Informace

Nejasnost ohledně vztahu mezi membránovým potenciálem a koncentračním gradientem v neuronových buňkách


Uvízl jsem v nejednoznačnosti ohledně rovnovážných potenciálů neuronových buněk. Následující text je převzat z webových stránek khanacademy:

V jedné části se říká, že:

Začneme s K ve vyšší koncentraci uvnitř buňky než v okolní tekutině, stejně jako u běžného neuronu. (Jsou přítomny i další ionty, včetně aniontů, které vyvažují kladný náboj na K, ale v našem příkladu nebudou schopny překročit membránu.)

Pokud se draslíkové kanály v membráně otevřou, K se začne pohybovat po svém koncentračním gradientu ven z buňky. Pokaždé, když K ion opustí buňku, vnitřek buňky ztratí kladný náboj. Z tohoto důvodu se na vnější straně buněčné membrány hromadí mírný přebytek kladného náboje a uvnitř se vytváří mírný přebytek záporného náboje. To znamená, že vnitřek buňky se stává vůči vnějšímu záporným a vytváří rozdíl v elektrickém potenciálu přes membránu.

Jak draslík pokračuje v opouštění buňky a odděluje další náboje, membránový potenciál bude dále růst. Napětí budovací membrány je tedy rostoucí silou, která působí proti tendenci čistého pohybu iontů draslíku po gradientu koncentrace draslíku.

Rozdíl elektrického potenciálu napříč buněčnou membránou nakonec dosáhne dostatečně vysoké úrovně, že elektrická síla přivádějící K zpět do buňky se rovná chemické síle, která vytlačuje K z buňky. Když potenciální rozdíl přes buněčnou membránu dosáhne tohoto bodu, nedochází k žádnému čistému pohybu K v žádném směru a systém je považován za v rovnováze. Pokaždé, když jeden K opustí celu, vstoupí do ní další K.

V jiné části se říká, že:

Rozdíl elektrického potenciálu přes buněčnou membránu, který přesně vyvažuje koncentrační gradient pro iont, je známý jako rovnovážný potenciál. Protože je systém v rovnováze, membránový potenciál bude mít tendenci zůstat na rovnovážném potenciálu. U buňky, kde je pouze jeden prostupující iontový druh (pouze jeden typ iontu, který může procházet membránou), se klidový membránový potenciál bude rovnat rovnovážnému potenciálu pro tento iont.

Čím strmější je gradient koncentrace, tím větší musí být elektrický potenciál, který jej vyrovnává. K tomu můžete získat intuitivní pocit, když si představíte koncentrace iontů na obou stranách membrány jako kopce různých velikostí a uvažujete o rovnovážném potenciálu jako o síle, kterou byste museli vyvinout, aby se balvan nesvalil dolů po svazích mezi nimi .

Z výše uvedeného textu jsem uzavřel dvě následující informace:

  1. Čím více se blížíme k rovnovážnému stavu, tím je klesá membránový potenciál protože koncentrační gradient klesá. (Čím strmější je gradient koncentrace, tím větší musí být elektrický potenciál, který jej vyrovnává)

  2. Čím více se blížíme k rovnovážnému stavu, tím je membránový potenciál se zvyšuje, protože kladné ionty opouštějí buňku.

Jak tento paradox vyřešit?


Vaši otázku interpretuji zhruba: „Rovnovážný potenciál je založen na rozdílu koncentrací, ale jak se ionty pohybují a vytvářejí elektrický potenciál, rozdíl v koncentraci se mění. Proč to zase nezmění rovnovážný potenciál tak, že koncentrace vyrovnat se a potenciál se stane nulou? "

Jestli mám pravdu…

Odpověď na váš paradox je, že jen velmi málo iontů se musí pohybovat.

Počet iontů draslíku, které by se musely přes membránu pohybovat, aby se vytvořil klidový membránový potenciál, je drobný. Elektrické síly jsou velmi silné. Nerovnováha v iontech citelně neovlivňuje koncentrace uvnitř i vně.

U typické buňky 1 mikrocoulomb náboje (6 × 10^12 monovalentních iontů) na centimetr čtvereční membrány, přenesený z jedné strany membrány na druhou, změní membránový potenciál zhruba o 1 V. To znamená, že například že v sférické buňce o průměru 10 μm je počet iontů K+, které musí vytéct, aby změnily membránový potenciál o 100 mV, pouze asi 1/10000 z celkového počtu iontů K+ v cytosolu.

od Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2002). Iontové kanály a elektrické vlastnosti membrán.

Protože však membrány jsou také málo propustné pro sodík a protože akční potenciály a synaptický přenos umožňují proudění dalších iontů přes membránu, pokud byste dali nekonečný čas, nakonec by se koncentrace iontů uvnitř i vně vyrovnaly a membránový potenciál by nakonec být nula. Sodnato-draselná pumpa tento problém řeší pokračováním udržování vysokého draslíku a nízkého sodíku uvnitř buňky.


Vaše první dedukce je špatná. Věta ve skutečnosti znamená s větším koncentračním rozdílem v počátečních podmínkách, případně by měl existovat vyšší elektrický potenciál pro uspokojení opačného chemického potenciálu. Dynamiku systému lze popsat exponenciální funkcí. Čím blíže se rovnovážnému potenciálu dostaneme, tím menší bude rychlost přibližování se ke konečnému stavu, tj. Rychlost eskalace elektrického potenciálu. Všimněte si, že ve skutečnosti to nemá na koncentrace vliv, protože malé množství iontové výměny může generovat značné množství elektrického potenciálu.


