetom da se njihove vanjske i/ili unutarnje koncentracije razlikuju. Uzmimo, na primjer, ravnotežne potencijale kalija i natrija u neuronima. Potencijal ravnoteže kalija EK je −84 mV s 5 mM kalija izvana i 140 mM iznutra. S druge strane, potencijal ravnoteže natrija, ENa, je približno +66 mV s približno 12 mM natrija unutar i 140 mM izvana. [napomena 1]

Promjene membranskog potencijala tijekom razvoja Uredi

Potencijal membrane neurona u mirovanju zapravo se mijenja tijekom razvoja organizma. Kako bi neuron na kraju usvojio svoju punu funkciju odrasle osobe, njegov potencijal mora biti strogo reguliran tijekom razvoja. Kako organizam napreduje kroz razvoj, potencijal membrane u mirovanju postaje negativniji. [20] Glijalne stanice se također diferenciraju i proliferiraju kako razvoj napreduje u mozgu. [21] Dodavanje ovih glijalnih stanica povećava sposobnost organizma da regulira ekstracelularni kalij. Pad ekstracelularnog kalija može dovesti do smanjenja membranskog potencijala od 35 mV. [22]

Podražljivost stanica Uredi

Podražljivost stanica je promjena membranskog potencijala koja je neophodna za stanične odgovore u različitim tkivima. Podražljivost stanica je svojstvo koje se inducira tijekom rane embriogeneze. [23] Ekscitabilnost stanice također je definirana kao lakoća s kojom se odgovor može pokrenuti. [24] Potencijali mirovanja i granični potencijali čine osnovu podražljivosti stanice i ti su procesi temeljni za stvaranje stupnjevanih i akcijskih potencijala.

Najvažniji regulatori podražljivosti stanica su koncentracije ekstracelularnih elektrolita (tj. Na + , K + , Ca 2+ , Cl − , Mg 2+ ) i pridruženih proteina. Važni proteini koji reguliraju staničnu ekscitabilnost su ionski kanali pod utjecajem napona, ionski transporteri (npr. Na+/K+-ATPaza, transporteri magnezija, acido-bazni transporteri), membranski receptori i hiperpolarizacijski aktivirani ciklički nukleotidski upravljani kanali. [25] Na primjer, kalijevi kanali i receptori osjetljivi na kalcij važni su regulatori ekscitabilnosti u neuronima, srčanim miocitima i mnogim drugim ekscitabilnim stanicama poput astrocita. [26] Kalcijev ion je također najvažniji drugi glasnik u signalizaciji ekscitabilnih stanica. Aktivacija sinaptičkih receptora pokreće dugotrajne promjene u neuronskoj ekscitabilnosti. [27] Hormoni štitnjače, nadbubrežne žlijezde i drugi hormoni također reguliraju podražljivost stanica, na primjer, progesteron i estrogen moduliraju ekscitabilnost stanica glatkih mišića miometrija.

Smatra se da mnoge vrste stanica imaju ekscitabilnu membranu. Ekscitabilne stanice su neuroni, miociti (srčani, skeletni, glatki), vaskularne endotelne stanice, jukstaglomerularne stanice, Cajalove intersticijske stanice, mnoge vrste epitelnih stanica (npr. beta stanice, alfa stanice, delta stanice, enteroendokrine stanice), glijalne stanice (npr. astrociti), mehanoreceptorske stanice (npr. stanice kose i Merkelove stanice), kemoreceptorske stanice (npr. glomusne stanice, receptori okusa), neke biljne stanice i moguće imunološke stanice. [28] Astrociti pokazuju oblik neelektrične ekscitabilnosti koji se temelji na intracelularnim varijacijama kalcija koje se odnose na ekspresiju nekoliko receptora putem kojih mogu detektirati sinaptički signal. U neuronima postoje različita svojstva membrane u nekim dijelovima stanice, na primjer, dendritska ekscitabilnost daje neuronima sposobnost otkrivanja slučajnosti prostorno odvojenih ulaza. [29]

Ekvivalentni sklop Uredi

Elektrofiziolozi modeliraju učinke razlika u ionskoj koncentraciji, ionskih kanala i kapacitivnosti membrane u smislu ekvivalentnog kruga, koji je namijenjen predstavljanju električnih svojstava malog dijela membrane. Ekvivalentni krug sastoji se od paralelnog kondenzatora s četiri puta, svaki se sastoji od baterije u seriji s promjenjivom vodljivošću. Kapacitet je određen svojstvima lipidnog dvosloja i uzima se kao fiksan. Svaki od četiri paralelna puta dolazi od jednog od glavnih iona, natrija, kalija, klorida i kalcija.Napon svakog ionskog puta određen je koncentracijama iona na svakoj strani membrane, vidi gornji dio Potencijala preokreta. Vodljivost svakog ionskog puta u bilo kojem trenutku vremena određena je stanjima svih ionskih kanala koji su potencijalno propusni za taj ion, uključujući kanale propuštanja, kanale zavisne od liganda i ionske kanale zavisne od napona.

Za fiksne koncentracije iona i fiksne vrijednosti vodljivosti ionskog kanala, ekvivalentni se krug može dalje reducirati, koristeći Goldmanovu jednadžbu kako je dolje opisano, na krug koji sadrži kapacitet paralelno s baterijom i vodljivost. U električnom smislu, ovo je vrsta RC kruga (krug otpora-kapacitivnosti), a njegova električna svojstva su vrlo jednostavna. Počevši od bilo kojeg početnog stanja, struja koja teče kroz vodljivost ili kapacitivnost opada s eksponencijalnim vremenskim tijekom, s vremenskom konstantom τ = RC , gdje je C kapacitivnost membrane, a R = 1/gneto je neto otpor. Za realne situacije, vremenska konstanta obično leži u rasponu od 1 do 100 milisekundi. U većini slučajeva, promjene u vodljivosti ionskih kanala događaju se u bržoj vremenskoj skali, tako da RC krug nije dobra aproksimacija, međutim, diferencijalna jednadžba koja se koristi za modeliranje membranskog zakrpa je obično modificirana verzija jednadžbe RC kruga.

Kada membranski potencijal stanice traje dulje vrijeme bez značajne promjene, naziva se potencijal mirovanja ili napon mirovanja. Ovaj izraz se koristi za membranski potencijal neekscitabilnih stanica, ali i za membranski potencijal ekscitabilnih stanica u odsutnosti ekscitacije. U ekscitabilnim stanicama, druga moguća stanja su stupnjevani membranski potencijali (promjenjive amplitude) i akcijski potencijali, koji su veliki, sve ili ništa raste u membranskom potencijalu koji obično slijede fiksni vremenski tijek. Ekscitabilne stanice uključuju neurone, mišićne stanice i neke sekretorne stanice u žlijezdama. Čak iu drugim vrstama stanica, međutim, napon membrane može se mijenjati kao odgovor na okolišne ili unutarstanične podražaje. Na primjer, čini se da je depolarizacija plazma membrane važan korak u programiranoj staničnoj smrti. [30]

Interakcije koje generiraju potencijal mirovanja modelirane su Goldmanovom jednadžbom. [31] Ovo je po obliku slično Nernstovoj jednadžbi prikazanoj gore, po tome što se temelji na nabojima dotičnih iona, kao i na razlici između njihovih unutarnjih i vanjskih koncentracija. Međutim, također uzima u obzir relativnu propusnost plazma membrane za svaki dotični ion.

Tri iona koja se pojavljuju u ovoj jednadžbi su kalij (K + ), natrij (Na + ) i klorid (Cl − ). Kalcij je izostavljen, ali se može dodati za rješavanje situacija u kojima igra značajnu ulogu. [32] Budući da su anion, kloridni pojmovi se tretiraju drugačije od kationskih termina, unutarstanična koncentracija je u brojniku, a izvanstanična koncentracija u nazivniku, što je obrnuto od kationskih pojmova. Pi označava relativnu propusnost iona tipa i.

U biti, Goldmanova formula izražava membranski potencijal kao ponderirani prosjek potencijala preokreta za pojedinačne tipove iona, ponderiran propusnošću. (Iako se membranski potencijal mijenja za oko 100 mV tijekom akcijskog potencijala, koncentracije iona unutar i izvan stanice ne mijenjaju se značajno. One ostaju blizu svojih koncentracija kada je tada membrana u potencijalu mirovanja.) U većini životinjskih stanica, stanice životinja, one ostaju blizu svojih koncentracija. propusnost za kalij je mnogo veća u stanju mirovanja od propusnosti za natrij. Kao posljedica toga, potencijal mirovanja je obično blizak potencijalu povrata kalija. [33] [34] Permeabilnost za klorid može biti dovoljno visoka da bude značajna, ali, za razliku od drugih iona, klorid se ne pumpa aktivno, te se stoga uravnotežuje na povratnom potencijalu vrlo bliskom potencijalu mirovanja koji određuju drugi ioni.

Vrijednosti membranskog potencijala mirovanja u većini životinjskih stanica obično variraju između potencijala preokretanja kalija (obično oko -80 mV) i oko -40 mV. Potencijal mirovanja u ekscitabilnim stanicama (sposobnim proizvoditi akcijske potencijale) obično je blizu -60 mV - više depolariziranih napona bi dovelo do spontanog stvaranja akcijskih potencijala. Nezrele ili nediferencirane stanice pokazuju vrlo varijabilne vrijednosti napona mirovanja, obično znatno pozitivnije nego u diferenciranim stanicama. [35] U takvim stanicama vrijednost potencijala mirovanja korelira sa stupnjem diferencijacije: nediferencirane stanice u nekim slučajevima možda uopće ne pokazuju nikakvu transmembransku razliku napona.

Održavanje potencijala mirovanja može biti metabolički skupo za stanicu zbog njezinih zahtjeva za aktivnim pumpanjem iona kako bi se suprotstavili gubicima zbog kanala propuštanja. Trošak je najveći kada funkcija stanice zahtijeva posebno depolariziranu vrijednost membranskog napona. Na primjer, potencijal mirovanja kod letjelice prilagođene dnevnom svjetlu (Calliphora vicina) fotoreceptori mogu biti visoki i do -30 mV. [36] Ovaj povišeni membranski potencijal omogućuje stanicama da vrlo brzo reagiraju na vizualne inpute, a trošak je taj što održavanje potencijala mirovanja može potrošiti više od 20% ukupnog staničnog ATP-a. [37]

S druge strane, visok potencijal mirovanja u nediferenciranim stanicama može biti metabolička prednost. Ovaj prividni paradoks rješava se ispitivanjem podrijetla tog potencijala mirovanja. Malo diferencirane stanice karakteriziraju izuzetno visoki ulazni otpor, [35] što implicira da je malo kanala propuštanja prisutno u ovoj fazi života stanice. Kao očiti rezultat, propusnost kalija postaje slična onoj za natrijeve ione, što potencijal mirovanja stavlja između potencijala preokreta za natrij i kalij kao što je gore razmotreno. Smanjene struje curenja također znače da postoji mala potreba za aktivnim pumpanjem kako bi se kompenzirala, dakle niski metabolički trošak.

Kao što je gore objašnjeno, potencijal u bilo kojoj točki stanične membrane određen je razlikama u koncentraciji iona između unutarstaničnih i izvanstaničnih područja, te propusnošću membrane za svaku vrstu iona. Koncentracije iona se obično ne mijenjaju vrlo brzo (s izuzetkom Ca 2+, gdje je početna unutarstanična koncentracija tako niska da je čak i mali dotok može povećati za redove veličine), ali se propusnost iona može promijeniti u djelić milisekundi, kao rezultat aktivacije ligandom upravljanih ionskih kanala. Promjena membranskog potencijala može biti velika ili mala, ovisno o tome koliko je ionskih kanala aktivirano i koje su vrste, a može biti ili duga ili kratka, ovisno o duljini vremena u kojem su kanali otvoreni. Promjene ovog tipa nazivaju se stupnjevani potencijali, za razliku od akcijskih potencijala, koji imaju fiksnu amplitudu i vremenski tijek.

Kao što se može izvesti iz gore prikazane Goldmanove jednadžbe, učinak povećanja propusnosti membrane za određeni tip iona pomiče membranski potencijal prema potencijalu preokreta za taj ion. Dakle, otvaranje Na + kanala pomiče membranski potencijal prema reverznom potencijalu Na +, koji je obično oko +100 mV. Isto tako, otvaranje K + kanala pomiče membranski potencijal prema oko –90 mV, a otvaranje Cl − kanala pomiče ga prema oko –70 mV (potencijal mirovanja većine membrana). Dakle, Na + kanali pomiču membranski potencijal u pozitivnom smjeru, K + kanali ga pomiču u negativnom smjeru (osim kada je membrana hiperpolarizirana na vrijednost negativniju od K + reverznog potencijala), a Cl - kanali imaju tendenciju pomicanja to prema potencijalu mirovanja.

