We are searching data for your request:
Upon completion, a link will appear to access the found materials.
Nöronlar fizyolojik bir solüsyonda tutuldu. Dinlenme evresinde nöronların aksoplazmasındaki zar potansiyeli hücre dışı boşluğa göre negatifti ve bu evrede -70 mV potansiyel farkı gözlendi. Nöronlar daha sonra ya gama-amino bütirik asit (GABA; bir inhibitör nörotransmiter) ya da glutamat (bir uyarıcı nörotransmiter) ile iki farklı deneyde tedavi edildi ve zar potansiyelleri kaydedildi. Doğru ifadeyi/ifadeleri seçin:
(A) -70 mV'lik istirahat membran potansiyeli ne GABA ne de glutamat tedavileriyle değişmez.
(B) Zar potansiyeli, GABA tedavisi ile dinlenme fazından bile daha negatif olacaktır.
(C) Nöron glutamata maruz kaldığında zar potansiyeli pozitif olacaktır.
(D) Zar potansiyeli, glutamat tedavisinden sonra dinlenme potansiyelinden daha negatif olacaktır.
Glutamatın uyarıcı olduğunu hissediyorum, bu nedenle dinlenme potansiyeli glutamata maruz kaldığında azalmalı ve GABA'ya maruz kaldığında artmalıdır. Yani (A)&(D) otomatik olarak elenir ve (B) doğru cevap olur. (C) de kafam karıştı
Buna "dinlenme potansiyeli farkı" (sorunuz gibi) demek daha doğrudur, çünkü elektrik potansiyeli mutlak değil görelidir.
Bu ifade çok önemli bir noktayı ortaya koyuyor: ne? Hücre sitoplazmaları negatif yüklüdür (bunu hatırlamak için, protonların genellikle sitozolden periplazma, veziküller, mitokondriyal intermemberan boşluğa veya hücrenin dışına pompalandığını hatırlamaya yardımcı olur). Dışarıdaki potansiyeli içeriden çıkarırsanız, +70 alırsınız. Bunun tersini yaparsanız, -70 alırsınız. Konvansiyonel olarak, voltmetrenin (+) probu hücrenin içinde ve (-) dışarıda sıkışmış, bu yüzden "resmi" -70 mV rakamını elde ediyoruz.
Doğa açıkça bu potansiyel farkı sevmiyor ve akımı zardan geçirerek nötralize etmek istiyor. Neyse ki zar çok iletken değildir ve hücre, herhangi bir sızıntının etkilerini geri almak ve potansiyelin [fark] 0'a doğru kaymasını önlemek için enerji harcayabilir (gerçekte 0'ın üzerindeki bir sayıya doğru sürüklenir çünkü potansiyel fark sadece potansiyel fark değildir. faktör, ayrıca konsantrasyon farkı da vardır).
Yani hücre kendini şarjlı tutan bir pil gibidir. Ayrıca bir eşiği vardır ve ancak en azından belirli bir noktaya kadar boşalmışsa kendini boşaltacaktır. Bu nokta hücreye bağlıdır, ancak tipik bir değer -55 mV'dir (denge noktasına dinlenme -70 mV'den çok daha yakındır).
GABA gibi engelleyici bir kimyasal ne yapacak? Hücreyi eşikten daha uzağa çekecek, bu yüzden üstesinden gelmek daha zor. -70 mV'yi -90 mV'ye getirmek onu düşürür (çünkü sayı azalır).
Glutamat gibi uyarıcı bir kimyasal ne yapacak? Hücreyi eşiğe yaklaştırır, böylece üstesinden gelmek daha kolay olur. -70 mV'yi -55 mV'ye getirmek onu yükseltmek olacaktır (çünkü sayı artar).
Soru, ne yazık ki, aksiyon potansiyelinin ateşlenip ateşlenmediğini belirtmiyor. Tipik olarak, AP'nin zirvesi +40 mV'dir. Teoride, +20 mV'de bir eşiğiniz olabilir ve o zaman belki potansiyel pozitif gidebilir (örn. +10 mv) ve orada kalabilir. Ama eşiği 0'ın üzerinde olan bir hücre bulabileceğinden gerçekten çok şüpheliyim. Eşik sıfırın altındaysa, o zaman hücre niyet pozitif bir potansiyel farka ulaşır (AP'yi ortaya çıkarmak için yeterli glutamat kullanırsanız), ancak -80 mV'ye (refrakter durum) geri dönmeden önce sadece bir an için orada kalacaktır.
C'nin de doğru olduğuna inanıyorum. Uyarıcı nörotransmiterler, hücre zarını potasyuma kıyasla sodyuma karşı daha geçirgen yapan $ce{Na}$ kanallarını açar ve bu nedenle denge zarı potansiyeli, sodyum için en yakın potansiyele çok daha yakın olacaktır. Şimdi, dışarıdaki sodyum konsantrasyonu içeridekinden çok daha büyük olduğu için, sodyum için en son potansiyel, zarın içine göre pozitiftir. Bu da genel potansiyeli olumlu kılıyor.
Zar boyunca dengenin hesaplanması ve en yakın potansiyel hakkında daha fazla açıklama istiyorsanız, çekinmeden sorabilirsiniz.
EK
Bir hücrenin içindeki ve dışındaki yaklaşık sodyum ve potasyum konsantrasyonları: -
$$ce {Na+_{in}}=10 ext{mmoll}^{-1}$$ $$ce {K+_{in}}=105 ext{mmoll}^{-1} $$ $$ce {Na+_{out}}=140 ext{mmoll}^{-1}$$ $$ce {K+_{out}}=5 ext{mmoll}^{- 1}$$
Nernst potansiyeli $E=-frac{RT}{nF}lnfrac{ ext{in}}{ ext{out}}$ ile verilir
Verilen konsantrasyonlar için sodyum için $+67.7mV$ ve potasyum için $-78.1mV$ olduğu ortaya çıkıyor. Yeterince güçlü bir aksiyon potansiyeli sırasında, sodyumun potasyuma göre göreli geçirgenliği 10$ olur. GHK denklemini kullanmak (klorun katkısını göz ardı ederek) bize $+47.5mV$ net potansiyel verir.
Aksiyon potansiyelinin grafiği, AP'nin zirvesinde membran potansiyelinin pozitif olduğunu açıkça gösterir. Kaynak : Aksiyon potansiyeli grafiği
Buradaki cevapların hiçbirinin tam olarak doğru olduğunu düşünmüyorum, bu yüzden bir deneyeceğim:
(A) -70 mV'lik istirahat membran potansiyeli ne GABA ne de glutamat tedavileriyle değişmez.
Buradaki cevap: "Durum değişir".
Glutamat için, nöron sadece -70 mV'de "açık" olmayan NMDA reseptörlerine sahip olsaydı, istirahat membran potansiyelinde hiçbir değişiklik olmazdı. En azından bazı AMPA reseptörleri olsaydı, zar potansiyeli daha pozitife dönerdi.
GABA için, hücrede sadece GABAa reseptörleri varsa, o zaman dinlenme zar potansiyeli değişmez, çünkü GABAa için ters potansiyel tam orada -70 mV'dedir. Ancak hücrede en azından bazı GABAb reseptörleri varsa, bunların tersine çevrilme potansiyelleri -100 mV civarındadır ve bu nedenle dinlenme zar potansiyelinde -70 mV'den daha negatif bir şeye bir değişikliğe neden olur.
(B) Zar potansiyeli, GABA tedavisi ile dinlenme fazından bile daha negatif olacaktır.
Yine, sadece GABAa reseptörleri varsa, o zaman hayır, artık negatif olmaz ve aslında -70 mV'de aynı kalır. GABAb reseptörleri varsa, evet, istirahat zar potansiyeli daha da negatif olacaktır.
(C) Nöron glutamata maruz kaldığında zar potansiyeli pozitif olacaktır.
Belki - bu, nöronun aksiyon potansiyeline sahip olmasına izin verilip verilmediğine bağlıdır. Glutamat reseptörleri genellikle 0 mV civarında tersine döner. 0 mV ne pozitif ne de negatiftir. Bu nöronda aksiyon potansiyeli olmasaydı, bu nedenle zarın "pozitif" olacağını söylememeliyiz (sanırım bu kılları ayırmak olsa da). Ancak "-70 mV'den daha pozitif" olduğu söylenebilir. Ancak hücrenin aksiyon potansiyeline sahip olmasına izin verilirse, evet, zar potansiyeli yaklaşık +20 mV'a kadar fırlayacaktı, dolayısıyla pozitif olduğu söylenebilirdi.
(D) Zar potansiyeli, glutamat tedavisinden sonra dinlenme potansiyelinden daha negatif olacaktır.
Hayır. Yine, glutamat reseptörlerinin ters çevirme potansiyeli yaklaşık 0 mV'dir, bu nedenle zar potansiyelini yalnızca 0 mV'ye yakın veya tam olarak daha pozitif değerlere hareket ettirir.
Sitokrom salınımını takiben mitokondriyal membran potansiyeli tutma mekanizması C apoptotik GT1-7 sinir hücrelerinde
Mitokondriyal membran potansiyeli (ΔΨm), solunum ve sitokrom C (sit C) tek sinirde salıverme bcl-2 transfekte hücreler (GT1-7bcl-2) veya GT1-7saf staurosporin (STS) tarafından indüklenen apoptoz sırasında hücreler. Bcl-2, cyt'nin mitokondriyal salınımını inhibe etti C ve apoptoz. GT1-7'de STS'ye üç farklı hücre yanıtı tanımlandısaf hücreler: (i) ne ΔΨm ne de cyt C önemli ölçüde etkilendi (ii) ΔΨ'de bir azalmam tam bir cyt sürümü eşlik etti C veya (iii) cyt C ΔΨ kaybından bağımsız olarak serbest bırakma meydana geldim. Endojen iç zar proton sızıntısı yerinde Oligomisin varlığında solunumla izlenen mitokondri, STS tarafından %92 oranında artmıştır. saf hücrelerde, ancak yalnızca %23 oranında bcl-2 hücreler. STS, protonofor varlığında solunum kapasitesini %31 oranında azaltmıştır. saf hücrelerde ve %20 oranında bcl-2 hücreler. STS'nin yokluğunda, her ikisinde de oligomisin hiperpolarize mitokondri saf ve bcl-2- transfekte hücreler, organellerin net ATP jeneratörleri olduğunu gösterir. Bununla birlikte, 15 saat STS oligomisine maruz kaldıktan sonra hızla çökmüş kalıntı mitokondriyal polarizasyon saf ΔΨ olduğunu gösteren hücrelerm ATP sentaz ters çevrilmesi ile korunmuştur. bcl-2 aksine hücreler, korunan ΔΨm protonofor eklenene kadar. Bu sonuçlar, ΔΨ'nin korunmasınınm cyt'nin yayınlanmasının ardından C STS ile muamele edilmiş GT1-7 hücrelerinde ATP sentaz tersine çevrilmesi ve sitoplazmik ATP hidrolizinin bir sonucu olabilir. Hücre Ölümü ve Farklılaşması (2001) 8, 995–1003
Soyut
Glutamat retina nöronlarını ya depolarize eder ya da hiperpolarize eder. Bunlar ilk ve birincil etkilerdir. Bir voltaj probu kullanma (oksonol, DiBaC4 (5)) ayrışmış zebra balığı retina nöronlarını incelemek için ikincil, daha uzun vadeli bir etki bulduk: hiperpolarizasyon sonrası (AHP) olarak adlandırılan, zar potansiyelinin uyarıcı sonrası restorasyonu. AHP sadece glutamat tarafından depolarize edilen nöronlarda meydana gelir ve tipik olarak glutamat uygulamasından yaklaşık 5 dakika sonra zirve yapar. AHP, ayrışmış yatay hücrelerde (HC'ler) ve hiperpolarize edici veya OFF tipi bipolar hücrelerde (HBC'ler) görülür. Bu hücreler genellikle yalnızca bir AHP bileşeni ile yanıt verir. AHP, glutamat tarafından hiperpolarize hücre tipleri olan depolarize edici veya ON tipi bipolar hücrelerde (DBC'ler) asla oluşmaz. AHP, 6-siyano-7-nitrokinoksalin-2,3-dion (CNQX) tarafından bloke edilir. Kainat, AMPA ve AMPA seçici agonist tarafından uyarılır (S)-5-florovillardiin, ancak NMDA, d-aspartat, kainat seçici agonist SYM 2081 veya dl -2-amino-4-fosfonobütirik asit ( dl -AP4) tarafından değil. Yalnızca AHP yanıtlarına sahip hücreler tonik olarak depolarize edilir. Dinlenme potansiyelleri nifedipin tarafından restore edilebilir, bu da L-tipi Ca2+ kanallarının tonik, depolarize edici etkisini düşündürür. Ancak AHP, nifedipin tarafından bloke edilmez ve [Cl - ]'ye duyarsızdır.Ö. AHP, Li + tarafından engellendi Ö Na + için ikame Ö ve ouabain tarafından. İyonotropik AMPA kanallarından giren Na+'nın Na+,K+-ATPase'yi uyardığı, elektrojenik etkiyle membran potansiyelini geri kazandıran ve AHP tepkisini oluşturan bir mekanizma önerilmiştir. ATPase immünoreaktivite paternleri, koni pedikülleri, HC'ler ve BC'ler pozitif olarak etiketlendiğinden dış pleksiform tabakada (OPL) lokalizasyonu destekler. Etiketleme, iç pleksiform katmanda (IPL) nükleer katmanlara göre daha zayıftı, ancak biri sublaminada olmak üzere iki IPL immünoreaktif BC terminal bandı ayırt edilebildi a ve diğeri sublaminada B. Fotoreseptör glutamat tarafından distal retinanın kalıcı olarak uyarılması, Na+,K+-ATPase'nin artan ekspresyonunu ve aktivitesini indükleyebilir ve bunun sonucunda distal glutamat tepkileri üzerinde bir etki meydana gelebilir.
Na + ,K + -ATPase, retinal dış pleksiform tabakada (OPL) yoğun şekilde eksprese edilir (McGrail & Sweadner, 1986 Yazulla & Studholme, 1987 Wetzel ve diğerleri. 1999) ve Na + ,K + -ATPase aktivitesi distal retina nöronlarında kolaylıkla ölçülür (Shimura ve diğerleri. 1998 Zushi ve diğerleri. 1998). Na + ,K + -ATPase'in retina internöronları tarafından görsel bilginin işlenmesinde oynadığı rol çok az çalışılmıştır. Bu raporda, zebra balığı retinasında Na + ,K + -ATPase dağılımını inceliyoruz, glutamat tarafından uyarılan retina nöronlarındaki aktivasyonunu tanımlıyoruz ve bu aktivasyonun yatay hücrelerde (HC'ler) istirahat membran potansiyeli için önemli bir itici güç sağladığını iddia ediyoruz. ve hiperpolarize edici veya KAPALI merkez, bipolar hücreler (HBC'ler).
Akut ayrışmış, yetişkin, zebra balığı retina nöronlarının glutamaterjik tepkilerini inceledik (Connaughton & Dowling, 1998), membran potansiyelinde nörotransmiterin neden olduğu değişiklikler için bir sonda olarak oksonol boyası kullanarak (Waggoner, 1976 Walton ve diğerleri. 1993 ve diğerleri. 1999). Prob, bir Na+,K+ -ATPase aktivatörü olan hücre içi Na+'yı değiştirmeden bu tür değişikliklerin ölçülmesine izin verir. Bu yöntemle glutamat tepkileri araştırıldığında, en büyük genlik etkisinin glutamatın çıkarılmasını takiben birkaç dakikalık prob floresansı (FL) kaybı olduğu bir hücre grubu bulmamıza şaşırdık. Membran hiperpolarizasyonunu gösteren bu kayıp, hiperpolarizasyon sonrası (AHP) olarak adlandırılır. Bu çalışmanın amacı, Na + ,K + -ATPase aktivasyonu tarafından yönlendiriliyor gibi görünen AHP yanıtının mekanizmasını incelemek ve ilişkili olduğu hücre tiplerini belirlemektir.
Zebra balığı retinal ayrışmaları, A tipi (yuvarlak yıldız) ve B tipi (uzun) HC'ler, uzun ve kısa akson bipolar hücreleri (BC'ler) ve ayrıca diğer retina nöronları türlerinin bir karışımını verir (Connaughton & Dowling, 1998 Nelson ve diğerleri. 2001). Ayrışma halindeki birkaç hücre tipini tanıma yeteneği, zebra balığı retinasını, fizyolojik mekanizmaları morfolojik olarak tanımlanmış hücre tipleri ile ilişkilendirmek için iyi bir doku kaynağı yapar. AHP yanıtları, hem A hem de B tipi HC'lerde, HBC'lerin bir alt popülasyonunda bulundu, ancak depolarize edici veya ON tipi bipolar hücrelerde (DBC'ler) bulunmadı. Sonuçlar, glutamat tarafından uyarılan retina nöronları için iki bileşenli bir model önermektedir: Na + ve K + geçirgenliklerini kaplayan iyonotropik glutamat reseptörü (IgluR) kanalları tarafından sağlanan doğrudan, zar potansiyeline duyarlı bir bileşen ve dolaylı, uzun vadeli, hiperpolarize edici bir zar -bir ouabain ve Na+-duyarlı ATPaz'ın uyarılması yoluyla sağlanan potansiyel-duyarsız bileşen. Retinal Na + ,K + -ATPase aktivitesi genellikle karanlık akımı sürdürmede fotoreseptörlerin yüksek metabolik ihtiyaçları ile ilişkilidir (Hagins). ve diğerleri. 1970), bu çalışma glutamat tarafından uyarılan distal retina internöronlarında Na + ,K + -ATPase için potansiyel bir rol sağlar.
İçindekiler
Bir hücredeki zar potansiyeli, nihai olarak iki faktörden kaynaklanır: elektriksel kuvvet ve difüzyon. Elektriksel kuvvet, zıt elektrik yüklü (pozitif ve negatif) parçacıklar arasındaki karşılıklı çekimden ve aynı tip yüke sahip (hem pozitif hem de negatif) parçacıklar arasındaki karşılıklı itmeden kaynaklanır. Difüzyon, parçacıkların yüksek konsantrasyonda oldukları bölgelerden konsantrasyonun düşük olduğu bölgelere yeniden dağılma istatistiksel eğiliminden kaynaklanır.
Voltaj Düzenleme
ile eş anlamlı olan voltaj elektrik potansiyelindeki fark, bir direnç boyunca bir elektrik akımı sürme yeteneğidir. Aslında, bir voltajın en basit tanımı Ohm kanunu tarafından verilir: V=IR, burada V voltajdır, I akımdır ve R dirençtir. Bir elektrik devresine pil gibi bir voltaj kaynağı yerleştirilirse, kaynağın voltajı ne kadar yüksek olursa, mevcut direnç boyunca kullanacağı akım miktarı o kadar büyük olur. Gerilimin işlevsel önemi yalnızca potansiyelde yatmaktadır. farklılıklar bir devrede iki nokta arasında Tek bir noktada voltaj fikri anlamsızdır. Devrenin rastgele seçilmiş bazı elemanlarına sıfır voltaj atamak ve daha sonra bu sıfır noktasına göre ölçülen diğer elemanlara voltaj atamak elektronikte gelenekseldir. Sıfır noktası olarak hangi elemanın seçildiğinin bir önemi yoktur—bir devrenin işlevi gerilimlere değil, yalnızca farklılıklara bağlıdır. başlı başına. Bununla birlikte, çoğu durumda ve geleneksel olarak, sıfır seviyesi çoğunlukla bir devrenin toprakla temas halinde olan kısmına atanır.