Souhra mezi elektrostatickým membránovým potenciálem a konformačními změnami v membránových proteinech

Korespondence: Xuejun C. Zhang, Národní laboratoř biomakromolekul, Centrum CAS pro excelence v biomakromolekulách, Biofyzikální ústav, Čínská akademie věd, 15 Datun Road, Peking 100101, Čína. E-mail: [email protected] Vyhledat další příspěvky od tohoto autora

National Laboratory of Biomacromolecules, CAS Center for Excellence in Biomacromolecules, Biofyzikální ústav, Čínská akademie věd, Peking, Čína

University of Chinese Academy of Sciences, Peking, Čína

National Laboratory of Biomacromolecules, CAS Center for Excellence in Biomacromolecules, Biofyzikální ústav, Čínská akademie věd, Peking, Čína

University of Chinese Academy of Sciences, Peking, Čína

Korespondence: Xuejun C. Zhang, Národní laboratoř biomakromolekul, Centrum CAS pro excelenci v biomakromolekulách, Biofyzikální ústav, Čínská akademie věd, 15 Datun Road, Peking 100101, Čína. E-mail: [email protected] Vyhledat další příspěvky od tohoto autora

National Laboratory of Biomacromolecules, CAS Center for Excellence in Biomacromolecules, Biofyzikální ústav, Čínská akademie věd, Peking, Čína

University of Chinese Academy of Sciences, Peking, Čína


Odpovědět

Iontový základ membránového potenciálu je konfliktem mezi dvěma základními fyzikálními procesy: difuzními a elektrickými „silami“ působícími na ionty. Jako všechny částice, ionty dávají přednost rozložení, nikoli shlukování - dávají přednost stavu s vyšší entropienebo porucha. Pokud jsou však náboje v systému vyvážené a poté se ionty určitého náboje rozloží a zanechají za sebou ionty druhého náboje, vytvoří nerovnováhu náboje - elektrický potenciál.

Přesně to se děje v buňce, kde se brání difuzi negativně nabitých molekul, jako je DNA a jiné organické anionty, přes membránu, ale existují speciální kanály, které umožňují průchod monoatomických iontů, jako je Na +. Výsledný rozdíl náboje vytváří elektrický potenciál - a tedy elektrickou sílu, která se snaží vyrovnat náboj uvnitř a vně článku.

Výsledkem vzájemného konfliktu elektrické síly a difuzní síly je rovnováha - bod, ve kterém jsou toky způsobené každou silou stejné a opačné. Obecně mají jednotlivé ionty větší vliv na náboj a potenciál než na koncentraci, proto tomuto rovnovážnému stavu systému říkáme „rovnovážný potenciál“ nebo „klidový potenciál“, nikoli „rovnovážná koncentrace“.

Single-Ion Case: Nernstova rovnice

V tomto bodě můžeme kvantifikovat hodnotu elektrického potenciálu sledováním tohoto intuitivního vysvětlení pomocí nějaké dobré staromódní fyziky. U jediného iontového druhu $ X $ je tento proces natolik přímočarý, že jsem v dolní části tohoto příspěvku reprodukoval odvození skici pro matematické typy. Výsledná rovnice se nazývá „Nernstova rovnice“ podle jejího objevitele Walthera Nernsta:

Promluvme si o prvním termínu. Dvě jeho složky jsou jen konstanty, které se týkají našich jednotek. R. je ideální plynová konstanta, která spojuje naše energetické jednotky s našimi teplotními jednotkami. F je Faradayova konstanta, rovnající se náboji, v coulombech, na mol elektronu - vztahuje naše jednotky náboje k našim jednotkám koncentrace. T je jen teplota. Pokud předpokládáme, že mluvíme o teplokrevném tvorovi, a rozhodneme se měřit elektrický potenciál pomocí miliVoltů, můžeme tyto tři termíny zjednodušit na jedno číslo-asi 25:

To není tak strašidelné! Také se to zlepšuje: z je náboj iontu, který je pouze jedním ze tří čísel v biologickém kontextu: +1, -1 nebo +2

Primárním určujícím faktorem rovnovážného potenciálu pro ion je tedy poměr koncentrací iontu vně a uvnitř buňky. Logaritmus se rovná 0, pokud je jeho argument 1. V takovém případě je klidový potenciál 0: pokud jsou koncentrace uvnitř a vně stejné, neexistuje žádná difuzní síla, a tedy nic pro vyrovnání elektrického potenciálu. Pokud je ion pozitivní, pak je znaménko rozdílu klidového potenciálu stejné jako znaménko logaritmu poměru jeho vnějších a vnitřních koncentrací. Více iontů mimo buňku než v poskytne poměr větší než 1, a tedy kladnou hodnotu logaritmu. Toky tedy budou vyvážené, když je buňka pozitivní vůči extracelulárnímu prostředí. Tento kladný náboj vytváří elektrické pole, které odpuzuje kladně nabité ionty, které by jinak proudily po jejich koncentračním gradientu a do buňky. U záporně nabitého iontu převrátí záporné znaménko od $ z $ znaménko rovnovážného potenciálu a dostaneme přesně stejný příběh, mutatis mutandis.

Vícenásobné ionty: Goldman-Hodgkinova-Katzova rovnice

V předchozí diskusi jsme uvažovali pouze buňky s membránami propustnými pro jeden iontový druh. Věci se pro více iontů trochu komplikují, protože jejich elektrická pole se navzájem doplňují, zatímco jejich difúzní tendence jsou zcela nezávislé. Proto již nehledáme napětí, při kterém má každý jednotlivý ion čistý tok 0 - místo toho hledáme napětí, při kterém je čistý tok všech iontů 0. Při tomto potenciálu neexistuje žádná síť tok nabít, a tak se membránový potenciál v průběhu času nezmění.

Jak asi uhodnete, můžeme vzít v úvahu vícenásobné difúzní toky jejich sčítáním - dva vnější toky je třeba zrušit vnitřním tokem dvojnásobné velikosti. Ne všechny toky jsou však vytvořeny stejně. Biologické membrány jsou selektivně propustné - místo toho, aby membrány měly jednoduché fyzické otvory pro průchod iontů, mají membrány selektivní proteiny zvané [iontové kanály] http://charlesfrye.github.io>/18), které propouštějí pouze ionty konkrétního druhu.

Pokud existuje velmi velký rozdíl v koncentraci, ale žádné nebo jen velmi málo otvorů v membráně, kterými může iont protékat, pak bude proudit velmi málo iontů - představte si vodní balón s dírkou ve spodní části ve srovnání s jedním s odebraným kusem ven. Proto musíme vzít relativní propustnosti iontů v úvahu.

Výsledná rovnice za předpokladu, že všechny ionty mají náboj 1 nebo -1, což funguje dobře pro většinu kontextů neurovědy, je Goldman-Hodgkinova-Katzova rovnice:

Tady p znamená propustnost. Všimněte si, že děláme dva oddělené součty, jeden pro kladné ionty a jeden pro záporné ionty. Dále si všimněte, že argumenty jsou u těchto dvou součtů různé: poměr pro záporné ionty je „vzhůru nohama“ relativně k poměru pro kladné ionty. To znamená, že navrch poměru sčítáme koncentrace pozitivních iontů mimo buňku, ale koncentrace negativních iontů mimo buňku, zatímco na dně je situace obrácená.