Gradirani membranski potencijali posebno su važni u neuronima, gdje ih proizvode sinapse – privremena promjena membranskog potencijala nastala aktivacijom sinapse jednim gradiranim ili akcijskim potencijalom naziva se postsinaptički potencijal. Neurotransmiteri koji djeluju na otvaranje Na+ kanala obično uzrokuju da membranski potencijal postane pozitivniji, dok neurotransmiteri koji aktiviraju K+ kanale obično uzrokuju da on postane negativniji, oni koji inhibiraju te kanale imaju suprotan učinak.

Smatra li se postsinaptički potencijal ekscitatornim ili inhibitornim ovisi o povratnom potencijalu za ione te struje i pragu za stanicu da aktivira akcijski potencijal (oko –50 mV). Postsinaptička struja s povratnim potencijalom iznad praga, kao što je tipična Na + struja, smatra se ekscitatornom. Struja s povratnim potencijalom ispod praga, kao što je tipična K + struja, smatra se inhibitornom. Struja s povratnim potencijalom iznad potencijala mirovanja, ali ispod praga, sama po sebi neće izazvati akcijske potencijale, ali će proizvesti oscilacije potencijala membrane ispod praga. Dakle, neurotransmiteri koji djeluju na otvaranje Na + kanala proizvode ekscitatorne postsinaptičke potencijale ili EPSP, dok neurotransmiteri koji djeluju na otvaranje K + ili Cl − kanala obično proizvode inhibitorne postsinaptičke potencijale ili IPSP. Kada je više vrsta kanala otvoreno unutar istog vremenskog razdoblja, njihovi se postsinaptički potencijali zbrajaju (zbrajaju se).

Sa stajališta biofizike, odmarajući se membranski potencijal je samo membranski potencijal koji proizlazi iz membranskih propusnosti koje prevladavaju kada se stanica odmara. Gornja jednadžba ponderiranih prosjeka uvijek vrijedi, ali se sljedeći pristup može lakše vizualizirati. U svakom trenutku postoje dva čimbenika za ion koji određuju koliki će utjecaj taj ion imati na membranski potencijal stanice:

Ako je pokretačka sila velika, tada se ion "gura" preko membrane. Ako je propusnost visoka, ionu će biti lakše difundirati kroz membranu.

  • Pokretačka snaga je neto električna sila dostupna za pomicanje tog iona preko membrane. Izračunava se kao razlika između napona na kojem ion "želi" biti (njegovog ravnotežnog potencijala) i stvarnog membranskog potencijala (Em). Dakle, formalno gledano, pokretačka snaga za ion = Em - Eion
  • Na primjer, kod našeg ranije izračunatog potencijala mirovanja od −73 mV, pokretačka sila na kalij je 7 mV : (−73 mV) − (−80 mV) = 7 mV. Pokretačka sila na natriju bila bi (−73 mV) − (60 mV) = −133 mV.
  • Propusnost je mjera koliko lako ion može prijeći membranu. Obično se mjeri kao (električna) vodljivost i jedinica, siemens, odgovara 1 C·s −1 ·V −1 , što je jedan kulon u sekundi po voltu potencijala.

Dakle, u membrani u mirovanju, dok je pokretačka sila za kalij niska, njezina je propusnost vrlo visoka. Natrij ima ogromnu pokretačku snagu, ali gotovo nikakvu propusnost u mirovanju. U ovom slučaju, kalij nosi oko 20 puta veću struju od natrija, te stoga ima 20 puta veći utjecaj na Em nego natrij.

Međutim, razmislite o drugom slučaju - vrhuncu akcijskog potencijala. Ovdje je propusnost za Na visoka, a propusnost K relativno niska. Tako se membrana pomiče blizu ENa i daleko od toga EK.

Što je više iona propusno, to je sve složenije predvidjeti membranski potencijal. Međutim, to se može učiniti pomoću Goldman-Hodgkin-Katz jednadžbe ili jednadžbe ponderiranih srednjih vrijednosti. Uključujući gradijente koncentracije i propusnosti iona u bilo kojem trenutku vremena, može se odrediti membranski potencijal u tom trenutku. Ono što GHK jednadžbe znače jest da će u svakom trenutku vrijednost membranskog potencijala biti ponderirani prosjek ravnotežnih potencijala svih permeantnih iona. "Ponderiranje" je relativna propusnost iona kroz membranu.

Dok stanice troše energiju na transport iona i uspostavljanje transmembranskog potencijala, one koriste taj potencijal za prijenos drugih iona i metabolita kao što je šećer. Transmembranski potencijal mitohondrija pokreće proizvodnju ATP-a, koji je zajednička valuta biološke energije.

Stanice mogu crpiti energiju koju pohranjuju u potencijalu mirovanja za pokretanje akcijskih potencijala ili drugih oblika ekscitacije. Ove promjene u membranskom potencijalu omogućuju komunikaciju s drugim stanicama (kao kod akcijskih potencijala) ili pokreću promjene unutar stanice, što se događa u jajnoj stanici kada je oplodnja spermija.

U neuronskim stanicama, akcijski potencijal počinje naletom natrijevih iona u stanicu kroz natrijeve kanale, što rezultira depolarizacijom, dok oporavak uključuje nalet kalija prema van kroz kalijeve kanale. Oba ova toka nastaju pasivnom difuzijom.


Choi, D. W. Ionska ovisnost neurotoksičnosti glutamata. J. Neurosci. 7, 369–379 (1987).

Tymianski, M., Charlton, M. P., Carlen, P. L. & amp Tator, C. H. Specifičnost izvora rane neurotoksičnosti kalcija u kultiviranim embrionalnim spinalnim neuronima. J. Neurosci. 13, 2085–2104 (1993).

Hartley, D. M., Kurth, M. C., Bjerkness, L., Weiss, J. H. & Choi, D. W. Akumulacija 45 Ca 2+ izazvana glutamatnim receptorom u kortikalnoj kulturi korelira s naknadnom neuronskom degeneracijom. J. Neurosci. 13, 1993–2000 (1993).

Dawson, V. L., Dawson, T. M., London, E. D., Bredt, D. S. & Snyder, S. H. Dušikov oksid posreduje u neurotoksičnosti glutamata u primarnim kortikalnim kulturama. Proc. Natl akad. Sci. SAD 88, 6368–6371 (1991).

Siman, R., Noszek, J. C. & Kegerise, C. Aktivacija kalpaina I specifično je povezana s ekscitatornom aminokiselinom indukcijom oštećenja hipokampusa. J. Neurosci. 9, 1579–1590 (1989).

Monyer, H., Hartley, D. M. & Choi, D. W. 21-aminosteroidi ublažavaju ekscitotoksične neuronske ozljede u kulturama kortikalnih stanica. Neuron 5, 121–126 (1990).

Lafon-Cazal, M., Pietri, S., Culcasi, M. & Bockaert, J. NMDA-ovisna proizvodnja superoksida i neurotoksičnost. Priroda 364, 535–537 (1993).

Coyle, J. T. & Puttfarcken, P. Oksidativni stres, glutamat i neurodegenerativni poremećaji. Znanost 262, 689–695 (1993).

Dykens, J. A. Izolirani cerebralni i cerebelarni mitohondriji proizvode slobodne radikale kada su izloženi povišenom Ca 2+ i Na +: implikacije za neurodegeneraciju. J. Neurochem. 63, 584–591 (1994).

Patel, M., Day, B. J., Crapo, J. D., Fridovich, I. & amp McNamara, J. O. Zahtjev za superoksidom u ekscitotoksičnoj staničnoj smrti. Neuron 16, 345–355 (1996).

Nicholls, D.G. & Akerman, K.E.O. Mitohondrijski transport kalcija. Biochim. Biophys. Acta 683, 57–88 (1982).

Gunter, T. E., Gunter, K. K., Sheu, S.-S. & Gavin, C. E. Mitohondrijski transport kalcija: fiziološka i patološka važnost. Am. J. Physiol. Fiziol stanica. 267, C313–C339 (1994).

Ankarcrona, M. i sur. Glutamat-inducirana neuronska smrt: slijed nekroze ili apoptoze ovisno o funkciji mitohondrija. Neuron 15, 961–973 (1995).

White, R. J. & Reynolds, I. J. Mitohondrijska depolarizacija u neuronima stimuliranim glutamatom: rani signal specifičan za izloženost ekscitotoksin. J. Neurosci. 16, 5688–5697 (1996).

Schinder, A. F., Olson, E. C., Spitzer, N. C. & amp Montal, M. Mitohondrijska disfunkcija je primarni događaj u neurotoksičnosti glutamata. J. Neurosci. 16, 6125–6133 (1996).

Gunter, T. E. & Pfeiffer, D. R. Mehanizmi kojima mitohondriji prenose kalcij. Am. J. Physiol. Fiziol stanica. 258, C755–C786 (1990).

Nicholls, D. G. in Molekularni mehanizmi ishemijskog oštećenja mozga (ur. Kogure, K., Hossman, K. A., Siesjö, B. K. & Welsh, F. A.) 97–106 (Elsevier, Amsterdam, 1985.).

Reynolds, I. J. & Hastings, T. G. Glutamat inducira proizvodnju reaktivnih vrsta kisika u kultiviranim neuronima prednjeg mozga nakon aktivacije NMDA receptora. J. Neurosci. 15, 3318–3327 (1995).

Dugan, L. L. i sur. Mitohondrijska proizvodnja reaktivnih vrsta kisika u kortikalnim neuronima nakon izlaganja N-metil-D-aspartatu. J. Neurosci. 15, 6377–6388 (1995).

Bindokas, V. P., Jordan, J., Lee, C. C. & Miller, R. J. Proizvodnja superoksida u neuronima hipokampusa štakora: selektivno snimanje s hidroetidinom. J. Neurosci. 16, 1324–1336 (1996).

Arkles, B. & Brinigar, W. S. Respiratorna svojstva mitohondrija jetre štakora imobiliziranih na alkilsiliziranoj staklenoj površini. J. Biol. Chem. 250, 8856–8862 (1975).

Wang, G. J., Richardson, S. R. & amp Thayer, S. A. Unutarstanična acidifikacija nije preduvjet za smrt kultiviranih hipokampalnih neurona izazvanu glutamatom. Neurosci. Lett. 186, 139–144 (1995).

Hoyt, K. R. & Reynolds, I. J. Alkalinizacija produljuje oporavak od povećanja [Ca 2+ ]i izazvanog glutamatom povećavajući izljev Ca 2+ kroz mitohondrijski Na + /Ca 2+ izmjenjivač u kultiviranim neuronima prednjeg mozga štakora. J. Neurochem. (u tisku).

Favaron, M. i sur. Gangliozidi sprječavaju neurotoksičnost glutamata i kainata u primarnoj neuronskoj kulturi malog mozga i korteksa novorođenčadi štakora. Proc. Natl akad. Sci. SAD 85, 7351–7355 (1988).

Dykens, J. A., Stern, A. & amp Trenkner, E. Mehanizam toksičnosti kainata za cerebelarne neurone in vitro je analogan reperfuzijskoj ozljedi tkiva. J. Neurochem. 49, 1222–1228 (1987).

Bading, H. & Greenberg, M.E. Stimulacija fosforilacije proteina tirozina aktivacijom NMDA receptora. Znanost 253, 912–914 (1991).

Kawasaki, H. i sur. Aktivacija i uključivanje p38 mitogen-aktivirane protein kinaze u apoptozu izazvanu glutamatom u stanicama cerebelarne granule štakora. J. Biol. Chem. 272, 18518–18521 (1997).

Guyton, K. Z., Liu, Y., Gorospe, M., Xu, Q. & Holbrook, N. J. Aktivacija protein kinaze aktivirane mitogenom H2O2: uloga u preživljavanju stanica nakon ozljede oksidansa. J. Biol. Chem. 271, 4138–4142 (1996).

Budd, S. L. & Nicholls, D. G. Mitohondrije, regulacija kalcija i akutna ekscitotoksičnost glutamata u kultiviranim stanicama cerebelarne granule. J. Neurochem. 67, 2282–2291 (1996).

Budd, S. L. & Nicholls, D. G. Reevaluacija uloge mitohondrija u neuronskoj Ca 2+ homeostazi. J. Neurochem. 66, 403–411 (1996).

Wang, G. J., Randall, R. D. & amp Thayer, S. A. Glutamatom inducirano intracelularno zakiseljavanje kultiviranih hipokampalnih neurona pokazuje promijenjen energetski metabolizam koji je rezultat opterećenja Ca 2+. J. Neurophysiol. 72, 2563–2569 (1994).

Hyrc, K., Handran, S. D., Rothman, S. M. & Goldberg, M. P. Ionizirana intracelularna koncentracija kalcija predviđa ekscitotoksičnu neuronsku smrt: opažanja s niskim afinitetnim fluorescentnim indikatorima kalcija. J. Neurosci. 17, 6669–6677 (1997).

