Informace

Koncentrace sodíku při generování akčního potenciálu


Na vrcholu grafu je koncentrace Na+ mimo celu více než uvnitř? To musí být k překonání elektrické síly v opačném směru.

Kdy je koncentrace Na+ největší uvnitř cely? Na vrcholu za předpokladu, že se kanál Na+ okamžitě uzavře, je také největší na 3. Pokud stále existuje průchod Na+ pak 3 je maximum. Je to pravda nebo lež?

Jedna poslední otázka: je vnitřek membrány skutečně negativní, nebo pouze negativní ve vztahu k vnějšku? Například v galvanickém článku není daná tyč ve skutečnosti záporná, ale je záporná vůči jiné.


Níže je uveden příklad učebnicového membránového potenciálu v kombinaci s individuálními vodivostmi Na+ a K.+ během akčního potenciálu (AP) (obr. 1);

Obr. 1. Membránový potenciál a vodivosti dvou nejdůležitějších iontů v generaci AP. zdroj: Physiology Web

A na obr. 2 je příklad proudů Na+ a K+ během akčního potenciálu (AP) (obr. 1). Všimněte si, že K.+ zůstává vysoká díky amanipulaci iontových konkrementů.

Obr. 2. Proudy sodíku a draslíku během generování AP.

Ptáte se však na koncentrace Na+ v cele. Pokud vím, nebylo to přímo vyšetřováno. Intracelulární Ca2+ koncentrace lze například zobrazit různými zobrazovacími technikami, ale absolutní Na+ a K.+ koncentrace musí být měřeny intracelulárními elektrodami. Takže zatímco vodivosti a proudy jsou na výše uvedených obrázcích zobrazeny zcela jasně, neukazují absolutní koncentrace Na+ nebo K.+ a pochybuji, že to lze najít kdekoli v literatuře. Lze to samozřejmě matematicky odvodit výpočtem počtu iontů vstupujících do buňky pomocí Nernstovy rovnice a opravou, že pro účinek pozadí sodno-draselné pumpy a další faktory, které mění Na+ koncentrace v buňce (transportéry proteinů a co ne). Poskytne alespoň aproximaci [Na+].


Roztoky iontů, například NaCl rozpuštěné ve vodě, lze použít ke zkoumání koncentrace rozpuštěných látek v rostlinných tkáních. Po ponoření do roztoků různé koncentrace byly měřeny procentuální změny hmotnosti vzorků brambor. Graf ukazuje výsledky.

i) Odhadněte osmolaritu rostlinné tkáně.

ii) Určete, která část grafu představuje vzorky měřené v hypotonickém roztoku.

(iii) Stát jeden možný zdroj chyb při shromažďování dat během tohoto experimentu.

Během akčního potenciálu se ionty pohybují přes plazmatickou membránu neuronu. Trasa osciloskopu ukazuje změny napětí generované v neuronu během tří akčních potenciálů.

Vysvětlete pohyb iontů, který způsobuje změny napětí pozorované během intervalu označeného na grafu X.


Zahájení akčního potenciálu

Až do tohoto bodu jsme vysvětlili měnící se propustnost membrány pro sodík a draslík a také vývoj samotného akčního potenciálu, ale nevysvětlili jsme, co akční potenciál zahajuje. Odpověď je celkem jednoduchá.

Vicyklus s pozitivní zpětnou vazbou otevírá sodíkové kanály.

Za prvé, dokud membrána nervového vlákna zůstane neporušená, v normálním nervu nenastane žádný akční potenciál. Pokud však jakákoli událost způsobí dostatečný počáteční vzestup membránového potenciálu z –90 milivoltů směrem k nulové úrovni, samotné rostoucí napětí způsobí, že se začne otevírat mnoho napěťově řízených sodíkových kanálů. To umožňuje rychlý přísun sodíkových iontů, což způsobí další vzestup membránového potenciálu, čímž se otevřou ještě napěťově řízené sodíkové kanály a umožní větší proud sodíkových iontů do nitra vlákna. Tento proces je začarovaný kruh s pozitivní zpětnou vazbou, který, jakmile je zpětná vazba dostatečně silná, pokračuje, dokud se neaktivují (otevřou) všechny napěťově řízené sodíkové kanály. Poté, během další zlomky milisekundy, stoupající membránový potenciál způsobí uzavření sodíkových kanálů i otevření draslíkových kanálů a potenciální působení brzy skončí.

Prahová hodnota pro zahájení akčního potenciálu. Akční potenciál nenastane, dokud počáteční nárůst potenciálu mem-brane nebude dostatečně velký na to, aby vytvořil začarovaný kruh popsaný v předchozím odstavci. K tomu dochází, když je počet iontů Na + vstupujících do vlákna větší než počet iontů K + opouštějících vlákno. Obvykle je vyžadován náhlý nárůst membránového potenciálu o 15 až 30 milivoltů. Proto náhlý nárůst membránového potenciálu ve velkém nervovém vlákně z –90 milivoltů na přibližně –65 milivoltů obvykle způsobí explozivní rozvoj akčního potenciálu. Tato úroveň –65 milivoltů je údajně práh pro stimulaci.


Koncentrace sodíku při generování akčního potenciálu - biologie

1.
Akční potenciál je a náhlá změna v potenciálu. V diagramu se červeně potenciál náhle změní z klidového potenciálu (přibližně -90 mV modrá) na + 30 mV (červená). Po několika milisekundách se potenciál vrátí do klidového potenciálu.

2.
Počáteční fáze se nazývá depolarizace (protože potenciál jde od velmi negativního k nule 'de'= znamená méně potenciální rozdíl).





2.
Buňka by přesto mohla generovat tisíce akčních potenciálů předtím, než koncentrační gradienty klesly na tak nízké úrovně, že generování akčního potenciálu se stalo nemožným.

4.
Čerpadlo bude samozřejmě fungovat pouze tehdy, pokud získá ATP (= energie). To je typické pro živou buňku. Pokud buňka zemře, tvorba ATP se zastaví, čerpadlo se zastaví a koncentrační a elektrické gradienty postupně zmizí.

1.
Jak jsme řekli výše, počáteční fáze akčního potenciálu se nazývá „depolarizace“A druhá fáze se nazývá„repolarizace’.

5.
Stejné odůvodnění samozřejmě platí pro „repolarizaci“.

1.
Dalším důležitým konceptem v kontextu vytváření akčního potenciálu je koncept „prahu“.

6.
Jinými slovy, není možné mít malý akční potenciál nebo poloviční akční potenciál nebo něco podobného, ​​a to buď je úplný akční potenciál nebo vůbec. Tomu se říká „vše nebo nic‘Zákon.

1.
Ještě jeden důležitý koncept: žáruvzdorné období! Toto je období, během a po akčním potenciálu, během kterého další akční potenciál nemůže být generovány.

3.
V klasické fyziologii existují dva typy refrakterních období
a) absolutní žáruvzdorné období a
b) relativní žáruvzdorné období.

6.
Po relativní refrakterní periodě jsou všechny sodíkové kanály opět excitovatelné a lze znovu vygenerovat plný akční potenciál (druhý červený akční potenciál).

3.
Důležité je, že během tohoto krátkého období je potenciál dále „vzdálen“ od prahu, což ztěžuje zahájení akčního potenciálu během tohoto období.

2.
Pamatujte, že akční potenciál je generován (elektrickým) impulzem, který depolarizuje membránu v určitém místě.

3.
Tato místní depolarizace je způsobena otevřením některých sodíkových kanálů v tomto místě, což proto umožňuje některým sodíkovým iontům proudit do buňky.

5.
Pokud se otevře jen několik sodíkových kanálů, výsledná depolarizace nedosáhne prahu a nebude zahájen žádný akční potenciál.

10.
To znamená konec depolarizace (a nejvyšší čas zahájit repolarizaci!)


Výsledek

Vypalovací vlastnosti mezencefalických trigeminálních neuronů

Elektrofyziologické záznamy byly provedeny na mezencefalických trigeminálních neuronech z mozkových řezů potkana pomocí metody záznamu celobuněčné patch-clamp záznamu. Neurony byly zaznamenány v celém rostrálně -kaudálním rozsahu jádra, aby se zabránilo zkreslení vzorkování.

V podskupině neuronů Mes V (Wu et al., 2001) byl indukován rytmický výboj v reakci na udržovanou pozitivní proudovou injekci v normálních vnitřních a vnějších roztocích, které se přibližují fyziologickému iontovému složení. Příklad je uveden na obrázku 1, A a B, kde depolarizace membrány z klidového membránového potenciálu produkovala rytmické podprahové oscilace (obr.B), které rostly v amplitudě, dokud nebyl vyvolán výbuch výboje (obrA,B). V tomto případě byla střední frekvence ~ 85 Hz. Typické pro tyto neurony během prasknutí je velmi malá adaptace hrotů před ukončením (obrC) (Wu et al., 2001, 2005). U podskupiny neuronů byl adaptační poměr (průměrná frekvence špiček během posledních tří ISI dělená průměrnou frekvencí během prvního ISI 0,84 ± 0,07 n = 84). Když byla měřena na prahu rytmického výboje, byla průměrná frekvence špiček uvnitř burstu pro všechny zkoumané praskající neurony 90,9 ± 28,6 Hz (14,0–172,7 Hz n = 84) (obrD).

Oscilace a výbojové výboje nevyplývají ze složitých interakcí mezi excitačními a inhibičními synaptickými vstupy, protože oscilace a burst výboje byly pozorovány v přítomnosti antagonistů synaptického kanálu, ale byly blokovány po aplikaci TTX, což naznačuje roli pro sodíkové proudy, jak bylo popsáno dříve ( Wu et al., 2001, 2005)

Sodné proudy citlivé na TTX proudí během výboje

Dříve jsme to navrhovali Zdřímnutí je rozhodující pro řízení podprahové a nadproudové excitability membrány a generování výbuchu v neuronu Mes V pomocí farmakologických, elektrofyziologických a počítačových simulačních technik (Wu et al., 2005). Přímý důkaz o roli sodíkových proudů a informace týkající se časového průběhu proudů však chybí. Abychom získali přímý důkaz na podporu naší hypotézy týkající se úlohy sodíkových proudů při hnacím výboje, použili jsme metodu akčního potenciálu k prozkoumání povahy a časového průběhu sodíku, vápníku a h proudy během podprahových oscilací membrány a výbuchového výboje (Raman a Bean, 1999 Do a Bean, 2003 Swensen a Bean, 2003).

Abychom získali přímější důkazy o sodíkových proudech pohánějících výbuchový výboj, zaznamenali jsme cykly rytmického výbojového výboje z Mes V neuronu v proudovém klešťovém režimu a poté jsme jako příkazový protokol použili typický průběžný průběh v napěťovém upínacím režimu (viz Materiály a Metody). Poté jsme zaznamenali sodíkové proudy citlivé na TTX získané odečtením v reakci na aplikaci 0,5 μm roztoku TTX (obr.A) (Do and Bean, 2003). Jak se dalo očekávat, během vzestupu akčního potenciálu protékal velký sodíkový proud a v menší míře během meziprostorových intervalů během výbuchu byl tento proud také detekovatelný během podprahových oscilací, které se vyskytovaly před a po výbuchu výboje (obr.B).

Sodné proudy citlivé na TTX během výboje. A„Horní stopa ukazuje příkaz křivky zaznamenaný v aktuální svorce v Mes V neuronu. Dolní stopa ukazuje odečtenou proudovou odezvu citlivou na TTX během napěťové kleště. B„Proud citlivý na TTX protékal nepřetržitě během série. Stopy jsou převzaty z zabalených segmentů v A v rozšířeném časovém měřítku. Horní a střední stopa zobrazují napěťový příkaz v rozšířené stupnici napětí. Dolní stopa ukazuje aktuální odpověď. Svislé pruhy označují přestávku v čase.

Mezencefalické V neurony vykazují výrazné h proud (Khakh a Henderson, 1998 Tanaka a kol., 2003) a nízkoprahové i vysokoprahové proudy vápníku (naše nepublikovaná pozorování), které by se mohly podílet na výrobě čistého vnitřního proudu, který by poháněl špičkovou aktivitu během výbuchového výboje. Pomocí metody akčního potenciálu-kleště jsme určili časový průběh a rozsah toku proudu těmito kanály. h byl určen odečtením záznamu v reakci na aplikaci 10 μm externího ZD 7288 od kontroly (Pape, 1996 Beurrier et al., 2000 Tanaka et al., 2003). Obrázek 3A ukazuje křivku příkazu akčního potenciálu získanou z průměru po sobě jdoucích akčních potenciálů v dávce a výsledného odečteného proudu citlivého na ZD, zatímco obrázek 3B ukazuje stejná data při vyšším zisku. Ve všech třech testovaných neuronech byl proud citlivý na ZD velmi malý a vně během intervalu interspike (mezi -75 a -55 mV) a největší během fáze repolarizace akčního potenciálu. Průměrné hodnoty tohoto proudu tekoucího během intervalu interspike byly 30,0 ± 7,2 pA při -75 mV, 10,3 ± 5,9 pA při -69 mV, 9,6 ± 7,5 pA při -63 mV a 15,9 ± 7,1 pA při -55 mV (n = 3). Tyto výsledky naznačují, že během intervalu interspike teče pouze ∼10 pA proud citlivý na ZD, což není h. Obrázek 3, A a B, ukazuje, že během klesající fáze hrotu existuje vnější proud citlivý na ZD, který pravděpodobně odráží malý, nespecifický blok neurčených K + kanálů (Do a Bean, 2003), protože jsme dříve pozorovali malé snížení afterhyperpolarization (AHP) after application application (Tanaka et al., 2003).

Sodný proud, na rozdíl od h a kalciové proudy, je převládajícím proudem během intervalu mezi hroty. A„Signál zprůměrovaný špičkový průběh křivky (nahoře) a aktuální reakce (dole) pro sodík, vápník a h proudy. Jednotlivé hroty pro každý proud byly zarovnány na svých špičkách a špičky a jejich proudy byly zprůměrovány v reakci na každý hrot v prasknutí. B, Stopy převzaty z dat v A v rozšířeném proudovém měřítku. Špičkové amplitudy napětí a proudu jsou mimo rozsah. C, Je zobrazen vztah proud -napětí během intervalu interspike pro každý proud. Chybové pruhy ukazují ± SD. Citlivé na TTX Na (trojúhelník, n = 10), citlivý na ZD 7288 h (plný kruh, n = 3), Cd 2+ citlivé Ca (otevřený kruh, n = 6).