Algebraický důvod této situace je celkem přímočarý: z na vnější straně protokolu pro záporné ionty je záporný. Když chceme kombinovat více rovnic s různými hodnotami pro z, musíme přinést z uvnitř logaritmu. Negativní jedenkrát log X se rovná log X -1, a proto musíme převrátit náš poměr.

Ale mluvíme zde o biologii, ne o čisté matematice, takže je lepší vysvětlení z hlediska skutečného systému. A existuje!

Pamatujte, že se snažíme vyrovnat toky iontů s elektrickým polem. Elektrické pole, které tlačí proti toku kladných iontů v jednom směru, se přidá k toku záporných iontů ve stejném směru - odpudivá elektrická síla pro kladné ionty je atraktivní silou pro záporné ionty. Z tohoto důvodu potřebujeme stejný, ale opačný elektrický potenciál, abychom působili proti koncentračnímu gradientu negativních iontů místo pozitivních iontů. Převrácením poměru uvnitř logu získáme záporný násobek původního výsledku - stejný, ale opačný.

Všimněte si, že rovnice GHK vám poskytne napětí, při kterém je čistý tok 0, ale jednotlivé toky iontů mohou být nenulové. To znamená, že ionty budou proudit do buňky nebo z ní, čímž se zruší samotné koncentrační gradienty, které na prvním místě nastavují rozdíl napětí! Z tohoto důvodu musí buňky vydávat energii, aby udržely své koncentrační gradienty. Primárním proteinem v tomto systému je sodno-draselný výměník, který štěpí ATP, aby zatlačil sodík a draslík proti jejich gradientům.

Tyto konstantní toky jsou důvodem, proč se iontové kanály, které jsou základem klidového membránového potenciálu, často nazývají „netěsné“ kanály.

Elektrický pohled: Ekvivalentní obvod

Předchozí diskuse zabrala především chemikálie pohled na membránový potenciál: máme propustnou membránu, koncentrační gradienty atd. Existuje paralelní a ekvivalentní pohled na membránový potenciál, který je primárně elektrický: ekvivalentní obvod.

V tomto pohledu jsou koncentrační gradienty baterie-vytvářejí elektrický potenciál-semipermeabilní membrána je odpor-umožňuje variabilní množství proudu, v závislosti na propustnosti-a intra- a extracelulární tekutiny jsou dráty- procházejí proudem bez odporu.

Můžeme zkombinovat všechny tyto kousky dohromady, abychom získali obrázek ekvivalentního obvodu:

Obr. 1 Ekvivalentní obvod pro neuron. Od Kandela, 5e.

Už jsme mluvili o prvních čtyřech těchto prvcích, pohybujících se zleva doprava. Existují tři koncentrační gradienty a s nimi související propustnosti, na které se zde odkazuje v dopise G, což znamená vodivost bez dobrého důvodu. Vodivost je inverzní k odporu. Každá vodivost GX prochází proudem iontu X, poháněný koncentračním gradientem EX. Toto jsou toky, o kterých jsme celou dobu mluvili. Čtvrtým prvkem je sodíko-draselný výměník.

Už teď můžeme těžit z tohoto nového rámce. Aplikace několika jednoduchých obvodových zákonů nám dává novou, snáze použitelnou náhradu za rovnici GHK:

Kde ty hodnoty EX jsou jen hodnoty, které jsme získali z Nernstovy rovnice. Toto je velmi elegantní způsob, jak vyjádřit membránový potenciál: je to a vážený průměr Nernstových potenciálů, kde hmotnosti jsou velikosti iontových vodivostí. Tato interpretace přijde vhod, když se chceme zamyslet nad akčním potenciálem.

Pátý prvek ekvivalentního obvodu byl dosud mimo rozsah naší diskuse. Uvažovali jsme ekvilibrální potenciálynebo ustálené stavy systému membránového potenciálu. Některé z nejzajímavějších vlastností chování neuronů však zahrnují přechodné reakce. Zvažte výsledky následujícího experimentu: vstříkneme krok proudu do neuronu a poté zaznamenáme membránový potenciál, jak se mění v čase. Pokud by náš obraz neuronu až do tohoto bodu byl zcela správný, očekávali bychom jen krok v membránovém potenciálu - napětí by se okamžitě změnilo na novou hodnotu a iontové toky by se změnily, aby odrážely tuto skutečnost. Místo toho vidíme následující:

Obr Výsledkem skokového proudu není skoková změna napětí.

Místo toho, aby neuron okamžitě dosáhl očekávaného napětí, potřebuje čas, aby se tam dostal. Co dává?

Odpověď spočívá v pátém prvku v ekvivalentním obvodu výše: je to a kondenzátor. Při návrhu obvodu jsou kondenzátory vyrobeny oddělením dvou kovových desek odporovým médiem. Čím těsnější kontakt desky mají, tím více může nahromadění náboje na jedné desce způsobit nahromadění opačného náboje na opačné desce. Můžeme to kvantifikovat pomocí čísla kapacitní, který má jednotky Faradové. V neuronu jsou naše „destičky“ nitrobuněčné a mimobuněčné tekutiny přímo proti membráně a naše „odporové médium“ je fosfolipidová dvojvrstva, která tvoří převážnou část membrány.

Když tedy do buňky vstříkneme proud, první místo, kam jde, je na tyto kondenzátorové desky. To nemění potenciál napříč membránou, takže na samém začátku naší současné injekce se membránový potenciál nemění. Dělá to, že je obtížnější přidat pozdější proud na kondenzátor: kondenzátor se „přeplní“, a proto je pravděpodobnější, že pozdější náboje budou mít alternativní trasu. Jedinou dostupnou alternativní cestou jsou vodivosti, takže jak čas plyne, na kondenzátor jde méně náboje a více prochází vodivostí.