Aynı prensip hücre biyolojisindeki voltaj için de geçerlidir. Elektriksel olarak aktif dokuda, herhangi iki nokta arasındaki potansiyel fark, örneğin biri hücrenin içinde diğeri dışında olmak üzere her bir noktaya bir elektrot yerleştirilerek ve her iki elektrotu da özünde özel bir voltmetre olanın uçlarına bağlayarak ölçülebilir. Geleneksel olarak, sıfır potansiyel değeri hücrenin dışına atanır ve dışarısı ile içerisi arasındaki potansiyel farkın işareti, içerinin sıfıra göre potansiyeli tarafından belirlenir.
Matematiksel olarak, voltajın tanımı bir elektrik alanı kavramıyla başlar. E , uzaydaki her noktaya bir büyüklük ve yön atayan bir vektör alanı. Birçok durumda, elektrik alanı korunumlu bir alandır, yani V skaler fonksiyonunun gradyanı olarak ifade edilebilir, yani, E = –∇ V . Bu skaler alan V, voltaj dağılımı olarak adlandırılır. Tanımın keyfi bir entegrasyon sabitine izin verdiğine dikkat edin - bu nedenle voltajın mutlak değerleri anlamlı değildir. Genel olarak, elektrik alanları, ancak manyetik alanlar onları önemli ölçüde etkilemiyorsa muhafazakar olarak ele alınabilir, ancak bu durum genellikle biyolojik doku için iyi bir şekilde geçerlidir.
Elektrik alanı, voltaj dağılımının gradyanı olduğundan, küçük bir bölgedeki voltajdaki hızlı değişiklikler, tersine, güçlü bir elektrik alanı anlamına gelir; eğer voltaj, büyük bir bölgede yaklaşık olarak aynı kalırsa, o bölgedeki elektrik alanları zayıf olmalıdır. . Güçlü bir voltaj gradyanına eşdeğer güçlü bir elektrik alanı, bölge içinde yer alan herhangi bir yüklü parçacık üzerine güçlü bir kuvvet uygulandığı anlamına gelir.
İyonlar ve hareketlerini yönlendiren kuvvetler
Biyolojik organizmalardaki elektrik sinyalleri genellikle iyonlar tarafından yönlendirilir. [4] Aksiyon potansiyeli için en önemli katyonlar sodyum (Na + ) ve potasyumdur (K + ). [5] Bunların her ikisi de tek değerli Tek bir pozitif yük taşıyan katyonlar. Aksiyon potansiyelleri ayrıca kalsiyum (Ca 2+),[6] iki değerli çift pozitif yük taşıyan katyon. Klorür anyonu (Cl - ), bazı alglerin [7] aksiyon potansiyellerinde önemli bir rol oynar, ancak çoğu hayvanın aksiyon potansiyellerinde ihmal edilebilir bir rol oynar. [8]
İyonlar hücre zarını iki etki altında geçerler: difüzyon ve elektrik alanları. İki çözeltinin (A ve B) gözenekli bir bariyerle ayrıldığı basit bir örnek, difüzyonun sonunda eşit çözeltilere karışmalarını sağlayacağını gösterir. Bu karıştırma, konsantrasyonlarındaki farklılık nedeniyle oluşur. Yüksek konsantrasyonlu bölge, düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru yayılacaktır. Örneği genişletmek için, A çözeltisinin 30 sodyum iyonu ve 30 klorür iyonu olmasına izin verin.Ayrıca, B çözeltisinin sadece 20 sodyum iyonu ve 20 klorür iyonu olmasına izin verin. Bariyerin her iki tip iyonun da içinden geçmesine izin verdiğini varsayarsak, o zaman her iki çözeltinin de 25 sodyum iyonu ve 25 klorür iyonuna sahip olduğu bir kararlı duruma ulaşılacaktır. Bununla birlikte, gözenekli bariyer, hangi iyonların geçişine izin verildiği konusunda seçici ise, o zaman tek başına difüzyon, elde edilen çözeltiyi belirlemeyecektir. Önceki örneğe dönersek, şimdi sadece sodyum iyonlarına karşı geçirgen olan bir bariyer oluşturalım. Şimdi, yalnızca sodyumun A çözeltisindeki daha yüksek konsantrasyonundan B çözeltisindeki daha düşük konsantrasyonuna bariyeri geçmesine izin verilir. Bu, B çözeltisindeki klorür iyonlarından daha fazla sodyum iyonu birikmesine ve daha az sayıda sodyum iyonu ile sonuçlanacaktır. A çözeltisindeki klorür iyonları.
Bu, pozitif yüklü sodyum iyonlarının negatif yüklü klorür iyonlarından daha yüksek konsantrasyonundan B çözeltisinde net bir pozitif yük olduğu anlamına gelir. Benzer şekilde, pozitif sodyum iyonlarından daha fazla negatif klorür iyonu konsantrasyonundan A çözeltisinde net bir negatif yük vardır. Zıt yükler birbirini çektiği ve benzer yükler ittiği için iyonlar artık elektrik alanlarından ve difüzyon kuvvetlerinden de etkilenirler. Bu nedenle, pozitif sodyum iyonlarının artık daha pozitif olan B çözeltisine gitme ve şimdi daha negatif olan A çözeltisinde kalma olasılığı daha düşük olacaktır. Elektrik alanlarının kuvvetlerinin difüzyondan kaynaklanan kuvveti tamamen ortadan kaldırdığı noktaya denge potansiyeli denir. Bu noktada spesifik iyonun (bu durumda sodyum) net akışı sıfırdır.
Plazma zarları Düzenle
Her hücre, içinde birçok büyük molekülün gömülü olduğu bir lipit çift tabakasının yapısına sahip bir plazma zarı ile çevrilidir. Lipid moleküllerinden yapıldığı için, plazma zarı özünde yüksek bir elektrik direncine, diğer bir deyişle iyonlara karşı düşük içsel geçirgenliğe sahiptir. Bununla birlikte, zara gömülü olan bazı moleküller, iyonları zarın bir tarafından diğerine aktif olarak taşıma ya da hareket edebilecekleri kanallar sağlama yeteneğine sahiptir. [9]
Elektrik terminolojisinde plazma zarı, birleşik bir direnç ve kapasitör olarak işlev görür. Direnç, zarın, üzerindeki yüklerin hareketini engellemesinden kaynaklanır. Kapasitans, lipid çift tabakasının o kadar ince olması gerçeğinden kaynaklanır ki, bir tarafta yüklü parçacıkların birikmesi, zıt yüklü parçacıkları diğer tarafa doğru çeken bir elektrik kuvvetine yol açar. Membranın kapasitansı, içine gömülü olan moleküllerden nispeten etkilenmez, bu nedenle yaklaşık 2 μF/cm2 olarak tahmin edilen aşağı yukarı değişmez bir değere sahiptir (bir zar yamasının toplam kapasitesi, alanıyla orantılıdır). Öte yandan, saf lipid çift tabakasının iletkenliği o kadar düşüktür ki biyolojik durumlarda her zaman gömülü moleküller tarafından sağlanan alternatif yolların iletkenliği baskındır. Bu nedenle, zarın kapasitansı az çok sabittir, ancak direnç oldukça değişkendir.
Bir plazma zarının kalınlığının yaklaşık 7-8 nanometre olduğu tahmin edilmektedir. Membran çok ince olduğu için, içinde güçlü bir elektrik alanı oluşturmak için çok büyük bir transmembran voltajı almaz. Hayvan hücrelerinde tipik zar potansiyelleri 100 milivolt (yani, voltun onda biri) civarındadır, ancak hesaplamalar bunun, zarın dayanabileceği maksimuma yakın bir elektrik alanı oluşturduğunu göstermektedir. 200 milivolttan çok daha büyük bir fark, dielektrik bozulmaya, yani zar boyunca ark oluşmasına neden olabilir.
Kolaylaştırılmış difüzyon ve taşıma
Saf bir lipit çift tabakasının iyonların geçişine karşı direnci çok yüksektir, ancak zara gömülü yapılar, kolaylaştırılmış taşıma ve kolaylaştırılmış difüzyon adı verilen mekanizmalar yoluyla iyon hareketini aktif veya pasif olarak büyük ölçüde artırabilir. En büyük rolleri oynayan iki yapı türü, her ikisi de genellikle protein moleküllerinin topluluklarından oluşan iyon kanalları ve iyon pompalarıdır. İyon kanalları, iyonların hareket edebileceği geçiş yolları sağlar. Çoğu durumda, bir iyon kanalı yalnızca belirli iyon türlerine (örneğin, sodyum ve potasyum, ancak klorür veya kalsiyum değil) geçirgendir ve bazen geçirgenlik, iyon hareketinin yönüne bağlı olarak değişir. İyon taşıyıcıları veya taşıyıcı proteinler olarak da bilinen iyon pompaları, belirli tipteki iyonları zarın bir tarafından diğerine aktif olarak taşır, bazen bunu yapmak için metabolik süreçlerden elde edilen enerjiyi kullanır.
İyon pompaları Düzenle
İyon pompaları, aktif taşımayı gerçekleştiren, yani iyonları konsantrasyon gradyanlarına karşı "pompalamak" için hücresel enerjiyi (ATP) kullanan entegre zar proteinleridir. [10] Bu tür iyon pompaları, zarın bir tarafından iyonları alır (oradaki konsantrasyonunu azaltır) ve diğer tarafına bırakır (oradaki konsantrasyonunu arttırır).
Aksiyon potansiyeli ile en alakalı iyon pompası, üç sodyum iyonunu hücreden dışarı ve iki potasyum iyonunu hücreye taşıyan sodyum-potasyum pompasıdır. [11] Sonuç olarak, nöron içindeki potasyum iyonlarının konsantrasyonu K + kabaca Dışarıdaki konsantrasyondan 20 kat daha büyükken, dışarıdaki sodyum konsantrasyonu içeridekinden kabaca dokuz kat daha fazladır. [12] [13] Benzer şekilde, kalsiyum, klorür ve magnezyum gibi diğer iyonların nöron içinde ve dışında farklı konsantrasyonları vardır. [13]
Her iyon tipinin sayıları eşit olsaydı, sodyum-potasyum pompası elektriksel olarak nötr olurdu, ancak ikiye üç değişim nedeniyle, her döngü için hücre içiden hücre dışına net bir pozitif yük hareketi verir, böylece pozitif bir voltaj farkına katkıda bulunur. Pompanın üç etkisi vardır: (1) sodyum konsantrasyonunu hücre dışı boşlukta yüksek ve hücre içi boşlukta düşük yapar (2) potasyum konsantrasyonunu hücre içi boşlukta yüksek ve hücre dışı boşlukta düşük yapar (3) hücre içi boşluk, hücre dışı boşluğa göre negatif bir voltaj.
Sodyum-potasyum pompası çalışırken nispeten yavaştır. Bir hücre her yerde eşit konsantrasyonlarda sodyum ve potasyum ile başlatılsaydı, pompanın dengeyi kurması saatler sürerdi. Pompa sürekli çalışır, ancak pompalamaya uygun sodyum ve potasyum konsantrasyonları azaldıkça giderek daha az verimli hale gelir.
İyon pompaları, yalnızca hücre içi ve hücre dışı iyon konsantrasyonlarının nispi oranını oluşturarak aksiyon potansiyelini etkiler. Aksiyon potansiyeli esas olarak iyon pompalarının değil iyon kanallarının açılıp kapanmasını içerir. İyon pompaları, enerji kaynakları kaldırılarak veya ouabain gibi bir inhibitör eklenerek kapatılırsa, akson, genlikleri önemli ölçüde azalmaya başlamadan önce yüz binlerce aksiyon potansiyelini ateşleyebilir. [10] Özellikle iyon pompaları, bir aksiyon potansiyelinden sonra zarın repolarizasyonunda önemli bir rol oynamaz. [5]
İşlevsel olarak önemli bir başka iyon pompası da sodyum-kalsiyum değiştiricidir. Bu pompa kavramsal olarak sodyum-potasyum pompasına benzer bir şekilde çalışır, ancak her döngüde hücre dışı boşluktan üç Na + ve hücre içi boşluktan bir Ca ++ değiştirir. Net yük akışı içe doğru olduğundan, bu pompa aslında "yokuş aşağı" çalışır ve bu nedenle membran voltajı dışında herhangi bir enerji kaynağı gerektirmez. En önemli etkisi kalsiyumu dışa doğru pompalamaktır - ayrıca sodyumun içe akışına izin verir, böylece sodyum-potasyum pompasını etkisiz hale getirir, ancak toplam sodyum ve potasyum konsantrasyonları kalsiyum konsantrasyonlarından çok daha yüksek olduğu için bu etki nispeten önemsizdir. Sodyum-kalsiyum değiştiricinin net sonucu, dinlenme durumunda hücre içi kalsiyum konsantrasyonlarının çok düşük olmasıdır.
İyon kanalları Düzenle
İyon kanalları, iyonların hücre dışı boşluk ile hücre içi arasında seyahat edebildiği bir gözenekli bütünleyici zar proteinleridir. Çoğu kanal bir iyon için spesifiktir (seçicidir), örneğin, potasyum ve sodyum iyonları aynı yüke sahip olmalarına ve yarıçaplarında çok az farklı olmalarına rağmen, çoğu potasyum kanalı potasyumun sodyuma karşı 1000:1 seçicilik oranı ile karakterize edilir. Kanal gözenek tipik olarak o kadar küçüktür ki, iyonların tek sıralı sırayla içinden geçmesi gerekir. [15] Kanal gözenekleri iyon geçişi için açık veya kapalı olabilir, ancak bir dizi kanal çeşitli alt iletkenlik seviyeleri gösterir. Bir kanal açık olduğunda, iyonlar, o belirli iyon için transmembran konsantrasyon gradyanını aşağıya doğru kanaldan geçirir. Kanal boyunca iyonik akışın hızı, yani tek kanallı akım genliği, maksimum kanal iletkenliği ve o iyon için elektrokimyasal itici güç tarafından belirlenir; bu, membran potansiyelinin anlık değeri ile ters potansiyelin değeri arasındaki farktır. [16]
Bir kanalın birkaç farklı durumu olabilir (proteinin farklı konformasyonlarına karşılık gelir), ancak bu tür her bir durum ya açık ya da kapalıdır. Genel olarak, kapalı durumlar ya gözeneğin büzülmesine karşılık gelir - bu onu iyon için geçilmez kılar - ya da proteinin gözenekleri tıkayan ayrı bir parçasına karşılık gelir. Örneğin, voltaja bağlı sodyum kanalı, inaktivasyonproteinin bir kısmının gözenek içine sallandığı ve onu kapattığı. [17] Bu inaktivasyon sodyum akımını kapatır ve aksiyon potansiyelinde kritik bir rol oynar.
İyon kanalları, çevrelerine nasıl tepki verdiklerine göre sınıflandırılabilir. [18] Örneğin, aksiyon potansiyelinde yer alan iyon kanalları şunlardır: voltaja duyarlı kanallar membran boyunca voltaja tepki olarak açılır ve kapanırlar. Ligand kapılı kanallar bir başka önemli sınıfı oluştururlar, bu iyon kanalları bir nörotransmitter gibi bir ligand molekülünün bağlanmasına yanıt olarak açılır ve kapanır. Diğer iyon kanalları mekanik kuvvetlerle açılır ve kapanır. Yine diğer iyon kanalları -duyu nöronlarınınki gibi- ışık, sıcaklık veya basınç gibi diğer uyaranlara tepki olarak açılır ve kapanır.
Sızıntı kanalları Düzenle
Sızıntı kanalları, geçirgenlikleri az çok sabit olduğu için en basit iyon kanalı türüdür. Nöronlarda en büyük öneme sahip kaçak kanal türleri potasyum ve klorür kanallarıdır. Bunlar bile özelliklerinde tam olarak sabit değildir: Birincisi, çoğu bir yönde diğerinden daha iyi iletmeleri anlamında gerilime bağımlıdır (başka bir deyişle, doğrultuculardır) ikincisi, bazıları Çalışmak için ligandlara ihtiyaç duymasalar da kimyasal ligandlar tarafından kapatılır.
Ligand kapılı kanallar Düzenle
Ligand kapılı iyon kanalları, bir tür kimyasal ligand protein yapısına bağlandığında geçirgenliği büyük ölçüde artan kanallardır. Hayvan hücreleri, bunların yüzlerce, hatta binlerce türünü içerir. Büyük bir alt küme, nörotransmitter reseptörleri olarak işlev görür - bunlar postsinaptik bölgelerde meydana gelir ve onları yöneten kimyasal ligand, presinaptik akson terminali tarafından salınır. Bu tipin bir örneği, aktive edildiğinde sodyum ve potasyum iyonlarının geçişine izin veren nörotransmiter glutamat için bir reseptör olan AMPA reseptörüdür. Başka bir örnek GABA'dır.A reseptör, aktive edildiğinde klorür iyonlarının geçişine izin veren nörotransmitter GABA için bir reseptör.
Nörotransmitter reseptörleri, hücre dışı alanda görünen ligandlar tarafından aktive edilir, ancak hücre içi taraftaki etkileşimler tarafından kontrol edilen başka tipte ligand kapılı kanallar da vardır.
Voltaj bağımlı kanallar Düzenle
Voltaj kapılı iyon kanalları olarak da bilinen gerilime bağlı iyon kanalları, geçirgenliği membran potansiyelinden etkilenen kanallardır. Her üyenin belirli bir iyon seçiciliğine ve belirli bir voltaj bağımlılığına sahip olduğu çok büyük başka bir grup oluştururlar. Birçoğu aynı zamanda zamana bağlıdır - başka bir deyişle, bir voltaj değişikliğine hemen değil, yalnızca bir gecikmeden sonra yanıt verirler.
Bu grubun en önemli üyelerinden biri, aksiyon potansiyellerinin altında yatan bir tür voltaj kapılı sodyum kanalıdır. Hodgkin-Huxley sodyum kanalları çünkü başlangıçta Alan Lloyd Hodgkin ve Andrew Huxley tarafından aksiyon potansiyelinin fizyolojisine ilişkin Nobel Ödüllü çalışmalarında karakterize edildiler. Kanal, dinlenme voltaj seviyesinde kapalıdır, ancak voltaj belirli bir eşiği aştığında aniden açılır ve membran potansiyelinde çok hızlı bir değişiklik üreten büyük bir sodyum iyonu akışına izin verir. Bir aksiyon potansiyelinden kurtarma, kısmen, dinlenme voltaj seviyesinde kapalı olan ancak aksiyon potansiyeli sırasında üretilen büyük voltaj değişiminin bir sonucu olarak açılan voltaj kapılı potasyum kanalının bir tipine bağlıdır.
