Informatie

Natriumconcentratie tijdens het genereren van actiepotentiaal


Op het hoogtepunt van de grafiek is de concentratie van Na+ meer buiten de cel dan binnen? Dat moet zijn om de elektrische kracht in de tegenovergestelde richting te overwinnen.

Wanneer is de concentratie van Na+ grootste in de cel? Op de piek ervan uitgaande dat het Na+-kanaal er onmiddellijk bij sluit, is het ook het grootst bij 3. Als er nog steeds Na .-doorgang is+ dan is 3 het maximum. Is dit waar of niet waar?

Nog een laatste vraag: is de binnenkant van het membraan eigenlijk negatief, of alleen negatief ten opzichte van de buitenkant? In een galvanische cel is bijvoorbeeld een bepaalde staaf niet echt negatief, maar wel negatief ten opzichte van een andere.


Hieronder staat een schoolvoorbeeld van de membraanpotentiaal gecombineerd met de individuele geleidbaarheid van Na+ en K+ tijdens een actiepotentiaal (AP) (Fig. 1);

Fig. 1. Membraanpotentiaal en geleidbaarheid van de twee belangrijkste ionen bij het genereren van AP. bron: Physiology Web

En in Fig. 2 is een voorbeeld van de stromen van Na+ en K+ tijdens een actiepotentiaal (AP) (Fig. 1). Merk op dat K+ hoog blijft door amanipulatie van ionenconcentraties.

Fig. 2. Natrium- en kaliumstromen tijdens AP-generatie.

U vraagt ​​echter naar de concentraties van Na+ in de cel. Voor zover ik weet is dit niet direct onderzocht. intracellulair Ca2+ concentraties kunnen bijvoorbeeld worden afgebeeld met verschillende beeldvormende technieken, maar absolute Na+ en K+ concentraties moeten worden gemeten met intracellulaire elektroden. Dus hoewel de geleidbaarheid en de stromen vrij duidelijk zijn weergegeven in de bovenstaande figuren, tonen ze niet de absolute concentraties van Na+ of K+ en ik betwijfel of het ergens in de literatuur te vinden is. Het kan natuurlijk wiskundig worden afgeleid door het aantal ionen dat de cel binnenkomt te berekenen met behulp van de Nernst-vergelijking en dat te corrigeren voor het achtergrondeffect van de natrium-kaliumpomp en andere factoren die Na veranderen.+ concentratie in de cel (eiwittransporters en wat niet). Het geeft op zijn minst een benadering van [Na+]l.


Oplossingen van ionen, bijvoorbeeld NaCl opgelost in water, kunnen worden gebruikt om de concentratie van opgeloste stoffen in plantenweefsels te onderzoeken. Na onderdompeling in oplossingen van verschillende concentraties werden de procentuele veranderingen in massa van aardappelmonsters gemeten. De grafiek toont de resultaten.

(i) Schat de osmolariteit van het plantenweefsel.

(ii) Bepaal welk deel van de grafiek monsters weergeeft die zijn gemeten in een hypotone oplossing.

(iii) Staat een mogelijke bron van fouten bij het verzamelen van gegevens tijdens dit experiment.

Ionen bewegen over het plasmamembraan van een neuron tijdens een actiepotentiaal. Het oscilloscoopspoor toont spanningsveranderingen die in een neuron worden gegenereerd tijdens drie actiepotentialen.

Leg de beweging van ionen uit die de spanningsveranderingen veroorzaakt die worden waargenomen tijdens het interval met het label X in de grafiek.


Initiatie van het actiepotentieel

Tot nu toe hebben we de veranderende natrium- en kaliumpermeabiliteit van het membraan verklaard, evenals de ontwikkeling van de actiepotentiaal zelf, maar we hebben niet uitgelegd wat de actiepotentiaal initieert. Het antwoord is vrij eenvoudig.

Een vicieuze cirkel met positieve feedback opent de natriumkanalen.