Moje oblíbená volná metafora pro tento proces zahrnuje spoustu lidských párů, oddělených řekou s jediným vratkým, nebezpečným mostem. Abychom sladili základní vědu, buďme trochu heteronormativní a řekněme, že páry jsou všichni muži a ženy. Pokud všechny přátele vyhodíme na jednu stranu řeky, první věc, kterou budou chtít udělat, je setkat se se svou přítelkyní. Rachotivý most je však příliš děsivý, a tak místo toho vykročí ke břehu, zavolají na bae a úspěšně se setkají, aniž by museli riskovat své životy.

Obr Vizuální pomůcka.

Ale poté, co dost strategií přijme tuto strategii, začne být nábřeží přeplněné. Ve skutečnosti tam bude dost lidí, že pár neohrožených duší začne přecházet most, frustrovaní svou neschopností dosáhnout břehu. Na rozdíl od lidí křičících přes řeku to samozřejmě změní genderovou rovnováhu.

V neuronu jsou kladné a záporné náboje dvěma pohlavími. Membrána je řeka, která tragicky oddělila naše milující páry. Vodivost představuje kvalitu můstku: vyšší vodivost znamená bezpečnější a méně strašidelný můstek. Kapacitní kapacita ukazuje, jak snadné je mluvit přes řeku: pokud je řeka tenká a meandrující, může se pohodlně postavit mnoho dalších párů na chat. Pokud je naopak řeka velmi široká a rovná, břehy se rychle zaplní a také se rychleji zvýší motivace přejít most.

Jak jste možná uhodli ze všech diskusí o čase v předchozích odstavcích, ekvivalentní obvodový model nám umožňuje použít vlastnosti vodivosti a kapacity k předpovědi neobvyklého časového průběhu, který jsme viděli na obrázku 2. Podrobnosti o tom, jak to můžeme udělat, jsou trochu mimo rozsah tohoto příspěvku, ale pokud jste zvědaví, podívejte se na stránku Wikipedie na RC Circuits. Pokud jste někdy pracovali s elektronickými nebo elektrickými nástroji, některé nápady vám budou velmi známé!

Krátká derivace Nernstovy rovnice

UPOZORNĚNÍ: MATH

Ve výše uvedeném případě ∇ znamená „gradient“ neboli vícerozměrný derivát. Vpravo bereme tento gradient neboli rozdíl, pokud jde o koncentraci iontů, C. Víme, že prostorový tok iontů v důsledku difuzních sil bude nepřímo úměrný tomuto gradientu, protože ionty proudí svým koncentračním gradientem směrem k oblastem s nízkou koncentrací. Protože budeme své jednotky vybírat libovolně, nevíme, jaká bude tato konstanta proporcionality, a proto tomu říkáme kd. Všimněte si, že koncentrace je funkcí prostorové polohy, kterou označujeme X.

Vlevo děláme něco podobného, ​​ale s ohledem na funkci elektrického potenciálu Φ. Chceme znát tok, popř tok poplatků, takže musíme vzít v úvahu jejich koncentraci, C. kE, jako kd, je konstanta, která spojuje elektrický tok s naším systémem jednotek. Takže levá strana Eqn. 1 jen říká, že elektrická část našeho proudu je úměrná našemu potenciálnímu rozdílu a koncentraci nábojů, na které tento rozdíl působí. Pravá strana říká, že náš difúzní proud je úměrný koncentračnímu gradientu s určitou konstantou kd který spojuje tok s naším systémem jednotek. Chceme, aby tyto věci byly stejné a opačné.

Vytváříme několik standardních zjednodušujících předpokladů: že mluvíme o 1-D toku normálně k přibližně planární membráně v bodové sférické krávě atd. Po opětovném uspořádání integrujeme obě strany mezi vnitřek buňky a zvenčí, Óa získejte Eqn. 2. Nernstova rovnice je najednou v nedohlednu a jde jen o to, dostat se do Eqn. 4.

Nernst spojil dvě konstanty proporcionality, objevil termíny, které měli společné, a dal vzniknout známější formě „Nernstovy rovnice“, která se objevuje výše. Nejlepší a nejobecnější důkaz vztahu je však ve skutečnosti díky Einsteinovi!


Nejasnost o vztahu mezi membránovým potenciálem a koncentračním gradientem v neuronových buňkách - biologie

Savčí adenylylcyklázy mají 12 transmembránových domén a povrchně se podobají určitým třídám iontových kanálů. Některé důkazy naznačují, že adenylylcyklázy bakteriálních a mořských ježků lze regulovat membránovou depolarizací. V této studii jsme zkoumali účinek změny membránového potenciálu na aktivitu adenylylcyklázy buněk cerebelárních granulí s akutní depolarizací draslíku. Dvoufázová stimulační a poté inhibiční reakce je vyvolána postupným zvyšováním extracelulárního [K]: [Na] poměru v nepřítomnosti extracelulárního Ca 2+. Tento efekt neimituje lineární zvýšení membránového potenciálu vyvolané za stejných podmínek. Místo toho to vypadá, jako by depolarizace membrány otevírala kanály Ca 2+ typu L (citlivé na nimodipin), což umožňuje vstup Na +, který přímo stimuluje aktivitu adenylylcyklázy. Gramicidin, který generuje póry propustné pro monovalentní kationty a současně eliminuje membránový potenciál, umožňuje podobnou stimulaci extracelulárně aplikovaným Na +. Ačkoli výsledky nenaznačují žádnou přímou senzitivitu adenylylcyklázy buněk cerebelárních granulí na membránový potenciál, ukazují, že v důsledku depolarizace membrány příliv Na +, stejně jako Ca2 +, zvýší hladiny cAMP.


Úvod

Neurony v mozku spolu komunikují prostřednictvím synaptické signalizace, která se spoléhá na aktivaci receptorových proteinů, které umožňují rychlé transmembránové toky iontů. Hlavní operací neuronu je přeměna synaptických vstupů na akční potenciály. Rychlost, s jakou se generují akční potenciály, rychlost výstupu neuronů z výstupu, je primárním prostředkem, kterým neurony kódují informace [1]. Způsob, jakým neuron integruje rychlostně kódovaný synaptický vstup a transformuje jej na rychlost vypalování výstupu, se označuje jako jeho funkce vstupu a výstupu [2].