Ters potansiyel Düzenle
Geri dönüş potansiyeli (veya denge potansiyeli) bir iyonun difüzyon ve elektrik kuvvetlerinin dengelendiği transmembran voltajının değeridir, böylece membran boyunca net iyon akışı olmaz. Bu, transmembran voltajının, iyonun difüzyon kuvvetine tam olarak karşı olduğu, böylece iyonun membran boyunca net akımının sıfır olduğu ve değişmediği anlamına gelir. Ters potansiyel önemlidir, çünkü o iyona geçirgen kanallara etki eden voltajı verir - başka bir deyişle, bir pil gibi davrandığında iyon konsantrasyon gradyanının ürettiği voltajı verir.
Belirli bir iyonun denge potansiyeli genellikle şu şekilde gösterilir: Eiyon.Herhangi bir iyon için denge potansiyeli Nernst denklemi kullanılarak hesaplanabilir. [19] Örneğin, potasyum iyonları için ters potansiyel aşağıdaki gibi olacaktır:
- Eeşdeğer, K + volt cinsinden ölçülen potasyum için denge potansiyeli
- r evrensel gaz sabitidir, 8.314 joule·K -1 ·mol -1'e eşittir
- T Kelvin cinsinden ölçülen mutlak sıcaklıktır (= K = Santigrat derece + 273.15)
- z reaksiyonda yer alan söz konusu iyonun temel yüklerinin sayısıdır.
- F Faraday sabitidir, 96.485 coulomb·mol -1 veya J·V -1 ·mol -1'e eşittir
- [K + ]Ö mol·m -3 veya mmol·l -1 olarak ölçülen hücre dışı potasyum konsantrasyonudur
- [K + ]ben potasyumun hücre içi konsantrasyonudur
İki farklı iyon aynı yüke sahip olsa bile (yani K+ ve Na+), dış ve/veya iç konsantrasyonlarının farklı olması koşuluyla yine de çok farklı denge potansiyellerine sahip olabilirler. Örneğin, nöronlardaki potasyum ve sodyumun denge potansiyellerini alın. Potasyum denge potansiyeli EK dışta 5 mM potasyum ve içte 140 mM olmak üzere -84 mV'dir. Öte yandan, sodyum denge potansiyeli, ENa, yaklaşık +66 mV'dir ve yaklaşık 12 mM içeride sodyum ve 140 mM dışarıdadır. [not 1]
Geliştirme sırasında zar potansiyelindeki değişiklikler
Bir nöronun dinlenme zar potansiyeli, aslında bir organizmanın gelişimi sırasında değişir. Bir nöronun sonunda tam yetişkin işlevini benimsemesi için potansiyelinin gelişim sırasında sıkı bir şekilde düzenlenmesi gerekir. Bir organizma gelişim boyunca ilerledikçe, dinlenme zarı potansiyeli daha negatif hale gelir. [20] Glial hücreler de beyinde gelişme ilerledikçe farklılaşmakta ve çoğalmaktadır. [21] Bu glial hücrelerin eklenmesi, organizmanın hücre dışı potasyumu düzenleme yeteneğini arttırır. Hücre dışı potasyumdaki düşüş, zar potansiyelinde 35 mV'luk bir azalmaya yol açabilir. [22]
Hücre uyarılabilirliği Düzenle
Hücre uyarılabilirliği, çeşitli dokularda hücresel yanıtlar için gerekli olan membran potansiyelindeki değişikliktir. Hücre uyarılabilirliği, erken embriyogenez sırasında indüklenen bir özelliktir. [23] Bir hücrenin uyarılabilirliği, bir yanıtın tetiklenme kolaylığı olarak da tanımlanmıştır. [24] Dinlenme ve eşik potansiyelleri, hücre uyarılabilirliğinin temelini oluşturur ve bu süreçler, dereceli ve aksiyon potansiyellerinin üretilmesi için esastır.
Hücre uyarılabilirliğinin en önemli düzenleyicileri hücre dışı elektrolit konsantrasyonları (yani Na + , K + , Ca 2+ , Cl - , Mg 2+ ) ve ilişkili proteinlerdir. Hücre uyarılabilirliğini düzenleyen önemli proteinler, voltaj kapılı iyon kanalları, iyon taşıyıcıları (örn. [25] Örneğin, potasyum kanalları ve kalsiyum algılayıcı reseptörler, nöronlarda, kardiyak miyositlerde ve astrositler gibi diğer birçok uyarılabilir hücrede uyarılabilirliğin önemli düzenleyicileridir. [26] Kalsiyum iyonu aynı zamanda uyarılabilir hücre sinyalleşmesinde en önemli ikinci habercidir. Sinaptik reseptörlerin aktivasyonu, nöronal uyarılabilirlikte uzun süreli değişiklikleri başlatır. [27] Tiroid, adrenal ve diğer hormonlar da hücre uyarılabilirliğini düzenler, örneğin progesteron ve östrojen, miyometriyal düz kas hücresi uyarılabilirliğini modüle eder.
Birçok hücre tipinin uyarılabilir bir zara sahip olduğu kabul edilir. Uyarılabilir hücreler nöronlar, miyositler (kalp, iskelet, düz), vasküler endotelyal hücreler, jukstaglomerüler hücreler, Cajal'ın interstisyel hücreleri, birçok epitelyal hücre tipi (örn. beta hücreleri, alfa hücreleri, delta hücreleri, enteroendokrin hücreler), glial hücreler (örn. astrositler), mekanoreseptör hücreler (ör. saç hücreleri ve Merkel hücreleri), kemoreseptör hücreler (ör. glomus hücreleri, tat reseptörleri), bazı bitki hücreleri ve muhtemelen bağışıklık hücreleri. [28] Astrositler, sinaptik sinyali algılayabildikleri birkaç reseptörün ekspresyonu ile ilgili hücre içi kalsiyum varyasyonlarına dayanan elektriksel olmayan bir uyarılabilirlik biçimi sergilerler. Nöronlarda, hücrenin bazı bölümlerinde farklı zar özellikleri vardır; örneğin, dendritik uyarılabilirlik, nöronlara uzamsal olarak ayrılmış girdilerin tesadüf algılama kapasitesini sağlar. [29]
Eşdeğer devre Düzenle
Elektrofizyologlar, iyonik konsantrasyon farklılıklarının, iyon kanallarının ve zar kapasitansının etkilerini, küçük bir zar yamasının elektriksel özelliklerini temsil etmesi amaçlanan eşdeğer bir devre cinsinden modeller. Eşdeğer devre, her biri değişken iletkenliğe sahip seri halinde bir pilden oluşan dört yola paralel bir kapasitörden oluşur. Kapasitans, lipid çift tabakasının özelliklerine göre belirlenir ve sabit olarak alınır. Dört paralel yolun her biri, başlıca iyonlardan biri olan sodyum, potasyum, klorür ve kalsiyumdan gelir.Her iyonik yolun voltajı, zarın her iki tarafındaki iyon konsantrasyonları tarafından belirlenir, yukarıdaki Ters potansiyel bölümüne bakın. Her iyonik yolun herhangi bir zamanda iletkenliği, sızıntı kanalları, ligand kapılı kanallar ve voltaj kapılı iyon kanalları dahil olmak üzere, o iyona potansiyel olarak geçirgen olan tüm iyon kanallarının durumları tarafından belirlenir.
Sabit iyon konsantrasyonları ve iyon kanalı iletkenliğinin sabit değerleri için, eşdeğer devre, aşağıda açıklandığı gibi Goldman denklemi kullanılarak, pil ve iletkenliğe paralel bir kapasitans içeren bir devreye daha da indirgenebilir. Elektriksel olarak, bu bir tür RC devresidir (direnç-kapasitans devresi) ve elektriksel özellikleri çok basittir. Herhangi bir başlangıç durumundan başlayarak, iletkenlik veya kapasitans boyunca akan akım, τ = RC zaman sabiti ile üstel bir zaman süreci ile azalır; burada C, membran yamasının kapasitansıdır ve R = 1/gağ net dirençtir. Gerçekçi durumlar için zaman sabiti genellikle 1-100 milisaniye aralığındadır. Çoğu durumda, iyon kanallarının iletkenliğindeki değişiklikler daha hızlı bir zaman ölçeğinde meydana gelir, bu nedenle bir RC devresi iyi bir yaklaşım değildir, ancak bir membran yamasını modellemek için kullanılan diferansiyel denklem genellikle RC devre denkleminin değiştirilmiş bir versiyonudur.
Bir hücrenin zar potansiyeli, önemli ölçüde değişmeden uzun bir süre gittiğinde, dinlenme potansiyeli veya dinlenme voltajı olarak adlandırılır. Bu terim, uyarılabilir olmayan hücrelerin zar potansiyeli için değil, aynı zamanda uyarılabilir hücrelerin uyarılma yokluğunda zar potansiyeli için de kullanılır. Uyarılabilir hücrelerde, diğer olası durumlar, dereceli zar potansiyelleri (değişken genlikli) ve büyük olan aksiyon potansiyelleridir, genellikle sabit bir zaman sürecini izleyen zar potansiyelinde ya hep ya hiç yükselir. Uyarılabilir hücreler arasında nöronlar, kas hücreleri ve bezlerdeki bazı salgı hücreleri bulunur. Bununla birlikte, diğer hücre tiplerinde bile, membran voltajı, çevresel veya hücre içi uyaranlara yanıt olarak değişikliklere uğrayabilir. Örneğin, plazma zarının depolarizasyonu programlanmış hücre ölümünde önemli bir adım gibi görünmektedir. [30]
Dinlenme potansiyelini oluşturan etkileşimler Goldman denklemi ile modellenmiştir. [31] Bu, yukarıda gösterilen Nernst denklemine benzer, çünkü söz konusu iyonların yüklerine ve bunların iç ve dış konsantrasyonları arasındaki farka dayanır. Bununla birlikte, plazma zarının söz konusu her iyona göreli geçirgenliğini de dikkate alır.
Bu denklemde görünen üç iyon potasyum (K + ), sodyum (Na + ) ve klorürdür (Cl - ). Kalsiyum atlanmıştır, ancak önemli bir rol oynadığı durumlarla başa çıkmak için eklenebilir. [32] Bir anyon olduğundan, klorür terimleri, hücre içi konsantrasyonun payda olduğu katyon terimlerinden ve katyon terimlerinin tersi olan paydadaki hücre dışı konsantrasyondan farklı olarak ele alınır. Pben i tipi iyonun göreli geçirgenliğini ifade eder.
Özünde, Goldman formülü, zar potansiyelini, geçirgenlik ile ağırlıklandırılmış, ayrı iyon türleri için ters potansiyellerin ağırlıklı ortalaması olarak ifade eder. (Bir aksiyon potansiyeli sırasında zar potansiyeli yaklaşık 100 mV değişse de, hücre içindeki ve dışındaki iyonların konsantrasyonları önemli ölçüde değişmez. O zaman zar dinlenme potansiyelindeyken ilgili konsantrasyonlarına yakın kalırlar.) Çoğu hayvan hücresinde, Potasyum geçirgenliği, dinlenme durumunda sodyum geçirgenliğinden çok daha yüksektir. Sonuç olarak, dinlenme potansiyeli genellikle potasyum tersinme potansiyeline yakındır. [33] [34] Klorür geçirgenliği önemli olacak kadar yüksek olabilir, ancak diğer iyonların aksine, klorür aktif olarak pompalanmaz ve bu nedenle diğer iyonlar tarafından belirlenen dinlenme potansiyeline çok yakın bir ters potansiyelde dengelenir.
Çoğu hayvan hücresindeki istirahat membran potansiyeli değerleri genellikle potasyum ters potansiyeli (genellikle -80 mV civarında) ile -40 mV civarında değişir. Uyarılabilir hücrelerdeki dinlenme potansiyeli (aksiyon potansiyelleri üretebilen) genellikle -60 mV'a yakındır - daha fazla depolarize voltaj, kendiliğinden aksiyon potansiyellerinin oluşmasına yol açacaktır. Olgunlaşmamış veya farklılaşmamış hücreler, genellikle farklılaşmış hücrelerden önemli ölçüde daha pozitif olan, oldukça değişken dinlenme voltajı değerleri gösterir. [35] Bu tür hücrelerde, dinlenme potansiyel değeri farklılaşma derecesi ile ilişkilidir: farklılaşmamış hücreler bazı durumlarda hiçbir transmembran voltaj farkı göstermeyebilir.
Dinlenme potansiyelinin korunması, bir hücre için, sızıntı kanallarından kaynaklanan kayıpları önlemek için aktif iyon pompalama gereksinimi nedeniyle metabolik olarak maliyetli olabilir. Hücre fonksiyonu özellikle depolarize edilmiş bir membran voltajı değeri gerektirdiğinde maliyet en yüksektir. Örneğin, gün ışığına uyarlanmış hava sineğinde dinlenme potansiyeli (Kallifora vicina) fotoreseptörler -30 mV kadar yüksek olabilir. [36] Bu yükseltilmiş zar potansiyeli, hücrelerin görsel girdilere çok hızlı yanıt vermesini sağlar; bunun maliyeti, dinlenme potansiyelinin korunmasının toplam hücresel ATP'nin %20'sinden fazlasını tüketebilmesidir. [37]
Öte yandan, farklılaşmamış hücrelerde yüksek dinlenme potansiyeli metabolik bir avantaj olabilir. Bu bariz paradoks, dinlenme potansiyelinin kökeninin incelenmesiyle çözülür. Az farklılaşmış hücreler, son derece yüksek giriş direnci ile karakterize edilir, [35] bu, hücre yaşamının bu aşamasında birkaç sızıntı kanalının mevcut olduğu anlamına gelir. Açık bir sonuç olarak, potasyum geçirgenliği, yukarıda tartışıldığı gibi sodyum ve potasyum için ters potansiyeller arasına dinlenme potansiyeli yerleştiren sodyum iyonlarınınkine benzer hale gelir. Azaltılmış kaçak akımlar, aynı zamanda, kompanzasyon için aktif pompalamaya çok az ihtiyaç olduğu anlamına gelir, bu nedenle düşük metabolik maliyet.
Yukarıda açıklandığı gibi, bir hücre zarının herhangi bir noktasındaki potansiyel, hücre içi ve hücre dışı alanlar arasındaki iyon konsantrasyonu farklılıkları ve zarın her iyon tipine geçirgenliği ile belirlenir. İyon konsantrasyonları normalde çok hızlı değişmez (başlangıç hücre içi konsantrasyonunun çok düşük olduğu ve küçük bir akışın bile onu büyüklük sırasına göre artırabildiği Ca2+ hariç), ancak iyonların geçirgenlikleri belirli bir oranda değişebilir. Ligand kapılı iyon kanallarının aktivasyonunun bir sonucu olarak milisaniyenin bir kısmı. Membran potansiyelindeki değişim, kaç tane iyon kanalının aktive edildiğine ve ne tür olduklarına bağlı olarak büyük veya küçük olabilir ve kanalların açık kaldığı süreye bağlı olarak uzun veya kısa olabilir. Bu tür değişiklikler olarak adlandırılır kademeli potansiyellersabit bir genliğe ve zaman akışına sahip olan aksiyon potansiyellerinin aksine.
Yukarıda gösterilen Goldman denkleminden çıkarılabileceği gibi, bir zarın belirli bir iyon tipine geçirgenliğini artırmanın etkisi, zar potansiyelini o iyon için ters çevirme potansiyeline doğru kaydırır. Böylece, Na + kanallarının açılması, zar potansiyelini, genellikle +100 mV civarında olan Na + ters potansiyeline doğru kaydırır. Benzer şekilde, K+ kanallarının açılması zar potansiyelini yaklaşık -90 mV'a kaydırır ve Cl - kanallarının açılması onu yaklaşık -70 mV'ye kaydırır (çoğu zarın dinlenme potansiyeli). Böylece, Na + kanalları membran potansiyelini pozitif bir yöne kaydırır, K + kanalları onu negatif bir yöne kaydırır (zarın K + ters potansiyelinden daha negatif bir değere hiperpolarize olması dışında) ve Cl - kanalları kayma eğilimi gösterir. dinlenme potansiyeline doğru yönlendirir.
Dereceli zar potansiyelleri, sinapslar tarafından üretildikleri nöronlarda özellikle önemlidir - bir sinapsın tek dereceli veya aksiyon potansiyeli tarafından aktivasyonu ile üretilen zar potansiyelindeki geçici bir değişikliğe, sinaps sonrası potansiyel denir. Na+ kanallarını açmak üzere hareket eden nörotransmiterler tipik olarak membran potansiyelinin daha pozitif olmasına neden olurken, K+ kanallarını aktive eden nörotransmiterler tipik olarak daha negatif olmasına neden olur, bu kanalları inhibe edenler ters etkiye sahip olma eğilimindedir.
Bir postsinaptik potansiyelin uyarıcı mı yoksa engelleyici mi olduğu, o akımın iyonlarının ters potansiyeline ve hücrenin bir aksiyon potansiyeli ateşleme eşiğine (yaklaşık –50mV) bağlıdır. Tipik bir Na + akımı gibi, eşiğin üzerinde bir ters potansiyele sahip bir postsinaptik akım, uyarıcı olarak kabul edilir. Tipik bir K + akımı gibi eşiğin altında bir ters potansiyele sahip bir akım, engelleyici olarak kabul edilir. Dinlenme potansiyelinin üzerinde, ancak eşiğin altında bir ters potansiyele sahip bir akım, kendi başına aksiyon potansiyelleri ortaya çıkarmayacak, ancak eşik altı membran potansiyeli salınımları üretecektir. Böylece, Na+ kanallarını açmak üzere hareket eden nörotransmiterler uyarıcı postsinaptik potansiyeller veya EPSP'ler üretirken, K+ veya Cl - kanallarını açmak üzere hareket eden nörotransmiterler tipik olarak inhibitör postsinaptik potansiyeller veya IPSP'ler üretir. Aynı zaman diliminde birden fazla kanal türü açık olduğunda, bunların postsinaptik potansiyelleri toplanır (bir araya eklenir).
Biyofizik açısından bakıldığında, dayanma zar potansiyeli, yalnızca hücre dinlenirken baskın olan zar geçirgenliklerinden kaynaklanan zar potansiyelidir. Yukarıdaki ağırlıklı ortalama denklemi her zaman geçerlidir, ancak aşağıdaki yaklaşım daha kolay görselleştirilebilir. Herhangi bir anda, bir iyon için, o iyonun bir hücrenin zar potansiyeli üzerinde ne kadar etkisi olacağını belirleyen iki faktör vardır:
İtici güç yüksekse, iyon zar boyunca "itilir". Geçirgenlik yüksekse, iyonun zardan difüze olması daha kolay olacaktır.
- itici güç bu iyonu zar boyunca hareket ettirmek için mevcut net elektrik kuvvetidir. İyonun "olmak istediği" voltaj (denge potansiyeli) ile gerçek zar potansiyeli () arasındaki fark olarak hesaplanır.Em). Yani, biçimsel olarak, bir iyonun itici gücü = Em - Eiyon
- Örneğin, daha önce hesapladığımız −73 mV dinlenme potansiyelinde, potasyum üzerindeki itici güç 7 mV : (−73 mV) − (−80 mV) = 7 mV'dir. Sodyum üzerindeki itici güç (−73 mV) − (60 mV) = −133 mV olacaktır.