Proudy vápníku tekoucí během výbuchu byly určeny odečtením pomocí 0,3 m m CdCl2 roztok, který obsahoval 91 m m TEA a 0,5 μ m TTX. Obrázek 3, A a B, ukazuje vnitřní proudy citlivé na Cd 2+. Ačkoli během špice byl patrný výrazný proud vnitřního vápníku, během intervalu mezi hroty byl velmi malý. Průměrný proud vápníku protékající během intervalu interspike byl -8,6 ± 5,4 pA při -75 mV, -3,8 ± 1,6 pA při -69 mV, -3,9 ± 2,4 pA při -63 mV a -6,2 ± 4,0 pA při -55 mV (n = 6). Souhrn amplitud a časových průběhů proudů citlivých na sodík, vápník a ZD proudících během intervalu mezi hroty je uveden na obrázku 3C. Jednotlivé hroty v rámci celého výboje byly zarovnány na svých špičkách a hroty a jejich proudy byly zprůměrovány z více proudových cyklů. Z údajů je zřejmé, že jsme dospěli k závěru, že nejvýznamnější vnitřní proud během ISI je přenášen sodíkem, s malým příspěvkem kalciových proudů a bez přispění h.

Vlastnosti sodíkového proudu citlivého na TTX

Navíc NaT, Zdřímnutí je přítomen v mnoha typech neuronů, včetně neuronů Mes V (Wu et al., 2001, 2005), a v nedávné době byla v neuronech Purkinje charakterizována obnovující se složka proudu sodíku (Raman a Bean, 1997). Předpokládá se, že tento proud je výsledkem repolarizace akčního potenciálu z obnovy inaktivovaných kanálů prostřednictvím „otevřených stavů“. Abychom zjistili, zda tyto proudy přispívají k vnitřnímu proudu během intervalu interspike, provedli jsme následující experimenty s použitím dříve popsaných modifikovaných protokolů napěťových svorek (Do a Bean, 2003).

Sodné proudy byly získány pomocí standardní křivky klešťového akčního potenciálu během roztržení v reálném čase a během upravených podmínek, ve kterých byla stejná křivka roztržení akčního potenciálu zpomalena faktorem 100, aby byla deaktivována rychlá NaT. V tomto upraveném protokolu je stoupající rychlost membránového napětí dostatečně pomalá, aby byla zajištěna úplná rychlá deaktivace NaT se získává při každém napěťovém cyklu a ponechává se pouze citlivá na TTX Zdřímnutí. Obrázek 4A ukazuje při nízkém zesílení průběh akčního potenciálu a podkladové sodíkové proudy, zatímco obrázek 4B ukazuje dva hroty v dávce v 100 × pomalém čase a podkladový sodíkový proud. V tomto případě, během hrotů, velký rychle dovnitř NaT je skutečně zrušen. Pro srovnání, před dvěma zpomalenými akčními potenciály je průběh akčního potenciálu v reálném čase (1 × čas) pro dva hroty a velký podkladový NaT součást níže. Obrázek 4C ukazuje stejné dvě šablony akčního potenciálu a související 100 × pomalé proudy komprimované do reálného času s vyšším ziskem. Superponované jsou proudy v reálném čase pro srovnání. Jak je evidentní, během repolarizační fáze je sodíkový proud velmi malý a v počáteční fázi AHP neproudí vůbec, když je vyvolán 100krát. Počínaje kolem první třetiny intervalu interspike a pokračujícím až do dalšího špice, pomalu se rozvíjející Zdřímnutí proudil a zvyšoval se v amplitudě. Sodné proudy v reálném čase jsou během akčního potenciálu velké a, jak se očekávalo, proudí nepřetržitě během intervalu interspike (obr.C). Graf vodivosti tohoto pomalého proudu získaný z PROTI vztah během intervalu interspike je znázorněn na obrázku 4D (šedá). Je pravděpodobné, že tento pomalý proud pozorovaný během intervalu interspike je tradiční „perzistentní“ pomalu inaktivující sodíkový proud, protože jeho vodivost se překrývá s trvalým proudem vyvolaným tradičním povelem klešťové napěťové svorky (33,3 mV/s) přes podobný rozsah napětí (obrD). Tyto výsledky byly pozorovány u pěti z pěti zkoumaných neuronů.

Izolace perzistentního sodíkového proudu z celkového sodíkového proudu. A, Napěťová křivka (nahoře) a odezva na sodíkový proud citlivá na TTX (dole). B, Citlivé na TTX Zdřímnutí byl izolován protokolem o umělém průběhu (viz materiály a metody). První dva hroty byly vyvolány v přirozeném čase, následovaly dva hroty vyvolané 100 × pomaleji než přirozený čas (zpomalený čas). To se účinně deaktivovalo NaT a vystaven Zdřímnutí. C, Citlivé na TTX Zdřímnutí zaznamenané během příkazu křivky šablony v B byl vynesen do stonásobně komprimované časové základny a superponován na celkový sodíkový proud citlivý na TTX získaný v přirozeném čase. Všimněte si, že tyto dvě stopy se překrývaly uprostřed intervalu interspike. DPorovnání vztahu vodivosti a napětí Zdřímnutí získané metodou zpomaleného špičkového protokolu výše a jsou uvedeny protokoly napěťové rampy (33,3 mV/s šedá). Vztahy vodivosti a napětí byly vyneseny do grafu jako funkce příkazového potenciálu (viz materiály a metody) (Erev byla vypočtena na +45 mV).

Během druhé části repolarizace špiček a rané části AHP teče velký sodíkový proud, když je vyvolán v reálném čase (obr.C, Černá). Nicméně, v rané fázi AHP, jak je ukázáno, Zdřímnutí neteče. Proto sodíkový proud protékající během tohoto období v reálném čase musí být přičitatelný příspěvku další sodíkové složky, jako je obrodný sodíkový proud nebo sodíkový koncový proud (Do a Bean, 2003) nebo obojí. K rozlišení mezi těmito složkami byly použity modifikované tvary vln akčního potenciálu.

Obrázek 5A1 ukazuje protokol používaný k určení přítomnosti NaR a podkladové sodíkové proudy získané odečtením pro rodinu příkazových průběhů. Po krokovém příkazu na +30 mV po dobu 3 ms, což je dostatečné pro úplnou rychlou deaktivaci NaTbyly aplikovány následné průběhy na napětí mezi -70 a -10 mV. Jak je ukázáno, po repolarizaci na nový příkazový potenciál je vidět vnitřní proud s maximální amplitudou kolem -40 mV. Špičková proudová amplituda NaR bylo podobné, i když byla doba předpulse změněna ze 3 na 10 ms (n = 4) (data nejsou uvedena). Vrchol NaR při -40 mV bylo -725,8 ± 370,4 pA/pF a došlo za 5,1 ± 1,3 ms a rozpadlo se s časovou konstantou tau 20,2 ± 8,7 ms (n = 23). Obrázek 5B, střední a dolní, ukazují časy vzestupu a rozpadu jako funkci napětí. Vlastnosti tohoto „oživujícího proudu“ jsou docela podobné těm, které byly dříve popsány pro Purkyňovy neurony (Raman a Bean, 1997 Do a Bean, 2003). Při napětí zápornějším než -40 mV, vrchol NaR se zmenšilo, jak ukazuje diagram špičkového proudu proti potenciálu (obrB, horní). To není v souladu s koncovým proudem sodíku, protože PROTI vztah není ohmický s pozitivním sklonem, jak se očekávalo pro koncový proud. Je také nepravděpodobné, že by to představovalo trvalý sodíkový koncový proud, protože proud tekoucí bezprostředně po okamžité repolarizaci na −40 mV z předchozího příkazu rampy na +30 mV, který se obvykle používá k vyvolání Zdřímnutí (Wu et al., 2001, 2005), je větší než špičkový proud pozorovaný během rampy při -40 mV (obr. 5A2).

Neurony Mes V ukazují oživující se sodíkové proudy. A1„Horní stopa ukazuje napěťový protokol a spodní stopa ukazuje aktuální odezvu. NaT byl vyvolán krokovým impulzem 3 ms od −90 do +30 mV. Citlivé na TTX NaR byl vyvolán, když byla membrána repolarizována na napětí mezi -70 a -10 mV po maximální rychlé deaktivaci. Data byla kvůli přehlednosti rozšířena a časová prodleva je 10 ms. A2„Sodný proud citlivý na TTX byl získán aplikací pomalé rampy (-90 až +30 mV 100 mV/s), po níž následovala kroková repolarizace na -40 mV. NaR je evidentní po repolarizaci na −40 mV (šipka). Vložka zobrazuje rozšířené časové měřítko oblasti v rámečku NaR je přítomen. B, Citlivé na TTX NaR vlastnosti jsou závislé na napětí. Vztahy mezi vrcholem NaR (nahoře), doba náběhu (uprostřed) a doba rozpadu (dole) versus potenciál příkazu repolarizace. Chybové pruhy označují SD. C, Vztah mezi znovu se objevujícími složkami sodíkového proudu a celkovým sodíkovým proudem. Protokoly hybridních průběhů jsou zobrazeny nahoře a aktuální stopy jsou uvedeny níže. Plná černá je celkový sodíkový proud vyvolaný akčním potenciálem šablony a šedá stopa je aktuální v reakci na krokový impuls (3 ms) k deaktivaci NaT následuje fáze repolarizace akčního potenciálu. Izolovaní NaR (šedá) byla překryta celkovým sodíkovým proudem (černá). Všimněte si, že tyto dvě stopy se překrývaly na vrcholu AHP a ještě nějakou dobu poté.

Chcete -li určit příspěvek NaR k celkovému sodíkovému proudu během repolarizace špiček a rané části AHP jsme odstranili příspěvek koncového proudu sodíku, který v té době teče, pomocí upravených protokolů (Do a Bean, 2003). Obrázek 5C ukazuje dva protokoly tvaru vlny příkazu napětí (horní stopy) superponované a výsledné sodíkové proudy (spodní stopy). Při použití vlny akčního potenciálu v reálném čase je celkový vnitřní sodíkový proud velmi velký (na obrázku zkrácen). Na vrcholu AHP je tento proud ∼150 pA (obrC, 5C). Superimposed je křivka příkazu navržená tak, aby produkovala maximální deaktivaci půstu NaT a tudíž žádný ocasní proud. Po depolarizaci na +33 mV po dobu 3 ms byla poté použita stejná křivka špičky repolarizace, která byla použita dříve. Jak je ukázáno, během těchto podmínek zůstává pouze malý vnitřní proud sodíku během vrcholu AHP a krátce poté. Kromě toho se proud tekoucí na špičce a po AHP pro obě podmínky překrýval. Tento proud musí být obnovující se sodíkový proud, protože během této doby je koncový proud eliminován az předchozího experimentu (obr.C), Zdřímnutí tok během této doby je nulový. To bylo pozorováno u všech pěti zkoumaných buněk.

Pomalá deaktivace sodíkových proudů citlivých na TTX

Dříve jsme navrhli, že ukončení burstu by mohlo být důsledkem akumulace pomalé inaktivace sodíkových proudů během burstu (Wu et al., 2001, 2005). Abychom získali důkazy pro tuto hypotézu, provedli jsme experimenty s využitím svorky akčního potenciálu, abychom zjistili, zda NaT, NaR, a Zdřímnutí jsou citlivé na pomalou deaktivaci pomocí protokolů určených k izolaci těchto proudů.

Obrázek 6A ukazuje křivku příkazového shluku (nahoře) získanou v proudové kleště a podkladový tok proudu během shluku (spodní stopa) během napěťové kleště. Obrázek 6B ukazuje rozšířený pohled získaný z obrázku 6A. Zdřímnutí byl definován jako průměrný proud tekoucí v časovém okně 1 ms 5 ms po žlabu AHP (obrB(box, box), když jsou oživující a ocasní proudy minimální. Průměr Zdřímnutí byl vypočítán pro prvních a posledních pět špiček v dávce. Poté jsme porovnali průměr Zdřímnutí v této rané době, měřeno těsně před ukončením série. Na základě 10 zkoumaných neuronů byla střední amplituda Zdřímnutí na konci výboje byla snížena na ∼86,1 ± 11,3% kontroly ve srovnání se střední amplitudou na začátku (p <0,03 n = 10), což naznačuje, že snížení v Zdřímnutí během udržované série by skromně přispělo k ukončení série (Wu et al., 2005).

Pomalá deaktivace Zdřímnutí během výbuchu A„Horní stopa ukazuje ranou část (levá strana) a pozdní (pravá strana) příkazu napětí šablony impulsu v rozšířeném časovém měřítku. Dolní stopa ukazuje aktuální reakce. Průměrné proudy byly vypočteny pro prvních pět špiček a posledních pět špiček během výboje. Malá políčka během každého ISI označují oblast, ve které byly měřeny proudy. B, Stopy ukazují orámované segmenty v A v rozšířeném časovém rámci. Amplituda proudu byla vypočítána zprůměrováním proudu protékajícího oknem 1 ms 5 ms po žlabu.

Další mechanismy, jako je pomalá deaktivace souboru NaT a NaR (Fleidervish a Gutnick, 1996 Do a Bean, 2003) by také mohly přispět k ukončení shluku. K testování této hypotézy jsme použili upravený protokol, který nám umožnil měřit všechny tři proudy současně (obrA) (Do and Bean, 2003) v roztocích obsahujících sníženou koncentraci externího sodíku (50 m m NaCl a 91 m m TEA-Cl), aby se minimalizovaly chyby sériového odporu. Obrázek 7A ukazuje protokol a základní sodíkové proudy. Napětí závislá pomalá deaktivace NaT, NaR, a Zdřímnutí (ObrA) byly testovány s použitím předběžných impulzů o délce 20 s od -90 do -40 mV s následným návratem k -90 mV po dobu 100 ms, aby bylo možné zotavení z rychlé inaktivace. Různé složky proudu sodíku byly vyvolány použitím kroku 10 ms, +15 mV, po kterém následoval návrat na -40 mV po dobu 100 ms. NaT byl definován jako vrchol mínus proud v ustáleném stavu během kroku na +15 mV. NaR byl definován jako vrchol mínus proud v ustáleném stavu (odebíraný na konci pulsu) vyvolaný během kroku na −40 mV, zatímco Zdřímnutí byl definován jako proud v ustáleném stavu na konci pulsu minus základní proud během kroku na -40 mV. Obrázek 7, B a C, ukazuje souhrn inaktivace v ustáleném stavu pro každý z proudů vynesením relativní vodivosti v ustáleném stavu proti potenciálu prepulze v podmínkách nízkého externího sodíku (50 m m) a normálního sodíku (131 m m). Bez ohledu na vnější koncentraci sodíku Zdřímnutí byl nejcitlivější na pomalou inaktivaci následovanou NaR, pak NaT (měřeno pouze v nízkém obsahu sodíku) (obrB,C). Pro srovnání rychlá deaktivace souboru NaT získaný v 15 m m externí sodík je také zobrazen (obrB, tečkovaná čára). Průměrná relativní špičková vodivost citlivá na TTX byla vynesena proti potenciálu kondicionačního impulsu a vybavena Boltzmannovou rovnicí. U nízkého sodíku byly vhodné parametry PROTI1/2 = −65,0 ± 6,3 mV a k = 11,9 ± 2,0 mV pro NaT, PROTI1/2 = −73,3 ± 6,4 mV a k = 14,4 ± 6,3 mV pro NaR (n = 6) a PROTI1/2 = −72,7 ± 9,1 mV a k = 14,1 ± 6,1 mV pro Zdřímnutí. V normálním sodíku poskytly Boltzmannovy fit parametry PROTI1/2 = −63,6 ± 6,9 mV a k = 8,4 ± 2,6 mV pro NaR, PROTI1/2 = −65,0 ± 3,0 mV a k = 7,7 ± 1,4 mV pro Zdřímnutí (n = 8). V nízkém sodíku a měřeno při -40 mV byla každá relativní vodivost snížena na 48,7 ± 16,8% (NaT), 43.9 ± 5.6% (NaR) a 28,2 ± 17,9% (Zdřímnutí), zatímco v normálním sodíku NaR relativní vodivost byla snížena na 59,9 ± 10,7% a Zdřímnutí relativní vodivost byla snížena na 43,0 ± 17,7%.