Synaptická inhibice je zásadní pro utváření této transformace vstupů a výstupů [3,4]. Inhibiční vstupy mohou například provádět dělící operaci snížením sklonu (zesílení) funkce vstup-výstup nebo subtraktivní operaci posunutím funkce vstupu a výstupu doprava [5,6]. Předchozí práce ukázala, že tento diferenciální algebraický efekt synaptické inhibice lze realizovat zacílením inhibičních vstupů do různých oblastí pyramidové buňky. Proximálně umístěná inhibice v blízkosti soma může mít dělící účinek na funkci vstupu a výstupu, zatímco prostorově rozložená, dendriticky cílená inhibice podporuje subtraktivní efekty inhibice [7].

Na úrovni receptorů je synaptická inhibice v mozku primárně zprostředkována receptory kyseliny y-aminomáselné typu A (GABAARs), které jsou selektivně propustné pro chloridové ionty (Cl -) a v menší míře pro hydrogenuhličitanové ionty (HCO3 -, seznam zkratek viz Tabulka 1) [8]. Výsledkem je potenciál obrácení pro GABAARs (EGABA), je do značné míry funkcí transmembránového gradientu Cl. Spolu s membránovým potenciálem to nastavuje hybnou sílu toku Cl - přes tyto receptory, a představuje tedy základní vlastnost inhibiční signalizace [9]. Intracelulární koncentrace Cl ([Cl -]), a tedy EGABA, se mohou lišit mezi subcelulárními neuronálními kompartmenty, což bylo navrženo jako důsledek prostorových rozdílů ve funkci nebo expresi kotransportérů kationt-chloridu v neuronální membráně [10–12]. To znamená synaptickou aktivaci GABAARs mohou mít různé účinky na potenciál neuronové membrány kvůli diferenciální expresi Cl - homeostatických mechanismů.

Kromě prostorových rozdílů v EGABA vykazují inhibiční synapse také formu krátkodobé plasticity, která zahrnuje změny iontové hnací síly pro postsynaptické ionotropní receptory poháněné krátkodobými změnami intracelulární koncentrace Cl [13,14]. Iontová plasticita nastává, když GABAAR -zprostředkovaný Cl - příliv zahlcuje lokální Cl - extruzi prostřednictvím kanonického Cl - extruderu KCC2 [15–17]. Předchozí práce ukázala, jak je iontová plasticita regulována na prostorové úrovni s různými neuronálními subcelulárními kompartmenty, které mají různou citlivost na aktivitu indukovanou akumulaci chloridů. Experimentální i modelové studie například ukázaly, jak jsou dendritické kompartmenty malého objemu zvláště náchylné k iontové plasticitě [16,18–21].

Ačkoli drtivá většina teoretických modelů inhibiční signalizace a výpočtu neuronů předpokládá statické hodnoty pro EGABA, předchozí studie zkoumaly význam dynamického Cl - ve více kontextech. Studie například zkoumaly biofyzikální základy Cl - homeostázy prostřednictvím aktivního transportu iontů, kotransportérů kationtů a chloridů nebo nepropustných aniontů [20,22], účinků neuronálních morfologií na akumulaci Cl [19,21,23] a jak dynamický Cl - ovlivňuje neurální kódování degradací vzájemných informací [24]. Jak však rozdíly v prostorovém cílení synaptické inhibice interagují s iontovou plasticitou za účelem dynamické modulace vstupně-výstupní funkce neuronů, není dobře pochopeno. Abychom to vyřešili, vyvinuli jsme výpočetní modely víceprostorových neuronů, které zahrnovaly experimentálně parametrizované mechanismy, které odpovídají neuronální Cl - extruzi a iontové plasticitě. Za prvé, ukazujeme, že pokračující strukturovaný synaptický vstup (buď excitační, inhibiční, nebo obojí) může vést k prostorovým odchylkám v EGABA nezávisle na rozdílech v Cl - extruzi. Za druhé, zjišťujeme, že účtování dynamického chloridu má významný vliv na schopnost dendriticky cílené inhibice kompenzovat neuronální křivky vstupu a výstupu. Za třetí, demonstrujeme, že kvůli iontové plasticitě není funkce neuronálního vstupu a výstupu statická, ale výrazně se mění v závislosti na čase. Nakonec jsme zjistili, že pozorované účinky dynamického chloridu na funkci neuronového výstupu jsou zcela zprostředkovány změnami v EGABA. Naše výsledky poskytují rámec pro pochopení toho, jak Cl - dynamika mění výpočetní vlastnosti prostorově cílené synaptické inhibice.


Poděkování

Autory podporují National Institutes of Health (granty NS34994, MH54671 a NS074015), Swiss National Science Foundation (grant PA00P3_131470), G. Harold a Leila Y. Mathers Charitable Foundation, US -Israel Binational Foundation, the Global Institute for Scientific Thinking and the Human Frontiers Science Program (grant RGP0032/2011). Části této recenze byly napsány, zatímco G.B. byl hostujícím vědcem v Interdisciplinárním centru pro neurální výpočet, Hebrejské univerzitě v Jeruzalémě (2007) a v programu Zukunftskolleg, University of Konstanz, Německo (2011). Děkujeme G. Einevollovi, E. Schomburgovi a J. Taxidisovi za komentáře k rukopisu.


ÚLOHA OXIDATIVNÍHO STRESU V EXCITOTOXICITĚ GLUTAMÁTU

Pokud řízené odpojování nezmierňuje oxidační stres, je důležité pochopit, jak oxidační stres ovlivňuje mitochondriální funkce v neuronálním kontextu. Patofyziologická odpověď neuronů na excitotoxicitu glutamátu je důležitá při vyšetřování mrtvice a řady neurodegenerativních onemocnění. Časný předpoklad byl, že vápník vstupující přes patologicky aktivovaný NMDA receptor vede k akumulaci kationtu mitochondriemi a že mitochondrie nabité vápníkem generují přebytečné reaktivní druhy kyslíku, které poškozují mitochondrie a buňku a jsou kauzální v neuronální buňce smrt (Dugan a kol., 1995 Reynolds a Hastings, 1995 Sengpiel a kol., 1998). U kultivovaných neuronů dochází ke koncovému bodu experimentů k indukci nekrotické buněčné smrti, když jednotlivé buňky stochasticky nedokáží regulovat svou cytoplazmatickou koncentraci vápníku, což je jev nazývaný opožděná deregulace vápníku (DCD) (Randall a Thayer, 1992). Jednobuněčná analýza korelující DCD s pozorovanými hladinami superoxidu jednoznačně ukázala, že neurony vykazovaly pouze významné zvýšení hladin superoxidů při indukci DCD (Vesce et al., 2004). Přidání silných buněčně propustných antioxidantů nedokázalo oddálit DCD, i když byly účinné při zachycování prakticky veškerého generovaného superoxidu (Vesce et al., 2004). V tomto modelu tedy bylo zřejmé, že nárůst superoxidu byl spíše efektem než příčinou DCD a nastal pravděpodobně v důsledku selhání v udržování antioxidačních drah po kolapsu potenciálu mitochondriální membrány a katastrofickém vzestup cytoplazmatického volného vápníku.