- geçirgenlik bir iyonun zarı ne kadar kolay geçebileceğinin bir ölçüsüdür. Normalde (elektriksel) iletkenlik olarak ölçülür ve siemens birimi 1 C·s −1 ·V −1'e, yani her volt potansiyel için saniyede bir coulomb'a karşılık gelir.
Bu nedenle, dinlenme zarında potasyumun itici gücü düşükken, geçirgenliği çok yüksektir. Sodyum çok büyük bir itici güce sahiptir, ancak neredeyse hiç geçirgenliği yoktur. Bu durumda potasyum, sodyumdan yaklaşık 20 kat daha fazla akım taşır ve dolayısıyla 20 kat daha fazla etkiye sahiptir. Em sodyumdan daha iyidir.
Bununla birlikte, başka bir durumu düşünün - aksiyon potansiyelinin zirvesi. Burada Na geçirgenliği yüksektir ve K geçirgenliği nispeten düşüktür. Böylece zar yakına doğru hareket eder. ENa ve uzak EK.
İyonların geçirgenliği arttıkça, membran potansiyelini tahmin etmek daha karmaşık hale gelir. Ancak bu, Goldman-Hodgkin-Katz denklemi veya ağırlıklı ortalamalar denklemi kullanılarak yapılabilir. Herhangi bir anda iyonların konsantrasyon gradyanlarını ve geçirgenliklerini girerek, o andaki membran potansiyeli belirlenebilir. GHK denklemlerinin anlamı, herhangi bir zamanda, zar potansiyelinin değerinin, tüm geçirgen iyonların denge potansiyellerinin ağırlıklı ortalaması olacağıdır. "Ağırlıklandırma", iyonların zar boyunca göreli geçirgenliğidir.
Hücreler enerjilerini iyonları taşımak ve bir zar ötesi potansiyel oluşturmak için harcarken, bu potansiyeli sırayla diğer iyonları ve şeker gibi metabolitleri taşımak için kullanırlar. Mitokondrinin transmembran potansiyeli, biyolojik enerjinin ortak para birimi olan ATP'nin üretimini yönlendirir.
Hücreler, aksiyon potansiyellerini veya diğer uyarılma biçimlerini harekete geçirmek için dinlenme potansiyelinde depoladıkları enerjiyi kullanabilirler. Membran potansiyelindeki bu değişiklikler, diğer hücrelerle iletişimi sağlar (aksiyon potansiyellerinde olduğu gibi) veya bir sperm tarafından döllendiğinde yumurtada meydana gelen hücre içindeki değişiklikleri başlatır.
Nöronal hücrelerde, sodyum iyonlarının sodyum kanalları yoluyla hücreye hücum etmesiyle bir aksiyon potansiyeli başlar, bu da depolarizasyonla sonuçlanır, iyileşme potasyum kanallarından potasyumun dışa doğru hücumunu içerir. Bu akıların her ikisi de pasif difüzyonla meydana gelir.
Choi, D. W. Glutamat nörotoksisitesinin iyonik bağımlılığı. J. Neurosci. 7, 369–379 (1987).
Tymianski, M., Charlton, M.P., Carlen, P.L. & Tator, C.H. Kültürlenmiş embriyonik spinal nöronlarda erken kalsiyum nörotoksisitesinin kaynak özgüllüğü. J. Neurosci. 13, 2085–2104 (1993).
Hartley, D.M., Kurth, M.C., Bjerkness, L., Weiss, J.H. & Choi, Kortikal kültürde D.W. Glutamat reseptörü ile indüklenen 45 Ca2+ birikimi, sonraki nöronal dejenerasyon ile ilişkilidir. J. Neurosci. 13, 1993–2000 (1993).
Dawson, V.L., Dawson, T.M., London, E.D., Bredt, D.S. & Snyder, S.H. Nitrik oksit, birincil kortikal kültürlerde glutamat nörotoksisitesine aracılık eder. Proc. Natl Acad. bilim Amerika Birleşik Devletleri 88, 6368–6371 (1991).
Siman, R., Noszek, J.C. & Kegerise, C. Calpain I aktivasyonu, özellikle hipokampal hasarın uyarıcı amino asit indüksiyonu ile ilgilidir. J. Neurosci. 9, 1579–1590 (1989).
Monyer, H., Hartley, D.M. & Choi, D.W. 21-aminosteroidler, kortikal hücre kültürlerinde eksitotoksik nöronal hasarı hafifletir. Nöron 5, 121–126 (1990).
Lafon-Cazal, M., Pietri, S., Culcasi, M. & Bockaert, J. NMDA'ya bağlı süperoksit üretimi ve nörotoksisite. Doğa 364, 535–537 (1993).
Coyle, J.T. & Puttfarcken, P. Oksidatif stres, glutamat ve nörodejeneratif bozukluklar. Bilim 262, 689–695 (1993).
Dykens, J.A. İzole edilmiş serebral ve serebellar mitokondri, yüksek Ca2+ ve Na+'ya maruz kaldığında serbest radikaller üretir: nörodejenerasyon için çıkarımlar. J. Neurochem. 63, 584–591 (1994).
Patel, M., Day, B.J., Crapo, J.D., Fridovich, I. & McNamara, J.O. Eksitotoksik hücre ölümünde süperoksit gereksinimi. Nöron 16, 345–355 (1996).
Nicholls, D.G. & Akerman, K.E.O. Mitokondriyal kalsiyum taşınması. Biyokimya. Biyofiz. Acta 683, 57–88 (1982).
Günter, T.E., Günter, K.K., Sheu, S.-S. & Gavin, C. E. Mitokondriyal kalsiyum taşınması: Fizyolojik ve patolojik uygunluk. NS. J. Physiol. Hücre Fizyol. 267, C313–C339 (1994).
Ankaracrona, M. et al. Glutamat kaynaklı nöron ölümü: mitokondriyal fonksiyona bağlı olarak art arda nekroz veya apoptoz. Nöron 15, 961–973 (1995).
White, R.J. & Reynolds, I.J. Glutamat ile uyarılan nöronlarda mitokondriyal depolarizasyon: Eksitotoksin maruziyetine özgü erken bir sinyal. J. Neurosci. 16, 5688–5697 (1996).
Schinder, A.F., Olson, E.C., Spitzer, N.C. & Montal, M. Mitokondriyal disfonksiyon, glutamat nörotoksisitesinde birincil bir olaydır. J. Neurosci. 16, 6125–6133 (1996).
Gunter, T.E. & Pfeiffer, D.R. Mitokondrinin kalsiyumu taşıdığı mekanizmalar. NS. J. Physiol. Hücre Fizyol. 258, C755–C786 (1990).
Nicholls, D.G. İskemik Beyin Hasarının Moleküler Mekanizmaları (eds Kogure, K., Hossman, K.A., Siesjö, B.K. & Welsh, F.A.) 97–106 (Elsevier, Amsterdam, 1985).
Reynolds, I. J. & Hastings, T. G. Glutamat, NMDA reseptör aktivasyonunu takiben kültürlenmiş ön beyin nöronlarında reaktif oksijen türlerinin üretimini indükler. J. Neurosci. 15, 3318–3327 (1995).
Dugan, L.L. et al. N-metil-D-aspartat maruziyetinin ardından kortikal nöronlarda reaktif oksijen türlerinin mitokondriyal üretimi. J. Neurosci. 15, 6377–6388 (1995).
Bindokas, V.P., Jordan, J., Lee, C.C. ve Miller, R.J. Sıçan hipokampal nöronlarında süperoksit üretimi: hidroetidin ile seçici görüntüleme. J. Neurosci. 16, 1324–1336 (1996).
Arkles, B. & Brinigar, W. S. Alkilsillenmiş bir cam yüzey üzerinde hareketsizleştirilmiş sıçan karaciğer mitokondrisinin solunum özellikleri. J. Biol. Kimya 250, 8856–8862 (1975).
Wang, G.J., Richardson, S.R. & Thayer, S.A. Hücre içi asitlendirme, kültürlenmiş hipokampal nöronların glutamatla tetiklenen ölümü için bir ön koşul değildir. Nörobilim. Lett. 186, 139–144 (1995).
Hoyt, K. R. & Reynolds, I. J. Alkalinizasyon, kültürlenmiş sıçan ön beyin nöronlarında mitokondriyal Na + /Ca2+ değiştiriciden Ca2+ akışını artırarak [Ca2+]i'de glutamat kaynaklı artışlardan iyileşmeyi uzatır. J. Neurochem. (Basında).
Favaron, M. et al. Gangliosidler, neonatal sıçan serebellum ve korteksinin birincil nöronal kültüründe glutamat ve kainat nörotoksisitesini önler. Proc. Natl Acad. bilim Amerika Birleşik Devletleri 85, 7351–7355 (1988).
Dykens, J.A., Stern, A. & Trenkner, E. Kainat toksisitesinin in vitro olarak serebellar nöronlar üzerindeki mekanizması, reperfüzyon dokusu hasarına benzer. J. Neurochem. 49, 1222–1228 (1987).
Bading, H. & Greenberg, M.E. NMDA reseptör aktivasyonu ile protein tirozin fosforilasyonunun uyarılması. Bilim 253, 912–914 (1991).
Kawasaki, H. et al. Sıçan serebellar granül hücrelerinde glutamat kaynaklı apoptozda p38 mitojenle aktive olan protein kinazın aktivasyonu ve katılımı. J. Biol. Kimya 272, 18518–18521 (1997).
Guyton, K.Z., Liu, Y., Gorospe, M., Xu, Q. & Holbrook, N.J. Mitojenle aktive olan protein kinazın H2O2 ile aktivasyonu: oksidan yaralanmasını takiben hücre hayatta kalmasındaki rol. J. Biol. Kimya 271, 4138–4142 (1996).
Budd, S.L. & Nicholls, D.G. Mitokondri, kültürlenmiş serebellar granül hücrelerinde kalsiyum regülasyonu ve akut glutamat eksitotoksisitesi. J. Neurochem. 67, 2282–2291 (1996).
Budd, S.L. & Nicholls, D.G. Nöronal Ca2+ homeostazında mitokondrinin rolünün yeniden değerlendirilmesi. J. Neurochem. 66, 403–411 (1996).
Wang, G.J., Randall, R.D. & Thayer, S.A. Kültürlenmiş hipokampal nöronların glutamat ile indüklenen hücre içi asitlenmesi, Ca2+ yüklerinden kaynaklanan değiştirilmiş enerji metabolizmasını gösterir. J. Nörofizyol. 72, 2563–2569 (1994).
Hyrc, K., Handran, S.D., Rothman, S.M. ve Goldberg, M.P. İyonize hücre içi kalsiyum konsantrasyonu, eksitotoksik nöron ölümünü öngörür: düşük afiniteli floresan kalsiyum göstergeleri ile gözlemler. J. Neurosci. 17, 6669–6677 (1997).
Stout, A.K. & Reynolds, I.J. Yüksek afiniteli kalsiyum göstergeleri, eksitotoksik glutamat uyarımları ile bağlantılı hücre içi kalsiyum konsantrasyonlarındaki artışları hafife alır. sinirbilim (Basında).
Brocard, J.B., Rajdev, S. & Reynolds, I.J. Glutamat, kültürlenmiş kortikal nöronlarda hücre içi serbest Mg2+ artışlarına neden oldu. Nöron 11, 751–757 (1993).
Rajdev, S. & Reynolds, I. J. Kalsiyum yeşili 5N, kültürlenmiş sıçan beyin nöronlarında glutamat eksitotoksisitesi ile bağlantılı yüksek hücre içi serbest Ca2+ konsantrasyonlarının izlenmesi için yeni bir floresan prob. Nörobilim. Lett. 162, 149–152 (1993).
White, R.J. ve Reynolds, I.J.Mitokondri, kültürlenmiş sıçan ön beyin nöronlarının yoğun glutamat stimülasyonunu takiben Ca2+ biriktirir. J. Physiol. (Londra.) 498, 31–47 (1997).
Hoyt, K.R., Stout, A.K., Cardman, J.M. & Reynolds, I.J. Sıçan ön beyin nöronlarında kainat kaynaklı hücre içi serbest kalsiyum değişikliklerinin tamponlanmasında hücre içi sodyum ve mitokondrinin değerlendirilmesi. J. Physiol. (Londra.) 509, 103–116 (1998).
Dawson, V.L., Kizushi, V.M., Huang, P.L., Snyder, S.H. & Dawson, T.L. Nöronal nitrik oksit eksikliği olan farelerden alınan kortikal kültürlerde nörotoksisiteye karşı direnç. J. Neurosci. 16, 2479–2487 (1996).
Hewett, S.J., Corbett, J.A., McDaniel, M.L. & Choi, D.W. Nitrik oksit oluşumunun engellenmesi, murin kortikal hücre kültürlerini N-metil-D-aspartat nörotoksisitesinden korumaz. Beyin Araş. 625, 337–341 (1993).
Pauwels, P.J. & Leysen, J.E. Nitrik oksit oluşumunun bloke edilmesi, sıçan hipokampüsünden alınan nöronal kültürlerde glutamat kaynaklı nörotoksisiteyi önlemez. Nörobilim. Lett. 143, 27–30 (1992).
Demerlé-Pallardy, C., Lonchampt, M.-O., Chabrier, P.-E. & Braquet, P. L-glutamat veya hipoksi tarafından indüklenen nöronal hücre hasarı üzerinde L-arginin/nitrik oksit yolunun etkisinin olmaması. Biyokimya. Biyofiz. Araş. Komün. 181, 456–464 (1991).
Beckman, J.S., Beckman, T.W., Chen, J., Marshall, P.A. ve Freeman, B.A. Peroksinitrit tarafından görünen hidroksil radikal üretimi: nitrik oksit ve süperoksitten endotel hasarı için çıkarımlar. Proc. Natl Acad. bilim Amerika Birleşik Devletleri 87, 1620–1624 (1990).
Newmeyer, D.D., Farschon, D.M. & Reed, J.C. Xenopus yumurta ekstraktlarında hücresiz apoptoz: Bcl-2 ile inhibisyon ve mitokondride zenginleştirilmiş bir organel fraksiyonu gereksinimi. Hücre 79, 189–192 (1994).
Yang, J. et al. Apoptozun Bcl-2 ile önlenmesi: mitokondriden sitokrom c salınımı bloke edildi. Bilim 275, 1129–1132 (1997).
Susin, S.A. ve ark. Bcl-2, apoptojenik bir proteazın mitokondriyal salınımını inhibe eder. J. Uzm. Med. 184, 1331–1341 (1996).
Kluck, R.M., Bossy-Wetzel, E., Green, D.R. & Newmeyer, D.D. Mitokondriden sitokrom c salınımı: Bcl-2 apoptoz regülasyonu için birincil bölge. Bilim 275, 1132–1136 (1997).
Kim, C.N. et al. Bcl-X(L)'nin aşırı ekspresyonu, ara-C ile indüklenen mitokondriyal sitokrom c kaybını ve apoptozun moleküler kaskadını aktive eden diğer pertübasyonları inhibe eder. Kanser Araş. 57, 3115–3120 (1997).
White, R.J. & Reynolds, I.J. Mitokondri ve Na+/Ca2+ kültürlenmiş kortikal nöronlarda tampon glutamat kaynaklı kalsiyum yüklerini değiştirir. J. Neurosci. 15, 1318–1328 (1995).
Bredt, D.S., Mourey, R.J. & Snyder, S.H. Biyolojik dokularda inositol 1,4,5-trifosfat için basit, hassas ve spesifik bir radyoreseptör tahlili. Biyokimya. Biyofiz. Araş. İletişim 159, 976–982 (1989).
Mitokondriyal Membran Potansiyeli Potasyumu Çeker⁈
Fakat hücre içinde neden daha yüksek K⁺ konsantrasyonları bulunur? ve Na⁺ neden dışlanmış görünüyor. Bu sözde "aktif taşıma" neden hücrenin ölümüyle tersine döner? Bu birkaç şekilde açıklanmıştır, ancak mitokondriyal zar potansiyelinin (ψ m ) bundan doğrudan sorumlu olduğunu düşünüyorum. Bu potansiyelin pozitif yüklü iyonları çektiği gösterilmiştir.
Her ikisi de aynı yüke sahip olduğu için Na⁺'yi K⁺ kadar kolayca çekeceğini düşünebilirsiniz. Gilbert Ling bunu kısmen, onu çevreleyen düzenli su kabuğunu hesaba katarak, hidratlı yarıçapları göz önünde bulundurursanız, Na⁺'nin aslında daha büyük olduğu gerçeğiyle açıklar. Bu ilişkili su düşünüldüğünde, bu aslında K⁺ hidratına daha yüksek bir yük/kütle oranı ve daha yüksek bir yük/hacim oranı verecektir.
'Zar pompası' teorisyenleri, ATP'nin yüksek enerjili bir fosfat bağı (yanlış bir isim) yardımıyla enerjiyi hücreden sodyum 'pompalamak' için enerji aktardığı herhangi bir sayıda Rube Goldbergian yaklaşımı varsayıyorlar. ATP'yi buna getirmelerinin nedeni, hücre içi K⁺/Na⁺'yi yükselttiğinin gösterilmesidir, ancak bu başka yollarla açıklanabilir. Ayrıca, ATPas hücre zarı üzerinde aktivite gösterilmiştir, ancak bu çok seçici bir reaksiyon değildir ve ATP sadece sade suda bile kendiliğinden ayrışır. ATP/ADP dengesi pH'a bağlıdır.
Yani negatif bir mitokondriyal zar potansiyeli (− ψ m ) ile hangisinin mitokondriyi daha çok çekmesi beklenir: Sodyum mu Potasyum mu? hangisi olurdu beklenen biriktirmek?
Potasyum daha hızlı bir elektroforetik göç süresine sahiptir:
Amonyak ile göç eder. Bu tutarlı bir bulgudur. Başka bir araştırma da aynı şeyi gösteriyor:
Bir dizi on beş katyon arasında bile, negatif yüke doğru göç etmek her zaman en hızlı olanıdır. Sabit difüzyonla bile, yalnızca bu prensibe dayalı olarak hücre içinde daha yüksek bir K⁺ konsantrasyonu bekleyebilirsiniz. Negatif zar potansiyeli, elektron taşıma zinciri durana kadar hücreyi sürekli olarak K⁺ ile zenginleştirecektir. Bu hücre ölümüdür, ancak o zaman Na⁺ dengelenir.
Triptan Mavisi muhtemelen hücre ölümünü ölçmenin en yaygın yoludur. Bir hücre yaşarken, aktif olarak tripan mavisini 'dışlar'. Hücre ölümünde, onu içeride alır. Bu görselleştirilebilir. Yapıyı görmeden önce, negatif yüklü olduğunu varsaymıştım. Bu doğru çıkıyor. Birkaç amino grubuna sahip olmasına rağmen, telafi etmek için yeterli sülfonik gruba sahiptir - bu da net bir negatif yük ile sonuçlanır.