Složky sodíkového proudu vykazují pomalou deaktivaci závislou na napětí. A„Hybridní protokol k demonstraci pomalé deaktivace NaT, NaR, a Zdřímnutí. Horní stopa ukazuje napěťový protokol. Po 20 s předpulse následoval testovací protokol, který zahrnoval krok 100 ms do -90 mV, krok 10 ms do +15 mV a krok 100 ms do -40 mV pro uvedené časy. Neurony byly drženy při -90 mV po dobu 10 s před nástupem následujícího napěťového protokolu. Dolní stopa ukazuje aktuální odezvu během testovacího impulsu zobrazeného pro předpulzy mezi -90 a -40 mV. B, Závislost napětí na pomalé inaktivaci sodíkových proudů. Relativní vodivosti pro NaT, NaR, a Zdřímnutí jsou vykresleny jako funkce předpulzního napětí a zapadají do Boltzmannovy funkce v 50 m m NaCl extracelulárním řešení pro data v A. Tečkovaná čára označuje závislost napětí pro rychlou deaktivaci NaT a je kompatibilní s funkcí Boltzmann pro srovnání. C, Stejný jako B ale zaznamenáno v 131 m m NaCl extracelulárním roztoku. NaT nebylo měřeno z důvodu nedostatku adekvátního řízení napětí. D, Porovnání režimů záznamu s celou buňkou a mimo ni. Reprezentativní proudové stopy získané z napěťových kroků mezi −95 a +35 mV z udržovacího potenciálu −90 mV jsou zobrazeny v konfiguraci s celými články (nahoře, vlevo) a vně ven (nahoře, vpravo). Zmenšen PROTI vztahy jsou superponovány pro sodíkové proudy pro oba režimy záznamu (dole). Odečteny byly všechny proudy (viz materiály a metody). Šedá čára zobrazuje nahrávání z vnějšku a černá čára nahrávání z celých buněk (n = 3). Chybové pruhy označují SD.

Abychom potvrdili, že napětí bylo během půstu adekvátně upnuto prostorem NaT evokované hybridním protokolem použitým na obrázku 7, jsme provedli další experimenty s použitím konfigurace vnější náplasti v 50 m externím roztoku sodíku. S touto konfigurací jsou eliminovány chyby prostorových svorek. Porovnali jsme PROTI vztah půstu NaT získané v konfiguraci celých buněk s konfigurací získanou ve stejné buňce po zadání konfigurace ven-ven. Pro odčítání netěsnosti byla použita metoda P/N 4. Obrázek 7D ukazuje souhrn PROTI vztah superponovaný pro obě podmínky na jejich aktuálních stupnicích. Přiměřenost konfigurace celé buňky k rychlému upnutí NaT v nízkém externím sodíku je potvrzeno přiměřeně dobrým, ale ne dokonalým překrytím PROTI vztah pro oba způsoby záznamu a zejména podobné reverzní potenciály. Skutečnost, že Mes V neurony jsou oválné a nemají dendritické procesy, dále zvyšuje naši důvěru v používání hybridního protokolu v konfiguraci celých buněk k upínání rychlých proudů v podmínkách záznamu s nízkým obsahem sodíku a s největší pravděpodobností odpovídá relativně malým rozdílům v PROTI vztahy mezi oběma podmínkami.

Abychom získali další důkaz, že pomalá inaktivace těchto proudů přispívá k frekvenci výbuchu a ukončení, použili jsme testovací protokol popsaný na obrázcích 7A a 8A v různých časech po zahájení příkazu křivky shluku (obrA) původně získané v proudové svorce. V této situaci aktivita špiček během příkazu shluku, která předcházela testovacímu protokolu, účinně sloužila jako přípravný impuls. Tato data byla získána v nízkém obsahu sodíku, aby bylo umožněno napěťové řízení šablony příkazu akčního potenciálu. Kontrolní data pro časovou závislost nástupu pomalé inaktivace byla nejprve analyzována pomocí krokového protokolu před spuštěním příkazu křivky roztržení (obr. 8)A, vložka). Poté byla doba výbojového výboje uměle změněna a po každé modifikované dávce byl vyvolán zkušební protokol (obr.A, pravá čísla indikují začátek testovacího protokolu). Potom jsme porovnali změnu amplitudy těchto proudů před a po křivce roztržení. Aby se zabránilo hromadění pomalé inaktivace mezi pokusy, byl protokol opakován každých 10 s. Protokol testovacího kroku aplikovaný 100 ms po ukončení příkazu křivky (k odstranění rychlé inaktivace) odhalil, že všechny tři sodíkové proudy byly ve srovnání s kontrolou stlačeny. Postavení 8B indikuje, že se vyvíjí určitý stupeň pomalé inaktivace, protože se prodlužuje doba roztržení pro všechny 3 proudy. Kromě toho vývoj pomalé inaktivace doprovázel adaptaci pomalých špiček, jak ukazuje superponovaná relativní okamžitá frekvence špiček použité šablony shluku (obr. 8B). Podobně jako na obrázku 7, Zdřímnutí byl nejvíce náchylný k pomalé deaktivaci. Současná data jsou tedy kompatibilní s hypotézou, že ukončení výbuchu a pomalá adaptace špice do určité míry vyplývá z pomalé inaktivace NaT, NaR, a Zdřímnutí sodíkové proudy.

Časový průběh pomalé inaktivace pro sodíkové proudy během výbuchu. A„Protokol ke zkoumání časového průběhu pomalé inaktivace složek proudu sodíku během výboje. Zobrazený protokol hybridního testu (vložka, horní napětí, spodní proud) byl aplikován v časových bodech uvedených během křivky shluku šablony příkazu. Šablona hybridního příkazu byla stejná jako na obrázku 7A kromě toho, že prepulse byla nyní předchozím hrotovým výbojem. Protokol příkazu se stejným krokem byl testován jako kontrola 10 s před průběhem impulzu. B, Časový průběh pomalé deaktivace NaT, NaR, a Zdřímnutí během výbuchového výboje. Relativní proudy jsou vyneseny do grafu v závislosti na čase poté, co byla pro každou aktuální složku použita šablona shluku. Relativní frekvence špiček během shluku šablony je vynesena do stejného časového měřítka pro srovnání (souvislá stopa). Chybové pruhy označují SD.

Trvalý sodíkový proud teče během intervalu mezi výbuchem

Bursty se typicky náhle ukončí depolarizačním afterpotenciálem a tlumenými oscilacemi, které nespouštějí špičku. Po ukončení série jsou podprahové oscilace nejmenší ve srovnání s těmi, které se vyskytují těsně před začátkem série. Je zajímavé, že membránový potenciál v ustáleném stavu při zakončení výbuchu je jen několik milivoltů hyperpolarizovaných ve srovnání s nástupem výbuchu (obr. 1B, 9B) (Wu et al., 2001). Během interburstového období se membránový potenciál pomalu depolarizuje a podprahové oscilace se znovu inicializují a způsobí nástup roztržení. Abychom určili, zda se během tohoto časového období vyvíjejí pomalé sodíkové proudy, změřili jsme proud citlivý na TTX, který protéká během interburstového období. Obrázek 9A ukazuje šablonu výbuchu použitou jako napěťový příkaz a následně zaznamenaný proud sodíku odečtený TTX při nízkém zesílení, zatímco obrázek 9B ukazuje stejná data získaná v oblasti zobrazené na obrázku 9A (box) s vyšším ziskem. Jak je evidentní, během interburstového intervalu, jak příkaz šablony napětí depolarizoval membránový potenciál, se vyvinul pomalý sodíkový proud. Důkladná kontrola proudových stop během této doby ukazuje přítomnost malých proudových oscilací, které se postupem času postupně zvětšují (obr.C). K určení vztahu mezi napětím a proudem oscilací byla provedena křížová korelační analýza. Pík oscilace napětí byl použit jako referenční spoušť a následný proud byl zprůměrován během přibližně ± 20 ms okna kolem každé oscilace před výbuchem výboje. Obrázek 9D ukazuje, že ve skutečnosti pro každou podprahovou oscilaci membránového potenciálu je generován rychle aktivující a deaktivující vnitřní proud sodíku a spojený s napěťovým příkazem.

Časový průběh vývoje perzistentního sodíkového proudu během interburstového intervalu. A„Horní stopa ukazuje příkaz křivky. Tečkovaná čára označuje −51 mV. Dolní stopa ukazuje odečtenou proudovou odezvu citlivou na TTX při nízkém zesílení. B, Stopy ukazují tečkovaný rámeček segmentu v A s vysokým ziskem. Horní stopa ukazuje příkaz napětí a spodní stopa ukazuje odečtený proud citlivý na TTX. Během trajektorie interburstového napětí se amplituda sodíkového proudu citlivého na TTX exponenciálně zvýšila. C, Nástup a ukončení výboje při vysokém zisku. Stopy ukazují zabalené segmenty v B v rozšířeném časovém rámci. D, Analýza křížové korelace mezi podprahovými oscilacemi napětí (referenční spoušť) a proudovými odezvami. Průhyb proudu směrem dolů indikuje proud dovnitř.


Abstraktní

Transmembránový sodíkový gradient je nezbytný jak pro excitabilitu srdeční buňky, tak pro regulaci cytoplazmatických koncentrací Ca a protonů. Pohyby Na přes mitochondriální membránu navíc ovlivňují protony matrix a vápník. V první části recenze diskutujeme nejdůležitější cesty zodpovědné za sarkolemmální a mitochondriální pohyby sodíku. Převážná část přehledu zvažuje změny intracelulární koncentrace Na ([Na +]), které se vyskytují u onemocnění, konkrétně ischemie, reperfuze a srdečního selhání. Zkoumáme důkazy naznačující zvýšení intracelulárního sodíku buď ke zvýšenému přílivu sodíku (buď sodíkovými kanály nebo výměnou sodík/vodík), nebo alternativně ke snížení odtoku na pumpě Na/K. Ačkoli se toho o regulaci sodíku v srdci hodně naučilo, stále existuje mnoho nezodpovězených otázek, zejména týkajících se mitochondriální regulace Na.

Intracelulární sodík ([Na +]) je skvěle regulována řadou kanálů a transportérů. Transsarcolemmal Na gradient je klíčovým regulátorem intracelulárních koncentrací Ca ([Ca 2+]) a další ionty a metabolity. Nicméně [Na +] může být dysregulován u srdečních chorob a tato dysregulace může přispívat k srdeční patologii spojené s těmito chorobami. Například [Na +] bylo prokázáno, že stoupá během ischemie nebo simulované ischémie, 1–5 a bylo prokázáno, že to přispívá k ischemickému/reperfuznímu poškození. [Na +] Bylo také navrženo zvýšení srdečního selhání, 6–9, a toto bylo navrženo, aby přispělo ke změně regulace Ca, změněné kontraktilitě a arytmiím. Jako regulátor [Ca 2+], [Na +] řídí kontraktilitu, arytmogenitu a energetiku. V poslední době je také značný zájem o vzájemný vztah mezi cytosolickou a mitochondriální iontovou homeostázou a o to, jak mohou mitochondriální koncentrace Na a Ca regulovat mitochondriální funkci. V současné době je také velký zájem o příznivé účinky inhibitorů Na kanálů a nosičů. Tento přehled se zaměřuje na regulaci [Na +] a jak by to mohlo být změněno u nemocí, jako je ischémie a srdeční selhání.

Měření intracelulární koncentrace Na

Je důležité si uvědomit, že přesnost měření intracelulární koncentrace sodíku závisí na použitých metodách, a to je zvláštní problém, když jsou požadována kvantitativní data. Dosud byly použity čtyři techniky. 1. Nejstarší studie používaly měření celkové koncentrace Na a radioaktivních toků a korigovaly na Na v extracelulárním prostoru. 10 Tento přístup má velmi omezené časové rozlišení. 2. Další přístup zahrnoval použití sodíkově selektivních mikroelektrod. 11 Ze všech dostupných technik je to pravděpodobně nejkvantitativnější, ale je omezena potřebou nabodnout tkáň 2 mikroelektrodami (jednou sodíkovou selektivní a druhou pro měření membránového potenciálu), což znemožňuje její použití v silně stahující tkáně a celá srdce. 3. K měření intracelulárního Na lze použít 23 Na nukleární magnetickou rezonanci (NMR), pokud je k odstranění účinků extracelulárního Na použito „posunovací činidlo“. 12,13 Tato technika má relativní nedostatek kinetických měření citlivosti se vzorkovací frekvencí dokonce 1 minutu vyžadující řád gramu tkáně, čímž se tento přístup účinně omezuje na použití na celá srdce. NMR tedy není vhodnou technikou pro zkoumání změn Na, ke kterým dochází v sekundách. 4. Nejnověji zavedeným přístupem je použití fluorescenčních indikátorů citlivých na Na. Nejčastěji se používá SBFI. 14 Toto bylo použito k měření Na při práci na jednotlivých buňkách 4 a celých srdcích. 15 Tyto indikátory lze snadno zavést ve formě acetoxymethylesteru propouštějícího membránu, i když je třeba dbát na to, aby část indikátoru skončila v intracelulárních organelách, jako jsou mitochondrie. V závislosti na okolnostech to může být buď handicap pro kvantifikaci koncentrace cytoplazmatického Na, nebo může být použit k odhadu mitochondriální koncentrace Na. 4 Nověji vyvinutou řadu indikátorů CoroNa lze použít k selektivnímu měření cytoplazmatických (pomocí CoroNa Green) a mitochondriálního Na (pomocí CoroNa Red). 16 Je však obtížné kvantifikovat tyto fluorescenční indikátory Na, proto jsou užitečné pro měření rychlých změn Na, ale nejsou ideální pro získání kvantitativních měření.