Stout, A. K. & Reynolds, I. J. Indikatori kalcija visokog afiniteta podcjenjuju povećanje unutarstaničnih koncentracija kalcija povezano s ekscitotoksičnim stimulacijama glutamata. neuroznanost (u tisku).

Brocard, J. B., Rajdev, S. & Reynolds, I. J. Glutamat je inducirao povećanje intracelularnog slobodnog Mg 2+ u kultiviranim kortikalnim neuronima. Neuron 11, 751–757 (1993).

Rajdev, S. & Reynolds, I. J. Calcium green 5N, nova fluorescentna sonda za praćenje visokih intracelularnih slobodnih Ca 2+ koncentracija povezanih s ekscitotoksičnošću glutamata u kultiviranim neuronima mozga štakora. Neurosci. Lett. 162, 149–152 (1993).

White, R. J. & Reynolds, I. J.Mitohondriji akumuliraju Ca 2+ nakon intenzivne glutamatne stimulacije kultiviranih neurona prednjeg mozga štakora. J. Physiol. (Lond.) 498, 31–47 (1997).

Hoyt, K. R., Stout, A. K., Cardman, J. M. & Reynolds, I. J. Procjena intracelularnog natrija i mitohondrija u puferiranju intracelularnih promjena kalcija izazvanih kainatom u neuronima prednjeg mozga štakora. J. Physiol. (Lond.) 509, 103–116 (1998).

Dawson, V. L., Kizushi, V. M., Huang, P. L., Snyder, S. H. & Dawson, T. L. Otpornost na neurotoksičnost u kortikalnim kulturama neuronskih miševa s manjkom dušikovog oksida. J. Neurosci. 16, 2479–2487 (1996).

Hewett, S. J., Corbett, J. A., McDaniel, M. L. & Choi, D. W. Inhibicija stvaranja dušikovog oksida ne štiti kulture mišjih kortikalnih stanica od neurotoksičnosti N-metil-D-aspartata. Brain Res. 625, 337–341 (1993).

Pauwels, P. J. & Leysen, J. E. Blokada stvaranja dušikovog oksida ne sprječava neurotoksičnost izazvanu glutamatom u neuronskim kulturama iz hipokampusa štakora. Neurosci. Lett. 143, 27–30 (1992).

Demerlé-Pallardy, C., Lonchampt, M.-O., Chabrier, P.-E. & Braquet, P. Odsutnost implikacije puta L-arginin/dušikov oksid na ozljedu neuronskih stanica uzrokovanu L-glutamatom ili hipoksijom. Biochem. Biophys. Rez. komun. 181, 456–464 (1991).

Beckman, J. S., Beckman, T. W., Chen, J., Marshall, P. A. & Freeman, B. A. Očigledna proizvodnja hidroksilnih radikala peroksinitritom: implikacije za ozljedu endotela od dušikovog oksida i superoksida. Proc. Natl akad. Sci. SAD 87, 1620–1624 (1990).

Newmeyer, D. D., Farschon, D. M. & Reed, J. C. apoptoza bez stanica u ekstraktima jaja Xenopus: inhibicija Bcl-2 i potreba za frakcijom organela obogaćenom mitohondrijima. stanica 79, 189–192 (1994).

Yang, J. i sur. Prevencija apoptoze Bcl-2: blokirano oslobađanje citokroma c iz mitohondrija. Znanost 275, 1129–1132 (1997).

Susin, S.A. i sur. Bcl-2 inhibira mitohondrijsko oslobađanje apoptogene proteaze. J. Exp. Med. 184, 1331–1341 (1996).

Kluck, R. M., Bossy-Wetzel, E., Green, D. R. & Newmeyer, D. D. Oslobađanje citokroma c iz mitohondrija: primarno mjesto za Bcl-2 regulaciju apoptoze. Znanost 275, 1132–1136 (1997).

Kim, C.N. i sur. Prekomjerna ekspresija Bcl-X(L) inhibira ara-C-induciran mitohondrijski gubitak citokroma c i druge pertubacije koje aktiviraju molekularnu kaskadu apoptoze. Cancer Res. 57, 3115–3120 (1997).

White, R. J. & Reynolds, I. J. Mitohondrije i Na + /Ca 2+ izmjenjuju pufer glutamatom izazvano opterećenje kalcijem u kultiviranim kortikalnim neuronima. J. Neurosci. 15, 1318–1328 (1995).

Bredt, D. S., Mourey, R. J. & Snyder, S. H. Jednostavan, osjetljiv i specifičan radioreceptorski test za inozitol 1,4,5-trisfosfat u biološkim tkivima. Biochem. Biophys. Rez. Comm. 159, 976–982 (1989).


Potencijal mitohondrijske membrane privlači kalij⁈

Ali zašto se unutar stanice nalaze veće koncentracije K⁺? i zašto se čini da je Na⁺ isključen. Zašto se ovaj takozvani "aktivni transport" preokreće nakon smrti stanice. To je objašnjeno na nekoliko načina, ali mislim da je potencijal mitohondrijske membrane (ψ m ) ono što je izravno odgovorno za to. Pokazalo se da ovaj potencijal privlači pozitivno nabijene ione.

Možda mislite da bi jednako lako privući Na⁺ kao i K⁺ budući da oboje imaju isti naboj. Gilbert Ling to djelomično objašnjava činjenicom da je Na⁺ zapravo veći ako uzmete u obzir hidratizirane polumjere - uzimajući u obzir uređenu vodenu ljusku koja ga okružuje. Uzimajući u obzir ovu pridruženu vodu, to bi zapravo dalo K⁺ hidratu veći omjer naboja/mase i veći omjer naboja/volumena.

Teoretičari 'membranske pumpe' pretpostavljaju bilo koji broj Rube Goldbergovskih pristupa u kojima ATP, uz pomoć visokoenergetske fosfatne veze (pogrešan naziv), prenosi energiju da 'ispumpa' natrij iz stanice. Razlog zašto unose ATP u ovo je taj što se pokazalo da podiže unutarstanični K⁺/Na⁺, ali to bi se moglo objasniti na druge načine. Također, ATPase aktivnost je prikazana na staničnoj membrani, ali to nije baš selektivna reakcija i ATP se spontano disocira čak iu običnoj vodi. ATP/ADP ravnoteža ovisi o pH.

Dakle, s negativnim potencijalom mitohondrijske membrane (− ψ m ), za koje bi se očekivalo da više privlače mitohondrije: natrij ili kalij? Što bi bilo očekivano akumulirati?

Kalij ima brže elektroforetsko vrijeme migracije:

Migrira s amonijakom. Ovo je dosljedan nalaz. Druga studija pokazuje isto:

Uvijek najbrže migrira prema negativnom naboju, čak i među nizom od petnaest kationa. Čak i uz stalnu difuziju, možete očekivati ​​višu koncentraciju K⁺ unutar stanice samo na temelju ovog principa. Negativni membranski potencijal neprestano bi obogaćivao stanicu s K⁺ sve dok se lanac prijenosa elektrona ne zaustavi. Ovo je stanična smrt tek tada Na⁺ postaje uravnotežen.

Triptan Blue je vjerojatno najčešći način mjerenja stanične smrti. Kada je stanica živa, ona aktivno 'isključuje' tripan plavo. Kod smrti stanice, ona je preuzima iznutra. Ovo se može vizualizirati. Prije nego što sam vidio strukturu, pretpostavio sam da je negativno nabijena. Ovo se ispostavi da je istina. Iako ima nekoliko amino skupina, ima dovoljno sulfonskih skupina za kompenzaciju - što rezultira neto negativnim nabojem.

Negativno nabijene tripan plave molekule – i možda većina, ako ne i svi anioni – odbijaju se tijekom normalnog metabolizma negativnim potencijalom mitohondrijske membrane. Uvjeravam vas da ovo nije kvar membranske pumpe za isključivanje Trypan Blue pokretane ATP-om (Tripan-ATPaza⁈).

Jens Skou je dobio Nobelovu nagradu za izolaciju enzima koji hidrolizira ATP. Nađen je na staničnoj membrani. Ovaj enzim je zapravo nazvan prije nego što je uopće pronađen na temelju njegove pretpostavljene funkcije, kao glagol. Imenica je postala tek kasnije, nakon izolacije. Ali jednorog je također imenica i samo posjedovanje pročišćenih enzima ne znači nužno da rade ono za što im pripisujete zasluge unutar stanice. Standardni testovi enzima ne mogu raditi s Na⁺/K⁺-ATPazom jer joj je za rad potrebna membrana. Ne možete dokazati da ovaj enzim djeluje na standardni način.

Evo nekoliko citata iz njegovog Nobelovog predavanja:†

A cijanid čini isto tako što se veže na središte željeza hema, inhibirajući električnu redukciju kisika i kasniji metabolizam

Azid je inhibitor lanca transporta elektrona:

Primijetite da jedini koji povećava potencijal mitohondrijske membrane također povećava ingresiju boje. U ovom slučaju korištene su pozitivno nabijene boje. Ovo je obrnuto od isključenja anionskog tripan plavog.

Ouabain je vrlo star lijek i njegovo djelovanje se vjerojatno najbolje može objasniti kao antagonist mineralkortikoida. Vrlo je sličan aldosteronu i ne liči na ATP, supstrat za Na⁺/K⁺-ATPase.

U ranim pokušajima da se opiše kako ouabain utječe na dijeljenje natrija, neki ljudi su zapravo razmatrali njegove učinke na Na⁺/K⁺-ATPase. To je zapravo učinjeno unatoč očitoj sličnosti s aldosteronom.

I₅₀ za ouabain na Na⁺/K⁺-ATPase utvrđeno je da je oko 10⁻⁷ (Erdmann↑). To je neznatno variralo ovisno o vrsti. Cs obzirom da je 841% povećanje bubrežne retencije Na⁺ izazvano (kod ovce) infuzijom od samo 4(10⁻⁸) M ouabaina na sat¶, čini se da oubain ima hormonalne učinke visokog afiniteta nego što se ne može zbog njegovog slabog ATP-aase inhibicija.

Obogaćivanje K⁺ preko Na⁺ u stanici može se na zadovoljavajući način objasniti s dva jednostavna zapažanja: negativno nabijenim potencijalom mitohondrijske membrane i brzom K⁺ elektroforetskom brzinom migracije.

Sve druge promjene u potencijalu mitohondrijske membrane dovode do promjena koncentracije drugih, većih, nabijenih molekula unutar njih. To se lako utvrđuje kada su otopljene tvari boje ili fluorescentne sonde. Samo je razumljivo misliti da bi se ista stvar dogodila s kalijevim ionima.

*Weston, Andrea, et al. "Čimbenici koji utječu na odvajanje anorganskih metalnih kationa kapilarnom elektroforezom." Časopis za kromatografiju A 593.1-2 (1992): 289-295.
†Skou, Jens C. "Identifikacija natrij-kalijeve pumpe." Kemija 1 (1998): 997.
Chen, Lan Bo. "Potencijal mitohondrijske membrane u živim stanicama." Godišnji pregled stanične biologije 4.1 (1988): 155-181.
§Piwnica, David, James F. Kronauge i Mary L. Chiu. "Usvajanje i zadržavanje heksakis (2-metoksiizobutil izonitril) tehnecija (I) u kultiviranim stanicama miokarda pilića. Ovisnost o potencijalu mitohondrija i plazma membrane." Cirkulacija 82.5 (1990): 1826-1838.
¶Yates, N. A. i J. G. McDougall. "Interakcija egzogenog ouabaina i kroničnog mineralokortikoidnog liječenja u bubrezima svjesne ovce.". Klinička i eksperimentalna farmakologija i fiziologija 24.1 (1997.): 57-63.

Mattyb

Član

Vrlo dobro čitanje, i iznimno zanimljivo. Dobro napravljeno.

Ali jedno pitanje ostaje za mene. Recimo da Na+ iz nekog razloga uđe u stanicu u prevelikoj koncentraciji - kako stanica selektivno izbaci višak Na+ ako je njezina veličina klatrata prevelika da bi se lako disociralo kroz membranu?

Postoji li mogućnost da ATPaza još uvijek djelomično funkcionira kao što je teoretizirano, ali zbog prevelikih energetskih zahtjeva ovog enzima u kontroli omjera Na/K, jednostavno se koristi kao metoda izbacivanja za smanjenje intracelularnog Na, te da je ukupni omjer još uvijek u konačnici kontrolira vlastita urođena selektivnost membrane (na temelju veličine klatrata, a ne aktivnosti ATPaze).

Travis

Član

Mislim da membrana ne može razlikovati ovo dvoje. Kroz staničnu membranu prolaze mnogo veće molekule. Gilbert Ling je u knjizi koju imam koristio hidratizirane radijuse da objasni određene unutarstanične učinke. Koristio ga je da objasni kako ostaci glutamata i aspartata imaju veći afinitet za K⁺ od Na⁺, a taj afinitet objašnjava veću koncentraciju kalija u stanici. Šezdesetih je pisao da su proteini stanice poput "fiksnog nabijenog sustava" - poput adsorbanta ili kolone afinitetne kromatografije dizajnirane za K⁺.