Negatif yüklü tripan mavisi molekülleri ve belki de hepsi olmasa da çoğu anyon normal metabolizma sırasında negatif mitokondriyal membran potansiyeli tarafından itilir. Bunun ATP güdümlü Trypan Blue membran dışlama pompasının bir hatası olmadığına sizi temin ederim. (Trypan-ATPase⁈).
Jens Skou, ATP'yi hidrolize eden bir enzimi izole ettiği için Nobel Ödülü kazanmıştı. Hücre zarında bulundu. Bu enzim, fiil olarak, varsayılan işlevine göre bulunmadan önce bile adlandırılmıştı. Sadece daha sonra, izolasyondan sonra bir isim haline geldi. Ancak tek boynuzlu at aynı zamanda bir isimdir ve sadece saflaştırılmış enzimlere sahip olmak, hücre içinde onlara kredi verdiğiniz şeyi yaptıkları anlamına gelmez. Standart enzim deneyleri Na⁺/K⁺-ATPase ile çalışamaz çünkü çalışması için bir zara ihtiyaç duyar. Bu özel enzimin standart biçimde çalıştığını kanıtlayamazsınız.
İşte Nobel Konuşmasından bazı alıntılar: †
Ve siyanür, hem'in demir merkezine bağlanarak, oksijenin elektriksel indirgenmesini ve ardından metabolizmayı engelleyerek aynı şeyi yapar.
Azid, elektron taşıma zincirinin bir inhibitörüdür:
Mitokondriyal membran potansiyelini artıran tek şeyin boya girişini de arttırdığına dikkat edin. Bu durumda pozitif yüklü boyalar kullanılmıştır. Bu, anyonik tripan mavisi hariç tutmanın tersidir.
Ouabain çok eski bir ilaçtır ve etkileri muhtemelen en iyi mineralkortikoid antagonisti olarak açıklanabilir. Aldosterona çok benzer ve Na⁺/K⁺-ATP'nin substratı olan ATP'ye kesinlikle benzemez.as.
Ouabainin sodyum bölümlendirmesini nasıl etkilediğini açıklamaya yönelik ilk girişimlerde, bazı insanlar aslında onun Na⁺/K⁺-ATP üzerindeki etkilerini düşünmüşlerdir.as. Bu aslında aldosteron ile bariz benzerliğine rağmen yapıldı.
Na⁺/K⁺-ATP üzerinde ouabain için I₅₀as 10⁻⁷ (Erdmann↑) civarında olduğu belirlendi. Bu, türlere bağlı olarak biraz değişti. CBöbrek Na⁺ retansiyonunda %841'lik bir artışın (bir koyunda) saatte sadece 4(10⁻⁸) Mouabain infüzyonu ile indüklendiğini göz önünde bulundurarak¶, oubainin yüksek afiniteli hormonal etkilerinin olamayacağından daha yüksek olduğu görülecektir. zayıf ATP'si ile açıklanıras inhibisyon.
Hücrede K⁺over Na⁺'nin zenginleşmesi, iki basit gözlemle tatmin edici bir şekilde açıklanabilir: negatif yüklü mitokondriyal membran potansiyeli ve hızlı K⁺ elektroforetik göç hızı.
Mitokondriyal membran potansiyelindeki diğer tüm değişiklikler, içindeki diğer ve daha büyük, yüklü moleküllerin konsantrasyon değişikliklerine yol açar. Bu, çözünen maddeler boyalar veya floresan problar olduğunda kolayca belirlenir. Aynı şeyin potasyum iyonları için de olacağını düşünmek doğaldır.
*Weston, Andrea, et al. "Kılcal elektroforez ile inorganik metal katyonlarının ayrılmasını etkileyen faktörler." Kromatografi Dergisi A 593.1-2 (1992): 289-295.
†Skou, Jens C. "Sodyum-potasyum pompasının tanımı." Kimya 1 (1998): 997.
Chen, Lan Bo. "Canlı hücrelerde mitokondriyal zar potansiyeli." Hücre biyolojisinin yıllık incelemesi 4.1 (1988): 155-181.
§Piwnica, David, James F. Kronauge ve Mary L. Chiu. "Hekzakis (2-metoksiizobütil izonitril) teknesyum (I)'in kültürlenmiş civciv miyokardiyal hücrelerinde alınması ve tutulması. Mitokondriyal ve plazma zarı potansiyel bağımlılığı. dolaşım 82.5 (1990): 1826-1838.
¶Yates, N.A. ve J.G. McDougall. "Bilinçli koyunların böbreğinde ekzojen ouabain ve kronik mineralokortikoid tedavisinin etkileşimi." Klinik ve deneysel farmakoloji ve fizyoloji 24.1 (1997): 57-63.
Matyb
Üye
Çok harika bir okuma ve son derece ilginç. Tebrikler.
Ama benim için bir soru kaldı. Diyelim ki Na+ bir nedenden dolayı hücreye çok yüksek konsantrasyonda giriyor - klatrat boyutu zardan kolayca ayrılamayacak kadar büyükse hücre fazla Na+'yı seçici olarak nasıl dışarı atıyor?
ATPaz'ın hala kısmen teoride olduğu gibi işlev görme olasılığı var mı, ancak bu enzimin Na/K oranlarını kontrol etmedeki aşırı enerji talepleri nedeniyle, hücre içi Na'yı azaltmak için bir ejeksiyon yöntemi olarak kullanılıyor ve genel oran hala sonuçta zarın kendi doğuştan gelen seçiciliği tarafından kontrol edilir (ATPase aktivitesine değil, klatrat boyutuna göre).
Travis
Üye
Membranın bu ikisi arasında ayrım yapabileceğini sanmıyorum. Hücre zarından çok daha büyük moleküller akar. Gilbert Ling, elimdeki kitapta, belirli hücre içi etkileri açıklamak için hidratlı yarıçapları kullandı. Bunu glutamat ve aspartat kalıntılarının K⁺ için Na⁺'den daha büyük bir afiniteye sahip olduğunu açıklamak için kullandı ve bu afinite potasyumun hücre içindeki daha yüksek konsantrasyonunu açıklıyor. 60'larda, hücrenin proteinlerinin "sabit yüklü bir sistem" gibi - bir adsorban veya K⁺ için tasarlanmış bir afinite-kromatografi sütunu gibi olduğunu yazıyordu.
Alıntı yapacaktım ama kitabımda Ctrl+F düğmesi yok. . ..ama bir indeksi var ve ben hızlı bir yazı yazarıyım. Kontrol edeyim . .
K⁺'nin hidratlı yarıçapının 2.0Å olduğunu ve Na⁺'nin 2.8Å'lik bir yarıçapa sahip olduğunu söylüyor. Bu hesaplamaları ilk yapan kişi için 1939'dan referansı var.
Bu, kılcal elektroforez sırasında negatif bir yüke doğru neden Na⁺'dan daha hızlı hareket ettiğini açıklayabilir.
Matyb
Üye
Yani iyonların hücre zarından serbestçe ayrışabileceğini mi söylüyorsunuz? (Diğer tüm faktörleri göz ardı ederek). Beni bu konuyla ilgili bazı literatürlere yönlendirebilir misiniz, çünkü iyonların serbestçe dağılamayacağını tekrar eden standart ders kitabı fuarı şeylerinizden başka pek bir şey bulamıyorum.
Daha büyük moleküllerin (örneğin steroid hormonları) neden pasif olarak yayılabileceğinin mantığı farklıdır ve iyonlar için geçerli değildir.
Matyb
Üye
Biraz zar-iyon etkileşimleri konusunda bir çalışma buldum, ancak iyonların lipit çift tabakasına dahil olduğunu ve onunla etkileşime girdiğini (ve çift tabakaların tampon görevi görebileceğini) belirttiğine inanıyorum, ancak difüzyona o kadar dokunmadılar. .
Travis
Üye
Bence bu sadece bir semantik meselesi. "Seçici birikim"den söz edildiğini duyacaksınız, ancak bu gerçekten resmi hesaplarda "seçici dışlama"dır. Skou'nun Nobel Dersini okursanız, ders kitabı fikrinin hem Na⁺ hem de K⁺'nin hücreye yayılması olduğunu göreceksiniz. Açıklama, Na⁺'nin dışarı pompalanması etrafında toplanıyor. Dolayısıyla "seçici dışlama" hakkında konuştuklarında, gerçekten bundan bahsediyorlar.
Çok daha büyük moleküller rutin olarak hücre zarından geçerler.
Lipid çift tabakası ilginçtir ve neredeyse geçirimsizdir, ancak sürekli olamaz. Hücre duvarında gözenekler olmalı: Porin (protein) - Wikipedia
En dar noktasında 7Â iç gözenek çapına sahiptir. Yan yana iki hidratlı Na⁺ iyonunu barındırabilmelidir.
Bunlar lipid çift tabakasındaki kesintilerdir.
Amino asit yan zincirleri, iç gözenek üzerinde numaralandırılmıştır:
Gözeneğin tam merkezinde biraz pozitif yüklü bir iç kısımda argininler, tirozinler ve lizinler var gibi görünüyor - ama yine de: genellikle hücreye daha büyük ve daha yüklü birçok şeyi rutin olarak kabul ettiği düşünülür, sodyumdan daha.
Ekler
Matyb
Üye
5A (2.5A ortalama Na-O bağ uzunluğu). ne kadar güvenilir bilmiyorum
2A rakamı artık. 1930'lardaki tekniklerin modern spektroskopiyle karşılaştırıldığında ne kadar güvenilir olduğunu bilmiyorum, tekniklerin nasıl geliştiğini veya kötüleştiğini bilmek için eski bir kimyagerle konuşmam gerekir. Ve hidratlı sodyumun tipik olarak çiftler halinde geldiğine inanıyorum, değil mi? Hidrat kalsiyum gibi diğer iyonlar sodyumdan bile daha büyüktür ve porin için fazla geniştir, peki ya bunlar?
Bu noktada Na+'nın porin yoluyla yayılacağını söylemek için yeterli kanıtımız olduğuna ikna olmadım. Porinin içindeki pozitif kalıntılar da bu teoriye yardımcı olmuyor. Elbette dikkate alınması gereken başka iyon kanalları da var. Ancak diğer iyon kanallarının varlığı, ATPaz'ın var olma olasılığının biraz daha yüksek olduğuna ve Na/K değişiminde bazı işlevlere sahip olabileceğine inanmamı sağlıyor (yine de bunun Na/K homeostazındaki rolünün olduğundan fazla tahmin edildiğine inanıyorum).
Hala daha büyük moleküllerin içeri girdiği mantrasını tekrar etmenin hiçbir şeyin kanıtı olduğunu düşünmüyorum. Farklılar, bu yüzden iyonlara odaklanalım.
Geçmişte okuduğum makalelerden biri, potasyumun daha az kararlı bir hidrasyon yapısına sahip olduğunu, yani diğer moleküllerden daha kolay dağılabileceğini belirtti - hidrasyon yapısı kırıldığında (pikosaniyelerde gerçekleşir), bir olabilir. kararlı bir hidrasyon yapısını yeniden kazanmadan önce potasyumun hücreye hızla yayılması için fırsat. Sodyumun hidrasyon yapısının potasyumdan daha kararlı olduğu varsayıldığından, bu fikirde keşfedilecek bir şey olabilir. Yani muhtemelen hücre içi Na/K konsantrasyonu, hidrasyon yapılarının stabilitesi ile ilgili olabilir mi? Bu muhtemelen, difüzyonu kolaylaştırmak için negatif yüklü hücresel zarlara (K daha hızlı geçişe sahip) çekilen katyonlar teorisini tamamlayabilir mi?
Bu şekilde, negatif yüklü zarın katyonların hem içeri hem de dışarı akışını kolaylaştırdığını görebilirken, hidrasyon stabilitesi ve negatif yüklü hücre içi artıklar emiciler olarak hareket eder (ve muhtemelen ATPaz ve iyon kanalları gibi şeyler yoluyla kolaylaştırılmış taşımadan kaynaklanan küçük katkılar bile) hangi iyonların olduğunu belirler. yayılma olasılığı daha yüksektir ve hangileri kalır.
Aşırı Glutamat Birikimi
Tüm eksitotoksik kaskadını tetikleyen anahtar süreç, sinaptik boşlukta aşırı glutamat birikimidir. Bu, hücre dışı boşluğa glutamat salınımını artırmak veya sinaptik boşluktan glutamat alımını/taşınmasını azaltmak için intrakraniyal glutamatın normal döngüsünü değiştirerek (Şekil 13) veya yaralı nöronlardan glutamat açıkça dökülmesiyle başarılabilir.
Sinaptik boşluğa salınan nöronal glutamat, normal olarak komşu glial hücreler tarafından sinaptik boşluktan çıkarılır, burada glutamat yakından ilişkili glutamine dönüştürülür ve daha sonra kolayca nörona geri yayılabilir. Glutamin, nöronda tekrar glutamata dönüştürülür.
Şekil 14. Diyagram, nöronal ölüme yol açan serebral iskemide meydana gelen olayların sırasını göstermektedir. (Serbest radikal oluşumu ve lipaz aktivasyonu, artan hücre içi kalsiyum ile de ilişkilidir, ancak bu şematikte iki işlem artan kalsiyuma oklarla doğrudan bağlı değildir.)
Travma, hücre dışı glutamat seviyelerini büyük ölçüde yükselten kör bir mekanizmadır. Normal hücre dışı glutamat konsantrasyonu yaklaşık 0,6 µmol/L'dir. 2 ila 5 µmol/L glutamat konsantrasyonlarında önemli nöronal eksitotoksik hasar meydana gelir. Nöronların travmatik yaralanması, hücre dışı boşluğa yaklaşık 10 µmol/L'lik normal hücre içi glutamat konsantrasyonlarının maruz kalmasıyla feci sonuçlar üretebilir. Bu nedenle, tek bir nöronun mekanik olarak yaralanması, komşu nöronların tümünü riske sokar. Bu tip glutamat salınımı nedeniyle çevredeki nöronlarda önemli yan hasar meydana gelir. Yakın tarihli bir terapötik strateji, nöronal ölümün fiziksel olarak bozulmuş nöronların ötesine yayılmasını en aza indirmek için, baş veya omurilik yaralanması olan kişileri glutamat reseptör blokerleri ile derhal tedavi etmektir.
Aşırı glutamat birikiminin çeşitli mekanizmaları muhtemelen iskemide devreye girer (Şekil 14). Nöronal veziküllerdeki depolama alanlarından anormal glutamat salınımı en az bir faktördür. Bu salınan glutamat, ek glutamat salınımını uyardığı için bir geri besleme döngüsü oluşturulur. İskemi ayrıca glutamat taşıyıcıları tarafından geri alımını bozan enerji yetmezliğine de neden olur. Bu taşıyıcılar, glutamatı konsantrasyon gradyanlarına karşı hücreye taşımak için hücre zarları boyunca sodyum gradyanına dayanan simporterler gibi davranırlar. Ancak sodyum gradyanı, iskemide başarısız olan enerjiye bağımlı bir pompa tarafından korunur. Bu tür bir başarısızlık sadece sinaptik boşluktan glutamat taşınmasını etkilemekle kalmaz, aynı zamanda taşıyıcıların geriye doğru koşmasına ve bunun için bir lavabo yerine hücre dışı glutamat kaynağı haline gelmesine neden olur. İskemi, nöronları oksijen ve glikozdan yoksun bırakarak enerji yetmezliğine neden olur, ancak enerji yetmezliğinin kendisi nöronlar için özellikle toksik değildir. Nöral toksisite, glutamat reseptörüne bağlı mekanizmaların kaskadının sonuçta aktivasyonu ile ortaya çıkar. Bu reseptörler uygun antagonistler tarafından bloke edilirse, nöronlar oksijen ve metabolik substrattan yoksunluk döneminde hayatta kalabilirler. Bu, akut iskemik olayları tedavi etmek için glutamat reseptör blokerlerinin yakın zamanda geliştirilmesi ve denenmesinin gerekçesidir (55-66). Enfarktüslü bir bölge kurtarılamazken, umut, risk altındaki bitişik yarı gölgeye çevredeki hasarı önlemektir.
Bu reseptör blokerleri, beynin akut iskemik bölgelerine perfüzyonu yeniden sağlamaya yönelik girişimsel ve farmakolojik olarak ilgili girişimlerin gelişmekte olan alanında da kritik olabilir. Eksitotoksik kaskadın reseptörde veya hücre içi seviyelerde eşzamanlı olarak durmadan iskemik bölgelere doku reperfüzyonu ve artan oksijen konsantrasyonları, süperoksit anyonları şeklinde ek serbest radikaller sağlayarak ve hücre içi sitozol kalsiyumu artırarak nöronal hasarı azaltmak yerine artırabilir. mitokondriyal kalsiyum depolarının salınımını uyararak seviyeleri.
Mitokondrinin nöron ölümü ve eksitotoksisitedeki önemli rolünün kabulü, son on yılda bu konuyla ilgili hızla genişleyen literatüre yansımaktadır (26, 49, 67-81). Mitokondriyal kalsiyum homeostazının mekanizmalarına yönelik ön araştırmalar, şimdiden birkaç terapötik nöroprotektif stratejiye ilham kaynağı olmuştur.
Nöronal hasara doğru glutamat eksitotoksik kaskadını kesintiye uğratmak, etkilemek veya geçici olarak durdurmak amacıyla bir dizi ilaç geliştirilmiş ve kullanılmıştır (82-88). Bir strateji, glutamat salınımını azaltmak için "yukarı akış" girişimidir. Bu ilaç kategorisi, sodyum kanal blokerleri olan riluzol, lamotrijin ve lifarizin içerir. Yaygın olarak kullanılan nimodipin, voltaja bağlı bir kanal (L tipi) engelleyicidir. Birleştirilmiş glutamat reseptörünün kendisinin çeşitli bölgelerini etkilemek için de girişimlerde bulunulmuştur. Bu ilaçlardan bazıları felbamat, ifenprodil, magnezyum, memantin ve nitrogliserindir. Bu "aşağı akış" ilaçlar, serbest radikal oluşumu, nitrik oksit oluşumu, proteoliz, endonükleaz aktivitesi ve ICE benzeri proteaz oluşumu (programlanmış hücre ölümüne veya apoptoza yol açan süreçte önemli bir bileşen) gibi hücre içi olayları etkilemeye çalışır. Apoptoz, karmaşık nöronal ölüm sürecinin bir parçası olarak ortaya çıkar, ancak birçok araştırmacı, eksitotoksisite ve apoptozun, kesişen etkilere sahip olan esasen farklı mekanizmalar olduğuna inanmaktadır (27, 56, 89-106).
Malzemeler ve yöntemler
Hayvanlar
300 ila 350 g ağırlığındaki erkek ve dişi Sprague-Dawley sıçanları, Hebei Laboratuvar Hayvanları Merkezi (Shijiazhuang, Çin) tarafından sağlandı ve kontrollü bir sıcaklıkta (23 ± 1°C) ve nemde (50 ± 5) sabit 12°C'de barındırıldı. -h aydınlık/karanlık döngüsü (ışıklar 08:00-20:00 arası), standart laboratuvar yemeğine ve musluk suyuna ücretsiz erişim. Tüm hayvanların üremeden en az 3 gün önce hayvan bakım tesislerine alışmalarına izin verildi. Mevcut çalışma, Hebei Tıp Üniversitesi Hayvanlar için Etik Komitesi (Shijiazhuang, Çin) tarafından onaylandı. Hayvan bakımı ve deneysel prosedürler, Laboratuar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı için Ulusal Sağlık Enstitüleri Rehberine uygun olarak yürütülmüştür.