Regulace cytoplazmatického Na za bazálních podmínek

Infekční cesty Sarcolemmal

Jak bylo diskutováno v nedávném přehledu, 17 k přílivu Na do klidové buňky dochází několika způsoby, včetně: Na kanálů, výměny Na/Ca (NCX), výměny Na/H (NHE), kotransportéru Na/bikarbonátu, Na/K/2Cl kotransportér a výměna Na/Mg. Srdce samozřejmě není v klidu, ale pravidelně bije. Tato aktivita zvýší množství Na vstupujícího přes Na kanály a také přes NCX (jak Na vstupuje do buňky výměnou za Ca, který vstupuje přes proud Ca typu L). V tomto přehledu se zaměřujeme na 3 cesty pro vstup Na, které se zdají být u onemocnění nejdůležitější: Na kanály, NHE a NCX.

Na kanálech

Na kanál citlivý na tetrodotoxin (TTX) se aktivuje během zdvihu akčního potenciálu. Stupeň otevření je řízen jak aktivačními (m), tak inaktivačními (h) branami tak, že depolarizace nejprve otevře (aktivuje) kanál před uzavřením (deaktivací). Hlavní formou sodíkového kanálu je takzvaná „srdeční“ izoforma (NaPROTI1,5), který se vyznačuje nízkou afinitou k inhibitoru TTX. Novější práce však identifikovala různé „neuronální“ izoformy v srdci, zejména NaPROTI 1.1 a 1.3, které jsou na TTX mnohem citlivější. 18 Nejznámější rolí sodíkového proudu je produkovat rychlý vzestup akčního potenciálu, a proto umožnit šíření akčního potenciálu v celém srdci. Je však již mnoho let známo, že kromě snižování rychlosti zdvihu akčního potenciálu zkracování inhibice proudu Na pomocí TTX zkracuje akční potenciál, což naznačuje, že sodíkový proud hraje roli v plató akčního potenciálu. 19 To je v souladu s novější prací, která ukazuje, že mutace v sodíkovém kanálu vedou k různým syndromům dlouhého QT. 20 Existence základní ustálené nebo trvalé (neinaktivující) složky proudu Na byla poprvé prokázána u srdečních Purkyňových vláken. 21 Přestože je tento proud velmi malý (≈1%) ve srovnání se špičkovým proudem Na během vzestupu akčního potenciálu, skutečnost, že je udržován mnohem delší dobu, znamená, že bude hrát významnou roli v celkovém přílivu Na do cely. Obzvláště relevantní pro tento přehled je skutečnost, že perzistentní proud Na je zesílen hypoxií, a proto může přispět ke zvýšení [Na +] pozorované při ischemii. 22 Důležitá otázka se týká chování perzistentního proudu Na pozdě v ischemii, když se elektrická aktivita zastavila a membránový potenciál se depolarizoval na −50 mV. 23 Při tomto potenciálu bude pozdní Na kanál aktivován, ale bude produkovat vstup Na pouze tehdy, pokud není plně deaktivován. Je tedy pozoruhodné, že perzistentní proud Na nevykazuje žádné známky inaktivace napěťovými klešťovými pulzy trvajícími 1 sekundu, 24 a bylo navrženo, že proto může přispívat k vstupu Na v hypoxických podmínkách 25, i když je membrána depolarizována. Jak bude diskutováno později, ve vývoji léků, které blokují perzistentní proud Na, existuje značné vzrušení. 26 Souhrnně lze říci, že 2 hlavní faktory, u nichž se očekává, že ovlivní vstup Na do srdečních buněk prostřednictvím Na kanálu, jsou (1) frekvence stimulace a (2) stupeň aktivace perzistentního sodíkového proudu.

Výměna Na/H

NHE využívá energii v gradientu Na k čerpání H z buňky. Regulace NHE byla nedávno přezkoumána. 27–29 NHE je stimulován intracelulární acidifikací a patří mezi hlavní transportéry podílející se na extruzi kyseliny z buňky. 30 Je také důležitý při regulaci objemu buněk a při reorganizaci cytoskeletu. Aktivita NHE je stimulována intracelulární acidózou prostřednictvím vazby protonu na alosterické místo v transportéru. Různí agonisté však mohou upravit pH, při kterém je NHE aktivován fosforylací. Změnou pH, při kterém je NHE aktivní, mohou hormony měnit buněčné pH, a to zase mění buněčný růst, proliferaci a hypertrofii. Prodloužená aktivace mnoha z těchto agonistů, kteří aktivují NHE, způsobí hypertrofii a bylo ukázáno, že inhibitory NHE zeslabují hypertrofii.

Výměna Na/Ca

NCX byl komplexně zkontrolován. 31 K čerpání Ca využívá energii poskytovanou ionty Na vstupujícími do buňky. Rychlost obratu NCX a tedy vstup Na do buňky bude záviset na intracelulárních koncentracích Na a Ca a také na membránovém potenciálu. Vzhledem k tomu, že NCX je hlavním mechanismem pro čerpání Ca z buňky, pak v ustáleném stavu musí tok Ca přes výměnu odpovídat přítoku Ca do buňky, která je do značné míry přes proud Ca typu L. Jakýkoli manévr, který zvyšuje vstup Ca do buňky proudem typu L (např. Β-adrenergní stimulace), bude mít za následek zvýšený vstup Na na NCX. Příliv Na je lineární funkcí [Ca 2+], 32 a tedy větší [Ca 2+] je větší příliv Na. Relevance pro následné úvahy v tomto přehledu účinků ischémie, snížení intracelulárního pH snižuje aktivitu NCX. 33 ATP může aktivovat NCX, což je účinek, který má milimolární afinitu k ATP 34, a proto pokles koncentrace ATP také sníží aktivitu NCX.

Ačkoli (jak je diskutováno výše) NCX obecně pracuje v takzvaném „dopředném“ režimu k čerpání Ca z článku, v závislosti na elektrochemickém gradientu, může také produkovat čistý vstup Ca spojený s Na efluxem (reverzní režim). Čistý reverzní režim může nastat pouze při potenciálech pozitivních na reverzní potenciál NCX. Reverzní potenciál zase závisí na koncentraci intracelulárního Na a Ca. Depolarizace buňky na začátku akčního potenciálu může podpořit reverzní NCX. Tento efekt je však kompenzován zvýšením [Ca 2+] způsobené uvolněním ze sarkoplazmatického retikula, které ovlivňuje NCX směrem dopředu. 35 Obecně se má za to, že za normálních podmínek pracuje NCX primárně v dopředném režimu. Jinak může být situace u srdečního selhání, kde kombinace zvýšeného [Na +] a snížené uvolňování Ca bude mít za následek delší období reverzního režimu. 36 Relevantní pro tuto recenzi je zvýšení [Na +] u ischemie 37 lze očekávat, že zvýší reverzní režim NCX, i když je třeba mít na paměti také účinky dalších faktorů, jako jsou změny ATP a pH. Nakonec je třeba poznamenat, že pokud nastane čistý reverzní režim NCX pro jakékoli významné období, pak dojde k čistému vstupu vápníku. Tento Ca musí být odstraněn z cytoplazmy. Ve skutečném ustáleném stavu to vyžaduje transport Ca z buňky a není jasné, zda má další odstranění sarkolemmálního Ca, plazmatická membrána Ca ATPáza (PMCA), dostatečnou kapacitu. V krátkodobém horizontu by mohla být rovnováha Ca udržována sekvestrací v mitochondriích, i když opět nevíme o studiích, které ukazují kvantitativní rovnováhu mezi vstupem Na do buňky na NCX a mitochondriálním příjmem, ačkoli Liu et al 38 prokázali, že intracelulární Na může měnit intramitochondriální Ca.

Ostatní kanály Sarcolemmal

I když se to normálně považuje za součást mezibuněčných spojení, hemikanály konexinu (Cx) byly také nalezeny v povrchové membráně a bylo navrženo, že se mohou otevřít během metabolického stresu, což potenciálně umožňuje vstup Na. 37

Cesty Na Efflux

Jak bylo uvedeno výše, zatímco NCX může za určitých podmínek odstranit Na z buňky, je velmi pravděpodobné, že čistý časově průměrovaný tok Na prostřednictvím tohoto mechanismu je směrován do buňky („dopředný režim“). To ponechává pumpu Na/K jako jediný významný mechanismus pro čerpání Na + z buňky proti elektrochemickému gradientu.

Na/K ATPáza využívá volnou energii hydrolýzy ATP k výměně 3 intracelulárních iontů Na za 2 extracelulární K, čímž nastavuje gradienty pro Na a K přes buněčnou membránu. Podrobnosti o struktuře a regulaci Na/K ATPázy jsou přezkoumány jinde. 39 Stručně, Na/K ATPáza se skládá z podjednotek a a p. Existují 3 α izoformy s různými afinitami Na a 2 β podjednotkami, i když v srdci je exprimován pouze β1. 39 Na/K ATPáza je také regulována malým fosfoproteinem, phospholemman (PLM), způsobem připomínajícím fosfolambanovou regulaci Ca ATPázy sarko-/endoplazmatického retikula Ca (SERCA). PLM, člen rodiny FXYD (také známý jako FXYD-1), je hojný v srdci a bylo prokázáno, že je fosforylován adrenergní stimulací. 40 PLM asociuje a snižuje afinitu Na podjednotek α1 a α2 ATPázy Na/K. PLM tedy snižuje aktivitu Na/K ATPázy snížením afinity k Na. Despa a kol. 41 ukázali, že β-adrenergní stimulace aktivuje Na/K ATPázu u myší divokého typu, ale ne v srdcích myší bez PLM (PLM-KO). Aktivita Na pumpy u myší divokého typu po beta-adrenergní stimulaci byla podobná aktivitě v srdcích PLM-KO. 41 Celkově tato data ukazují, že snížení aktivity Na pumpy zprostředkované PLM je ztraceno, když je PLM fosforylován.

Regulace mitochondriálního Na

Mechanismus mitochondriálního Na efluxu

Mitochondriální [Na +] je regulován mechanismy přílivu a odtoku Na. Hlavním mechanismem Na efluxu je mitochondriální NHE (viz obrázek, A). 42 Během transportu elektronů jsou protony vytlačovány z matrice, což má za následek pH matrice, které je zásaditější než cytosol. 43 V izolovaných mitochondriích s extramitochondriálním pH nastaveným na ≈7,1 se pH matrice obvykle měří kolem 7,8 (ΔpH ≈0,7). 42 V mnoha z těchto studií jsou však mitochondrie udržovány v nefyziologických pufrech nebo v nepřítomnosti anorganického fosfátu (P), což by snížilo gradient pH (způsobený P/H cotransporter nebo případně P/OH antiporter). Bylo hlášeno, že pH matrice je nižší (ΔpH ≈0,04), měřeno ve fyziologičtějším pufru obsahujícím P při 37 ° C. 44 V izolovaných mitochondriích se zdá, že NHE působí blízko rovnováhy. V energetizovaných mitochondriích, které jsou protlačováním protonů, se má za to, že gradient pH pohání gradient Na. Jung a kol. Zjistili, že při dýchání mitochondrií byla matice Na ≈ 8krát nižší než extramitochondriální Na. 42 Pokud mitochondriální NHE pracuje v blízkosti rovnováhy se stechiometrií 1 až 1, byl by tento 8násobný gradient Na v rovnováze s gradientem pH 0,92, což je hodnota o něco vyšší, než se běžně vyskytuje v izolovaných mitochondriích. Zdá se tedy, že gradient Na přes matici je blízký rovnováze s mitochondriálním gradientem pH. To je v souladu s pozorováním, že mitochondriální NHE má vysokou aktivitu. 45 Jak však bylo uvedeno, in situ bude mitochondriální gradient pH pravděpodobně mnohem nižší, a to by snížilo gradient Na přes mitochondrie. Gradient Na in situ je tedy považován za mnohem nižší než 8násobek měřený v izolovaných mitochondriích (pravděpodobně menší než 2násobný gradient Na v buňkách). Studie na permeabilizovaných srdečních myocytech podporují myšlenku, že v energetizovaných mitochondriích je matice [Na +] nižší než cytosolický Na a že metabolická inhibice (která by blokovala vytlačování protonů z matrice a rozptylovala jakýkoli gradient pH přes mitochondrie) má za následek zvýšení matice [Na +]. 4,42 Existuje však několik spolehlivých měření matrice Na v intaktních myocytech, a to je oblast, která vyžaduje další studii.

Postava. Schematický diagram sarkolemálních a mitochondriálních toků. Na sarkolemě jsou zobrazeny následující transportéry a kanály (ve směru hodinových ručiček): Na/K pumpa NCX pracující v Ca efluxním (dopředném) režimu NCX pracujícím v Ca přílivovém (reverzním) režimu Na kanál Na Na H výměně Ca kanálu. Na mitochondriích jsou znázorněny transportéry a kanály (ve směru hodinových ručiček): NCX v režimu vstupu Ca Na/H výměna NCX v režimu Ca eflux Ca uniporter pyruvát transportér transportér fosfátu F1F0 ATPázový komplex I až IV dýchacího řetězce. A, ovládání. [Na +] je ≈8 mmol/L a pH ≈7,2. [Ca 2+] se bude pohybovat mezi ≈100 nmol/L v diastole a 1 μmol/L v systole. B, ischémie. Na sarkolemě (ve směru hodinových ručiček) jsou indikovány následující změny. [ATP] je snížena, což ovlivňuje pumpu Na/K. Jak ukazují šipky, reverzní režim NCX se zvýší. Příliv Na se zvyšuje, zejména na perzistentním Na kanálu. Aktivita Na/H se zvyšuje. Anaerobní glykolýza produkuje kyselinu mléčnou, čímž okyseluje buňku. Rovněž došlo ke zvýšení [Ca 2+] na 3 μmol/L, pokles pH na 6,0 a zvýšení [Na +] na 35 až 40 mmol/l. V mitochondriích (ve směru hodinových ručiček) jsou změny: zvýšený vstup Ca a Na eflux na NCX, zastavení přenosu elektronů a protonového toku a čistá syntéza ATP mitochondriemi. C, Srdeční selhání. Zde jsou hlavní sarkolemmické změny ve srovnání s kontrolou: zvýšení přílivu Na na NCX a zvýšení NHE a zvýšení vstupu Na prostřednictvím Na kanálů. Nárůst [Na +] až 15 mmol/l bude mít za následek další vstup Na do mitochondrií.

Je nepravděpodobné, že by mitochondrie měly nějakou zásadní roli v regulaci cytosolického [Na +] za bazálních podmínek, ale pokud je zvýšen mitochondriální gradient pH, mohlo by to mít za následek zvýšený odtok Na z mitochondrií. Jakékoli takové zvýšení by však bylo pravděpodobně přechodné, což lze připsat omezenému Na v matrici a výtoku z cytosolu prostřednictvím Na/K ATPázy. V ustáleném stavu nesmí docházet k žádnému čistému toku Na do mitochondrií ani z nich a [Na +] bude regulováno sarkolemou. Existuje několik přímých kvantitativních měření matrice [Na +] in situ a žádné v srdci, toto je jasně oblast, která potřebuje další budoucí studie. Protože gradient Na přes mitochondrie má důležité důsledky, bude důležité definovat úrovně matrice [Na +] in vivo.