Povukao bih tako citate, ali moja knjiga nema gumb Ctrl+F. . ..ali ima indeks i ja sam brz pisač. Samo da provjerim . .

On kaže da K⁺ ima hidratizirani radijus od 2,0Å, a Na⁺ ima jedan od 2,8Å. On ima referencu iz 1939. za osobu koja je izvorno napravila ove izračune.

To može objasniti zašto putuje brže od Na⁺ prema negativnom naboju tijekom kapilarne elektroforeze.

Mattyb

Član

Dakle, hoćete li reći da se ioni mogu slobodno disocirati kroz staničnu membranu? (Ignorirajući sve ostale čimbenike). Možete li me uputiti na neku literaturu o ovoj temi, jer ne mogu pronaći ništa drugo osim vaših standardnih udžbeničkih stvari koje stalno ponavljaju da se ioni ne mogu slobodno difundirati.

Obrazloženje zašto veće molekule (npr. steroidni hormoni) mogu pasivno difuzirati je drugačije i ne odnosi se nužno na ione.

Mattyb

Član

Našao sam jednu studiju koja je donekle na temu interakcija membranskih iona, ali vjerujem da navodi da se ioni inkorporiraju u dvosloj lipida i da stupaju u interakciju s njim (i da dvoslojevi mogu djelovati kao puferi), ali se nisu toliko doticali difuzije .

Travis

Član

Mislim da je to samo pitanje semantike. Čut ćete govor o "selektivnom nagomilavanju", ali to je zapravo samo "selektivno isključivanje" po službenim izvještajima. Ako pročitate Skouovo Nobelovo predavanje, vidjet ćete da je ideja udžbenika da i Na⁺ i K⁺ difundiraju u ćeliju. Objašnjenje se usredotočuje na ispumpavanje Na⁺a. Dakle, kada govore o "selektivnom isključenju", oni stvarno govore o tome.

Mnogo veće molekule rutinski prolaze staničnu membranu.

Lipidni dvosloj je zanimljiv i gotovo nepropusni, ali ne može biti kontinuiran. U staničnoj stijenci moraju postojati pore: Porin (protein) – Wikipedia

Ima unutarnji promjer pora od 7Å na najužem mjestu. Trebao bi moći smjestiti dva hidratizirana iona Na⁺ jedan pored drugog.

To su prekidi u lipidnom dvosloju.

Bočni lanci aminokiselina su numerirani na unutarnjim porama:

Čini se da imamo arginine, tirozine i lizine u samom središtu pore, blago pozitivno nabijenu unutrašnjost - ali ipak: općenito se smatra da se u stanicu rutinski upuštaju mnoge stvari koje su veće i nabijenije, nego natrij.

Prilozi

Mattyb

Član

5A (prosječna duljina Na-O veze od 2,5A). Ne znam koliko je pouzdan

2A brojka je više. Ne znam koliko su tehnike iz 1930-ih pouzdane u usporedbi s modernom spektroskopijom, morao bih razgovarati sa starim kemičarom da znam kako su se tehnike poboljšale ili pogoršale. I vjerujem da hidratizirani natrij obično dolazi u paru, zar ne? Drugi ioni poput hidrata kalcija čak su veći od natrija i preširoki za porin, pa što je s njima?

Nisam uvjeren da imamo dovoljno dokaza da kažemo da bi se Na+ u ovom trenutku difundirao putem porina. Ni pozitivni ostaci u unutrašnjosti porina ne pomažu ovoj teoriji. Naravno, postoje i drugi ionski kanali koje treba uzeti u obzir. Ali postojanje drugih ionskih kanala čini me da vjerujem da je malo vjerojatnije da ATPaza postoji i da bi mogla imati određenu funkcionalnost u razmjeni Na/K (iako još uvijek vjerujem da je njezina uloga u Na/K homeostazi precijenjena).

Još uvijek ne mislim da ponavljanje mantre da se veće molekule probijaju nije dokaz bilo čega. Oni su različiti, pa zadržimo fokus na ionima.

Jedan od članaka koje sam pročitao u prošlosti navodi da kalij ima manje stabilnu hidratacijsku strukturu, što znači da se može lakše difundirati od drugih molekula - kada bi se struktura hidratacije slomila (dogodi se u pikosekundama), može doći do prilika da kalij brzo difundira u stanicu prije nego što povrati stabilnu hidratacijsku strukturu. U ovoj ideji možda postoji nešto za istražiti, budući da je struktura hidratacije natrija navodno stabilnija od kalija. Dakle, možda bi unutarstanična koncentracija Na/K mogla biti povezana sa stabilnošću njihovih hidratacijskih struktura? To bi možda moglo upotpuniti teoriju da kationi privlače negativno nabijene stanične membrane (s K koji ima brži tranzit) kao sredstvo za olakšavanje difuzije?

Na taj sam način mogao vidjeti negativno nabijenu membranu koja olakšava i dotok i izlazak kationa, dok stabilnost hidratacije i negativno nabijeni unutarstanični ostaci djeluju kao apsorbenti (i možda čak i manji doprinosi olakšanog transporta putem stvari kao što su ATPaza i ionski kanali) koji određuju koji su ioni vjerojatnije da će se raspršiti, a koji ostaju na mjestu.


Prekomjerna akumulacija glutamata

Ključni proces koji pokreće cijelu ekscitotoksičnu kaskadu je prekomjerno nakupljanje glutamata u sinaptičkom prostoru. To se može postići promjenom normalnog kruženja intrakranijalnog glutamata (slika 13) kako bi se povećalo oslobađanje glutamata u izvanstanični prostor ili kako bi se smanjio unos/transport glutamata iz sinaptičkog prostora, ili otvorenim izlijevanjem glutamata iz ozlijeđenih neurona.

Neuronski glutamat koji se oslobađa u sinaptički prostor obično se uklanja iz sinaptičkog prostora susjednim glijalnim stanicama, u kojima se glutamat pretvara u blisko srodni glutamin, koji se zatim može lako difundirati natrag u neuron. Glutamin se u neuronu pretvara natrag u glutamat.

Slika 14. Dijagram prikazuje slijed događaja koji se događaju u cerebralnoj ishemiji koja dovodi do smrti neurona. (Tvorba slobodnih radikala i aktivacija lipaze također su povezani s povećanim intracelularnim kalcijem, iako ta dva procesa nisu izravno povezana s povećanim kalcijem strelicama na ovoj shemi.)

Trauma je tupi mehanizam koji masovno podiže razinu izvanstaničnog glutamata. Normalna ekstracelularna koncentracija glutamata je oko 0,6 μmol/L. Pri koncentracijama glutamata od 2 do 5 μmol/L dolazi do značajne neuronske ekscitotoksične ozljede. Traumatske ozljede neurona mogu proizvesti katastrofalne rezultate s izlaganjem normalnih intracelularnih koncentracija glutamata od oko 10 μmol/L izvanstaničnom prostoru. Mehanička ozljeda jednog neurona stoga dovodi u opasnost sve susjedne neurone. Ova vrsta oslobađanja glutamata nastaje značajnim kolateralnim ozljedama okolnih neurona. Jedna nedavna terapijska strategija je odmah liječiti osobe s ozljedama glave ili kralježnice blokatorima glutamatnih receptora kako bi se smanjilo širenje neuronske smrti izvan neposredno fizički poremećenih neurona.

U ishemiji vjerojatno dolazi do izražaja nekoliko mehanizama prekomjerne akumulacije glutamata (slika 14). Nenormalno oslobađanje glutamata iz njegovih skladišnih mjesta u neuronskim vezikulama je barem jedan faktor. Generira se povratna sprega jer ovaj oslobođeni glutamat stimulira dodatno oslobađanje glutamata. Ishemija također uzrokuje energetski neuspjeh koji ometa ponovnu pohranu glutamatnih transportera. Ti se transporteri ponašaju kao simporteri, koji se oslanjaju na gradijent natrija kroz stanične membrane kako bi premjestili glutamat protiv njegovih koncentracijskih gradijenta u stanicu. Gradijent natrija, međutim, održava pumpa ovisna o energiji koja ne uspijeva u ishemiji. Takav neuspjeh ne samo da utječe na transport glutamata iz sinaptičkog prostora, već također uzrokuje da transporteri trče unatrag, postajući izvor izvanstaničnog glutamata, a ne ponor za njega. Ishemija lišava neurone kisika i glukoze, što rezultira energetskim neuspjehom, međutim, sam energetski neuspjeh nije osobito toksičan za neurone. Neuralna toksičnost javlja se s rezultirajućom aktivacijom kaskade mehanizama ovisnih o glutamatnom receptoru. Ako su ti receptori blokirani odgovarajućim antagonistima, neuroni mogu preživjeti razdoblje lišavanja kisika i metaboličkog supstrata. To je razlog za nedavni razvoj i ispitivanje blokatora glutamatnih receptora za liječenje akutnih ishemijskih događaja (55-66). Iako se infarktna zona ne može spasiti, nada je spriječiti okolno oštećenje rizične susjedne polusjenice.

Ovi blokatori receptora također mogu biti kritični u razvoju interventnih i farmakološki povezanih pokušaja ponovnog uspostavljanja perfuzije u akutno ishemijskim područjima mozga. Reperfuzija tkiva i povećane koncentracije kisika u ishemijska područja bez istodobnog zaustavljanja ekscitotoksične kaskade bilo na receptorskoj ili intracelularnoj razini mogu prije povećati nego smanjiti oštećenje neurona osiguravanjem dodatnih slobodnih radikala u obliku superoksidnih aniona kao i povećanjem intracelularnog kalcija u citosolu razine stimulirajući oslobađanje mitohondrijalnih zaliha kalcija.

Prihvaćanje značajne uloge mitohondrija u neuronskoj smrti i ekscitotoksičnosti odražava se u brzom širenju literature o ovoj temi tijekom posljednjeg desetljeća (26, 49, 67–81). Preliminarna istraživanja mehanizama mitohondrijske kalcijeve homeostaze već su potaknula nekoliko terapijskih neuroprotektivnih strategija.

Razvijeni su i korišteni brojni lijekovi u pokušaju da se prekine, utječe ili privremeno zaustavi ekscitotoksična kaskada glutamata prema neuronskoj ozljedi (82-88). Jedna od strategija je pokušaj "uzvodnog" smanjenja oslobađanja glutamata. Ova kategorija lijekova uključuje riluzol, lamotrigin i lifarizin, koji su blokatori natrijevih kanala. Često korišteni nimodipin je blokator kanala ovisan o naponu (L-tip). Također su napravljeni pokušaji da se utječe na različita mjesta samog spojenog glutamatnog receptora. Neki od ovih lijekova uključuju felbamat, ifenprodil, magnezij, memantin i nitroglicerin. Ovi "nizvodni" lijekovi pokušavaju utjecati na takve unutarstanične događaje kao što su stvaranje slobodnih radikala, stvaranje dušikovog oksida, proteoliza, aktivnost endonukleaze i stvaranje proteaze slične ICE-u (važna komponenta u procesu koji dovodi do programirane stanične smrti ili apoptoze). Apoptoza se javlja kao dio složenog procesa neuronske smrti, ali mnogi istraživači vjeruju da su ekscitotoksičnost i apoptoza u biti različiti mehanizmi koji imaju presijecajuće utjecaje (27, 56, 89-106).


Materijali i metode

Životinje

Mužjaci i ženke štakora Sprague-Dawley težine 300 do 350 g osigurani su od strane Hebei Laboratory Animal Center (Shijiazhuang, Kina) i smješteni na kontroliranoj temperaturi (23 ± 1°C) i vlažnosti (50 ± 5%) na konstantnoj 12 -h ciklus svjetlo/mrak (svjetlo se uključuje od 08:00 do 20:00) sa besplatnim pristupom standardnoj laboratorijskoj hrani i vodi iz slavine. Svim životinjama je dopušteno da se naviknu na objekte za održavanje životinja u razdoblju od najmanje 3 dana prije uzgoja. Trenutnu studiju odobrio je Etički odbor za životinje Medicinskog sveučilišta Hebei (Shijiazhuang, Kina). Briga o životinjama i eksperimentalni postupci provedeni su u skladu s Vodičem Nacionalnog instituta za zdravlje za njegu i korištenje laboratorijskih životinja.