Ana Kimyasallar
Neurobasal ortam, Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM), %10 fetal bovin serumu (FBS), fura-2-asetoksimetil ester, sodyum piruvat, glukoz, B-27, L-glutamin, HEPES ve Hibernate-E'nin tümü şuradan elde edildi. Invitrogen (ABD). A ve E Vitaminleri, glutatyon, ropivakain, siklopiazonik asit (CPA), tetrodotoksin, hücre içi floresan ROS kiti, poli-D-lisin, L-glutamik asit monosodyum tuzu, 5-floro-1,3-dimetilurasil, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2ve penisilin/streptomisin Sigma'dan (ABD) satın alınmıştır. Siklosporin A (CsA), JC-1, 1,2-Bis(2-aminofenoksi)etan-N,N,N',N'-tetraasetik asit tetrakis(asetoksimetil ester) (BAPTA-AM) kstospongin C ve dihidrokainik asit (Dih) Abcam'dan (ABD) temin edilmiştir. Bupivakain, 2',7'-diklorofloresin-diasetat (DCFH-DA), EGTA, dantrolen ve adenosin trifosfat (ATP), TCI (Japonya), Beyotime (Çin), TaKaRa (Japonya), US Pharmacopeia (ABD)'den satın alınmıştır. , ve SERVA (Almanya) sırasıyla. Bupivakain, 5.8 mM konsantrasyonda steril su içinde çözündürüldü ve HEPES tamponu ile (bakınız Ortam ve Tampon Hazırlama) 0.3 ila 300 uM'lik nihai konsantrasyonlara seyreltildi.
Orta ve Tampon Hazırlama
Kimyasal olarak tanımlanmış ortam (CDM) nörobazal ortam, glukoz-HEPES, %2 B27, 0,2 μM vitamin A, 3 μM vitamin E, penisilin (50 U/ml)/streptomisin (50 μg/ml), 4 μM glutatyon, 5 mM L-glutamin ve 1 mM sodyum piruvat. HEPES tamponu (mM cinsinden) 145 NaCl, 3 KCl, 2 MgCl içerir2, 2 CaCl2, 10 glikoz ve 10 HEPES (NaOH ile pH 7.4'e ayarlanmıştır). Ca2+ içermeyen çözelti artı 5 mM EGTA (Ca2+ içermeyen çözelti) (mM cinsinden) 145 NaCl, 3 KCl, 4 MgCl içerir2, 10 glukoz, 10 HEPES ve 5 EGTA (NaOH ile pH 7.4'e ayarlanmıştır).
Hücre kültürü
Primer hipokampal nöronların ve astrositlerin karışık kültürleri, 18 ila 20. gebelik günlerinde Sprague-Dawley sıçan fetüslerinden hazırlanmıştır. 2.5 x 104 hücre/cm2 yoğunluk. Kültürler, %5 CO2'lik nemli bir atmosferde 37°C'de %10 FBS ile desteklenmiş DMEM'de tutuldu.2. İlk kaplamadan dört saat sonra ortam, taze CDM ile değiştirildi ve ortam hacminin yarısının eşit hacimde taze ve önceden ısıtılmış CDM ile değiştirilmesiyle her 3 günde bir yenilendi.
Primer hipokampal nöronların saf kültürlerinde, ortam, ilk kaplamadan 3 gün sonra nöronal olmayan hücrelerin replikasyonunu inhibe etmek için 10 uM 5-floro-1,3-dimetilurasil ile takviye edilmiş taze CDM ile değiştirildi. Daha sonra ortam, taze CDM ile değiştirildi ve ortam hacminin yarısının eşit hacimde taze ve önceden ısıtılmış CDM ile değiştirilmesiyle her 3 günde bir yenilendi. Primer hipokampal astrositlerin saf kültürlerinde, hücreler, ilk kaplamadan sonraki ilk 3 gün boyunca %10 FBS ile takviye edilmiş DMEM'de kültürlendi ve ardından ortam, saf DMEM ile değiştirildi.
Kalsiyum Görüntüleme
Kültürde 7 ila 10 gün sonra, sıçan hipokampal hücreleri, karanlıkta 20 dakika boyunca 37°C'de fura-2-asetoksimetil (2 uM) ile yüklendi. Yüklemeden sonra, hipokampal hücre kültürleri, hücre dışı boyayı çıkarmak için iki kez HEPES tamponu ile yıkandı ve oda sıcaklığında (23 ± 1°C) 2 ml/dakika akış hızında sürekli olarak HEPES tamponu ile perfüze edilen bir kayıt odasına yerleştirildi. Ratiometrik kalsiyum görüntüleme, daha önce açıklanan yöntemler kullanılarak oda sıcaklığında yapıldı. 340 ve 380 nm'de 31 Ca2+ sinyali uyarıldı. 340/380 nm'deki değerlerin oranı, 340 nm'deki floresan yoğunluğu 380 nm'dekine bölünür, denklem [Ca 2+ ] kullanılarak hesaplandı.ben (340/380 nm) = <[P(340/380 nm) − B(340/380 nm)] / B(340/380 nm)>× %100, burada P(340/380 nm) maksimum orandır müdahaleden sonra ve B(340/380 nm) müdahaleden önceki temel orandır. Nöronları (KCl) ve astrositleri (ATP) ayırt etmek için her deneyin sonunda pozitif belirteçler KCl ve ATP'yi hipokampal hücrelere uyguladık.
Mitokondriyal Membran Potansiyelinin Ölçülmesi
Kültürdeki hipokampal nöronlar ve astrositler, mtΔΨ'yi izlemek için bir mitokondriyal spesifik lipofilik katyonik floresan probu olan JC-1 boyası (10 ug/ml, 20 dakika, 37°C) ile yüklendi. Yüklemeden sonra hücreler HEPES tamponu ile yıkandı ve kalsiyum görüntüleme yöntemiyle aynı yöntem kullanılarak perfüze edildi. MtΔΨ'nin görüntüleri oluşturuldu ve bir Leica DMi8 iki fotonlu konfokal lazer tarama mikroskobu (Leica Microsystems Inc., Almanya) ile 3 saniyelik aralıklarla yakalandı. mtΔΨ sinyalleri 488 ve 519 nm'de uyarıldı ve mtΔΨ (519/488 nm), mtΔΨ'deki değişiklikleri göstermek için bir işaretleyici olarak kullanılan kırmızı/yeşil JC-1 floresan oranını temsil etti. mtΔΨ'deki (519/488 nm) bir azalma, mtΔΨ'nin bir çöküşünü ve mitokondriyal membranın depolarizasyonunu gösterdi.
ROS Üretimi Ölçümü
İlaç müdahalesi tarafından indüklenen hücre içi ROS üretimi, DCFH-DA veya bir hücre içi floresan ROS kiti kullanılarak floresan yoğunluğu ölçülerek değerlendirildi. Kültürdeki hipokampal nöronlar ve astrositler, karanlıkta 37°C'de 20 dakika veya 60 dakika boyunca DCFH-DA veya ROS kitinden reaktiflerle yüklendi. DCFH-DA ile yüklemeden sonra, hipokampal hücre kültürleri yıkandı ve kalsiyum görüntüleme yöntemiyle aynı yöntem kullanılarak HEPES tamponu ile perfüze edildi. Buna karşılık, ROS kitinden flüoresan boya ile yüklenen hücreler, yıkama yapılmadan doğrudan mikroskop altına yerleştirildi. ROS sinyalleri, rasyometrik bir görüntüleme sistemi ile donatılmış bir Leica DMI3000B mikroskobu (Leica Microsystems Inc.) kullanılarak 488 nm'de uyarıldı ve soğutulmuş elektron çoğaltıcı yük bağlantılı cihaz kamerası (Andor, Almanya) kullanılarak 1 saniyelik aralıklarla kaydedildi. DCFH-DA veya ROS kitinden alınan floresan boya ile yüklenen hücrelerde 488 nm'de floresan yoğunluğu ile gösterildiği gibi ROS üretimi, ROS üretimi (488 nm) = [(P488 nm – B488 nm) / B488 denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. nm] × %100, burada P488 nm müdahaleden sonraki tepe floresan yoğunluğudur ve B488 nm müdahaleden önceki temel floresan yoğunluğudur.
İlaç İdaresi
Tüm ajanlar HEPES tamponunda çözündürüldü ve 8 kanallı basınç kontrollü bir ilaç uygulama sistemine (ALA Scientific, ABD) bağlı bir mikropipet (uç çapı 100 um olan) aracılığıyla hipokampal hücrelere lokal olarak uygulandı. Primer hipokampal karışık astrosit/nöron hücre kültürlerinde veya belirli bir hücre tipinin saf kültürlerinde, yarı maksimum yanıtı uyandıran konsantrasyonda glutamata iki kez maruz kalma (EC50 1 mM) 10 s için [Ca 2+ ]'de indüklenen tekrarlanabilir artışlarben solvent kontrol grubunda ve artan [Ca 2+ ]ben ajanın yıkanmasından sonra başlangıç seviyesine geri yüklendi. Aynı hücrede glutamata ikinci kez maruz kalmadan önce, araştırma planına göre 5 dakikalık perfüzyon yoluyla bupivakain, ropivakain, tetrodotoksin, CPA veya Dih ile bir ön tedavi uygulandı.
İstatistiksel analiz
Değerler, ortalama ± SD olarak sunulmuştur. Bupivakain veya ropivakainin konsantrasyon-tepki eğrilerini analiz etmek için Dunnett testinin ardından tek yönlü bir ANOVA ve iki yönlü bir ANOVA ve ardından Bonferroni kullanıldı. olay sonrası test, iki konsantrasyon-tepki eğrisi seti arasındaki herhangi bir farkı değerlendirmek için kullanıldı. Aynı hücrede tedavi öncesi ve sonrası değerler arasındaki farklar, eşleştirilmiş bir hücre kullanılarak belirlendi. T testi ve iki grup arasındaki farklar eşleştirilmemiş bir test kullanılarak belirlendi. T Ölçek. AT50 değerler (maksimum tepkinin %50'sini oluşturan agonist molar konsantrasyonu) ve Emaksimum bupivakain veya glutamat için değerler (maksimum yanıt), GraphPad Prism 5.00 yazılımı (GraphPad Software Inc., ABD) kullanılarak doğrusal olmayan bir regresyon analizi ile hesaplandı ve eşleştirilmemiş bir T Ölçek. A P 0,05'ten küçük değerler istatistiksel olarak anlamlı kabul edildi. Veriler, GraphPad Prism yazılımı ve SPSS yazılımı (v. 20.0 SPSS, ABD) kullanılarak analiz edildi. Numara Önsel örneklem büyüklüğü ile ilgili hususlara rehberlik etmek için istatistiksel güç hesaplamaları yapıldı. Örnek boyutları, önceki uluslararası araştırma deneyimlerine ve yayınlanmış makalelere dayanmaktadır. Bu çalışmada herhangi bir randomizasyon yöntemi kullanılmamıştır. Deneyciler, incelenen koşullara karşı kör değildi. Deneylerimiz herhangi bir eksik veri, kayıp veri veya hariç tutulan veri içermiyordu.
35.2 Nöronlar Nasıl İletişim Kurar
Bu bölümün sonunda aşağıdakileri yapabileceksiniz:
- Dinlenme zar potansiyelinin temelini tanımlayın
- Aksiyon potansiyelinin aşamalarını ve aksiyon potansiyellerinin nasıl yayıldığını açıklayın
- Kimyasal ve elektriksel sinapslar arasındaki benzerlikleri ve farklılıkları açıklayın
- Uzun vadeli güçlenmeyi ve uzun vadeli depresyonu tanımlayın
Basit bir motor refleksten hafıza veya karar verme gibi daha gelişmiş fonksiyonlara kadar sinir sistemi tarafından gerçekleştirilen tüm işlevler, nöronların birbirleriyle iletişim kurmasını gerektirir. İnsanlar iletişim kurmak için sözcükleri ve beden dilini kullanırken, nöronlar elektriksel ve kimyasal sinyalleri kullanır. Tıpkı bir komitedeki bir kişi gibi, bir nöron genellikle mesajı diğer nöronlara göndermek için “karar vermeden” önce diğer birçok nörondan mesajlar alır ve sentezler.
Bir Nöron İçinde Sinir İmpuls İletimi
Sinir sisteminin çalışması için nöronların sinyal gönderip alabilmesi gerekir. Bu sinyaller, her nöronun yüklü bir hücresel membrana (iç ve dış arasındaki voltaj farkı) sahip olması nedeniyle mümkündür ve bu zarın yükü, diğer nöronlardan ve çevresel uyaranlardan salınan nörotransmiter moleküllerine yanıt olarak değişebilir. Nöronların nasıl iletişim kurduğunu anlamak için, önce temel veya "dinlenme" zar yükünün temelini anlamak gerekir.
Nöronal Yüklü Zarlar
Bir nöronu çevreleyen lipid çift katmanlı zar, yüklü moleküllere veya iyonlara karşı geçirimsizdir. Nörona girmek veya nörondan çıkmak için iyonlar, zarı kaplayan iyon kanalları adı verilen özel proteinlerden geçmelidir. İyon kanalları farklı konfigürasyonlara sahiptir: Şekil 35.9'da gösterildiği gibi açık, kapalı ve etkin değil. Bazı iyon kanallarının açılması ve iyonların hücre içine veya dışına geçmesine izin vermesi için etkinleştirilmesi gerekir. Bu iyon kanalları çevreye duyarlıdır ve buna göre şekil değiştirebilir. Voltaj değişikliklerine tepki olarak yapılarını değiştiren iyon kanallarına voltaj kapılı iyon kanalları denir. Voltaj kapılı iyon kanalları, hücre içindeki ve dışındaki farklı iyonların nispi konsantrasyonlarını düzenler. Hücrenin içi ve dışı arasındaki toplam yük farkına zar potansiyeli denir.
Öğrenme Bağlantısı
Bu video, istirahat zar potansiyelinin temelini tartışıyor.
Dinlenme Membran Potansiyeli
Dinlenme halindeki bir nöron negatif yüklüdür: Bir hücrenin içi, dışından yaklaşık 70 milivolt daha negatiftir (−70 mV, bu sayının nöron tipine ve türe göre değiştiğini unutmayın). Bu voltaj, hücre içindeki ve dışındaki iyon konsantrasyonlarındaki farklılıklardan kaynaklanan dinlenme membran potansiyeli olarak adlandırılır. Zar tüm iyonlara eşit derecede geçirgen olsaydı, her tip iyon zardan geçer ve sistem dengeye ulaşırdı. İyonlar zardan istedikleri zaman geçemedikleri için, Tablo 35.1'de gösterildiği gibi hücre içinde ve dışında çeşitli iyonların farklı konsantrasyonları vardır. Hücrenin içindeki ve dışındaki pozitif yüklü potasyum iyonlarının (K + ) sayısındaki fark, dinlenme zar potansiyeline hakimdir (Şekil 35.10). Zar hareketsizken, konsantrasyon gradyanı ile net bir hareket nedeniyle hücre içinde K + iyonları birikir. Negatif istirahat zar potansiyeli, hücrenin dışındaki (hücre dışı sıvıdaki) katyon konsantrasyonunun hücre içine (sitoplazmada) göre arttırılmasıyla oluşturulur ve korunur. Hücre içindeki negatif yük, hücre zarının potasyum iyonu hareketine sodyum iyonu hareketinden daha geçirgen olmasıyla oluşturulur. Nöronlarda potasyum iyonları hücre içinde yüksek konsantrasyonlarda, sodyum iyonları ise hücre dışında yüksek konsantrasyonlarda tutulur. Hücre, iki katyonun konsantrasyon gradyanlarını aşağı yaymasına izin veren potasyum ve sodyum sızıntı kanallarına sahiptir. Ancak nöronlar, sodyum sızıntı kanallarından çok daha fazla potasyum sızıntı kanalına sahiptir. Bu nedenle potasyum hücre dışına sodyum sızdığından çok daha hızlı bir şekilde yayılır. Hücreye girenden daha fazla katyon ayrıldığından, bu durum hücrenin iç kısmının hücrenin dışına göre negatif olarak yüklenmesine neden olur. Sodyum potasyum pompasının eylemleri, bir kez kurulduktan sonra dinlenme potansiyelinin korunmasına yardımcı olur. Sodyum potasyum pompalarının, tüketilen ATP başına üç Na + iyonunu uzaklaştırırken hücreye iki K + iyonu getirdiğini hatırlayın. Hücreden alınandan daha fazla katyon atıldığından, hücrenin içi hücre dışı sıvıya göre negatif yüklü kalır. Klorür iyonlarının (Cl - ) sitoplazma içindeki negatif yüklü proteinler tarafından itildikleri için hücre dışında birikme eğiliminde olduklarına dikkat edilmelidir.
|İyon||Hücre dışı konsantrasyon (mM)||Hücre içi konsantrasyon (mM)||Dış/iç oranı|
|Hayır +||145||12||12|
|B+||4||155||0.026|
|Cl -||120||4||30|
|Organik anyonlar (A-)||—||100|
Aksiyon potansiyeli
Bir nöron, diğer nöronlardan girdi alabilir ve bu girdi yeterince güçlüyse sinyali aşağı akış nöronlarına gönderebilir. Nöronlar arasında sinyal iletimi genellikle nörotransmitter adı verilen bir kimyasal tarafından gerçekleştirilir. Bir nöron içindeki bir sinyalin (dendritten akson terminaline) iletilmesi, aksiyon potansiyeli adı verilen istirahat zar potansiyelinin kısa bir tersine çevrilmesi ile gerçekleştirilir. Nörotransmitter molekülleri, bir nöronun dendritlerinde bulunan reseptörlere bağlandığında, iyon kanalları açılır. Uyarıcı sinapslarda, bu açıklık, pozitif iyonların nörona girmesine izin verir ve zarın depolarizasyonu ile sonuçlanır - nöronun içi ve dışı arasındaki voltaj farkının azalması. Bir duyu hücresinden veya başka bir nörondan gelen bir uyarı, hedef nöronu eşik potansiyeline (-55 mV) depolarize eder. Akson tepeciğindeki Na+ kanalları açılır ve pozitif iyonların hücreye girmesine izin verir (Şekil 35.10 ve Şekil 35.11). Sodyum kanalları açıldıktan sonra, nöron yaklaşık +40 mV'luk bir zar potansiyeline tamamen depolarize olur. Aksiyon potansiyelleri "ya hep ya hiç" olayı olarak kabul edilir, yani eşik potansiyeline ulaşıldığında nöron her zaman tamamen depolarize olur. Depolarizasyon tamamlandıktan sonra, hücre şimdi membran voltajını dinlenme potansiyeline "sıfırlamak" zorundadır. Bunu başarmak için Na+ kanalları kapanır ve açılamaz. Bu, nöronun sodyum kanalları açılmayacağı için başka bir aksiyon potansiyeli üretemediği refrakter periyodunu başlatır. Aynı zamanda voltaj kapılı K+ kanalları açılarak K+'nın hücreden çıkmasına izin verilir. K+ iyonları hücreyi terk ederken zar potansiyeli tekrar negatif olur. K+'nın hücre dışına difüzyonu aslında hücreyi hiperpolarize eder, çünkü zar potansiyeli hücrenin normal dinlenme potansiyelinden daha negatif olur. Bu noktada, sodyum kanalları dinlenme durumuna geri dönecektir, yani zar potansiyeli tekrar eşik potansiyelini aşarsa tekrar açılmaya hazırdırlar. Sonunda fazladan K+ iyonları potasyum sızıntı kanallarından hücre dışına yayılır ve hücreyi hiperpolarize durumundan dinlenme membran potansiyeline geri getirir.