Mitochondrie také obsahují výměník K/H, který vytlačuje K z matrice výměnou za H. 46 Mitochondriální vnitřní membrána je pro K do značné míry nepropustná, pokud by K byly volně distribuovány přes mitochondrie, vzhledem k Δψ −180 mV by matice K byla ≈100 mol/l. Tento výměník je důležitý při regulaci mitochondriálního objemu. Ačkoli existuje určitá neshoda, 46,47, obecně se má za to, že matice K je o něco vyšší než cytosolický K, kvůli úniku K do mitochondrií kvůli vysokému cytosolickému K a vysokému negativnímu potenciálu mitochondriální membrány. Existuje několik nedávných recenzí na mitochondriální regulaci K a regulaci objemu. 46,47

Mechanismus mitochondriálního toku Na

Mitochondriální výměník Na/Ca (NCE) se jeví jako hlavní mechanismus přílivu Na v srdečních mitochondriích. Ačkoli dříve existovala nějaká otázka ohledně toho, zda NCE byla elektroneutrální nebo elektrogenní, nejnovější údaje v izolovaných mitochondriích souhlasí s tím, že výměník je elektrogenní a vyměňuje 3 Na za 1 Ca. 48–52 Protože však stechiometrie NCE významně přispívá k regulaci matrice [Ca], je důležité mít k dispozici další údaje o stechiometrii buď in vivo, nebo za podmínek, které napodobují ty pozorované in vivo. Rovněž stojí za zmínku, že na rozdíl od sarkolemmálního NCE nebyla předpokládaná stechiometrie NCE ověřena přímou demonstrací predikovaného elektrogenního proudu.

Energizované mitochondrie mají velký dovnitř směřující membránový potenciál (Δψ), typicky v rozmezí -150 až -180 mV. Tento velký Δψ, spojený s dovnitř směřujícím gradientem Na, poskytne velkou hnací sílu pro vytlačování Ca z matrice výměnou za vstup Na. Na základě typických hodnot Ca matrice naměřených v myocytech se zdá, že NCE není v rovnováze. Pokud by byly NCE v elektrochemické rovnováze, vzhledem k typickým hodnotám pro cytoplazmatický [Na +] (8 mmol/L), mitochondriální [Na +] (6 mmol/L) a membránový potenciál (-160 mV) by to mělo za následek mitochondriální Ca gradient ≈958. Tedy s časovým průměrem [Ca 2+] z ≈300 nmol/L, matrice [Ca2+] by byla ≈0,3 nmol/L, hodnota značně pod hodnotami matrice naměřenými v myocytech (≈100 nmol/L). Kromě toho by nízká matice [Ca 2+] ≈0,3 nmol/L nebyla v souladu s Ca aktivací mitochondriálních dehydrogenáz. 53 Schreur et al 54 naložili intaktní perfundované srdce indo-1 a použili Mn k uhasení cytosolického indo-1. Uvedli, že za podmínek, ve kterých systolický [Ca 2+] byl 673 nmol/l a diastolický [Ca 2+] byl 132 nmol/l, byla mitochondriální matrice [Ca 2+] měřena při 183 nmol/l. Existují značné rozdíly v hodnotách uváděných pro matici Ca, ale obecně jsou hodnoty uváděné pro matici [Ca 2+] typicky mnohem vyšší, než je vypočteno na základě rovnováhy NCE.

Zdá se tedy, že mitochondriální NCE není v elektrochemické rovnováze. To je pravděpodobně způsobeno vstupem Ca přes uniporter a kinetickými vlastnostmi NCE. Maximální aktivita NCE je také nízká ve srovnání s uniportérem (a NHE). Přidání rutheniové červeně, inhibitoru uniportu, vede k nižším hladinám Ca matrice, které se blíží těm, které předpovídá rovnováha NCE. 51,52 Zdá se tedy, že vstup Ca přes uniporter brání NCE v dosažení elektrochemické rovnováhy. Je poučné podívat se na obrázek 6 v Dash a Beard, 52, kde modelování ukazuje, že v nepřítomnosti rutheniové červeně a nepřítomnosti Na (která aktivuje NCE) je matice Ca velmi strmá závislost na extramitochondriálním Ca. Přidání Mg, které bude antagonizovat uniporter, výrazně snižuje hladinu matrice Ca v daném extramitochondriálním Ca. Denton a kol. 55 zjistili, že přidání ruthenia snižuje schopnost extramitochondriálního Ca aktivovat mitochondriální dehydrogenázu, což je v souladu s nižší matricí Ca, když je uniporter inhibován. McCormack a kol. 56 zjistili, že vztah mezi extramitochondriálním [Ca 2+] a matricí [Ca 2+] není lineární. Při nízkých extramitochondriálních hladinách Ca (<400 nmol/l) v přítomnosti Na a Mg je matrice [Ca 2+] menší než extramitochondriální [Ca 2+]. Když se však extramitochondriální Ca zvýší na 0,5 μmol/l, matrice [Ca 2+] a extramitochondriální [Ca 2+] se stanou stejnými. Tato data, která jsou v souladu s nedávným modelováním, mohou vysvětlovat velké rozdíly v hodnotách uváděných pro matici [Ca 2+]. Modelování matrice [Ca 2+] ukazuje, že vztah mezi cytosolickou a matricí [Ca 2+] závisí na rychlosti NCE ve vztahu k Ca uniporteru. 50,57

Ačkoli je mimo rozsah tohoto přehledu, debatovalo se o vztahu beat-to-beat mezi cytosolickým a matrix Ca. Jako cytosolický [Ca 2+] stoupá, matice [Ca 2+] také stoupá, nicméně diskutuje se, zda vzestup matrice [Ca 2+] integruje vzestup cytosolu [Ca 2+] nebo zda matice [Ca 2+] reaguje způsobem beat-to-beat (viz jinde 57,58).

Jak je diskutováno níže, se ztrátou Aψ, ke které by došlo během ischémie nebo metabolické inhibice, může mitochondriální NCE zvrátit a transportovat Ca do matrice. Jakýkoli gradient Na by se během ischemie nebo metabolické inhibice rozptýlil, protože závisí na gradientu pH, který zase závisí na protonové extruzi transportem elektronů.

Význam NCE pro regulační energetiku

V souladu s důležitou rolí NCE při regulaci matrice [Ca 2+] Cox a Matlib 59 ukázali, že zvýšení extramitochondriálního Na vede k poklesu Ca matrice, měřeno s fura-2 naloženým do matrice. Toto Na-dependentní snížení matrice Ca snížilo tvorbu NADH, což je konzistentní s Ca aktivací mitochondriálních dehydrogenáz. U elektrogenního NCE by zvýšení extramitochondriálního (nebo cytosolického) [Na +] snížilo matici [Ca 2+] i v nepřítomnosti Na gradientu.

Mitochondrie jsou místem většiny produkce energie (ATP) v srdeční buňce. Stále více se uznává, že koncentrace matricových iontů, které jsou modulovány koncentracemi cytosolických iontů, mají hlavní vliv na řízení mitochondriální energetiky. Zvýšení matice [Ca 2+]já, je již dlouho známo, že aktivuje mitochondriální dehydrogenázy (viz obrázek, A) a reguluje tak generování NADH, počátečního substrátu a zdroje elektronů pro elektronový transportní řetězec. Bylo také hlášeno, že 53,55 matice [Ca 2+] stimuluje F1F0 ATPase, čímž se stimuluje produkce ATP na více místech. 60 Řada recenzí se v poslední době zaměřila na roli Ca v regulaci mitochondriální energetiky. Regulace mitochondrií [Ca 2+] závislá na Na prostřednictvím NCE by mohla být důležitá při regulaci produkce mitochondriálního ATP aktivací mitochondriálních dehydrogenáz a také přímou aktivací F1F0 ATPase. Zvýšení matrice [Ca 2+] by také mohlo aktivovat mitochondriální Ca kanál aktivovaný Ca (mitoK-Ca). Pravděpodobně také existují další proteiny a procesy (jako je regulace objemu a možná mitochondriální štěpení a fúze), které jsou regulovány matricí [Ca 2+] a [Na +]. Uvádí se také velký nárůst matrice [Ca 2+], který aktivuje mitochondriální přechodový pór, 61 velký vodivý kanál, což vede k buněčné smrti nekrózou a/nebo apoptózou.

Stručně řečeno, přestože gradient Na přes mitochondrie má důležité důsledky pro matici [Ca 2+], která zase reguluje mitochondriální energetiku a buněčnou smrt, stále existuje mnoho věcí, kterým nerozumíme ohledně regulace mitochondriálních [Na +] a [Ca 2+]. Například je důležité určit ΔpH v mitochondriích in situ. Většina dostupných údajů týkajících se mitochondriálních parametrů, jako je ΔpH, Δψ, vazebné konstanty pro vazbu Na a Ca na NCE, a PROTImax pro transportéry byly získány v izolovaných mitochondriích, často za podmínek, které jsou nefyziologické. Navzdory jeho popisu před více než 50 lety jsme stále neidentifikovali uniportér Ca na molekulární úrovni a stále existuje značná nejistota ohledně jeho kinetických parametrů. 62 Existuje také nejistota ohledně úrovně matrice [Na+] in situ i úrovně matrice [Ca 2+] a toho, zda reaguje na změny v cytosolu [Ca 2+] na bázi beat-to-beat nebo zda integruje změny v cytosolu [Ca 2+]. 57,63 O stechiometrii NCE se stále diskutuje a stechiometrii 3: 1 je třeba potvrdit. Vzhledem k významu mitochondriálního Ca v energetice buněk a buněčné smrti bude důležité lépe porozumět transportním procesům, které regulují matrix [Na +] a [Ca 2+]. Současné pohledy na úrovně matrice pH, Na a Ca jsou uvedeny na obrázku.

Na regulace v nemoci

[Na +] obecně se uvádí, že je zvýšený u většiny modelů srdečního selhání a ischemie/reperfuze. 1,2,8,64 Takové zvýšení [Na +] bude mít důležité důsledky pro kontraktilitu, arytmogenezi a energetiku. Diskutujeme o mechanismech odpovědných za změněnou regulaci Na u onemocnění a možných cílech léčiv ke zlepšení změněné homeostázy Na.

Ischemie a reperfuze

Pomocí 23 Na NMR bylo ukázáno, že [Na +] během ischémie stoupá přibližně 3- až 4krát (viz obrázek, B) na úroveň v rozmezí 25 až 40 mmol/l. 1,2,65 Toto zvýšení [Na +] lze přičíst zvýšení přílivu Na, snížení vytlačování Na nebo kombinací obou. Pokud je doba ischemie relativně krátká (méně než 30 minut v srdci králíka nebo hlodavce), [Na +] rychle se zotavuje během reperfuze na preischemické hladiny. Transportní mechanismy zapojené do tohoto nárůstu [Na +] během ischémie a její zotavení po reperfuzi jsou diskutovány níže.

Dráhy efluxu Sarcolemmal během ischémie a reperfuze

Na/K pumpa během ischémie

Na/K ATPáza vytlačuje Na z buňky a tím vytváří dovnitř směřující Na gradient, který poskytuje hnací sílu pro mnoho dalších výměníků. Účinek na [Na +] daného zvýšení přílivu Na bude záviset na tom, jak dobře může Na/K ATPáza reagovat. V ustáleném stavu musí být zvýšení přílivu Na kompenzováno stejným zvýšením efluxu Na. To bude vyžadovat zvýšení [Na +]. Čím strmější je závislost rychlosti Na/K ATPázy na [Na +], čím menší je požadovaný vzestup [Na +]. Pokud je Na/K ATPáza částečně inhibována, závislost rychlosti na [Na +] bude mělčí, a proto bude větší nárůst [Na +] bude produkováno daným zvýšením přílivu Na. Protože [Na +] během ischémie neustále stoupá, obecně se předpokládá, že aktivita Na/K ATPázy je během ischémie snížena. 66 Problémem kvantitativní analýzy je, že metabolické účinky ischémie se nevyvíjejí okamžitě, a proto se účinky na transport iontů mohou vyvíjet jen pomalu. Data však naznačují, že pumpa zůstává aktivní během prvních několika minut ischémie. 65,67 Důvody pro případnou inhibici Na/K ATPázy nejsou zcela jasné. Je zřejmé, že pokles ATP bude mít za následek inhibici Na/K ATPázy, nicméně bylo navrženo, aby se pumpa inhibovala dříve, než hladiny ATP klesnou na koncentrace, které by měly za následek inhibici Na pumpy. 67 Nárůst ADP a P rovněž zabrání pumpě, i když opět není jasné, zda stoupají ve správném časovém průběhu, aby odpovídaly za inhibici pumpy a nárůst [Na +].

Pokud není pokles objemového ATP dostatečný k inhibici pumpy v časném období ischémie, jaký je mechanismus? Je možné, že existuje posttranslační modifikace Na/K ATPázy nebo nějakého proteinu regulujícího pumpu, která vede k inhibici. Je zajímavé, že aktivita Na/K ATPázy byla údajně regulována oxidem dusnatým 68, který lze během ischémie měnit. Existují také údaje naznačující, že Na pumpu může inhibovat labilní inhibitor generovaný během ischémie. Fuller a kol. 69 uvedli, že ischemie produkuje labilní cytosolickou sloučeninu, což vede k inhibici Na/K ATPázy mechanismem zahrnujícím reaktivní druhy kyslíku. Tento inhibitor snižuje aktivitu Na/K ATPázy ze srdce a mozku, ale ne z ledvin. Je zajímavé, že PLM je údajně přítomen v srdci a mozku, ale ne v ledvinách. V jiné studii Fuller et al 70 navrhli, že ischemie vede k aktivaci Na/KATPázy prostřednictvím fosforylace PLM, ale tato aktivace pumpy je překonána inhibitorem generovaným během ischémie. Spekulovali, že pokud se labilní inhibitor rychle odstraní na začátku reperfuze, aktivace Na/K ATPázy by posílila [Na +] zotavení po ischemii. Je zajímavé, že Imahashi et al 71 zjistili, že samice myší mají menší nárůst [Na +] během ischémie se to zdá být přičítáno sníženému efluxu Na, protože rozdíly jsou eliminovány ouabainem. Samice myší mají pravděpodobně méně inhibitoru (nebo zvýšenou aktivaci PLM).

Bez ohledu na mechanismus se zdá, 70 že aktivita Na/K ATPázy během ischémie je významně snížena, takže nemůže držet krok se zvýšeným přílivem Na, který nastává. Pokud změny ATP a jeho metabolitů nejsou dostatečné k tomu, aby odpovídaly za sníženou aktivitu pumpy během ischémie (viz výše), pak by měli být zváženi další pravděpodobní kandidáti, jako jsou posttranslační modifikace buď samotné pumpy nebo regulačních proteinů, jako je PLM. Identifikace mechanismu snížené aktivity pumpy poskytne nové lékové cíle ke snížení ischemického poškození.