Glavne kemikalije

Neurobazalni medij, Dulbeccov modificirani orlov medij (DMEM), 10% fetalni goveđi serum (FBS), fura-2-acetoksimetil ester, natrijev piruvat, glukoza, B-27, L-glutamin, HEPES i Hibernate-E su svi dobiveni od Invitrogen (SAD). Vitamini A i E, glutation, ropivakain, ciklopiazonska kiselina (CPA), tetrodotoksin, komplet za intracelularnu fluorescenciju ROS, poli-D-lizin, mononatrijeva sol L-glutaminske kiseline, 5-fluoro-1,3-dimetiluracil, NaCl, KCl2, CaCl2, a penicilin/streptomicin kupljeni su od Sigme (SAD). Ciklosporin A (CsA), JC-1, 1,2-Bis(2-aminofenoksi)etan-N,N,N',N'-tetraoctena kiselina tetrakis(acetoksimetil ester) (BAPTA-AM) ksestospongin C i dihidrokainska kiselina (Dih) dobiveni su od Abcam-a (SAD). Bupivakain, 2',7'-diklorofluorescin-diacetat (DCFH-DA), EGTA, dantrolen i adenozin trifosfat (ATP) kupljeni su od TCI (Japan), Beyotime (Kina), TaKaRa (Japan), US Pharmacopeia (SAD) , odnosno SERVA (Njemačka). Bupivakain je otopljen u sterilnoj vodi u koncentraciji od 5,8 mM i razrijeđen s HEPES puferom (vidi medij i priprema pufera) do konačne koncentracije od 0,3 do 300 μM.

Priprema medija i pufera

Kemijski definirani medij (CDM) sadržavao je neurobazalni medij, glukozu-HEPES, 2% B27, 0,2 μM vitamina A, 3 μM vitamina E, penicilin (50 U/ml)/streptomicin (50 μg/ml), 4 μM glutationa, 5 mM L-glutamina i 1 mM natrijevog piruvata. HEPES pufer je sadržavao (u mM) 145 NaCl, 3 KCl, 2 MgCl2, 2 CaCl2, 10 glukoze i 10 HEPES (prilagođen na pH 7,4 s NaOH). Otopina bez Ca 2+ plus 5 mM EGTA (otopina bez Ca 2+) sadržavala je (u mM) 145 NaCl, 3 KCl, 4 MgCl2, 10 glukoze, 10 HEPES i 5 EGTA (podešeno na pH 7,4 s NaOH).

Kultura stanica

Mješovite kulture primarnih hipokampalnih neurona i astrocita pripremljene su iz fetusa štakora Sprague-Dawley u gestacijskim danima od 18. do 20. gestacijskog dana. Suspenzija hipokampalnih stanica pripremljena je korištenjem prethodno opisanih metoda 31 i postavljena u ploče s 24 jažice obložene poli-D-lizinom na gustoće 2,5 × 10 4 stanica/cm 2 . Kulture su održavane u DMEM-u s dodatkom 10% FBS na 37°C u vlažnoj atmosferi od 5% CO2. Četiri sata nakon početnog nanošenja, medij je zamijenjen svježim CDM-om i osvježavan je svaka 3 dana zamjenom polovice volumena medija jednakim volumenom svježeg i prethodno zagrijanog CDM-a.

U čistim kulturama primarnih hipokampalnih neurona, medij je zamijenjen svježim CDM dopunjenim s 10 μM 5-fluoro-1,3-dimetiluracilom kako bi se inhibirala replikacija ne-neuronskih stanica 3 dana nakon inicijalnog postavljanja. Nakon toga, medij je zamijenjen svježim CDM-om i osvježen svaka 3 dana zamjenom polovice volumena medija s jednakim volumenom svježeg i prethodno zagrijanog CDM-a. U čistim kulturama primarnih hipokampalnih astrocita, stanice su uzgajane u DMEM-u s dodatkom 10% FBS-a prva 3 dana nakon inicijalnog postavljanja, a zatim je medij zamijenjen čistim DMEM-om.

Snimanje kalcija

Nakon 7 do 10 dana u kulturi, stanice hipokampusa štakora napunjene su fura-2-acetoksimetilom (2 μM) u mraku 20 minuta na 37°C. Nakon punjenja, kulture hipokampalnih stanica isprane su dvaput s HEPES puferom kako bi se uklonila ekstracelularna boja i stavljene u komoru za snimanje koja je kontinuirano perfuzirana s HEPES puferom pri brzini protoka od 2 ml/min na sobnoj temperaturi (23 ± 1°C). Ratiometrijsko snimanje kalcija izvedeno je na sobnoj temperaturi korištenjem prethodno opisanih metoda. 31 Ca 2+ signali su pobuđeni na 340 i 380 nm. Omjer vrijednosti na 340/380 nm, intenzitet fluorescencije na 340 nm podijeljen s onim na 380 nm, izračunat je pomoću jednadžbe [Ca 2+ ]i (340/380 nm) = <[P(340/380 nm) − B(340/380 nm)] / B(340/380 nm)>× 100%, gdje je P(340/380 nm) maksimalni omjer nakon intervencije, a B(340/380 nm) je osnovni omjer prije intervencije. Primijenili smo pozitivne markere KCl i ATP na hipokampalne stanice na kraju svakog eksperimenta kako bismo razlikovali neurone (KCl) i astrocite (ATP).

Mjerenje potencijala mitohondrijske membrane

Hipokampalni neuroni i astrociti u kulturi napunjeni su bojom JC-1 (10 μg/ml, 20 min, 37°C), lipofilnom kationskom fluorescentnom sondom specifičnom za mitohondrije, za praćenje mtΔΨ. Nakon punjenja, stanice su isprane s HEPES puferom i perfundirane istom metodom kao i metodom snimanja kalcija. Slike mtΔΨ generirane su i snimljene dvofotonskim konfokalnim laserskim skenirajućim mikroskopom Leica DMi8 (Leica Microsystems Inc., Njemačka) u intervalima od 3 s. Signali mtΔΨ bili su pobuđeni na 488 i 519 nm, a mtΔΨ (519/488 nm) predstavljao je omjer crvene/zelene JC-1 fluorescencije koji je korišten kao marker za prikaz promjena u mtΔΨ. Smanjenje mtΔΨ (519/488 nm) ukazuje na kolaps mtΔΨ i depolarizaciju mitohondrijske membrane.

Mjerenje generacije ROS

Intracelularno stvaranje ROS-a izazvano intervencijom lijeka procijenjeno je mjerenjem intenziteta fluorescencije pomoću DCFH-DA ili intracelularnog fluorescentnog ROS kompleta. Hipokampalni neuroni i astrociti u kulturi napunjeni su DCFH-DA ili reagensima iz ROS kita u mraku na 37°C tijekom 20 minuta ili 60 minuta. Nakon punjenja s DCFH-DA, kulture hipokampalnih stanica su isprane i perfuzirane s HEPES puferom koristeći istu metodu kao i metoda snimanja kalcija. Nasuprot tome, stanice napunjene fluorescentnom bojom iz ROS kompleta izravno su stavljene pod mikroskop bez pranja. ROS signali su pobuđeni na 488 nm pomoću mikroskopa Leica DMI3000B (Leica Microsystems Inc.) opremljenog sustavom za omjer slike i snimljeni u intervalima od 1 s pomoću hlađene kamere uređaja s množenjem elektrona (Andor, Njemačka). Generacija ROS, kao što je naznačeno intenzitetom fluorescencije na 488 nm, u stanicama napunjenim DCFH-DA ili fluorescentnom bojom iz kompleta ROS izračunata je pomoću jednadžbe ROS Generacija (488 nm) = [(P488 nm – B488 nm) / B488 nm] × 100%, gdje je P488 nm vršni intenzitet fluorescencije nakon intervencije, a B488 nm je osnovni intenzitet fluorescencije prije intervencije.

Uprava za lijekove

Svi agensi su otopljeni u HEPES puferu i aplicirani lokalno na hipokampalne stanice kroz mikropipetu (s promjerom vrha od 100 μm) spojenu na 8-kanalni sustav za primjenu lijeka s kontroliranim pritiskom (ALA Scientific, SAD). U primarnim hipokampalnim miješanim staničnim kulturama astrocita/neurona ili čistim kulturama određene vrste stanica, dva izlaganja glutamatu u koncentraciji koja izaziva polumaksimalni odgovor (EC50 1 mM) za 10 s inducirano ponovljivo povećanje [Ca 2+ ]i u kontrolnoj skupini otapala, a povećani [Ca 2+ ]i je vraćen na početnu razinu nakon ispiranja sredstva. Prije drugog izlaganja glutamatu u istoj stanici primijenjena je prettretman bupivakainom, ropivakainom, tetrodotoksinom, CPA ili Dihom kroz 5-minutnu perfuziju, prema planu istraživanja.

Statistička analiza

Vrijednosti su prikazane kao srednje vrijednosti ± SD. Jednosmjerna ANOVA praćena Dunnettovim testom korištena je za analizu krivulja koncentracija-odgovor bupivakaina ili ropivakaina, a dvosmjerna ANOVA praćena Bonferronijevim post hoc test je korišten za procjenu bilo kakvih razlika između dva skupa krivulja koncentracija-odgovor. Razlike između vrijednosti prije i nakon tretmana u istoj stanici određene su pomoću uparene t testu, a razlike između dviju skupina utvrđene su korištenjem nesparenog t test. Europska komisija50 vrijednosti (molarna koncentracija agonista koja je proizvela 50% maksimalnog odgovora) i Emax vrijednosti (maksimalni odgovor) za bupivakain ili glutamat izračunate su nelinearnom regresijskom analizom pomoću softvera GraphPad Prism 5.00 (GraphPad Software Inc., SAD) i uspoređene pomoću nesparene t test. A P vrijednost manja od 0,05 smatrala se statistički značajnom. Podaci su analizirani korištenjem softvera GraphPad Prism i softvera SPSS (v. 20.0 SPSS, SAD). Ne apriorno statistički izračuni snage provedeni su kako bi se vodila razmatranja veličine uzorka. Veličine uzoraka temeljene su na prethodnim međunarodnim istraživačkim iskustvima i objavljenim radovima. U ovoj studiji nisu korištene metode randomizacije. Eksperimentatori nisu bili zaslijepljeni ispitivanim uvjetima. Naši eksperimenti nisu uključivali podatke koji nedostaju, izgubljene podatke ili izuzete podatke.


35.2 Kako neuroni komuniciraju

Do kraja ovog odjeljka moći ćete učiniti sljedeće:

  • Opišite osnovu potencijala membrane mirovanja
  • Objasnite faze akcijskog potencijala i kako se akcijski potencijali šire
  • Objasnite sličnosti i razlike između kemijskih i električnih sinapsi
  • Opišite dugotrajnu potenciranje i dugotrajnu depresiju

Sve funkcije koje obavlja živčani sustav - od jednostavnog motoričkog refleksa do naprednijih funkcija poput pamćenja ili odluke - zahtijevaju da neuroni komuniciraju jedni s drugima. Dok ljudi koriste riječi i govor tijela za komunikaciju, neuroni koriste električne i kemijske signale. Baš kao i osoba u odboru, jedan neuron obično prima i sintetizira poruke od više drugih neurona prije nego što "donese odluku" da pošalje poruku drugim neuronima.

Prijenos živčanog impulsa unutar neurona

Da bi živčani sustav funkcionirao, neuroni moraju moći slati i primati signale. Ovi signali su mogući jer svaki neuron ima nabijenu staničnu membranu (razlika napona između unutarnje i vanjske strane), a naboj ove membrane može se promijeniti kao odgovor na molekule neurotransmitera oslobođene iz drugih neurona i podražaja iz okoline. Da bismo razumjeli kako neuroni komuniciraju, prvo moramo razumjeti osnovu osnovnog ili 'mirovajućeg' naboja membrane.

Neuronske nabijene membrane

Lipidna dvoslojna membrana koja okružuje neuron je nepropusna za nabijene molekule ili ione. Da bi ušli ili izašli iz neurona, ioni moraju proći kroz posebne proteine ​​zvane ionski kanali koji pokrivaju membranu. Ionski kanali imaju različite konfiguracije: otvorene, zatvorene i neaktivne, kao što je prikazano na slici 35.9. Neki ionski kanali moraju se aktivirati kako bi se otvorili i omogućili ionima da prođu u ili iz stanice. Ovi ionski kanali osjetljivi su na okoliš i mogu u skladu s tim promijeniti svoj oblik. Ionski kanali koji mijenjaju svoju strukturu kao odgovor na promjene napona nazivaju se naponski ionski kanali. Naponski regulirani ionski kanali reguliraju relativne koncentracije različitih iona unutar i izvan stanice. Razlika u ukupnom naboju između unutarnje i vanjske strane stanice naziva se membranski potencijal.

Poveznica na učenje

Ovaj video govori o osnovi potencijala membrane u mirovanju.