Görsel Bağlantı
Kalpteki anormal elektriksel aktiviteyi tedavi etmek için kullanılan amiodaron ve prokainamid gibi kardiyak disritmi adı verilen potasyum kanal blokerleri, voltaj kapılı K + kanalları yoluyla K+'nın hareketini engeller. Potasyum kanallarının aksiyon potansiyelinin hangi kısmını etkilemesini beklersiniz?
Öğrenme Bağlantısı
Bu video, aksiyon potansiyeline genel bir bakış sunar.
Miyelin ve Aksiyon Potansiyelinin Yayılması
Bir aksiyon potansiyelinin bilgiyi başka bir nörona iletmesi için, akson boyunca hareket etmesi ve nörotransmitter salınımını başlatabileceği akson terminallerine ulaşması gerekir. Bir akson boyunca bir aksiyon potansiyelinin iletim hızı, hem aksonun çapından hem de aksonun akım sızıntısına karşı direncinden etkilenir. Miyelin, akımın aksondan ayrılmasını önleyen bir yalıtkan görevi görür, bu da aksiyon potansiyeli iletim hızını arttırır.Multipl skleroz gibi demiyelinizan hastalıklarda, önceden izole edilmiş akson alanlarından akım sızdığı için aksiyon potansiyeli iletimi yavaşlar. Şekil 35.13'te gösterilen Ranvier düğümleri, akson boyunca miyelin kılıfındaki boşluklardır. Bu miyelinsiz boşluklar yaklaşık bir mikrometre uzunluğundadır ve voltaj kapılı Na+ ve K+ kanalları içerir. İyonların bu kanallardan, özellikle Na+ kanallarından akışı, akson boyunca aksiyon potansiyelini tekrar tekrar oluşturur. Aksiyon potansiyelinin bir düğümden diğerine bu "sıçrayışına" tuzlu iletim denir. Ranvier düğümleri bir akson boyunca mevcut olmasaydı, Na+ ve K+ kanallarının belirli noktalar yerine akson boyunca her noktada sürekli olarak aksiyon potansiyellerini yeniden üretmesi gerekeceğinden aksiyon potansiyeli çok yavaş yayılırdı. Ranvier düğümleri ayrıca nöron için enerji tasarrufu sağlar, çünkü kanalların tüm akson boyunca değil, yalnızca düğümlerde bulunması gerekir.
Sinaptik iletim
Sinaps veya "boşluk", bilginin bir nörondan diğerine iletildiği yerdir. Sinapslar genellikle akson terminalleri ve dendritik dikenler arasında oluşur, ancak bu evrensel olarak doğru değildir. Aksondan aksona, dendritten dendrite ve aksondan hücre gövdesine sinapslar da vardır. Sinyali ileten nörona presinaptik nöron, sinyali alan nörona ise postsinaptik nöron denir. Bu atamaların belirli bir sinapsa göre olduğuna dikkat edin; çoğu nöron hem presinaptik hem de postsinaptiktir. İki tür sinaps vardır: kimyasal ve elektrik.
Kimyasal sinaps
Bir aksiyon potansiyeli akson terminaline ulaştığında zarı depolarize eder ve voltaj kapılı Na+ kanallarını açar. Na + iyonları hücreye girerek presinaptik zarı daha da depolarize eder. Bu depolarizasyon, voltaj kapılı Ca2+ kanallarının açılmasına neden olur. Hücreye giren kalsiyum iyonları, sinaptik veziküller olarak adlandırılan ve presinaptik zarla kaynaşmak üzere nörotransmiter molekülleri içeren küçük zara bağlı veziküllere neden olan bir sinyal kaskadı başlatır. Sinaptik veziküller, taramalı elektron mikroskobundan bir görüntü olan Şekil 35.14'te gösterilmektedir.
Bir keseciğin presinaptik zar ile füzyonu, Şekil 35.15'te gösterildiği gibi, nörotransmitterin sinaptik yarığa, presinaptik ve postsinaptik zarlar arasındaki hücre dışı boşluğa salınmasına neden olur. Nörotransmitter sinaptik yarık boyunca yayılır ve postsinaptik zardaki reseptör proteinlerine bağlanır.
Spesifik bir nörotransmitterin bağlanması, postsinaptik membran üzerindeki belirli iyon kanallarının, bu durumda ligand kapılı kanalların açılmasına neden olur. Nörotransmiterler, postsinaptik zar üzerinde uyarıcı veya engelleyici etkilere sahip olabilir. Örneğin, asetilkolin bir sinir ve kas arasındaki sinapsta (sinir-kas kavşağı olarak adlandırılır) presinaptik bir nöron tarafından salındığında, postsinaptik Na+ kanallarının açılmasına neden olur. Na+, postsinaptik hücreye girer ve postsinaptik zarın depolarize olmasına neden olur. Bu depolarizasyon, uyarıcı postsinaptik potansiyel (EPSP) olarak adlandırılır ve postsinaptik nöronun bir aksiyon potansiyelini ateşleme olasılığını artırır. Nörotransmitterin inhibitör sinapslarda salınması, presinaptik zarın hiperpolarizasyonu olan inhibitör postsinaptik potansiyellere (IPSP'ler) neden olur. Örneğin, nörotransmitter GABA (gama-aminobütirik asit) bir presinaptik nörondan salındığında Cl - kanallarına bağlanır ve açar. Cl - iyonları hücreye girer ve zarı hiperpolarize eder, bu da nöronun bir aksiyon potansiyeli ateşleme olasılığını azaltır.
Nörotransmisyon gerçekleştikten sonra, postsinaptik zarın "sıfırlanabilmesi" ve başka bir sinyal almaya hazır olabilmesi için nörotransmitter sinaptik aralıktan çıkarılmalıdır. Bu üç yolla gerçekleştirilebilir: nörotransmiter sinaptik yarıktan uzağa yayılabilir, sinaptik yarıktaki enzimler tarafından parçalanabilir veya presinaptik nöron tarafından geri dönüştürülebilir (bazen geri alım olarak adlandırılır). Nörotransmisyonun bu aşamasında birkaç ilaç etki eder. Örneğin Alzheimer hastalarına verilen bazı ilaçlar, asetilkolini parçalayan enzim olan asetilkolinesterazı inhibe ederek çalışır. Enzimin bu inhibisyonu, asetilkolin salgılayan sinapslarda esasen sinir iletimini arttırır. Asetilkolin bir kez salındığında yarıkta kalır ve sürekli olarak postsinaptik reseptörlere bağlanabilir ve onları çözebilir.
|nörotransmitter||Örnek||Konum|
|asetilkolin||—||CNS ve/veya PNS|
|biyojenik amin||Dopamin, serotonin, norepinefrin||CNS ve/veya PNS|
|Amino asit||Glisin, glutamat, aspartat, gama aminobütirik asit||merkezi sinir sistemi|
|nöropeptid||P maddesi, endorfinler||CNS ve/veya PNS|
Elektriksel Sinaps
Elektrik sinapsları kimyasal sinapslardan daha az sayıda olmakla birlikte, tüm sinir sistemlerinde bulunur ve önemli ve benzersiz roller oynarlar. Elektrik sinapslarındaki nörotransmisyon modu, kimyasal sinapslardakinden oldukça farklıdır. Elektriksel bir sinapsta, presinaptik ve postsinaptik zarlar birbirine çok yakındır ve aslında fiziksel olarak boşluk bağlantılarını oluşturan kanal proteinleri ile bağlanır. Boşluk bağlantıları, akımın doğrudan bir hücreden diğerine geçmesine izin verir. Bu akımı taşıyan iyonlara ek olarak, ATP gibi diğer moleküller de geniş aralıklı bağlantı gözeneklerinden difüze olabilir.
Kimyasal ve elektriksel sinapslar arasında önemli farklılıklar vardır. Kimyasal sinapslar, sinyallerini iletmek için sinaptik veziküllerden nörotransmitter moleküllerinin salınmasına bağlı olduğundan, akson potansiyelinin presinaptik terminale ulaşması ile nörotransmitterin postsinaptik iyon kanallarının açılmasına yol açması arasında yaklaşık bir milisaniyelik bir gecikme vardır. Ek olarak, bu sinyalleşme tek yönlüdür. Buna karşılık elektriksel sinapslardaki sinyalleşme neredeyse anlıktır (ki bu anahtar reflekslerde yer alan sinapslar için önemlidir) ve bazı elektrik sinapsları çift yönlüdür. Elektriksel sinapslar, bloke olma olasılıkları daha düşük olduğundan daha güvenilirdir ve bir grup nöronun elektriksel aktivitesini senkronize etmek için önemlidir. Örneğin talamustaki elektriksel sinapsların yavaş dalga uykusunu düzenlediği düşünülür ve bu sinapsların bozulması nöbetlere neden olabilir.
Sinyal Toplamı
Bazen tek bir EPSP, postsinaptik nöronda bir aksiyon potansiyelini indükleyecek kadar güçlüdür, ancak genellikle, postsinaptik nöronun bir aksiyon potansiyelini ateşlemek için yeterince depolarize olması için birden fazla presinaptik girdinin EPSP'leri aynı anda oluşturması gerekir. Bu işleme toplama denir ve Şekil 35.16'da gösterildiği gibi akson tepe noktasında gerçekleşir. Ek olarak, bir nöron çoğu zaman birçok presinaptik nörondan (bazıları uyarıcı ve bazıları engelleyici) girdilere sahiptir, bu nedenle IPSP'ler EPSP'leri iptal edebilir ve bunun tersi de geçerlidir. Postsinaptik hücrenin bir aksiyon potansiyelini ateşlemek için gereken uyarılma eşiğine ulaşıp ulaşmadığını belirleyen, postsinaptik membran voltajındaki net değişikliktir. Birlikte, sinaptik toplam ve uyarma eşiği bir filtre görevi görür, böylece sistemdeki rastgele “gürültü” önemli bilgi olarak iletilmez.
Günlük Bağlantı
Beyin-bilgisayar arayüzü
Amyotrofik lateral skleroz (ALS, Lou Gehrig Hastalığı olarak da bilinir), istemli hareketleri kontrol eden motor nöronların dejenerasyonu ile karakterize nörolojik bir hastalıktır. Hastalık, kasların zayıflaması ve koordinasyon eksikliği ile başlar ve sonunda konuşmayı, nefes almayı ve yutmayı kontrol eden nöronları yok eder, sonunda hastalık felce neden olabilir. Bu noktada hastaların nefes alabilmeleri ve iletişim kurabilmeleri için makinelerden yardım alması gerekir. “Kilitli” hastaların dünyanın geri kalanıyla iletişim kurmasını sağlamak için çeşitli özel teknolojiler geliştirilmiştir. Örneğin bir teknoloji, hastaların yanaklarını seğirerek cümleler yazmasına izin veriyor. Bu cümleler daha sonra bir bilgisayar tarafından yüksek sesle okunabilir.
ALS'li olanlar da dahil olmak üzere felçli hastaların iletişim kurmasına ve bir dereceye kadar kendi kendine yeterliliğini korumasına yardımcı olmak için nispeten yeni bir araştırma dizisine beyin-bilgisayar arayüzü (BCI) teknolojisi denir ve Şekil 35.17'de gösterilmektedir. Bu teknoloji kulağa bilim kurgu dışında bir şey gibi geliyor: felçli hastaların sadece düşüncelerini kullanarak bir bilgisayarı kontrol etmelerine izin veriyor. Birkaç BCI formu vardır. Bazı formlar, kafatasına bantlanmış elektrotlardan gelen EEG kayıtlarını kullanır. Bu kayıtlar, bir bilgisayar tarafından çözülebilen büyük nöron popülasyonlarından gelen bilgileri içerir. Diğer BCI formları, motor korteksin kol ve el bölgesine bir posta pulundan daha küçük bir elektrot dizisinin implantasyonunu gerektirir. Bu BCI formu, daha invaziv olmakla birlikte, her elektrot bir veya daha fazla nörondan gerçek aksiyon potansiyellerini kaydedebildiği için çok güçlüdür. Bu sinyaller daha sonra, sinyali çözmek ve bilgisayar ekranındaki bir imleç gibi bir araca beslemek için eğitilmiş bir bilgisayara gönderilir. Bu, ALS'li bir hastanın e-posta kullanabileceği, İnternet okuyabileceği ve elini veya kolunu hareket ettirmeyi düşünerek başkalarıyla iletişim kurabileceği anlamına gelir (felçli hasta bu bedensel hareketi yapamasa bile). Son gelişmeler, 15 yıl önce felç geçirmiş kilitli felçli bir hastanın robotik kolunu kontrol etmesine ve hatta BCI teknolojisini kullanarak kendine kahve yedirmesine izin verdi.
BCI teknolojisindeki şaşırtıcı gelişmelere rağmen, aynı zamanda sınırlamaları da vardır. Teknoloji, hasta için saatlerce eğitim ve uzun süreli yoğun konsantrasyon gerektirebilir ve ayrıca cihazları implante etmek için beyin ameliyatı gerektirebilir.
Öğrenme Bağlantısı
Felçli bir kadının, beyin-bilgisayar arayüzü teknolojisinin hareket halindeki diğer görüntülerinin yanı sıra, ağzına bir içecek getirmek için beyin kontrollü bir robotik kol kullandığı bu videoyu izleyin.
Sinaptik Plastisite
Sinapslar statik yapılar değildir. Zayıflayabilir veya güçlendirilebilirler. Kırılabilirler ve yeni sinapslar yapılabilir. Sinaptik plastisite, işleyen bir sinir sistemi için gerekli olan bu değişikliklere izin verir. Aslında, sinaptik plastisite, öğrenme ve hafızanın temelidir. Özellikle iki süreç, uzun süreli güçlenme (LTP) ve uzun süreli depresyon (LTD), anıların depolanmasıyla ilgili bir beyin bölgesi olan hipokampustaki sinapslarda meydana gelen önemli sinaptik plastisite biçimleridir.
Uzun Vadeli Güçlendirme (LTP)
Uzun vadeli güçlendirme (LTP), sinaptik bir bağlantının kalıcı bir şekilde güçlendirilmesidir. LTP, Hebbian ilkesine dayanır: Birlikte ateşlenen hücreler birbirine bağlanır. LTP ile görülen sinaptik güçlenmenin arkasında, hiçbiri tam olarak anlaşılamayan çeşitli mekanizmalar vardır. Bilinen bir mekanizma, Şekil 35.18'de gösterilen, NMDA (N-Metil-D-aspartat) reseptörleri adı verilen bir tür postsinaptik glutamat reseptörü içerir. Bu reseptörler normalde magnezyum iyonları tarafından bloke edilir, ancak postsinaptik nöron hızlı bir şekilde (bir nörondan veya birden fazla nörondan) çoklu presinaptik girdiler tarafından depolarize edildiğinde, magnezyum iyonları Ca iyonlarının postsinaptik hücreye geçmesine izin vermek için zorlanır. Daha sonra, hücreye giren Ca2+ iyonları, AMPA (a-amino-3-hidroksi-5-metil-4-izoksazolepropiyonik asit) reseptörleri olarak adlandırılan farklı tipte bir glutamat reseptörünün postsinaptik içine yerleştirilmesine neden olan bir sinyalleşme kaskadı başlatır. Aktif AMPA reseptörleri, pozitif iyonların hücreye girmesine izin verdiğinden, membran. Bu nedenle, glutamat presinaptik zardan bir sonraki salınışında, postsinaptik hücre üzerinde daha büyük bir uyarıcı etkiye (EPSP) sahip olacaktır çünkü glutamatın bu AMPA reseptörlerine bağlanması hücreye daha fazla pozitif iyon girmesine izin verecektir. Ek AMPA reseptörlerinin eklenmesi, sinapsı güçlendirir ve sinaptik öncesi nöronun, presinaptik nörotransmitter salınımına yanıt olarak ateşlenme olasılığının daha yüksek olduğu anlamına gelir. Bazı kötüye kullanım ilaçları LTP yolunu birlikte seçer ve bu sinaptik güçlendirme bağımlılığa yol açabilir.
Uzun Süreli Depresyon (LTD)
Uzun süreli depresyon (LTD), esasen LTP'nin tersidir: sinaptik bir bağlantının uzun süreli zayıflamasıdır. LTD'ye neden olduğu bilinen bir mekanizma da AMPA reseptörlerini içerir. Bu durumda, NMDA reseptörleri yoluyla giren kalsiyum, Şekil 35.18'de gösterildiği gibi AMPA reseptörlerinin postsinaptik zardan çıkarılmasıyla sonuçlanan farklı bir sinyalleşme kaskadı başlatır. Zardaki AMPA reseptörlerindeki azalma, postsinaptik nöronu presinaptik nörondan salınan glutamata daha az duyarlı hale getirir. Mantıksız görünse de, LTD öğrenme ve hafıza için LTP kadar önemli olabilir. Kullanılmayan sinapsların zayıflaması ve budanması, önemsiz bağlantıların kaybolmasına izin verir ve LTP'ye maruz kalan sinapsları kıyaslandığında çok daha güçlü hale getirir.
Soyut
Plazma zarı depolarizasyonu hücre çoğalmasını tetikleyebilir, ancak zar potansiyelinin mitojenik sinyalleşmeyi nasıl etkilediği belirsizdir. Burada, plazma zarı depolarizasyonunun, fosfatidilserin ve fosfatidilinositol 4,5-bifosfatın nano ölçekli yeniden düzenlenmesini indüklediğini, ancak diğer anyonik fosfolipidlerin olmadığını gösterdik. Fosfatidilserin ile elektrostatik etkileşimler yoluyla plazma zarına hedeflenen K-Ras, sırayla gelişmiş nanokümelenmeye maruz kalır. Fosfatidilserin ve K-Ras plazma membran organizasyonunda depolarizasyona bağlı değişiklikler fibroblastlarda, uyarılabilir nöroblastom hücrelerinde ve Meyve sineği nöronları in vivo ve sağlam bir şekilde K-Ras'a bağlı mitojenle aktive olan protein kinaz (MAPK) sinyalini yükseltir. Tersine, plazma zarı repolarizasyonu, K-Ras nanokümelenmesini bozar ve MAPK sinyalini engeller. Fosfatidilserin spatiotemporal dinamiklerinde voltaj kaynaklı değişikliklere yanıt vererek, K-Ras nanokümeleri, plazma zarını biyolojik bir alan etkili transistör olarak kurar ve membran potansiyelinin mitojenik sinyal devrelerindeki kazancı kontrol etmesine izin verir.