Na/K pumpa během reperfuze

Po relativně krátkém trvání ischémie většina studií uvádí, že reperfúze vede k rychlému (během několika minut) návratu k preischemickým hladinám Na. 72 Tento návrat [Na +] k výchozím hladinám je zprostředkováno primárně pumpou Na, protože přidání ouabainu blokuje obnovu [Na +] na reperfuzi. 72 Existuje určitá neshoda 72, 73 ohledně toho, zda Na +, který vstupuje do reperfuze, vede k měřitelnému zvýšení [Na +] nebo zda se rychle vytlačuje pomocí Na pumpy a reverzního režimu NCX, což má za následek pouze mírné a velmi přechodné zvýšení hodnoty [Na +]. Většina z 23 Na NMR studií zjistila malý nebo žádný měřitelný dodatečný vzestup [Na +] během reperfuze, pokud není inhibována Na/K ATPáza. 71,72 Protože měření NMR jsou průměrem signálu po dobu 2 až 5 minut, je možné, že by mohlo dojít k přechodnému vzestupu [Na +] na samém začátku ischémie. Tato data naznačují, že při reperfuzi se Na/K ATPáza rychle reaktivuje a může vytlačovat zvýšený Na +, který vstupuje. Pokud, jak je diskutováno výše, je pumpa inhibována kvůli posttranslační modifikaci nebo přítomnosti labilního inhibitoru, zdá se, že tato inhibice je odstraněna na začátku reperfuze.

NCX během ischémie a reperfuze

Protože NCX je reverzibilní, může fungovat jako dráha přílivu i odlivu Na. Vstup Na pomocí NCX během ischémie se považuje za snížený nebo inhibovaný, protože s nárůstem [Na +], gradient Na během ischémie rychle klesá. Snížení gradientu Na, ke kterému dochází, však lze částečně přičíst přílivu Na prostřednictvím NCX (viz obrázek, B). Inhibice vzestupu Na během ischémie (s inhibitory NHE nebo inhibitory Na kanálů) blokuje vzestup Ca během ischémie, a to bylo považováno za důkaz, že NCX běží během ischémie obráceně. 2,74 Lepší zachování gradientu Na by však také umožnilo lepší extruzi Ca prostřednictvím NCX, což by také snížilo vzestup Ca během ischémie. U myší postrádajících NCX1 (NCX-KO) vzestup [Na +] během ischémie byla snížena ve srovnání se srdcem divokého typu, což by mohlo naznačovat, že NCX funguje tak, že produkuje čistý výtok Ca2 a příliv Na během ischémie. 75 Alternativní interpretace je, že snížené zatížení Ca2 a lepší zachování ATP v srdcích NCX-KO vede ke zvýšení odtoku Na nebo menšímu vstupu Na přes NHE (kvůli menší tvorbě kyseliny). Protože NCX pracuje v blízkosti rovnováhy, může fungovat jako dráha přílivu Na během časné ischémie, dokud se neobjeví elektrochemický gradient a pak nebude převládat jeho reverzní režim. Modelování toků NCX během ischémie je skutečně v souladu s NCX pracujícími v obou směrech během ischémie, přičemž reverzní režim převládá po reverzních elektrochemických gradientech. 76 Hlavní roli pro vstup Ca prostřednictvím NCX během ischemie naznačují studie prokazující snížené poškození ischemie/reperfúze u myší se srdeční specifickou ztrátou NCX. 75

Během časné reperfuze se zdá, že NCX je primárně čistým Na efluxem než cestou přílivu Na. Při reperfuzi se předpokládá, že Na vstupuje do myocytů prostřednictvím NHE (viz níže) a zvýšeného [Na +] zvyšuje Na eflux prostřednictvím Na/K ATPázy a NCX. Obrácení NCX má za následek Ca zatížení buňky. Bylo navrženo 77, že inhibice NCX může být terapeutickým cílem pro snížení přetížení Ca během rané ischémie. Bylo studováno několik inhibitorů (například KB-R7943 78), u nichž se uvádí, že selektivně inhibují „reverzní“ režim NCX. Tyto inhibitory byly nedávno přezkoumány. 79–81 Bylo však prokázáno, že jak KB-R7943, tak SEA400 mají nespecifické účinky, o čemž svědčí deprese přechodných dějů Ca v srdečních trubicích, které postrádají NCX. 82 Schopnost selektivně inhibovat NCX v jednom směru byla zpochybněna z termodynamických důvodů. 83 Stručně řečeno, v rovnovážné poloze mají režimy vpřed a vzad stejnou velikost. Selektivní inhibice reverzního režimu by proto vedla k čistému dopřednému režimu, který je termodynamicky nemožný. Měřená schopnost těchto inhibitorů inhibovat reverzní režim více než vpřed je výsledkem různých experimentálních podmínek použitých ke studiu těchto dvou režimů. Lék se pravděpodobně váže na formu NCX, která existuje ve vyšší koncentraci během reverzního režimu. Je však třeba poznamenat, že tyto léky mohou dobře blokovat lépe za podmínek pozorovaných během reperfúze, a proto je zcela možné, aby léčivo blokovalo zisk Ca2 při reperfuzi a přitom mělo při normální fyziologii malý vliv na dopředný režim (protože forma NCX, na kterou se lék váže, je méně běžná během normální fyziologie, když funguje hlavně v dopředném režimu).

Infekční cesty Sarcolemmal

Hodně se diskutovalo o cestách, kterými Na vstupuje do buňky během ischémie. 84 2 hlavní kandidáti jsou NHE a perzistentní (neinaktivující) Na kanály. 73,85

Výměna Na/H

Studie ukázaly, že přidání inhibitorů NHE významně zmírňuje nárůst [Na +] během ischémie, což naznačuje roli NHE při produkci zvýšeného přílivu Na. 2,74,86–88 Role NHE ve vzestupu [Na +] během ischémie byla zpochybňována, protože mnoho inhibitorů NHE také inhibuje perzistentní Na kanály. 84,89 Je zřejmé, že výrazná inhibice nárůstu [Na +] během ischémie, ke které dochází u amiloridu a jiných neselektivních inhibitorů NHE, lze částečně přičíst inhibici perzistentních Na kanálů. To však nevylučuje roli NHE. Nedávné studie skutečně zjistily, že konkrétnější inhibitory NHE také snižují nárůst [Na +] během ischémie, 86,88,90, přestože útlum nárůstu [Na +] se zdá být menší než u nespecifických inhibitorů, jako je amilorid. Další podpora role NHE pochází ze studií využívajících myši bez NHE. Bylo zjištěno, že jsou rezistentní vůči ischemickému/reperfuznímu poškození ve srovnání s divokým typem, s lépe zachovaným ATP během ischémie a snížením stupně kontraktury během ischémie. 91

Na rozdíl od diskuse o mechanismu odpovědném za nárůst [Na +] během ischémie se zdá, že existuje shoda v tom, že NHE je primárně zodpovědný za vzestup [Na +] na začátku reperfuze. 84 Během ischémie klesá intracelulární pH na ≈6,0 a extracelulární pH také okyseluje. 92 Při reperfuzi, s normalizací extracelulárního pH, nyní existuje velký ven směřující protonový gradient, který zvyšuje vstup Na přes NHE. Jak bylo uvedeno výše, vstupující Na se rychle vytlačuje přes Na/K ATPázu a NCX, takže v [Na +] je obvykle jen malý nebo vůbec měřitelný nárůst při reperfuzi nad úrovněmi přítomnými na konci ischémie. 72 Inhibice NHE na reperfuzi má za následek mírné zpoždění obnovy pH a mírné snížení velmi přechodného vzestupu [Na +]74, což naznačuje, že velká část Na, která vstupuje přes NHE, je vytlačována čerpadlem. Na, který je vytlačován reverzním režimem NCX, se však zvyšuje [Ca 2+]. Toto zvýšení [Ca 2+] může mít mnoho škodlivých účinků na srdeční funkci. Může měnit vazbu excitace/kontrakce, přispívat ke generování arytmií, aktivovat proteázy a může vstupovat do mitochondrií a měnit bioenergetiku nebo dokonce aktivovat dráhy buněčné smrti. Snížení vstupu Ca prostřednictvím NCX by tedy snížilo ischemické/reperfuzní poškození. Byla navržena řada strategií pro snížení vstupu Ca prostřednictvím NCX, včetně snížení [Na +] vstup inhibicí NHE při reperfuzi (nebo ischemii a reperfuzi), inhibici reverzního režimu NCX a krátkou kyselou reperfuzi. Inhibice nárůstu [Na +] během ischémie může být také prospěšná inhibice perzistentních Na kanálů a/nebo stimulace Na/K ATPázy během ischémie a reperfuze.

Lazdunski et al navrhli před více než 20 lety 93, že inhibice NHE na začátku reperfuze bude ochranná. Na zvířecích modelech bylo prokázáno, že přidání inhibitorů NHE před ischemií snižuje ischemické/reperfuzní poškození. 94,95 Přidání inhibitorů NHE na začátku reperfuze bylo ochranné v některých 96, ale ne ve všech 95 studiích. Navzdory příznivým účinkům inhibitorů NHE v preklinických studiích byla řada velkých klinických studií z velké části negativní. 97 Důvod neúspěchu pokusů byl diskutován jinde. 28,84,98 Z velké části byly inhibitory NHE podány dlouho po zahájení reperfuze, což byl čas, který nebyl ve studiích na zvířatech přínosný. Je možné, že inhibitory NHE budou užitečné, pokud jsou podávány během ischémie nebo na samém začátku reperfuze. Příznivý účinek byl pozorován pomocí post hoc analýzy ve studii, ve které byl pacientům podstupujícím bypass koronární arterie podáván inhibitor NHE cariporide. 99 Následná studie zaměřená na CABG však používala vyšší dávku kariporidu a byla zastavena kvůli zvýšenému výskytu mrtvice. Ve světle nedávných údajů naznačujících antianginální účinky ranolazinu by mohlo být zajímavé testovat, zda mají inhibitory NHE podobné účinky. Rovněž bylo navrženo, že inhibitory NHE snižují postischemický vývoj hypertrofie. 29 100

Na Channel

Role přetrvávajících kanálů Na + ve vzestupu [Na +] během ischémie se navrhuje, protože bylo prokázáno, že inhibitory těchto kanálů, jako je TTX a lidokain, snižují vzestup [Na +] během ischémie. 3,5,73 Rané inhibitory NHE však také blokovaly perzistentní Na kanály a některé z jejich schopností snižovat ischemické [Na +] a ochranu před ischemickým poškozením lze přičíst jejich inhibici Na kanálů. 85 Ukázalo se, že perzistentní Na kanály jsou aktivní během ischémie, ale (alespoň podle nedostatku účinků TTX) se nezdá, že by přispívaly během reperfuze. 73 Ranolazin, nové „antiischemické“ léčivo, které aktivuje pyruvátdehydrogenázu 101 (ve skutečnosti to byl původně popsaný způsob účinku), bylo také prokázáno, že inhibuje neinaktivující Na kanály. 102 Ranolazin snižuje frekvenci a příznaky anginy pectoris u pacientů a umožňuje lepší toleranci zátěže a bylo hlášeno, že snižuje elevaci segmentu S-T, bez nežádoucích účinků na hemodynamiku, a byl také hlášen jako antiarytmický. 103,104 Navzdory těmto příznivým účinkům však ranolazin ve studii MERLIN nesnížil primární koncový bod kardiovaskulární smrti, infarktu nebo rekurentní ischemie. 105 Úspěch v léčbě symptomů anginy ranolazinem může naznačovat, že přechodná ischemie spojená s angínou má za následek zvýšení [Na +] a že snížení tohoto nárůstu [Na +] je prospěšná strategie. Je třeba poznamenat, že ranolazin také aktivuje pyruvátdehydrogenázu, což by také mohlo přispět k jeho příznivým účinkům. Wang a kol. Však uvedli, že příznivé účinky ranolazinu nejsou zprostředkovány inhibicí metabolismu mastných kyselin. 106 Příznivé účinky ranolazinu při léčbě anginy pectoris by mohly naznačovat, že inhibitory NHE by byly také ochranné při vzniku anginy pectoris. Je také zajímavé, že ačkoli ranolazin snižoval příznaky anginy pectoris, nesnižoval úmrtnost. Tato data naznačují, že snížení nárůstu [Na +] během přechodné ischémie, která se vyskytuje u anginy pectoris, již nemá dlouhodobý příznivý účinek ve smyslu snižování úmrtnosti, což může odrážet obtížnost prokázat zlepšení úmrtnosti nad rámec současné léčby. Bylo by zajímavé zjistit, zda ranolazin může změnit vývoj hypertrofie a/nebo srdečního selhání, jak bylo naznačeno u inhibitorů NHE.

Hemichannels Connexin

Kromě dobře charakterizované role NHE a perzistentních Na kanálů ve vzestupu [Na +] během ischémie, nedávné údaje naznačují, že ischemie může aktivovat neselektivní proud přes konexinové (Cx) hemichannely. 37 107–110 Cx hemichanálů se spojí, jeden z každé buňky, a vytvoří mezerové spoje. Tyto polokanálové prekurzory mezerových spojů jsou propustné pro molekuly méně než přibližně Mr 1000. Takový kanál by umožnil příliv Na, Ca a dalších iontů. John et al 107 uvedli, že hemikanály Cx se otevírají metabolickou inhibicí. Otevření i malého počtu těchto kanálů může vážně narušit homeostázu iontů. Spekuluje se, že otevření těchto Cx hemichanálů může být krokem v podpoře buněčné smrti. Přesná role Cx hemichannelů při dysfunkci iontů během ischémie není jasná, ale existují některá data naznačující, že inhibice těchto kanálů může snížit bobtnání buněk během ischémie. Je také zajímavé, že se ukázalo, že se Cx43 lokalizuje do mitochondrií s předběžným kondicionováním. 110a Regulace Cx43 během ischémie je zjevně složitá a vyžaduje další studium.