Navzdory tomuto experimentu je zřejmé, že oxidační stres má škodlivý účinek na přežití neuronů. Abychom to prozkoumali, navrhli jsme techniku ​​oxidativního stresu neuronů před expozicí glutamátu (Vesce et al., 2005). Monochlorobiman byl široce používán jako fluorescenční sonda k testování intracelulárních hladin glutathionu (Keelan et al., 2001). The probe can also be used to deplete the cell of glutathione, however, with the big advantage that the time course of depletion can be followed from the increase in fluorescence of the product (Vesce et al., 2005 ). Maximum glutathione depletion takes about 60 min in a granule cell preparation. As discussed previously (Nicholls et al., 2003 ), any decrease in the size of the glutathione pool should be reflected in an oxidative shift in the glutathione redox potential. The availability of a redox active GFP construct (Dooley et al., 2004 ) allows this to be tested. GFP molecules that have been engineered to contain vicinal cysteine groups seem to equilibrate directly with the glutathione pool (Dooley et al., 2004 ) and transfection of the GFP into primary cerebellar granule neurons confirms that the monochlorobimane-mediated depletion of glutathione pool is associated with an oxidative shift in the redox potential of the residual glutathione (Vesce et al., 2005 ).

The availability of the cell respirometer allows the effects of this oxidative shift on the bioenergetics of in situ mitochondria to be determined. The addition of monochlorobimane is associated with a progressive inhibition of respiration, with no change in proton leak or maximal respiratory capacity, indicating that mitochondrial ATP turnover was decreasing (Vesce et al., 2005 ). Monochlorobimane exposed cells were unable to increase their respiration in the face of an increased cytoplasmic ATP demand, consistent with an inhibition of ATP synthesis or export. The most likely locus for this inhibition is oxidative damage to the adenine nucleotide translocator responsible for the export of ATP from the mitochondrial matrix.


Membrane Communication with Intracellular Components

There is direct correlation between membrane complexity and variety of lipids as is evident by comparison of the prokaryotic and eukaryotic membranes. The diversity and complexity of eukaryotes are such that, whereas hundreds of lipid species can be attributed to prokaryotes, thousands are associated with the eukaryotes. This enhanced diversity of lipids entails higher membrane complexity and function in the eukaryotes. The rise of double membrane-bound intracellular organelles is one such example. Each organelle such as the ER, endosomes, the Golgi, etc., is rich in one or more types of unique lipids. The lipid variety dictates association of particular types of proteins and compartmentalizing enzymes and metabolism. This also provides a unique identity to each of the organelles and prevents them from coalescing into one another. The lipid diversity guarantees a much more stable, robust membrane that can withstand changes in the surrounding pH, temperature, and osmolarity (148). The remainder of this review focuses on the role of membrane lipid domain communication of plasma membrane with intracellular components many of these features are critical for energy and metabolism.

Evolution of endomembranes and membrane-endoplasmic and membrane-mitochondrial interactions.

It has been widely believed that the endomembrane originated from de novo vesicle formation. The biggest proponents of this theory, Matin and Muller, proposed that eukaryotes evolved because of the symbiosis of archaebacterium and α-proteobacterium that are considered ancestors of mitochondria (94). This symbiosis was largely driven by hydrogen exchange. According to this hypothesis, it was assumed that the evolution of endomembranes took place inside the cytoplasm of archaebacteria after symbiosis with α-proteobacterium that had the genes for fatty acid ester lipid biosynthesis after assimilation into the archae genome. Since α-proteobacterium is a eubacterium, it slowly replaced the archae ether-linked lipids with ester-linked lipids. Alternative theories suggest that the endomembranes evolved from the plasma membrane by folding inward, which could have been in the form of invagination, tabulation, or vesiculation (5, 20, 21, 30, 38, 72). In either condition, the plasma membrane subsequently had to be involved in regulating the intracellular environment. Independent of signaling cascades utilizing second messengers and regulator proteins, this was achieved by physical association and communication between the plasma membrane and intracellular compartments.

Plasma membrane and endoplasmic reticulum connection.

Plasma membranes have been identified to interact at ubiquitous sites with ER in almost all eukaryotes (19). These contact sites are believed to have multiple functions (87, 143, 149), including an evolutionarily conserved role in the regulation of lipid composition and metabolism at the plasma membrane (143, 149). This connection involves mainly calcium signaling processes (57) regulating fundamental biological processes such as memory, vision, fertilization, muscle contraction, proliferation, cell migration, immune response, and transcription. A classical well-known contact site is the spatial arrangement between the ER and the plasma membrane known as transverse tubules (136). To trigger muscle contraction, the massive influx of Ca 2+ into the cytosol activates myosin movement along actin filaments in the sarcomeres. This Ca 2+ influx is achieved by the opening of voltage-gated plasma membrane Ca 2+ channels, such as the dihydropyridine receptor, and the synchronized opening of the main sarcoplasmic reticulum Ca 2+ channel, the ryanodine receptor (12, 57). A physical coupling at the contact sites between the plasma membrane and the sarcoplasmic reticulum ensures this synchronized coordination. ER has one of the most elaborate network of membranes inside the cells. This network is important for regulating cross talk between the ER and other organelles and the plasma membrane. The ER-plasma membrane junction, apart from undergoing mutual exchange of lipids and ions, can also regulate signaling, cellular architecture, plasma membrane domain organization, and ER shape. This is predominantly found in yeast but has also been described in immune cells, insect photoreceptors, plant cells, and neurons (58). At the contact site, ER adjacent to the plasma membrane has been shown to be devoid of ribosomes (41, 43). The distance between ER and plasma membrane has been measured as ∼30 nm in yeast, but in mammalian cells it has been shown to be as close as 10 nm (119). This denotes that the spacing between the two organelles is regulated.