Plazma zarı (PM) potansiyeli (Vm) hücrenin hayatta kalması ve çoğalması ile bağlantılıdır (1, 2). Bölünen hücreler, hareketsiz hücrelerden daha fazla depolarizedir ve onkojenik olarak dönüştürülmüş hücreler genellikle normal ana hücrelerden daha fazla depolarizedir, bu da şunu gösterir: Vm proliferatif yollara ters bir şekilde bağlanabilir (2). Bağlanabilecek mekanizmalar Vm hücre proliferasyonu kötü karakterize edilir. Ras proteinleri, hücre farklılaşması, çoğalması ve hayatta kalmasında rol oynayan zara bağlı sinyal proteinleridir.3). Her yerde bulunan üç Ras izoformu -H-, N- ve K-Ras- PM üzerinde nanokümeler olarak adlandırılan uzamsal olarak farklı nanomontajlar halinde birleşirler.4). Ras tarafından mitojenle aktive olan protein kinaz (MAPK) sinyalinin aktivasyonu için nanoküme oluşumu esastır çünkü PM üzerindeki protein kinaz RAF'ın aktivasyonu Ras.GTP (GTP, guanozin trifosfat) nanokümeleri ile sınırlıdır (5). Nanoküme düzeneği, PM lipidleri ve Ras lipid çapaları, C-terminal hiperdeğişken bölgeleri ve G alanları arasında karmaşık etkileşimler gerektirir ve Ras bazik kalıntıları ve yüklü PM lipidleri arasındaki etkileşimler özellikle önemlidir (6). Model membranlarda lipitlerin difüzyonu ve çok bileşenli çift katmanların faz ayrımı, elektrik alanlarına duyarlıdır.7, 8). Bu nedenle, PM'deki anyonik lipidlerin yanal dağılımının aşağıdakilere yanıt verip vermediğini test ettik. Vm ve Ras mekansal organizasyonu üzerindeki potansiyel sonuçlar.
manipüle ettik Vm bebek hamster böbrek (BHK) hücrelerinin sayısı, hücre dışı K + konsantrasyonunun değiştirilmesiyle tam hücre yama sıkıştırması ile ölçülmüştür (Şekil 1A). Eşzamanlı olarak, elektron mikroskobu (EM) ve uzaysal haritalama (4, 9, 10). Analizler, fosfatidilserin (PS) ve fosfatidilinositol 4,5-bifosfatın (PIP) nanokümelenmesinin2) PM depolarizasyonunda artarken, fosfatidik asit (PA) veya fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfatın (PIP) lateral dağılımında saptanabilir bir değişiklik yoktu.3) (Şekil 1, B ve C ve şekil S1). PS'nin gelişmiş kümelenmesi hızlıydı, %80'i 30 saniye içinde tamamlandı (EM tekniği tarafından izin verilen en kısa tahlil süresi) (Şekil 1D). PIP2 kümelenme biraz daha yavaş bir oranda arttı (Şekil 1D). 100 mM [K + ]'dan 5 mM [K + ]'ya geçerek PM'nin repolarizasyonunda, PS ve PIP'nin nanokümelenmesi2 neredeyse aynı kinetik ile kontrol değerlerine döndürüldü (Şekil 1E). PM'nin PS içeriği değişiklikten etkilenmedi Vm (şekil S2). Lipid spatiotemporal dinamiklerinin fotoağartma deneylerinden sonra floresan geri kazanımı, floresan etiketli PS ve PIP'nin mobil fraksiyonunun olduğunu gösterdi.2 EM verileriyle tutarlı olarak PM depolarizasyonu üzerine önemli ölçüde azaldı (şekil S3). diferansiyel etkisi Vm Anyonik PM lipidleri üzerinde, yüklü lipidlerin uygulanan elektrik alanlarına farklı tepki verdiği gözlemleriyle uyumludur (7, 8, 11).
(A) Ölçüm için BHK hücrelerinin tam hücre yama sıkıştırması Vm farklı [K + ] içeren izotonik tamponlarda. (B) Ağırlıklı ortalama K fonksiyonları şu şekilde gösterilir: L(r) – r bir PS lipid probu için (n ≥ 8) kontrol (CON) ve depolarize BHK hücrelerinde. L(r) – r rastgele bir model için >%99 güven aralığı (C.I.) değerleri kümelenmeyi gösterir. Depolarizasyon (100mM [K + ]) PS kümelenmesini önemli ölçüde artırdı (P < 0.001, önyükleme testi). (C) Doruğa ulaşmak L(r) – r değerler, Lmaksimum, (B)'deki gibi eğrilerden türetilen, PS, PIP için lipid problarının nanokümelenmesinin kapsamını ölçün2, PA veya PIP3 kontrol ve depolarize (100 mM [K + ]) BHK hücrelerinde. (NS) Değişikliklerin kısa süreli seyri (<5 dk) Lmaksimum PS, PIP için değerler2, ve 100 mM [K + ] ile depolarize BHK hücrelerinde GFP–K-RasG12V (KG12V) T = 0 dak. (E) Depolarizasyonun zaman süreci (5 ila 100 mM [K + ] T = 0 dak) ve repolarizasyon (100 ila 5 mM [K + ] T = 60 dak), değişiklikler Lmaksimum PS, PIP2 ve K-RasG12V için. (F) GFP–K-RasG12V veya GFP-tK kümeleme bağımlılığı, şu şekilde ölçülür: Lmaksimum değerler, üzerinde Vm (A)'daki gibi değişir. (G) GFP/RFP–K-RasG12V ve GFP/RFP-tK FRET çiftlerini ifade eden hücrelerin FLIM görüntüleri (GFP). (H) Karşı çizilen aynı kökenli RFP-FRET çiftini ifade eden hücrelerde GFP-K-RasG12V veya GFP-tK'nin floresan ömrü Vm. Her nokta, >60 ayrı hücrede ölçülen ortalama (±SEM) GFP ömrüdür. Önemli farklılıklar (*P < 0,001), tek yönlü varyans analizi (ANOVA) kullanılarak değerlendirildi. Tüm panellerdeki hata çubukları SEM'i temsil eder.
K-Ras'ın PM üzerindeki lokalizasyonu ve yanal dağılımı, bir C-terminal polibazik alanı ve PS arasında elektrostatik etkileşimler gerektirir (9, 10, 12, 13).İç PM broşürünün elektrostatik potansiyeli, aşağıdakilerden bağımsızdır: Vmve uyumlu olarak toplam dahili yansıma floresansı ve eş odaklı mikroskopi, K-Ras PM lokalizasyonunun PM depolarizasyonuna karşı duyarsız olduğunu gösterdi (şekil S5). Bununla birlikte, GFP-K-RasG12V (GFP etiketli, yapısal olarak GTP'ye bağlı K-Ras) ifade eden BHK hücrelerinin EM uzaysal haritalama deneyleri, K-RasG12V tepe noktasının L(r) – r (Lmaksimum, nerede L bir K fonksiyonunu temsil eder ve r yarıçapı) ile güçlü bir şekilde ilişkili değerler Vm, PM depolarizasyonunun K-Ras nanokümelenmesini geliştirdiğini gösterir (Şekil 1F). zamansal dinamikleri VmK-RasG12V nanokümelenmesinde indüklenen değişiklikler, PIP yerine PS'ninkilerle eşleşti2 (Şekil 1, D ve E). Sağlam hücrelerde nanoküme değişikliklerini görselleştirmek için, floresan rezonans enerji transferi (FLIM-FRET) ile birlikte floresan ömür boyu görüntüleme mikroskobu kullandık. FRET alıcı kırmızı floresan proteini (RFP)-K-RasG12V'yi birlikte eksprese eden hücrelerde GFP–K-RasG12V'nin floresan ömrü, Vm (Şekil 1, G ve H), GFP–K-RasG12V ve RFP–K-RasG12V arasında artan FRET'i ve dolayısıyla K-Ras nanokümelenmesinin arttığını gösterir. Tersine, PM'yi hiperpolarize eden Kv2.1 kanalının ifadesi (14) (şekil S6C), K-Ras nanokümelenmesinin bozulmasıyla tutarlı olarak GFP–K-RasG12V ve RFP–K-RasG12V arasındaki FRET'i büyük ölçüde ortadan kaldırdı (şekil S6). İletken olmayan kanal mutantı Kv2.1W369CY384T'nin ifadesi (şekil S6C), kontrol FLIM deneylerinde GFP-K-RasG12V'nin ömrü üzerinde hiçbir etkiye sahip değildi (şekil S6B). PM depolarizasyonu, BHK hücrelerinde hücre içi Ca2+ konsantrasyonlarını değiştirmedi (şekil S7). Buna uygun olarak, Ca2+ şelatlayıcı EGTA'yı içeren Ca2+ içermeyen tamponlarda özdeş EM ve FLIM sonuçları elde ettik (şekil S8). PM depolarizasyonu ayrıca GFP-tK'nin nanokümelenmesini arttırdı, ancak GFP-tH'yi değil (sırasıyla K-Ras ve H-Ras'ın izole membran sabitleme alanlarına bağlı GFP) (Şekil 1, F'den H'ye ve şekil S8, D ve E). Bu nedenle, K-Ras nanokümelenmesi şunlara duyarlıdır: Vm C-terminal polibazik alanı gerektiren bir mekanizma aracılığıyla.
Uyarılabilir farklılaşmış fare Neuro2A (N2A) nöroblastom hücrelerinde (15), yüksek [K + ] ile PM depolarizasyonu ayrıca GFP-tK ve RFP-tK birlikte eksprese eden hücrelerde GFP floresan ömründe önemli bir azalmaya neden oldu (Şekil 2, A ve B), bu da artan GFP-tK'dan artan GFP-RFP FRET'i gösterir. kümeleme. Tam uzunluktaki K-RasG12V ile benzer sonuçlar gözlendi (Şekil 2, A ve B). Glutamat reseptörünün neden olduğu PM depolarizasyonu (15) ayrıca K-RasG12V kümelemeyi geliştirdi (Şekil 2C). Bu etki, fosfolipaz C'nin (PLC) aktivasyonu ile ilgisiz göründü, çünkü PLC inhibitörü U73122 ile ön tedavi, glutamat ile uyarılan K-Ras kümelenmesini ortadan kaldırmadı, ancak hücre içi Ca2+ konsantrasyonlarındaki artışları etkili bir şekilde bloke etti (şekil S9). Bu nedenle, K-Ras nanokümelenmesinde glutamat kaynaklı değişikliklere de PM voltajındaki bir değişiklik aracılık eder.
(A) FRET çiftlerini ifade eden farklılaşmış N2A hücrelerinin FLIM görüntüleri: RFP/GFP-tK veya RFP/GFP–K-RasG12V (GFP-KG12V ve 100 mM [K + ] veya 50 ila 100 μM glutamat (Glu) ile depolarize edilmiştir).B ve C) (A)'da olduğu gibi işlenen aynı kökenli RFP-FRET çiftini ifade eden N2A hücrelerinde GFP-K-RasG12V veya GFP-tK'nin floresan ömrünün ölçülmesi. Her veri noktası, >60 ayrı hücrede ölçülen ortalama (±SEM) GFP ömrüdür. Önemli farklılıklar (*P < 0.01) tek yönlü ANOVA kullanılarak değerlendirildi.
arasındaki nedenselliği değerlendirdik. VmPS veya PIP'de indüklenen değişiklikler2 EM uzamsal haritalama ve entegre iki değişkenli K fonksiyonları (LBI değerleri) kullanarak bunların kollokalizasyonlarını niceliklendirerek dağıtım ve K-Ras kümeleme (9). PM depolarizasyonu, K-Ras'ın PS ile ilişkisini önemli ölçüde ve seçici olarak arttırdı, ancak PIP ile değil2 (Şekil 3A ve Şekil S10), ile tutarlı VmPM PS dağılımındaki indüklenen değişiklikler, artan K-Ras nanokümelenmesi ile nedensel olarak ilişkilidir. Bu nedenle PS oksotrof (PSA-3) hücrelerinde K-Ras kümelenmesini değerlendirdik (16), etanolamin yokluğunda büyüdüğünde sentezleyen
%30 daha az toplam PS (16) ve iç PM broşüründe PS tükenmiştir (9, 16). Etanolamin açlığı çeken PSA-3 hücrelerinin EM-uzaysal haritalaması ve FLIM-FRET görüntülemesi, PS tükenmesinin K-Ras nanokümelenmesini duyarlı olmayan hale getirdiğini gösterdi. Vm (Şekil 3, B ve C).
(A) RFP–K-RasG12V ifade eden BHK hücrelerinden PM sayfaları ve PS veya PIP için GFP etiketli bir lipid bağlama probu2, anti-GFP-6nm altın ve anti-RFP-2nm altın ile etiketlendi ve EM ile görselleştirildi. PS veya PIP'nin birlikte yerleşimini ölçmek için iki değişkenli K işlevleri (LBI değerleri olarak özetlenir) kullanıldı2 GFP–K-RasG12V ve GFP-tH nanokümeleri ile. İstatistiksel anlamlılık Mann-Whitney testlerinde değerlendirildi (*P < 0.05). Ek lipit yeniden düzenleme sonuçları, Şekil 2'de gösterilmektedir. S10E. (B) GFP–K-RasG12V ifade eden ve etanolamin (±Etn) ile veya onsuz büyütülen PSA-3 hücrelerinden hazırlanan PM levhalarının tek değişkenli EM-uzaysal haritalaması. (C) GFP–K-RasG12V'yi ifade eden veya RFP–K-RasG12V'yi birlikte ifade eden ve büyümüş ±Etn'yi ifade eden PSA-3 hücrelerinin FLIM görüntülemesi. (NS) K-RasG12V ile dönüştürülmüş BHK hücrelerinde (ve vahşi tip hücreler, şekil S11) MAPK aktivasyonu, Şekil 1A'daki gibi PM depolarizasyonundan sonra fosforile ERK (pERK) için kantitatif immünoblotlama ile ölçülmüştür.
K-Ras.GTP nanokümelemenin geliştirilmesi, RAF-MAPK kademesinin aktivasyonunu artırır (5). Bu nedenle etkisini inceledik. Vm K-Ras'a özgü MAPK sinyalizasyonunda. giderek azaltıyor Vm EM ve FLIM sonuçlarıyla tutarlı olarak, K-RasG12V ifade eden hücrelerde hücre dışı sinyalle düzenlenen kinazın (ERK) gelişmiş fosforilasyonu (Şekil 3D ve şekiller S11 ve S12). ERK aktivasyonu, doğrusal olmayan bir şekilde aşağıdakilere bağlıydı: Vm (Şekil 3D) aksine Lmaksimum (Şekil 1F). MAPK sinyal çıkışını belirleyen K-Ras kümelenmiş kesir (ϕ) nedeniyle bu beklenir (5), doğrusal olmayan bir fonksiyondur Lmaksimum (4) (şekil S13). MAPK aktivasyonu, PM depolarizasyonuna (<30 s) yanıt olarak hızla arttı, gelişmiş K-Ras kümelenmesinin zaman ölçeği ile uyumlu ve PM repolarizasyonundan sonraki 30 dakika içinde düzeldi (şekil S14). VmK-RasG12V eksprese eden PSA-3 hücrelerinde MAPK sinyallemesinin indüklenen aktivasyonu, PS tükenmesi koşulları altında ortadan kaldırıldı (şekil S11C). Böylece, hücresel ve PM PS seviyelerinin tükenmesi etkili bir şekilde ayrılır Vm K-Ras kümeleme ve sinyallemeden. K-Ras.GTP miktarları K-RasG12V hücrelerinde sabit olduğu için, Vm K-Ras nanokümelemenin kapsamını kontrol ederek K-Ras sinyal devresindeki sinyal kazancını düzenler.
Son olarak, in vivo olarak benzer sonuçları gözlemledik. Meyve sineği (Şekil 4A) (17). GFP-tK ve RFP-tK ifade eden bozulmamış sinek beyinlerinin depolarizasyonu, gelişmiş K-Ras kümelenmesini gösteren artan GFP-RFP FRET ile sonuçlandı (Şekil 4, B ve C). Buna paralel olarak, vahşi tip sinek embriyolarının depolarizasyonu, MAPK aktivasyonunu önemli ölçüde uyarırken, atp8b bir PM PS flippazına sahip olmayan mutant embriyolar (şekil S15) (18, 19) MAPK aktivasyonu üzerinde hiçbir etkisi olmadı (Şekil 4D ve şekil S16L). Eksiklik atp8b PS'nin iç PM broşürünü azaltır (18, 19) (şekil S16, A'dan K'ye) ve dolayısıyla PS eksikliği olan PSA-3 hücrelerinin kısmi bir fenokopisidir (şekil S11).
(A) Nöronal spesifik bir promotörden GFP-tK eksprese eden veya GFP-tK ve RFP-tK'yi birlikte eksprese eden sineklerin konfokal görüntüleri. (B) Kontrol tamponunda (A)'da ve yüksek [K + ] ile depolarizasyondan sonra sineklerden beyinlerin FLIM görüntülemesi. (C) (B) sonuçlarında olduğu gibi tedavi edilen aynı kökenli RFP-FRET çiftini ifade eden sinek beyinlerinde GFP-tK'nin floresan ömrünün niceliği ortalamadır (±SEM, n = 9). Yüksek [K+], GFP-tH ve RFP-tH ifade eden sinek beyinlerinde GFP-tH'nin floresan ömrü üzerinde hiçbir etkiye sahip değildi. (NS) Yabani tipten (WT) ve mutanttan embriyoları uçurun atp8b sinekler 5 veya 90 mM K+ içinde 15 dakika süreyle inkübe edildi ve ardından pERK için immünoblot edildi. Sonuçlar ortalama ± SEM (n = 3).
PM depolarizasyonunun, anyonik fosfolipidler, PS ve PIP'nin nano ölçekli organizasyonunda hızlı ve önemli değişikliklere neden olduğunu gösterdik.2, PM'nin iç broşüründe. PS yeniden organizasyonunun önemli bir sonucu, uyarılabilir olmayan ve uyarılabilir hücrelerde K-Ras'a bağlı MAPK sinyalini ve ayrıca sağlam sinek embriyosunu geliştiren artan K-Ras nanokümelenmesidir. Azaltılmış PM Vm uzun süredir hücrenin hayatta kalması, çoğalması ve farklılaşması ile ilişkilendirilmiştir.1, 2). Yine de, elektrik sinyalinin hücre sinyal kaskadlarına girişini açıklamak için hiçbir zorlayıcı mekanizma önerilmemektedir. Yanıt vererek K-Ras nanokümelerini öneriyoruz. VmPS uzaysal-zamansal dinamiklerinde indüklenen değişiklikler, PM'nin Ras sinyal devrelerindeki kazancı kontrol etmek için alan etkili bir transistör olarak hareket etmesine izin verir. Plastisite, uzun süreli güçlenme ve hafıza dahil olmak üzere nöronal gelişim ile güçlü bir şekilde ilişkilidir. Vm ve MAPK sinyali (20, 21) bu nedenle, PS aracılı K-Ras yanal ayrışmasındaki değişikliklerin bu süreçlerde potansiyel olarak önemli bir rol oynaması mümkündür.