Mitochondriální transportéry

Během ischémie se transport elektronů zastaví (viz obrázek, B) a jakýkoli mitochondriální gradient pH se pravděpodobně rozptýlí, což by snížilo nebo rozptýlilo dovnitř směřující gradient Na (viz obrázek, B). Ischemie dále vede ke ztrátě membránového potenciálu, 111 a s nárůstem [Ca 2+] a [Na +] během ischémie může NCE zvrátit a transportovat Ca do matrice. Za předpokladu, že cytosolický [Ca 2+] 3 000 nmol/l a malý nebo žádný gradient Na přes mitochondrie, bez Δψ, rovnováha NCE by předpovídala, že matrice [Ca 2+] by byla velmi podobná cytosolickému [Ca 2+ ]. Se ztrátou Δψ by byl uniporter Ca inhibován a NCE by se přiblížil rovnováze. V souladu se změnou mitochondriální NCE během ischémie Griffith a kol. 112 uvedli, že inhibice mitochondriální NCE pomocí CGP-37157 během ischémie vede ke snížení matrix [Ca 2+]. Během reperfuze se mitochondriální NCE vrací do preischemického režimu vytlačování Ca z matrice. Existuje několik zajímavých důsledků týkajících se zvratu mitochondriální NCE během ischémie. Obrácení NCE by transportovalo Ca z cytosolu do matrice, čímž by se snížil [Ca 2+] při zvyšování matice Ca. 112 Zvýšení matrice [Ca 2+] by zvýšilo mitochondriální dehydrogenázu, 53 čímž by zvýšilo NADH, také by aktivovalo F1F0 ATPase, 60, ale v nepřítomnosti kyslíku by došlo k malému nebo žádnému přenosu elektronů. Nárůst NADH i matrice [Ca 2+] jsou faktory, u nichž se uvádí, že zvyšují otevírání přechodového póru mitochondriální permeability (MPTP), 61 což je spojeno s buněčnou smrtí. Snížení [Ca 2+] by mělo tendenci snižovat aktivaci proteáz aktivovaných vápníkem a Ca ATPázy, ale tyto ochranné efekty budou pravděpodobně kompenzovány škodlivými účinky zvýšené matrice [Ca 2+] (tj. aktivace MPTP). Je zajímavé, že byly popsány kardioprotektivní manévry, jako je léčba diazoxidem, ke snížení matrix [Ca 2+] během ischémie. 113 Kromě toho bylo hlášeno, že antiapoptotický protein Bcl-2 snižuje aktivitu mitochondriálního NCE. 114 Tato data naznačují, že inhibice mitochondriální NCE během ischémie může být důležitým terapeutickým cílem.

Srdeční selhání a hypertrofie

V poslední době byla provedena řada recenzí na změny [Na +] během hypertrofie a srdečního selhání. 7,8,115 Zaměřujeme se proto na souhru mezi cytosolickým a mitochondriálním Na a vliv změněného mitochondriálního Na na funkci buněk. Většina studií uvádí nárůst [Na +] během hypertrofie a srdečního selhání 8,9 115–118, i když ne všichni zjistili nárůst. 119 120 Celkově se zdá, že data naznačují zvýšení [Na +] při hypertrofii a srdečním selhání u lidí. Jaké mechanismy mohou vést k tomuto zvýšení [Na +] a jaké jsou důsledky?

Infekční cesty Sarcolemmal

Na Channel

Pogwizd et al 8 navrhli, že vzestup [Na +] u srdečního selhání lze přičíst spíše většímu přílivu Na než sníženému výtoku Na. Bylo zjištěno, že počáteční rychlost přílivu Na, měřená bezprostředně po inhibici Na/K ATPázy, byla ≈2krát větší u myocytů se selhávajícím srdcem ve srovnání s kontrolou. 6 Použitím inhibitorů proti NHE, perzistentnímu Na kanálu a NCX dospěli Despa a kol.6 k závěru, že vzestup [Na +] při srdečním selhání lze přičíst primárně zvýšenému přílivu Na prostřednictvím perzistentních Na kanálů (viz obrázek, C), které lze inhibovat pomocí TTX, lidokainu nebo nových léků, jako je ranolazin. 102 Toto zjištění by mohlo naznačovat příznivý účinek ranolazinu při snižování rozvoje hypertrofie a nebo hypertrofie po ischémii myokardu.

Výměna Na/H

Baartscheer a kol. V souladu s tímto zjištěním řada studií ukázala, že inhibitory NHE mohou blokovat nebo tlumit vývoj srdečního selhání. 29,121,122 Debata o tom, zda jsou kanály NHE nebo Na zodpovědné za zvýšení Na během hypertrofie, je poněkud podobná argumentům o nárůstu [Na +] během ischémie. K vyřešení otázky jsou zapotřebí další studie, ale je možné, že oba přispívají a že jejich relativní příspěvek závisí na modelu.

Jiné cesty Na Influx

Despa a kol. 6 naznačují, že NCX nepřispívá k nárůstu [Na +] během hypertrofie. Příspěvek dalších cest přílivu Na, jako jsou Cx hemichannels, kanály přechodných potenciálních receptorů a transportéry Na-bikarbonátu, ke zvýšení Na během hypertrofie a srdečního selhání nebyl podrobně studován.

Cesty Sarcolemmal Na Efflux

Na/K čerpadlo

Existují data naznačující jak sníženou expresi, tak změněnou expresi různých izoforem Na/K ATPázy v některých modelech srdečního selhání. Jak bylo diskutováno výše, Na/K ATPáza obsahuje podjednotky a a p. 39 Změny v izoformách α byly hlášeny u hypertrofie a srdečního selhání, ačkoli neexistuje konzistentní schéma. Studie zkoumající aktivitu Na/K ATPázy při srdečním selhání byly také v rozporu. Studie uvádějí pokles afinity Na bez změny PROTImax, 123 pokles v PROTImax a žádná změna v Na afinitě, 124 a žádná změna v obou PROTImax nebo Na afinitu. 6 Změny ve fosforylaci PLM by mohly také změnit aktivitu Na/K ATPázy. Bossuyt et al 125 uvedli, že při srdečním selhání je exprese PLM snížena ve větší míře než Na/K ATPáza a že PLM je při srdečním selhání více fosforylován. Dohromady by tato pozorování naznačovala méně PLM zprostředkovanou inhibici Na pumpy při srdečním selhání.

Změny srdečního selhání a hypertrofie tedy zahrnují pokles exprese Na/K ATPázy bez konzistentní změny aktivity a pokles PLM souběžně se zvýšením fosforylace PLM. Bylo navrženo, že změny v PLM by mohly kompenzovat pokles výrazu, což by odpovídalo nedostatku rozdílu v činnosti. V současné době jsou výsledky poněkud rozporuplné a jsou zapotřebí další studie.

Výměna Na/Ca

Existují údaje naznačující zvýšení hladin NCX a/nebo aktivity s hypertrofií a srdečním selháním. 115,126,127 Bylo navrženo, že toto zvýšení NCX může pomoci odstranit Ca z buňky a částečně kompenzovat sníženou SERCA, ke které dochází při srdečním selhání. Proti tomu stojí fakt, že nárůst [Na +] u hypertrofie a srdečního selhání sníží hnací sílu pro extruzi Ca prostřednictvím NCX (viz obrázek, C) a přispěje tak ke zvýšení diastolického Ca pozorovaného u srdečního selhání. Celkový účinek bude záviset na relativních změnách exprese NCX a [Na +].

Mitochondriální transportéry

Jak bylo uvedeno výše, zvýšení [Na +] během hypertrofie a srdečního selhání lze pravděpodobně přičíst zvýšenému vstupu Na přes plazmatickou membránu a mitochondriální NCX k tomuto nárůstu [Na +] nepřispívá. Nárůst [Na +] však během srdečního selhání bylo navrženo snížit mitochondriální [Ca 2+], což je důsledkem zvýšeného gradientu Na přes mitochondrie a tedy větší hnací síly pro odtok Ca z mitochondrií prostřednictvím mitochondriálního NCX (viz obrázek, C). 38 Řada studií ukázala, že rostoucí cytosolický (nebo extramitochondriální) [Na +] má za následek snížení matrix [Ca 2+]. 38,59 Existuje však také nárůst diastolického Ca s hypertrofií, která bude vyžadovat extruzi Ca proti většímu gradientu. Zvýšení [Ca 2+] také zvýší příjem uniportem Ca. Navíc s elektrogenním NCE, 49,52, se mitochondriální membránový potenciál stává faktorem a může se změnit během srdečního selhání. Snížení potenciálu mitochondriální membrány by mělo tendenci kompenzovat stimulaci NCE, ke které by došlo při zvýšení cytosolického Na. Dalším faktorem je mitochondriální gradient pH, který zjevně nastavuje gradient Na, a pokud se během srdečního selhání změní pH matrice, může to změnit gradient Na. Je tedy obtížné a priori předpovědět, jaký účinek bude mít srdeční selhání na mitochondriální [Na +] a [Ca 2+]. Navzdory těmto obavám údaje Liu a kol. 38 naznačují, že zvýšení [Na +] ke kterému dochází při srdečním selhání, může změnit mitochondriální [Ca 2+] a mitochondriální energetiku. Ukázali, že zvýšení [Na +] snížená mitochondriální [Ca 2+] a zvýšená oxidace mitochondriálního NADH. Dále ukázali, že myocyty ze selhávajících srdcí měly vyšší [Na +] (16,8 versus 5,2 mmol/l u kontroly) a k čisté oxidaci NADH došlo při stimulaci. Léčba selhávajících myocytů mitochondriálním NCE inhibitorem CGP-37157 blokovala oxidaci NADH, ke které došlo při stimulaci selhávajících myocytů. Tato data ukazují, že inhibice mitochondriálního NCE zvyšuje produkci NADH, ke které, jak bylo diskutováno výše, dochází prostřednictvím Ca-aktivovaných NADH-spojených dehydrogenáz. Toto snížení mitochondriálního [Ca 2+], sekundární ke zvýšenému [Na +], může mít významné důsledky pro mitochondriální [Ca 2+] a energetiku.

Závěr

Přestože bylo provedeno mnoho práce na toky sodíku přes povrchovou membránu i mitochondriální membrány, je jasné, že úplné porozumění regulaci sodíku, zejména u nemocí, nám stále uniká. Budoucí studie budou muset objasnit regulaci mitochondriálních iontových transportérů a jejich interakci s transportéry plazmatické membrány za účelem regulace iontů a metabolismu v srdci během fyziologie a nemoci.

Originál přijat 8. října 2008 revize přijata 25. listopadu 2008 přijata 15. prosince 2008.


Koncentrace sodíku při generování akčního potenciálu - biologie

Účelem této stránky je shrnout druhý dokument Hodgkina a Huxleyho. V tomto článku zkoumali proudy, které byly vytvořeny pohybem sodných a draselných iontů přes neuronovou membránu. Jejich článek se zabýval zjištěním, který iontový proud je spojen s každou fází membránového proudu. Tyto informace by později mohly být použity k vytvoření matematické rovnice k popisu iontových proudů. Tyto matematické rovnice by pak mohly být použity v Hodgkinově a Huxleyově modelu.

Pokus

Tento článek se zabývá identifikací iontů spojených s různými fázemi akčního potenciálu. Toho bylo dosaženo pomocí metody napěťové svorky, kterou dříve vyvinuli. Bylo zjištěno, že když byl membránový potenciál snížen ze své klidové hodnoty o množství mezi 10 mV a 100 mV, počáteční proud byl dovnitř, proti směru proudu, který byl zaznamenán v dřívějších experimentech.Hodgkin a Huxley si mysleli, že tuto změnu směru proudu lze vyvolat změnou koncentrace sodíku ve vnějším prostředí. Dříve existovaly určité důkazy, že stoupající fáze akčního potenciálu byla způsobena přílivem sodíku. To může vysvětlit jev, který pozorovali. Aby otestovali svoji hypotézu, Hodgkin a Huxley provedli experiment s napěťovou svorkou, kde změnili vnější řešení, do kterého byl axon ponořen. Kontrola byla normální mořská voda. Změněný roztok měl sníženou koncentraci sodíku.

(Chemikálie v mořské vodě mimo sodík)

Výsledek
Když byla vnější koncentrace sodíku snížena na nulu, vnitřní proud zmizel a byl nahrazen časným hrbem vnějšího proudu. Pozdní vnější proud byl jen mírně pozměněn, s ustálenou hladinou, která byla v prostředí bez sodíku o 15-20% nižší. Stručně řečeno, počáteční fáze vnitřního proudu, která je normálně spojena s depolarizací, byla obrácena, když byl sodík ve vnějším prostředí snížen na nulu. Tyto výsledky kvalitativně souhlasí s jejich hypotézou, že vnitřní proud je nesen ionty sodíku. Důvodem, že zpožděný vnější proud není ovlivněn změnami koncentrace sodíku, může být to, že tato složka akčního potenciálu je do značné míry způsobena pohybem draselných iontů.

V roztoku, který má sníženou koncentraci sodíku, jsou výsledky podle očekávání mezi prostředkem bez sodíku a roztokem bohatým na sodík. Nerstovu rovnici lze použít ke kvantifikaci toho, jak je sodíkový potenciál ovlivněn koncentrací sodíku. Bylo zjištěno, že existuje velká shoda mezi experimentálními výsledky sodíkového potenciálu a teoretickými výsledky založenými na Nerstově rovnici. Za předpokladu, že ve vnějším prostředí byl původně sodík, je možné najít kritický potenciál, nad kterým je počáteční fáze iontového proudu dovnitř a pod kterou je počáteční fáze směrem ven. Normálně byl tento kritický potenciál 100 mV, i když se měnil s externí koncentrací sodíku stejným způsobem jako potenciál sodíkové elektrody. Tyto výsledky naznačují, že depolarizace vede k rychlé změně propustnosti pro sodné ionty. Pohyb sodíkových iontů po této změně propustnosti nese počáteční fázi iontového proudu.

Oddělení iontového proudu na součásti
Aby bylo možné oddělit iontový proud na jeho složky, sodíkový proud a draslíkový proud, bylo třeba učinit několik předpokladů. Za prvé, časový průběh proudu draslíku musí být stejný v případě nízkého sodíku i v případě vysoké koncentrace sodíku. Za druhé, časový průběh sodíkového proudu je v obou případech podobný (vysoký a nízký sodík). Amplitudu a směr lze mezi těmito dvěma případy změnit, ale časové měřítko a forma časového průběhu by měly zůstat stejné. Za třetí, rychlost změny proudu draslíku musí být nulová po dobu přibližně 1/3 doby, kterou sodíkový proud potřebuje k dosažení svého maxima.

Pomocí těchto předpokladů byl pro tuto analýzu navržen soubor experimentů. Časový průběh propustnosti sodíku nebo draslíku, když je axon udržován v depolarizovaném stavu, se zjistí použitím vodivosti jako míry propustnosti. Byly pořízeny tři série záznamů napěťových svorek. První byla v předmětném řešení. Druhý byl v opačném řešení. Třetí byl opět v předmětném řešení. Poté byly porovnány záznamy napěťových svorek v této sérii. Proud membránového kondenzátoru byl odečten. Každý pár záznamů (první a třetí) byl zprůměrován, aby se zohlednilo stárnutí neuronu v průběhu času.

Rozdíl v klidovém potenciálu byl způsoben interpolací. Bylo zjištěno, že sodíková vodivost rychle stoupá na maximum a poté klesá podél exponenciální křivky. Vodivost draslíku stoupá pomaleji po křivce ve tvaru písmene S a udržuje se na vysoké úrovni po delší časové období. Maximální vodivost sodíku a draslíku byla asi 30 mmho/cm2 při depolarizaci 100 mV.