Potencijal membrane mirovanja

Neuron koji miruje negativno je nabijen: unutarnja strana stanice je približno 70 milivolta negativnija od vanjske (−70 mV, imajte na umu da taj broj varira ovisno o tipu neurona i vrsti). Taj se napon naziva membranski potencijal mirovanja uzrokovan je razlikama u koncentracijama iona unutar i izvan stanice. Kada bi membrana bila jednako propusna za sve ione, svaki tip iona bi tekao kroz membranu i sustav bi postigao ravnotežu. Budući da ioni ne mogu jednostavno proći kroz membranu po volji, postoje različite koncentracije nekoliko iona unutar i izvan stanice, kao što je prikazano u tablici 35.1. Razlika u broju pozitivno nabijenih kalijevih iona (K + ) unutar i izvan stanice dominira membranskim potencijalom mirovanja (slika 35.10). Kada membrana miruje, ioni K+ se nakupljaju unutar stanice zbog neto kretanja s gradijentom koncentracije. Negativni membranski potencijal mirovanja stvara se i održava povećanjem koncentracije kationa izvan stanice (u izvanstaničnoj tekućini) u odnosu na unutar stanice (u citoplazmi). Negativni naboj unutar stanice stvara se time što je stanična membrana propusnija za kretanje iona kalija nego kretanje iona natrija. U neuronima se kalijevi ioni održavaju u visokim koncentracijama unutar stanice dok se natrijevi ioni održavaju u visokim koncentracijama izvan stanice. Stanica posjeduje kanale za curenje kalija i natrija koji omogućuju da dva kationa difundiraju niz njihov koncentracijski gradijent. Međutim, neuroni imaju daleko više kanala za curenje kalija nego kanala za curenje natrija. Stoga, kalij difundira iz stanice mnogo brže nego što natrij curi unutra. Budući da više kationa napušta stanicu nego što ulazi, to uzrokuje da unutrašnjost stanice bude negativno nabijena u odnosu na vanjsku stranu stanice. Djelovanje natrij-kalijeve pumpe pomaže u održavanju potencijala mirovanja, jednom uspostavljenog. Podsjetimo da natrijeve kalijeve pumpe unose dva iona K + u stanicu dok uklanjaju tri iona Na + po utrošenom ATP-u. Kako se više kationa izbacuje iz stanice nego što se unosi, unutrašnjost stanice ostaje negativno nabijena u odnosu na izvanstaničnu tekućinu. Valja napomenuti da se ioni klorida (Cl – ) akumuliraju izvan stanice jer ih odbijaju negativno nabijeni proteini unutar citoplazme.

ion Ekstracelularna koncentracija (mM) Unutarstanična koncentracija (mM) Omjer izvana/iznutra
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl − 120 4 30
Organski anioni (A−) 100

Potencijal djelovanja

Neuron može primati ulaz od drugih neurona i, ako je taj ulaz dovoljno jak, poslati signal nizvodnim neuronima. Prijenos signala između neurona općenito se prenosi kemikalijom koja se zove neurotransmiter. Prijenos signala unutar neurona (od dendrita do terminala aksona) provodi se kratkim preokretom membranskog potencijala u mirovanju koji se naziva akcijski potencijal. Kada se molekule neurotransmitera vežu na receptore koji se nalaze na dendritima neurona, otvaraju se ionski kanali. U ekscitatornim sinapsama, ovaj otvor omogućuje pozitivnim ionima da uđu u neuron i rezultira depolarizacijom membrane – smanjenjem razlike u naponu između unutarnje i vanjske strane neurona. Podražaj iz senzorne stanice ili drugog neurona depolarizira ciljni neuron do njegovog praga potencijala (-55 mV). Na + kanali u brežuljku aksona se otvaraju, omogućujući pozitivnim ionima da uđu u stanicu (Slika 35.10 i Slika 35.11). Jednom kada se natrijevi kanali otvore, neuron se potpuno depolarizira na membranski potencijal od oko +40 mV. Akcijski potencijali se smatraju događajem "sve ili ništa", u kojem se neuron uvijek potpuno depolarizira, kada se jednom dosegne granični potencijal. Kada je depolarizacija završena, stanica sada mora "resetirati" svoj membranski napon natrag na potencijal mirovanja. Da bi se to postiglo, Na + kanali se zatvaraju i ne mogu se otvoriti. Time započinje refraktorno razdoblje neurona, u kojem ne može proizvesti drugi akcijski potencijal jer se njegovi natrijevi kanali neće otvoriti. Istodobno se otvaraju naponski K+ kanali, omogućujući K+ da napusti ćeliju. Kako ioni K+ napuštaju stanicu, membranski potencijal ponovno postaje negativan. Difuzija K+ iz stanice zapravo hiperpolarizira stanicu, tako da membranski potencijal postaje negativniji od normalnog potencijala mirovanja stanice. U ovom trenutku, natrijevi kanali će se vratiti u stanje mirovanja, što znači da su spremni za ponovno otvaranje ako membranski potencijal ponovno premaši potencijal praga. Konačno, dodatni ioni K+ difundiraju iz stanice kroz kanale za curenje kalija, dovodeći stanicu iz hiperpolariziranog stanja u njezin membranski potencijal mirovanja.

Vizualna veza

Blokatori kalijevih kanala, kao što su amiodaron i prokainamid, koji se koriste za liječenje abnormalne električne aktivnosti u srcu, nazvane srčana aritmija, ometaju kretanje K+ kroz naponsko-usmjerene K+ kanale. Na koji dio akcijskog potencijala biste očekivali da utječu kalijevi kanali?

Poveznica na učenje

Ovaj video predstavlja pregled akcijskog potencijala.

Mijelin i širenje akcijskog potencijala

Da bi akcijski potencijal prenio informaciju drugom neuronu, mora putovati duž aksona i doći do terminala aksona gdje može pokrenuti oslobađanje neurotransmitera. Na brzinu provođenja akcijskog potencijala duž aksona utječu i promjer aksona i otpornost aksona na curenje struje. Mijelin djeluje kao izolator koji sprječava da struja napusti akson, što povećava brzinu provođenja akcijskog potencijala.Kod demijelinizirajućih bolesti poput multiple skleroze, provođenje akcijskog potencijala usporava se jer struja curi iz prethodno izoliranih područja aksona. Ranvierovi čvorovi, ilustrirani na slici 35.13, su praznine u mijelinskoj ovojnici duž aksona. Ovi nemijelinizirani prostori dugi su oko jedan mikrometar i sadrže naponsko vođene Na + i K + kanale. Protok iona kroz te kanale, posebice Na + kanale, regenerira akcijski potencijal uvijek iznova duž aksona. Ovo 'skakanje' akcijskog potencijala s jednog čvora na drugi naziva se slano provođenje. Da Ranvierovi čvorovi nisu prisutni duž aksona, akcijski potencijal bi se vrlo sporo širio jer bi Na + i K + kanali morali kontinuirano regenerirati akcijske potencijale u svakoj točki duž aksona umjesto u određenim točkama. Ranvierovi čvorovi također štede energiju za neuron budući da kanali trebaju biti prisutni samo na čvorovima, a ne duž cijelog aksona.

Sinaptički prijenos

Sinapsa ili "jaz" je mjesto gdje se informacija prenosi s jednog neurona na drugi. Sinapse se obično formiraju između terminala aksona i dendritskih bodlji, ali to nije univerzalno točno. Također postoje sinapse tijela od aksona do aksona, od dendrita do dendrita i od aksona do stanice. Neuron koji prenosi signal naziva se presinaptički neuron, a neuron koji prima signal naziva se postsinaptički neuron. Imajte na umu da se ove oznake odnose na određenu sinapsu - većina neurona je presinaptička i postsinaptička. Postoje dvije vrste sinapsi: kemijske i električne.

Kemijska sinapsa

Kada akcijski potencijal dosegne terminal aksona, on depolarizira membranu i otvara naponsko regulirane Na + kanale. Na + ioni ulaze u stanicu, dodatno depolarizirajući presinaptičku membranu. Ova depolarizacija uzrokuje otvaranje naponski reguliranih Ca 2+ kanala. Kalcijevi ioni koji ulaze u stanicu pokreću signalnu kaskadu koja uzrokuje spajanje malih vezikula vezanih na membranu, zvanih sinaptičke vezikule, koje sadrže molekule neurotransmitera s presinaptičkom membranom. Sinaptičke vezikule prikazane su na slici 35.14, što je slika sa skenirajućeg elektronskog mikroskopa.

Fuzija vezikule s presinaptičkom membranom uzrokuje oslobađanje neurotransmitera u sinaptički rascjep, izvanstanični prostor između presinaptičke i postsinaptičke membrane, kao što je prikazano na slici 35.15. Neurotransmiter difundira preko sinaptičke pukotine i veže se na proteine ​​receptora na postsinaptičkoj membrani.

Vezanje specifičnog neurotransmitera uzrokuje otvaranje određenih ionskih kanala, u ovom slučaju ligand-usmjerenih kanala, na postsinaptičkoj membrani. Neurotransmiteri mogu imati ekscitatorne ili inhibitorne učinke na postsinaptičku membranu. Na primjer, kada presinaptički neuron oslobađa acetilkolin u sinapsi između živca i mišića (koji se naziva neuromuskularni spoj), to uzrokuje otvaranje postsinaptičkih Na + kanala. Na + ulazi u postsinaptičku stanicu i uzrokuje depolarizaciju postsinaptičke membrane. Ova depolarizacija naziva se ekscitatornim postsinaptičkim potencijalom (EPSP) i čini postsinaptički neuron vjerojatnijim da aktivira akcijski potencijal. Oslobađanje neurotransmitera u inhibitornim sinapsama uzrokuje inhibitorne postsinaptičke potencijale (IPSP), hiperpolarizaciju presinaptičke membrane. Na primjer, kada se neurotransmiter GABA (gama-aminomaslačna kiselina) oslobodi iz presinaptičkog neurona, on se veže i otvara Cl - kanale. Cl - ioni ulaze u stanicu i hiperpolariziraju membranu, čineći neuron manje vjerojatnom da će pokrenuti akcijski potencijal.

Jednom kada se neurotransmisija dogodi, neurotransmiter se mora ukloniti iz sinaptičke pukotine kako bi se postsinaptička membrana mogla "resetirati" i biti spremna za primanje drugog signala. To se može postići na tri načina: neurotransmiter se može difundirati dalje od sinaptičkog rascjepa, može se razgraditi enzimima u sinaptičkom rascjepu ili ga presinaptički neuron može reciklirati (ponekad se naziva ponovnim preuzimanjem). Nekoliko lijekova djeluje na ovom koraku neurotransmisije. Na primjer, neki lijekovi koji se daju pacijentima s Alzheimerom djeluju tako što inhibiraju acetilkolinesterazu, enzim koji razgrađuje acetilkolin. Ova inhibicija enzima bitno povećava neurotransmisiju u sinapsama koje oslobađaju acetilkolin. Nakon što se oslobodi, acetilkolin ostaje u rascjepu i može se kontinuirano vezati i odvezati na postsinaptičke receptore.

Neurotransmiter Primjer Mjesto
Acetilkolin CNS i/ili PNS
Biogeni amin Dopamin, serotonin, norepinefrin CNS i/ili PNS
Amino kiselina Glicin, glutamat, aspartat, gama aminobutirna kiselina CNS
Neuropeptid Supstanca P, endorfini CNS i/ili PNS

Električna sinapsa

Iako je broj električnih sinapsi manji od kemijskih, one se nalaze u svim živčanim sustavima i imaju važnu i jedinstvenu ulogu. Način neurotransmisije u električnim sinapsama prilično se razlikuje od onog u kemijskim sinapsama. U električnoj sinapsi, presinaptička i postsinaptička membrana su vrlo blizu jedna drugoj i zapravo su fizički povezane proteinima kanala koji tvore praznine. Spojevi s razmakom omogućuju protok struje izravno iz jedne ćelije u drugu. Osim iona koji prenose ovu struju, druge molekule, poput ATP-a, mogu difundirati kroz velike pore.

Postoje ključne razlike između kemijskih i električnih sinapsi. Budući da kemijske sinapse ovise o oslobađanju molekula neurotransmitera iz sinaptičkih vezikula kako bi prenijele njihov signal, postoji otprilike jedna milisekunda kašnjenja između trenutka kada potencijal aksona dosegne presinaptički terminal i kada neurotransmiter dovede do otvaranja postsinaptičkih ionskih kanala. Osim toga, ova signalizacija je jednosmjerna. Za razliku od toga, signalizacija u električnim sinapsama je praktički trenutna (što je važno za sinapse uključene u ključne reflekse), a neke električne sinapse su dvosmjerne. Električne sinapse su također pouzdanije jer je manje vjerojatno da će biti blokirane, a važne su za sinkronizaciju električne aktivnosti skupine neurona. Na primjer, smatra se da električne sinapse u talamusu reguliraju spori san, a poremećaj tih sinapsi može uzrokovati napadaje.