Plasma membrane and mitochondrial connection.

The plasma membrane has been reported to be in close contact with mitochondria in several mammalian cell types. For instance, in HeLa cells, ∼10% of the plasma membrane is covered with mitochondria (46). It is not clear whether plasma membrane directly comes in contact with mitochondria, and this area is still under intensive investigation. Mitochondria appear to be connected indirectly to the plasma membrane in rat leukemia cells and cardiomyocytes through an ER stack, a connection important for calcium signaling (26). A recent proteomic study suggests that the plasma membrane connexin Cx32, a structural subunit of gap junctions, interacts with mitochondrial proteins in murine hepatocytes (42). However, in an interesting recent finding, the first molecular and functional characterization of a mitochondrion-plasma membrane contact site was reported in yeast (77, 83). Electron tomography revealed direct contacts of mitochondria and invaginations of the plasma membrane without participation of the ER (77). Stomatin-like protein 2 (SLP-2), which is expressed predominantly in mitochondria, belongs to the stomatin-prohibitin-flotillin-HflC/K superfamily (23, 27, 76, 146). These proteins are involved in organizing the cardiolipin-rich microdomains and regulate mitochondrial function as well as biogenesis. Studies show that there are two populations of SLP-2, one over the mitochondria and the other on the plasma membrane. During T-cell activation, both populations coalesce together at the immunological synapse. SLP-2 was shown to compartmentalize mitochondria as well as plasma membrane into functional domains. Furthermore, it has also been shown that there is an exchange of membrane between plasma membrane and mitochondria in T cells (24, 129). Our group and others have recently shown in heart and cardiac myocytes that caveolae and mitochondria are in close proximity and upon stress these microdomains form a physical interaction that may be dependent on G protein activation (44, 157) and may specifically target such mitochondria for posttranslational modification and regulation (144). Such data suggest that membrane associations with intracellular compartments may involve both physical and signal-regulated processes.


Typy strukturálních receptorů

Buňkami, které interpretují informace o prostředí, může být buď (1) neuron, který má a volné nervové zakončení (dendrites) embedded in tissue that would receive a sensation (2) a neuron that has an zapouzdřené zakončení in which the dendrites are encapsulated in connective tissue that enhances their sensitivity or (3) a specialized receptorová buňka, which has distinct structural components that interpret a specific type of stimulus (Figure 13.1.1). Receptory bolesti a teploty v dermis pokožky jsou příklady neuronů, které mají volná nervová zakončení. Also located in the dermis of the skin are lamellated and tactile corpuscles, neurons with encapsulated nerve endings that respond to pressure and touch. The cells in the retina that respond to light stimuli are an example of a specialized receptor cell, a fotoreceptor.

Graded potentials in free and encapsulated nerve endings are called generator potentials. When strong enough to reach threshold they can directly trigger an action potential along the axon of the sensory neuron. Action potentials triggered by receptor cells, however, are indirect. Graded potentials in receptor cells are called receptor potentials. These graded potentials cause neurotransmitter to be released onto a sensory neuron causing a graded post-synaptic potential. If this graded post-synaptic potential is strong enough to reach threshold it will trigger an action potential along the axon of the sensory neuron.

Figure 13.1.1 – Receptor Classification by Cell Type: Typy receptorových buněk lze klasifikovat na základě jejich struktury. Senzorické neurony mohou mít buď (a) volná nervová zakončení, nebo (b) zapouzdřená zakončení. Fotoreceptory v očích, jako jsou tyčinkové buňky, jsou příklady (c) specializovaných receptorových buněk. Tyto buňky uvolňují neurotransmitery na bipolární buňku, která se poté synapsí s neurony zrakového nervu.

Další způsob, jakým lze klasifikovat receptory, je jejich umístění vzhledem k podnětům. An exteroceptor je receptor, který se nachází v blízkosti podnětu ve vnějším prostředí, jako jsou somatosenzorické receptory, které se nacházejí v kůži. An interoceptor je ten, který interpretuje podněty z vnitřních orgánů a tkání, jako jsou receptory, které cítí zvýšení krevního tlaku v aortě nebo karotickém sinu. Nakonec a proprioceptor is a receptor located near a moving part of the body, such as a muscle or joint capsule, that interprets the positions of the tissues as they move.


Biophysical basis

Akční potenciály vyplývají z přítomnosti speciálních typů napěťově řízených iontových kanálů v buněčné membráně. A voltage-gated ion channel is a cluster of proteins embedded in the membrane that has three key properties:

  1. Je schopen předpokládat více než jednu konformaci.
  2. Alespoň jedna z konformací vytváří kanál přes membránu, který je propustný pro specifické typy iontů.
  3. Přechod mezi konformacemi je ovlivněn membránovým potenciálem.

Napěťově řízený iontový kanál má tedy tendenci být pro některé hodnoty membránového potenciálu otevřený a pro jiné uzavřený. Ve většině případů je však vztah mezi membránovým potenciálem a stavem kanálu pravděpodobnostní a zahrnuje časové zpoždění. Ions channels switch between conformations at unpredictable times: The membrane potential determines the rate of transitions and the probability per unit time of each type of transition.

Napěťově řízené iontové kanály jsou schopné produkovat akční potenciály, protože mohou vést ke vzniku smyček pozitivní zpětné vazby: Membránový potenciál řídí stav iontových kanálů, ale stav iontových kanálů řídí membránový potenciál. V některých situacích tedy vzestup membránového potenciálu může způsobit otevření iontových kanálů, což způsobí další vzestup membránového potenciálu. An action potential occurs when this positive feedback cycle proceeds explosively. Trajektorie času a amplitudy akčního potenciálu je dána biofyzikálními vlastnostmi napěťově řízených iontových kanálů, které jej produkují. Several types of channels that are capable of producing the positive feedback necessary to generate an action potential exist. Napěťově řízené sodíkové kanály jsou zodpovědné za rychlé akční potenciály zapojené do nervového vedení. Pomalejší akční potenciály ve svalových buňkách a některých typech neuronů jsou generovány napěťově řízenými vápníkovými kanály. Každý z těchto typů je dodáván ve více variantách s různou citlivostí napětí a různou časovou dynamikou.