Obrázek 1: Ilustrace oddělení iontového proudu na proud sodíku a proud draslíku. Jsem v roztoku mořské vody. I 'je v 10% roztocích sodné mořské vody.

Obrázek 2: Vodivosti sodíku (a) a draslíku (b). Posun membránového potenciálu pro každý záznam je uveden podél osy y. Axon v mořské vodě.


Ionová dynamika v neuronových typech buněk a subcelulárních kompartmentech

Doposud jsme se soustředili na gradienty koncentrace iontů přes neuronální membránu. Je důležité si uvědomit, že astrocyty jsou protkány do struktury neuronálních sítí, kde stejně jako neurony exprimují řadu proteinů, které přes své membrány vytvářejí konkrétní gradienty koncentrace iontů. Ovlivněním koncentrací iontů v extracelulárním prostoru astrocyty také modulují gradienty koncentrace iontů, které jsou rozhodující pro synaptický přenos a excitabilitu sítě. Jedna z nejlépe popsaných rolí pro astrocyty zahrnuje kontrolu extracelulárního K +, jak je popsáno výše v části o draslíku. Astrocyty fungují jako K + “sink ”, což zabraňuje nadměrnému extracelulárnímu hromadění K + během neuronální aktivity. V kontextu záchvatové aktivity se skutečně hromadí důkazy ze zvířecích modelů a tkání vyříznutých od pacientů s epilepsií temporálního laloku, že astrocytická dysfunkce hraje významnou roli v epileptogenezi, zejména s ohledem na extracelulární regulaci K + (Hinterkeuser et al., 2000 Steinh äuser a Seifert, 2002 Wallraff et al., 2006 Bedner et al., 2015).

Ve srovnání s neuronálními studiemi byla měření dynamiky koncentrace intraastrocytových iontů během epileptiformní aktivity věnována mnohem menší pozornost. Předpokládá se však, že zvýšená aktivita sítě má za následek zvýšení intra-astrocytického Ca 2+, Na + a K +, jakož i intra-astrocytickou alkalizaci (Chesler a Kraig, 1989 Walz, 2000 Volterra et al., 2014 Karus et al., 2015). Směr astrocytického toku Cl − indukovaného aktivitou je stále dosti nejasný, přestože GABAABylo navrženo, že aktivace R má za následek výtok Cl − z astrocytů (Egawa et al., 2013). Pokud jsou tyto změny také evidentní během záchvatu, očekávalo by se, že astrocytický pohyb K + a H + zlepší záchvaty vyvolané změny v koncentraci těchto iontů v neuronech. Mezitím by se očekávalo, že astrocytický pohyb Ca 2+ a Na + bude mít opačný účinek a zhorší změny v neuronech. Stanovení relevance dynamiky iontů v různých typech buněk pro šíření a ukončení záchvatů představuje zajímavou oblast pro budoucí výzkum.

Kromě specifické regulace gradientů koncentrace iontů buněčným typem mohou rozdíly v koncentraci iontů vykazovat také různé subcelulární kompartmenty v rámci jednotlivého neuronu nebo astrocytu. Takové subcelulární rozdíly mohou vyplývat z vzorce exprese iontových transportérů nebo konkrétního přílivu iontových druhů do různých oblastí buňky. Místní změny koncentrace vyplývající z iontových toků přes membránu jsou funkcí difuzních a iontových transportních vlastností příslušného kompartmentu, stejně jako objemu. Například daný tok iontů způsobí větší změnu koncentrace v malém intracelulárním kompartmentu ve srovnání s kompartmentem s velkým objemem. Experimentální a výpočetní studie skutečně ukázaly, že tok Cl − způsobí větší změnu [Cl −] a proto EGABAA když k načítání Cl − dochází v dendritech, než v soma (Staley a Proctor, 1999 Raimondo et al., 2012b). Jak je diskutováno v předchozích částech, toto je také relevantní pro přílivy Na + a Ca2 + spojené s aktivitou indukovanými glutamátergními vodivostmi na dendritických trnech. Iontové změny, ke kterým dochází během záchvatu, jsou proto funkcí místa toku a vlastností příslušného kompartmentu. Nedávné důkazy se objevily, že alespoň uvnitř in vitro modely záchvatů, silný nábor interneuronů exprimujících parvalbumin exprimující soma znamená, že místo maximální akumulace Cl − se vyskytuje uvnitř somatických, na rozdíl od dendritických oblastí hippocampálních pyramidových neuronů (Ellender et al., 2014). Je však spravedlivé říci, že subcelulární rozdíly v iontových změnách vyvolaných záchvaty a jejich funkční význam pro pokračující patologickou aktivitu jsou špatně popsány. Jedná se tedy o oblast výzkumu, který by měl výrazně těžit z pokroku v geneticky kódovaných iontových senzorech a souvisejících optogenetických technikách.


Model srdeční elektrické aktivity zahrnující iontové pumpy a změny koncentrace

Byly vyvinuty rovnice popisující srdeční akční potenciály a aktivitu kardiostimulátoru. Tento model bere v úvahu rozsáhlý vývoj v experimentální práci, protože formulace M.N.T. (R. E. McAllister, D. Noble a R. W. Tsien, J. Physiol., Lond. 251, 1-59 (1975)) a B.R. (G. W. Beeler a H. Reuter, J. Physiol., Lond. 268, 177-210 (1977)) rovnice. Současný mechanismus K2 byl nahrazen proudem aktivovaným hyperpolarizací, F. Vyčerpání a akumulace iontů draslíku v extracelulárním prostoru jsou reprezentovány buď parciálními diferenciálními rovnicemi pro difúzi ve válcových nebo sférických přípravcích, nebo, pokud taková přesnost není zásadní, tříprostorovým modelem, ve kterém je extracelulární koncentrace v mezibuněčném prostoru jednotná . Popis zpožděného proudu K, K, zůstává na základě díla D. Nobleho a R. W. Tsien (J. Physiol., Lond. 200, 205-231 (1969A)). Okamžitý vnitřní usměrňovač, K1, vychází z rovnice S. Hagiwary a K. Takahashiho (J. Membrane Biol. 18, 61-80 (1974)) a na studiích patchů svorky B. Sakmann a G. Trube (J. Physiol., Lond. 347, 641-658 (1984)) a Y. Momose, G. Szabo a W. R. Giles (Biofy. J.. 41, 311a (1983)). Rovnice úspěšně zohledňují všechny dříve přiřazené vlastnosti K2a také poskytuje úplnější popis K1 a K. Rovnice sodíkového proudu jsou založeny na experimentálních datech T. J. Colatského (J.Physiol., Lond. 305, 215-234 (1980)) a A. M. Brown, K. S. Lee a T. Powell (J.Physiol., Lond., Lond. 318, 479-500 (1981)). Rovnice správně reprodukují rozsah a velikost sodíkového „okenního“ proudu. Druhý vnitřní proud je částečně založen na datech H. Reutera a H. Scholze (J. Physiol., Lond. 264, 17-47 (1977)) a K. S. Lee a R. W. Tsien (Příroda, Lond. 297,498-501 (1982)), pokud jde o iontovou selektivitu. Kinetika aktivace a inaktivace hradlování byla však výrazně zrychlena, aby reprodukovala mnohem rychlejší proudy zaznamenané v nedávné práci. Hlavním důsledkem této změny je, že k inaktivaci proudu Ca většinou dochází velmi brzy na plošině akčního potenciálu. Rovnice výměnné pumpy sodík-draslík jsou založeny na datech hlášených D. C. Gadsbym (Proč. natn. Akadem. Sci. U. S. A. 77, 4035-4039 (1980)) a D. A. Eisner a W. J. Lederer (J. Physiol., Lond. 303, 441-474 (1980)). Výměnný proud sodík-vápník je založen na rovnicích L. J. Mullinse (J. gen .. Physiol. 70, 681-695 (1977)). Intracelulární sekvestrace vápníku je reprezentována jednoduchými rovnicemi pro příjem do retikulárního skladu, který poté znovu připraví sklad uvolňování. Rovnice pro důtky používají data W. R. Gibbons & amp. H. A. Fozzarda (J. gen. Physiol. 65, 367-384 (1975b)). Po práci Fabiato & amp Fabiato (J. Physiol., Lond. 249, 469-495 (I975)), předpokládá se, že uvolňování Ca je vyvoláno intracelulárním volným vápníkem. Rovnice reprodukují základní rysy intracelulárních volných přechodů vápníku, měřeno pomocí ekvorinu. Vysvětlující rozsah modelu zcela zahrnuje a výrazně rozšiřuje rozsah M.N.T. rovnice. Navzdory provedeným zásadním změnám se celkový časový průběh změn vodivosti iontů draslíku silně podobá M.N.T. Modelka. Existují však důležité rozdíly v časových kurzech změn vodivosti Na a Ca. Na vodivost Na nyní obsahuje součást v důsledku proudu aktivovaného hyperpolarizací, r, která se během depolarizace kardiostimulátoru pomalu zvyšuje. Změny vodivosti Ca jsou mnohem rychlejší než v M.N.T. model tak, že v akčních potenciálech delších než asi 50 ms je primární příspěvek rychle řízeného vápníkového kanálu k plató důsledkem ustáleného stavu „okna“ aktuální nebo neaktivované složky. Pomalejší proudy aktivované vápníkem nebo Ca, jako je směnný proud Na-Ca nebo proudy řízené Ca nebo mnohem pomalejší kanál Ca pak musí hrát dynamickou roli, která byla dříve přisuzována kinetice jednoho typu vápníkového kanálu. Tato vlastnost modelu zase znamená, že proces repolarizace by měl souviset s inotropním stavem, jak naznačují experimentální práce. Tento model úspěšně reprodukuje změny intracelulární koncentrace sodíku způsobené variacemi v [Na] 0 nebo bloku pumpy Na-K. Závislost na překročení potenciálu na sodíku je dobře reprodukovatelná navzdory skutečnosti, že nitrobuněčný Na v ustáleném stavu je úměrný extracelulárnímu Na, jako v experimentálních výsledcích D. Ellise J. Physiol., Lond. 274, 211-240 (1977)). Model reprodukuje reakce na proudové impulsy aplikované během fází plató a kardiostimulátoru. Zejména je během depolarizace kardiostimulátoru předpovídán podstatný čistý pokles vodivosti navzdory skutečnosti, že řídícím procesem je zvýšení vodivosti pro proud aktivovaný hyperpolarizací. Reprodukují se okamžité efekty změny extracelulárního [K], včetně: (i) zkrácení doby akčního potenciálu a potlačení aktivity kardiostimulátoru na vysoké [K] (ii) zvýšené automatičnosti při mírně nízkých [K] a (iii) depolarizace do plateau rozsahu s předčasnými depolarizacemi a nízkými napěťovými oscilacemi při velmi nízkých [K]. Iontové proudy připisované změnám v aktivitě pumpy Na-K jsou dobře reprodukovány. Ukazuje se, že zřejmé Km pro K aktivace pumpy silně závisí na velikosti omezeného extracelulárního prostoru. S 30% prostorem (jako u psích Purkyňových vláken) je to zřejmé Km se blíží předpokládané skutečné hodnotě 1 mM. Když se extracelulární prostor zmenší pod 5%, je to zřejmé Km se zvyšuje až o řád. Podstatná část pumpy pak není k dispozici pro inhibici nízkým [K]b. Tyto výsledky mohou vysvětlit zjevné nesrovnalosti v literatuře týkající se Km pro aktivaci čerpadla.


Reference

  • Attwell D, Cohen I, Eisner D, Ohba M & amp Ojeda C. (1979). Ustálený proud sodíku citlivý na TTX („okno“) v srdečních Purkyňových vláknech. Pflügers Archiv, European Journal of Physiology 379, 137-142.
  • Brown HF, DiFrancesco D & amp Noble SJ. (1979) Jak adrenalin zrychluje srdce? Nature, 280, 235-236
  • DiFrancesco D. (1981a) Nová interpretace proudu kardiostimulátoru iK2 v lýtkových Purkinje vláknech. Journal of Physiology 314, 359-376
  • DiFrancesco D. (1981b) Studie iontové podstaty proudu kardiostimulátoru v lýtkových Purkyňových vláknech. Journal of Physiology 314, 377-393
  • Hall AE, Hutter OF & amp Noble D. (1963). Vztahy proudu a napětí Purkyňových vláken v roztocích s nedostatkem sodíku. Journal of Physiology 166, 225-240.
  • Hutter OF & amp Noble D. (1960). Opravné vlastnosti srdečního svalu. Nature 188, 495.
  • Kiyosue T & amp Arita M. (1989). Pozdní sodíkový proud a jeho příspěvek ke konfiguraci akčního potenciálu v komorových myocytech morčat. Circulation Research 64, 389-397.
  • Maltsev VA, Sabbah HN, Higgins RSD, Silverman N, Lesch M & amp Undrovinas AI. (1998). Román, ultrazvukový inaktivační sodíkový proud v lidských komorových myocytech. Oběh 98, 2545-2552.
  • Noble D. (1962). Modifikace Hodgkinových-Huxleyových rovnic použitelných na potenciál Purkinjeho vlákna a potenciál tvůrce tempa. Journal of Physiology 160, 317-52 [PubMed].
  • Noble D. (1984) Překvapivé srdce: přehled nedávného pokroku v srdeční elektrofyziologii. Journal of Physiology 353: 1-50
  • Noble D. (2006). Hudba života. OUP, Oxford.
  • Noble D. (2007). Od axonu Hodgkin-Huxley k virtuálnímu srdci. Journal of Physiology 580, 15-22.
  • Reuter H. (1967). Závislost pomalého vnitřního proudu v Purkyňových vláknech na extracelulární koncentraci vápníku. Journal of Physiology 192, 479-492.
  • Sakmann BFAS, Spindler AJ, Bryant SM, Linz KW & amp Noble D. (2000). Distribuce perzistentního proudu sodíku přes komorovou zeď u morčat. Circulation Research 87, 910-914.
  • Weidmann S. (1956). Elektrofyziologie Herzmuskelfaser. Huber, Bern.
  • Zygmunt AC, Eddlestone GT, Thomas GP, Nesterenko VV & amp Antzelevitch C. (2001). Větší pozdní vodivost sodíku v M buňkách přispívá k elektrické heterogenitě v psí komoře. American Journal of Physiology 281, H689-697.
  • James Sneyd (2007) Modely dynamiky vápníku. Scholarpedia, 2 (3): 1576.
  • Jeff Moehlis, Kresimir Josic, Eric T. Shea-Brown (2006) Periodická oběžná dráha. Scholarpedia, 1 (7): 1358.
  • John W. Moore (2007) Svorka napětí. Scholarpedia, 2 (9): 3060.


Podívejte se na video: Elektrický potenciál - vzorec (Leden 2022).