Zbrajanje signala

Ponekad je jedan EPSP dovoljno jak da inducira akcijski potencijal u postsinaptičkom neuronu, ali često više presinaptičkih inputa mora stvoriti EPSP otprilike u isto vrijeme kako bi postsinaptički neuron bio dovoljno depolariziran da aktivira akcijski potencijal. Taj se proces naziva zbrajanjem i događa se na brežuljku aksona, kao što je prikazano na slici 35.16. Osim toga, jedan neuron često ima ulaze od mnogih presinaptičkih neurona – nekih ekscitatornih, a nekih inhibitornih – tako da IPSP mogu poništiti EPSP i obrnuto. Neto promjena napona postsinaptičke membrane određuje je li postsinaptička stanica dosegla svoj prag pobuđenosti potreban za aktiviranje akcijskog potencijala. Zajedno, sinaptičko zbrajanje i prag uzbude djeluju kao filter tako da se nasumični "šum" u sustavu ne prenosi kao važna informacija.

Svakodnevna veza

Sučelje mozak-računalo

Amiotrofična lateralna skleroza (ALS, također nazvana Lou Gehrigova bolest) je neurološka bolest koju karakterizira degeneracija motornih neurona koji kontroliraju dobrovoljne pokrete. Bolest počinje slabljenjem mišića i nedostatkom koordinacije te na kraju uništava neurone koji kontroliraju govor, disanje i gutanje na kraju, bolest može dovesti do paralize. U tom trenutku pacijentima je potrebna pomoć strojeva kako bi mogli disati i komunicirati. Razvijeno je nekoliko posebnih tehnologija kako bi "zaključani" pacijenti mogli komunicirati s ostatkom svijeta. Jedna tehnologija, na primjer, omogućuje pacijentima da tipkaju rečenice trzanjem obraza. Te se rečenice potom mogu čitati naglas na računalu.

Relativno nova linija istraživanja za pomoć paraliziranim pacijentima, uključujući i one s ALS-om, da komuniciraju i zadrže stupanj samodostatnosti naziva se tehnologija sučelja mozga i računala (BCI) i ilustrirana je na slici 35.17. Ova tehnologija zvuči kao nešto iz znanstvene fantastike: dopušta paraliziranim pacijentima da kontroliraju računalo koristeći samo svoje misli. Postoji nekoliko oblika BCI. Neki oblici koriste EEG snimke s elektroda zalijepljenih na lubanju. Ove snimke sadrže informacije iz velikih populacija neurona koje može dekodirati računalo. Drugi oblici BCI zahtijevaju implantaciju niza elektroda manjih od poštanske marke u područje ruke i šake motornog korteksa. Ovaj oblik BCI, iako je invazivniji, vrlo je moćan jer svaka elektroda može zabilježiti stvarne akcijske potencijale iz jednog ili više neurona. Ti se signali zatim šalju računalu koje je osposobljeno da dekodira signal i predaje ga alatu—kao što je kursor na zaslonu računala. To znači da pacijent s ALS-om može koristiti e-poštu, čitati internet i komunicirati s drugima razmišljajući o pomicanju svoje ruke ili ruke (iako paralizirani pacijent ne može napraviti taj tjelesni pokret). Nedavni napredak omogućio je paraliziranoj, zaključanoj pacijentkinji koja je pretrpjela moždani udar prije 15 godina da kontrolira robotsku ruku, pa čak i da se hrani kavom koristeći BCI tehnologiju.

Unatoč nevjerojatnom napretku BCI tehnologije, ona također ima ograničenja. Tehnologija može zahtijevati mnogo sati treninga i duga razdoblja intenzivne koncentracije za pacijenta, a također može zahtijevati operaciju mozga za implantaciju uređaja.

Poveznica na učenje

Pogledajte ovaj video u kojem paralizirana žena koristi robotsku ruku kojom upravlja mozak kako bi prinijela piće ustima, među ostalim slikama tehnologije sučelja između mozga i računala u akciji.

Sinaptička plastičnost

Sinapse nisu statične strukture. Mogu biti oslabljene ili ojačane. Mogu se razbiti i napraviti nove sinapse. Sinaptička plastičnost omogućuje te promjene, koje su sve potrebne za funkcioniranje živčanog sustava. Zapravo, sinaptička plastičnost je osnova učenja i pamćenja. Dva su posebno procesa, dugotrajna potenciranje (LTP) i dugotrajna depresija (LTD) važni su oblici sinaptičke plastičnosti koji se javljaju u sinapsama u hipokampusu, regiji mozga koja je uključena u pohranjivanje sjećanja.

Dugotrajno potenciranje (LTP)

Dugotrajno potenciranje (LTP) je trajno jačanje sinaptičke veze. LTP se temelji na Hebbian principu: stanice koje se pale zajedno žicom. Postoje različiti mehanizmi, od kojih nijedan nije u potpunosti razumljiv, iza sinaptičkog jačanja vidljivog kod LTP-a. Jedan poznati mehanizam uključuje vrstu postsinaptičkog glutamatnog receptora, koji se naziva NMDA (N-metil-D-aspartat) receptori, prikazan na slici 35.18. Ovi receptori su normalno blokirani magnezijevim ionima, međutim, kada je postsinaptički neuron depolariziran višestrukim presinaptičkim ulazima u brzom slijedu (bilo iz jednog neurona ili više neurona), magnezijevi ioni se istiskuju dopuštajući Ca ionima da prođu u postsinaptičku stanicu. Zatim, Ca 2+ ioni koji ulaze u stanicu pokreću signalnu kaskadu koja uzrokuje umetanje različite vrste glutamatnog receptora, nazvanog AMPA (α-amino-3-hidroksi-5-metil-4-izoksazolpropionska kiselina) receptora, u postsinaptički membranu, budući da aktivirani AMPA receptori omogućuju ulazak pozitivnih iona u stanicu. Dakle, sljedeći put kada se glutamat oslobodi iz presinaptičke membrane, imat će veći ekscitatorni učinak (EPSP) na postsinaptičku stanicu jer će vezanje glutamata na ove AMPA receptore omogućiti više pozitivnih iona u stanicu. Umetanje dodatnih AMPA receptora jača sinapsu i znači da je vjerojatnije da će se postsinaptički neuron aktivirati kao odgovor na oslobađanje presinaptičkog neurotransmitera. Neke zlouporabne droge kooptiraju LTP put, a to sinaptičko jačanje može dovesti do ovisnosti.

Dugotrajna depresija (LTD)

Dugotrajna depresija (LTD) je u biti obrnuto od LTP-a: to je dugotrajno slabljenje sinaptičke veze. Jedan mehanizam za koji se zna da uzrokuje LTD također uključuje AMPA receptore. U ovoj situaciji, kalcij koji ulazi kroz NMDA receptore pokreće drugačiju signalnu kaskadu, što rezultira uklanjanjem AMPA receptora iz postsinaptičke membrane, kao što je prikazano na slici 35.18. Smanjenje AMPA receptora u membrani čini postsinaptički neuron manje osjetljivim na glutamat koji se oslobađa iz presinaptičkog neurona. Iako se može činiti kontraintuitivnim, LTD može biti jednako važan za učenje i pamćenje kao i LTP. Slabljenje i obrezivanje neiskorištenih sinapsi omogućuje gubitak nevažnih veza i čini sinapse koje su prošle LTP mnogo jačim u usporedbi.


Sažetak

Depolarizacija plazma membrane može potaknuti staničnu proliferaciju, ali je neizvjesno kako potencijal membrane utječe na mitogenu signalizaciju. Ovdje pokazujemo da depolarizacija plazma membrane inducira reorganizaciju fosfatidilserina i fosfatidilinozitol 4,5-bisfosfata na nanoskali, ali ne i drugih anionskih fosfolipida. K-Ras, koji je usmjeren na plazma membranu elektrostatičkim interakcijama s fosfatidilserinom, zauzvrat prolazi kroz pojačano nanoklasteriranje. Depolarizacijom izazvane promjene u organizaciji fosfatidilserina i plazma membrane K-Ras javljaju se u fibroblastima, ekscitabilnim stanicama neuroblastoma i Drosophila neurona in vivo i snažno pojačavaju K-Ras-ovisnu signalizaciju protein kinaze aktivirane mitogenom (MAPK). Suprotno tome, repolarizacija plazma membrane remeti nanoklasteriranje K-Ras i inhibira MAPK signalizaciju. Odgovarajući na promjene izazvane naponom u prostorno-vremenskoj dinamici fosfatidilserina, nanoklasteri K-Ras postavljaju plazma membranu kao biološki tranzistor s efektom polja, dopuštajući membranskom potencijalu da kontrolira pojačanje u mitogenim signalnim krugovima.

Potencijal plazma membrane (PM) (Vm) je povezan s preživljavanjem i proliferacijom stanica (1, 2). Stanice koje se dijele su više depolarizirane od mirnih stanica, a onkogenski transformirane stanice općenito su više depolarizirane od normalnih roditeljskih stanica, što ukazuje da Vm može biti obrnuto povezan s pro-proliferativnim putevima (2). Mehanizmi koji se mogu povezati Vm do proliferacije stanica slabo su okarakterizirane. Ras proteini su signalni proteini vezani na membranu uključeni u diferencijaciju, proliferaciju i preživljavanje stanica (3). Tri sveprisutno izražene Ras izoforme – H-, N- i K-Ras – sastavljaju se u prostorno različite nanosklopove na PM-u koji se nazivaju nanoklasteri (4). Formiranje nanoklastera ključno je za aktivaciju signalizacije protein kinaze aktivirane mitogenom (MAPK) Ras jer je aktivacija protein kinaze RAF na PM ograničena na Ras.GTP (GTP, guanozin trifosfat) nanoklastera (5). Sastavljanje nanoklastera zahtijeva složene interakcije između PM lipida i Ras lipidnih sidara, hipervarijabilnih regija C-terminala i G domena, pri čemu su interakcije između Ras osnovnih ostataka i nabijenih PM lipida posebno relevantne (6). Difuzija lipida u modelnim membranama i fazno odvajanje višekomponentnih dvoslojeva reagiraju na električna polja (7, 8). Stoga smo testirali da li lateralna raspodjela anionskih lipida u PM reagira na Vm te potencijalne posljedice na prostornu organizaciju Rasa.

Manipulirali smo Vm stanica bubrega bebe hrčka (BHK), mjereno stezanjem cijele stanice, promjenom ekstracelularne koncentracije K+ (slika 1A). Istovremeno smo kvantificirali distribuciju na nanoskali različitih sondi koje vežu lipide obilježene zelenim fluorescentnim proteinom (GFP) na unutarnjem PM pomoću elektronske mikroskopije (EM) i prostornog mapiranja (4, 9, 10). Analize pokazuju da nanoklasteriranje fosfatidilserina (PS) i fosfatidilinozitol 4,5-bisfosfata (PIP2) je pojačan depolarizacijom PM, dok nije bilo vidljive promjene u bočnoj distribuciji fosfatidne kiseline (PA) ili fosfatidilinozitol 3,4,5-trifosfata (PIP3) (sl. 1, B i C i sl. S1). Unaprijeđeno grupiranje PS bilo je brzo, 80% završeno unutar 30 s (najkraće vrijeme ispitivanja dopušteno EM tehnikom) (slika 1D). PIP2 grupiranje se povećavalo nešto sporije (slika 1D). Prilikom repolarizacije PM-a, prebacivanjem sa 100 mM [K + ] natrag na 5 mM [K + ], nanoklasteriranje PS i PIP2 vraćen na kontrolne vrijednosti s gotovo identičnom kinetikom (slika 1E). Promjena nije utjecala na sadržaj PS PM-a Vm (slika S2). Oporavak fluorescencije nakon fotoizbjeljivanja testovi prostorno-vremenske dinamike lipida pokazali su da je pokretna frakcija fluorescentno obilježenih PS i PIP2 značajno se smanjio nakon depolarizacije PM (slika S3), u skladu s EM podacima. Diferencijalni učinak od Vm o anionskim PM lipidima je u skladu s opažanjima da nabijeni lipidi različito reagiraju na primijenjena električna polja (7, 8, 11).

(A) Stezanje BHK stanica na cijeloj ćeliji za mjerenje Vm u izotonskim puferima koji sadrže različite [K + ]. (B) Ponderirane srednje K funkcije prikazane kao L(r) – r za PS lipidnu sondu (n ≥ 8) u kontrolnim (CON) i depolariziranim BHK stanicama. L(r) – r vrijednosti >99% intervala pouzdanosti (C.I.) za slučajni uzorak ukazuju na grupiranje. Depolarizacija (100 mM [K + ]) značajno je povećala grupiranje PS (P < 0,001, bootstrap test). (C) Vrh L(r) – r vrijednosti, Lmax, izveden iz krivulja kao u (B), kvantificirati opseg nanoklastera lipidnih sondi za PS, PIP2, PA ili PIP3 u kontrolnim i depolariziranim (100 mM [K + ]) BHK stanicama. (D) Kratki vremenski tijek (<5 min) promjena u Lmax vrijednosti za PS, PIP2i GFP–K-RasG12V (KG12V) u BHK stanicama depolariziranim sa 100 mM [K + ] na t = 0 min. (E) Vremenski tijek depolarizacije (5 do 100 mM [K + ] at t = 0 min) i repolarizacija (100 do 5 mM [K + ] at t = 60 min), promjene u Lmax za PS, PIP2 i K-RasG12V. (F) Ovisnost grupiranja GFP–K-RasG12V ili GFP-tK, kvantificirana kao Lmax vrijednosti, na Vm varirao kao u (A). (G) FLIM slike (GFP) stanica koje eksprimiraju GFP/RFP-K-RasG12V i GFP/RFP-tK FRET parove. (H) Životni vijek fluorescencije GFP-K-RasG12V ili GFP-tK u stanicama koje eksprimiraju srodni RFP-FRET par ucrtan prema Vm. Svaka točka je srednji (±SEM) GFP životni vijek izmjeren u >60 pojedinačnih stanica. Značajne razlike (*P < 0,001) procijenjeni su korištenjem jednosmjerne analize varijance (ANOVA). Trake grešaka na svim pločama predstavljaju SEM.