Nejintenzivněji studovaný typ napěťově závislých iontových kanálů obsahuje sodíkové kanály zapojené do rychlého nervového vedení. Ty jsou někdy známé jako sodíkové kanály Hodgkin-Huxley, protože je poprvé charakterizovali Alan Hodgkin a Andrew Huxley ve svých studiích, které získaly Nobelovu cenu za biofyziku akčního potenciálu, ale lze je pohodlněji označit jako NaPROTI kanály. („V“ znamená „napětí“.) An NaPROTI kanál má tři možné stavy, známé jako deaktivováno, aktivováno, a deaktivován. Kanál je propustný pouze pro ionty sodíku, když je v aktivováno Stát. Když je membránový potenciál nízký, kanál tráví většinu času v deaktivováno (zavřený) stav. Pokud je membránový potenciál zvýšen nad určitou úroveň, kanál vykazuje zvýšenou pravděpodobnost přechodu na aktivováno (otevřený) stav. Čím vyšší je membránový potenciál, tím větší je pravděpodobnost aktivace. Jakmile se kanál aktivuje, nakonec přejde na deaktivován (zavřený) stav. Má pak tendenci zůstat nějakou dobu neaktivní, ale pokud se membránový potenciál opět sníží, kanál se nakonec přepne zpět na deaktivováno Stát. Během akčního potenciálu prochází většina kanálů tohoto typu cyklem deaktivovánoaktivovánodeaktivovándeaktivováno. This is only the population average behavior, however — an individual channel can in principle make any transition at any time. Pravděpodobnost přechodu kanálu z deaktivován stav přímo na aktivováno stav je velmi nízký: Kanál v deaktivován stav je žáruvzdorný, dokud nepřešel zpět do deaktivováno Stát.

Výsledkem toho všeho je, že kinetika NaPROTI kanály jsou řízeny přechodovou maticí, jejíž rychlosti jsou složitě závislé na napětí. Vzhledem k tomu, že tyto kanály samy hrají hlavní roli při určování napětí, může být globální dynamika systému dosti obtížná. Hodgkin a Huxley přistoupili k problému vytvořením sady diferenciálních rovnic pro parametry, které řídí stavy iontových kanálů, známé jako Hodgkin-Huxleyovy rovnice. Tyto rovnice byly v pozdějším výzkumu značně upraveny, ale tvoří výchozí bod pro většinu teoretických studií biofyziky akčního potenciálu.

Jak se zvyšuje membránový potenciál, otevírají se sodíkové iontové kanály, což umožňuje vstup sodíkových iontů do buňky. Následuje otevření kanálů draselných iontů, které umožňují odchod iontů draslíku z buňky. Vnitřní tok sodných iontů zvyšuje koncentraci kladně nabitých kationtů v buňce a způsobuje depolarizaci, kde je potenciál buňky vyšší než klidový potenciál buňky. Sodíkové kanály se zavírají na vrcholu akčního potenciálu, zatímco draslík pokračuje v opouštění buňky. Výtok iontů draslíku snižuje membránový potenciál nebo hyperpolarizuje buňku. For small voltage increases from rest, the potassium current exceeds the sodium current and the voltage returns to its normal resting value, typically −70 mV. [ 3 ] However, if the voltage increases past a critical threshold, typically 15 mV higher than the resting value, the sodium current dominates. To má za následek útěk, kdy pozitivní zpětná vazba od sodíkového proudu aktivuje ještě více sodíkových kanálů. Thus, the cell "fires," producing an action potential. [ 4 ] [ 5 ]

Proudy vytvářené otevřením napěťově řízených kanálů v průběhu akčního potenciálu jsou typicky výrazně větší než počáteční stimulační proud. Amplituda, trvání a tvar akčního potenciálu jsou tedy do značné míry určeny vlastnostmi excitovatelné membrány, a nikoli amplitudou nebo délkou stimulu. This all-or-nothing property of the action potential sets it apart from graded potentials such as receptor potentials, electrotonic potentials, and synaptic potentials, which scale with the magnitude of the stimulus. V mnoha typech buněk a buněčných oddílech existuje řada typů akčních potenciálů, jak je určeno typy napěťově řízených kanálů, netěsných kanálů, distribucí kanálů, iontových koncentrací, kapacity membrány, teploty a dalších faktorů.

Hlavními ionty zapojenými do akčního potenciálu jsou sodné a draselné kationty sodné ionty vstupují do buňky a ionty draslíku odcházejí a obnovují rovnováhu. Relativně málo iontů musí překročit membránu, aby se napětí membrány drasticky změnilo. Ionty vyměněné během akčního potenciálu proto způsobují zanedbatelnou změnu vnitřních a vnějších iontových koncentrací. Těch několik iontů, které se kříží, je opět čerpáno kontinuálním působením sodíko -draselné pumpy, která u ostatních transportérů iontů udržuje normální poměr koncentrací iontů přes membránu. Vápenaté kationty a chloridové anionty se podílejí na několika typech akčních potenciálů, jako je srdeční akční potenciál a akční potenciál v jednobuněčných řasách Acetabularia, resp.

Ačkoli jsou akční potenciály generovány lokálně na polích excitovatelné membrány, výsledné proudy mohou spouštět akční potenciály na sousedních úsecích membrány, čímž se sráží domino podobné šíření. Na rozdíl od pasivního šíření elektrických potenciálů (elektrotonický potenciál) jsou akční potenciály generovány znovu po excitovatelných úsecích membrány a šíří se bez rozpadu. [ 6 ] Myelinated sections of axons are not excitable and do not produce action potentials and the signal is propagated passively as electrotonic potential. Pravidelně rozmístěné nemyelinizované záplaty, nazývané Ranvierovy uzly, generují akční potenciály pro posílení signálu. Tento typ šíření signálu, známý jako slané vedení, poskytuje příznivý kompromis rychlosti signálu a průměru axonu. Depolarizace axonových terminálů obecně spouští uvolnění neurotransmiteru do synaptické štěrbiny. Kromě toho byly v dendritech pyramidových neuronů, které jsou v neokortexu všudypřítomné, zaznamenány zpětně se šířící akční potenciály. [ 7 ] These are thought to have a role in spike-timing-dependent plasticity.


Podívejte se na video: DEVASTATING CAREER THREATENING INJURY. (Listopad 2021).