Lokalizacija i lateralna distribucija K-Ras na PM zahtijeva elektrostatičke interakcije između C-terminalne polibazične domene i PS (9, 10, 12, 13).Elektrostatički potencijal unutarnjeg PM letka je neovisan o Vm, te sukladno totalna unutarnja refleksijska fluorescencija i konfokalna mikroskopija pokazali su da je lokalizacija K-Ras PM neosjetljiva na depolarizaciju PM (slika S5). Međutim, eksperimenti EM prostornog mapiranja BHK stanica koje eksprimiraju GFP–K-RasG12V (GFP-obilježen, konstitutivno GTP-vezan K-Ras) pokazali su da je K-RasG12V vrh L(r) – r (Lmax, gdje L predstavlja K funkciju i r je polumjer) vrijednosti u snažnoj korelaciji s Vm, što ukazuje da depolarizacija PM pojačava nanoklasteriranje K-Ras (slika 1F). Vremenska dinamika Vm-inducirane promjene u nanoklasteriranju K-RasG12V podudarale su se s onima u PS, a ne PIP2 (Slika 1, D i E). Da bismo vizualizirali promjene nanoklastera u netaknutim stanicama, koristili smo fluorescentnu mikroskopiju za životno vrijeme u kombinaciji s prijenosom energije fluorescentne rezonancije (FLIM-FRET). Životni vijek fluorescencije GFP-K-RasG12V u stanicama koje koeksprimiraju crveni fluorescentni protein FRET akceptora (RFP)-K-RasG12V smanjio se kao funkcija Vm (Slika 1, G i H), što ukazuje na povećani FRET između GFP-K-RasG12V i RFP-K-RasG12V i stoga povećano K-Ras nanoklasteriranje. Suprotno tome, ekspresija Kv2.1 kanala, koji hiperpolarizira PM (14) (slika S6C), uvelike eliminira FRET između GFP-K-RasG12V i RFP-K-RasG12V, što je u skladu s poremećajem K-Ras nanoklastera (slika S6). Ekspresija mutanta nevodljivog kanala, Kv2.1W369CY384T (slika S6C), nije imala utjecaja na životni vijek GFP-K-RasG12V u kontrolnim FLIM eksperimentima (slika S6B). PM depolarizacija nije promijenila koncentracije intracelularnog Ca 2+ u BHK stanicama (slika S7). Sukladno tome, dobili smo identične rezultate EM i FLIM u puferima bez Ca 2+ koji sadrže Ca 2+ kelator EGTA (slika S8). PM depolarizacija također je poboljšala nanoklasteriranje GFP-tK, ali ne i GFP-tH (GFP spojen na izolirane membranske sidrene domene K-Ras i H-Ras, redom) (slika 1, F do H i slika S8, D i E). Dakle, K-Ras nanoklasteriranje je osjetljivo na Vm kroz mehanizam koji zahtijeva C-terminalnu polibazičnu domenu.

U ekscitabilnim diferenciranim stanicama neuroblastoma Neuro2A (N2A) miša (15), PM depolarizacija s visokim [K + ] također je uzrokovala značajno smanjenje životnog vijeka GFP fluorescencije u stanicama koje koekspresiraju GFP-tK i RFP-tK (slika 2, A i B), što ukazuje na povećani GFP-RFP FRET zbog povećanog GFP-tK grupiranje. Slični rezultati uočeni su s K-RasG12V pune duljine (slika 2, A i B). depolarizacija PM izazvana glutamatnim receptorom (15) također je poboljšao grupiranje K-RasG12V (slika 2C). Činilo se da ovaj učinak nije povezan s aktivacijom fosfolipaze C (PLC), jer predtretman PLC inhibitorom U73122 nije poništio grupiranje K-Ras stimulirano glutamatom, ali je učinkovito blokiralo povećanje unutarstaničnih koncentracija Ca 2+ (sl. S9). Dakle, glutamatom inducirane promjene u nanoklasteriranju K-Ras također su posredovane promjenom PM napona.

(A) FLIM slike diferenciranih N2A stanica koje izražavaju FRET parove: RFP/GFP-tK ili RFP/GFP-K-RasG12V (GFP-KG12V i depolarizirane sa 100 mM [K + ] ili 50 do 100 μM glutamata (Glu).)B i C) Kvantifikacija životnog vijeka fluorescencije GFP-K-RasG12V ili GFP-tK u N2A stanicama koje eksprimiraju srodni RFP-FRET par tretiran kao u (A). Svaka podatkovna točka je srednji (±SEM) GFP životni vijek izmjeren u >60 pojedinačnih ćelija. Značajne razlike (*P < 0,01) procijenjeni su korištenjem jednosmjerne ANOVA.

Procijenili smo uzročnost između Vm-inducirane promjene u PS ili PIP2 distribucija i grupiranje K-Ras kvantificiranjem njihove kolokalizacije korištenjem EM prostornog mapiranja i integriranih bivarijatnih K funkcija (vrijednosti LBI) (9). PM depolarizacija je značajno i selektivno pojačala povezanost K-Ras s PS, ali ne i s PIP2 (sl. 3A i sl. S10), u skladu s Vm-inducirane promjene u distribuciji PM PS uzročno povezane s povećanim K-Ras nanoklasteriranjem. Stoga smo procijenili grupiranje K-Ras u PS auksotrofnim (PSA-3) stanicama (16), koji, kada se uzgaja u odsutnosti etanolamina, sintetizira

30% manje ukupno PS (16) i iscrpljeni su PS u unutarnjem PM letku (9, 16). EM-prostorno mapiranje i FLIM-FRET slikanje PSA-3 stanica bez etanolamina pokazalo je da deplecija PS čini nanoklasteriranje K-Ras neosjetljivim na Vm (Slika 3, B i C).

(A) PM listovi iz BHK stanica koje eksprimiraju RFP–K-RasG12V, i sonda za vezanje lipida s oznakom GFP za PS ili PIP2, označeni su anti-GFP-6nm zlatom i anti-RFP-2nm zlatom i vizualizirani EM. Bivarijantne K funkcije (sažete kao LBI vrijednosti) korištene su za kvantificiranje kolokalizacije PS ili PIP2 s GFP–K-RasG12V i GFP-tH nanoklasterima. Statistička značajnost procijenjena je Mann-Whitneyjevim testovima (*P < 0,05). Dodatni rezultati reorganizacije lipida prikazani su na sl. S10E. (B) Univarijantno EM-prostorno mapiranje PM listova pripremljenih od PSA-3 stanica koje eksprimiraju GFP-K-RasG12V i uzgojene sa ili bez etanolamina (±Etn). (C) FLIM snimanje stanica PSA-3 koje eksprimiraju GFP–K-RasG12V ili koekspresiraju RFP–K-RasG12V i uzgojene ±Etn. (D) MAPK aktivacija u K-RasG12V-transformiranim BHK stanicama (i stanicama divljeg tipa sl. S11) mjerena kvantitativnim imunoblotingom za fosforilirani ERK (pERK) nakon depolarizacije PM kao na slici 1A.

Poboljšanje K-Ras.GTP nanoklasteriranja povećava aktivaciju RAF-MAPK kaskade (5). Stoga smo ispitali učinak Vm na K-Ras-specifičnu MAPK signalizaciju. Progresivno smanjenje Vm pojačana fosforilacija izvanstanične signalno regulirane kinaze (ERK) u stanicama koje eksprimiraju K-RasG12V (slika 3D i slike S11 i S12), u skladu s rezultatima EM i FLIM. Aktivacija ERK-a je nelinearno ovisila o Vm (sl. 3D) za razliku od Lmax (slika 1F). To je očekivano jer K-Ras grupirana frakcija (ϕ), koja određuje izlaz MAPK signala (5), je nelinearna funkcija od Lmax (4) (sl. S13). Aktivacija MAPK se brzo povećala kao odgovor na PM depolarizaciju (< lt30 s), u skladu s vremenskom skalom pojačanog grupiranja K-Ras i oporavila se unutar 30 minuta od PM repolarizacije (slika S14). Vm-inducirana aktivacija MAPK signalizacije u K-RasG12V-ekspresirajućim PSA-3 stanicama ukinuta je u uvjetima osiromašenja PS (sl. S11C). Dakle, smanjenje razine stanične i PM PS učinkovito odvaja Vm od K-Ras grupiranja i signalizacije. Budući da su količine K-Ras.GTP fiksirane u stanicama K-RasG12V, Vm regulira pojačanje signala u K-Ras signalnom krugu kontrolirajući opseg K-Ras nanoklastera.

Na kraju, uočili smo slične rezultate in vivo u Drosophila (slika 4A) (17). Depolarizacija intaktnih mozgova muha koji eksprimiraju GFP-tK i RFP-tK rezultirala je povećanim GFP-RFP FRET (slika 4, B i C), što ukazuje na pojačano grupiranje K-Ras. Sukladno tome, depolarizacija embrija divljeg tipa muhe značajno je stimulirala aktivaciju MAPK, dok je depolarizacija atp8b mutantni embriji (slika S15) kojima nedostaje PM PS flippaza (18, 19) nije imao utjecaja na MAPK aktivaciju (slika 4D i slika S16L). Manjak atp8b smanjuje unutarnji PM letak PS (18, 19) (slika S16, A do K) i stoga je djelomična fenokopija PSA-3 stanica s nedostatkom PS (slika S11).

(A) Konfokalne slike muha koje eksprimiraju GFP-tK, ili koeksprimiraju GFP-tK i RFP-tK, iz neurona-specifičnog promotora. (B) FLIM snimanje mozga muha u (A) u kontrolnom puferu i nakon depolarizacije s visokim [K+]. (C) Kvantifikacija životnog vijeka fluorescencije GFP-tK u mozgu muha koji izražava srodni par RFP-FRET tretiran kao u (B) rezultati su srednji (±SEM, n = 9). Visok [K + ] nije imao utjecaja na životni vijek fluorescencije GFP-tH u mozgovima muha koji eksprimiraju GFP-tH i RFP-tH. (D) Embriji mušica divljeg tipa (WT) i mutanta atp8b muhe inkubirane u 5 ili 90 mM K+ tijekom 15 minuta, a zatim imunoblotirane na pERK. Rezultati su kvantificirani kao srednja vrijednost ± SEM (n = 3).

Pokazali smo da depolarizacija PM izaziva brze i značajne promjene u nanorazmjernoj organizaciji anionskih fosfolipida, PS i PIP2, na unutarnjem letku PM-a. Važna posljedica reorganizacije PS je povećana nanoklasterizacija K-Ras, koja pojačava K-Ras-ovisnu MAPK signalizaciju u neekscitabilnim i ekscitabilnim stanicama, kao i u intaktnom embriju muhe. Smanjeni PM Vm dugo je bio povezan s preživljavanjem, proliferacijom i diferencijacijom stanica (1, 2). Ipak, nije predložen nikakav uvjerljiv mehanizam koji bi objasnio unos električnog signala u kaskade stanične signalizacije. Predlažemo da K-Ras nanoklasteri, odgovarajući na Vm-inducirane promjene u prostorno-vremenskoj dinamici PS, omogućuju PM-u da djeluje kao tranzistor s efektom polja za kontrolu pojačanja u Ras signalnim krugovima. Neuronski razvoj, uključujući plastičnost, dugotrajnu potenciranje i pamćenje, snažno je povezan s Vm i MAPK signalizacija (20, 21) stoga je moguće da promjene u PS-posredovanoj K-Ras lateralnoj segregaciji potencijalno igraju važnu ulogu u tim procesima.


Gledaj video: Od ovog napitka cete PUCATI OD ENERGIJE U KREVETU (Srpanj 2022).


Komentari:

  1. Nihn

    Molimo objasnite detaljnije

  2. Sabar

    Po mom mišljenju, nisu u pravu. Piši mi na PM, priča se s tobom.

  3. Hernando

    Sorry, I can't help you. But I am sure that you will find the right solution. Ne očajavaj.

  4. Vudokora

    bravo ... keep it up ... super

  5. Majas

    Ispričavam se, ali ne prilazi mi apsolutno. Možda još ima varijanti?



Napišite poruku