Ten eerste, zolang het membraan van de zenuwvezel ongestoord blijft, treedt er geen actiepotentiaal op in de normale zenuw. Als een gebeurtenis echter voldoende initiële stijging van de membraanpotentiaal veroorzaakt van -90 millivolt naar het nulniveau, zorgt de stijgende spanning zelf ervoor dat veel spanningsafhankelijke natriumkanalen beginnen te openen. Dit maakt een snelle instroom van natriumionen mogelijk, wat een verdere stijging van de membraanpotentiaal veroorzaakt, waardoor nog meer spanningsafhankelijke natriumkanalen worden geopend en meer natriumionen naar het binnenste van de vezel kunnen stromen. Dit proces is een vicieuze cirkel met positieve feedback die, zodra de feedback sterk genoeg is, doorgaat totdat alle spanningsafhankelijke natriumkanalen zijn geactiveerd (geopend). Dan, binnen een fractie van een milliseconde, veroorzaakt de stijgende membraanpotentiaal zowel sluiting van de natriumkanalen als opening van kaliumkanalen, en het actiepotentieel stopt snel.

Drempel voor initiatie van het actiepotentieel. Er treedt pas een actiepotentiaal op als de aanvankelijke stijging van de membraanpotentiaal groot genoeg is om de in de vorige paragraaf beschreven vicieuze cirkel te creëren. Dit gebeurt wanneer het aantal Na+-ionen dat de vezel binnenkomt groter wordt dan het aantal K+-ionen dat de vezel verlaat. Gewoonlijk is een plotselinge stijging van de membraanpotentiaal van 15 tot 30 millivolt vereist. Daarom veroorzaakt een plotselinge toename van het membraanpotentiaal in een grote zenuwvezel van -90 millivolt tot ongeveer -65 millivolt meestal de explosieve ontwikkeling van een actiepotentiaal. Dit niveau van -65 millivolt zou de drempelwaarde voor stimulatie.


Natriumconcentratie tijdens het genereren van actiepotentiaal - Biologie

1.
Een actiepotentiaal is een plotselinge verandering in het potentieel. In het diagram, in rood, verandert de potentiaal plotseling van de rustpotentiaal (ca. -90 mV blauw) naar + 30 mV (rood). Na enkele milliseconden keert de potentiaal terug naar de rustpotentiaal.

2.
De beginfase heet de depolarisatie (omdat de potentiaal van heel negatief naar nul gaat'de' = betekent minder potentieel verschil).





2.
Toch kan een cel genereren duizenden van actiepotentialen voordat de concentratiegradiënten tot zulke lage niveaus zijn gedaald dat het genereren van actiepotentiaal onmogelijk is geworden.

4.
Uiteraard werkt de pomp alleen als deze ATP (=energie) krijgt. Dit is typerend voor een levende cel. Als de cel sterft, stopt de ATP-vorming, stopt de pomp en verdwijnen de concentratie- en elektrische gradiënten geleidelijk.

1.
Zoals we hierboven al zeiden, wordt de beginfase van het actiepotentiaal 'depolarisatie’ en de tweede fase heet de ‘repolarisatie’.

5.
Dezelfde redenering geldt natuurlijk voor de ‘repolarisatie’.

1.
Een ander belangrijk begrip in de context van het creëren van een actiepotentiaal is het begrip ‘drempel’.

6.
Met andere woorden, het is niet mogelijk om een ​​kleine actiepotentiaal of een halve actiepotentiaal of iets dergelijks te hebben, het is ofwel een vol actiepotentiaal of helemaal niet. Dit heet de ‘alles of niets' wet.

1.
Nog een belangrijk concept: de refractaire periode! Dit is de periode, tijdens en na de actiepotentiaal, waarin een andere actiepotentiaal kan niet gegenereerd worden.

3.
In de klassieke fysiologie zijn er twee soorten refractaire perioden:
a) de absoluut refractaire periode en
b) de familielid refractaire periode.

6.
Na de relatieve refractaire periode zijn alle natriumkanalen weer prikkelbaar en kan er weer een volledige actiepotentiaal worden gegenereerd (tweede rode actiepotentiaal).

3.
Belangrijk is dat in deze korte periode de potentiaal verder ‘weg’ van de drempel staat waardoor het in deze periode moeilijker is om een ​​actiepotentiaal te initiëren.

2.
Bedenk dat een actiepotentiaal wordt opgewekt door een (elektrische) impuls die het membraan op een plaats depolariseert.

3.
Deze lokale depolarisatie is te wijten aan de opening van enkele van de natriumkanalen op die locatie, waardoor sommige natriumionen de cel in kunnen stromen.

5.
Als er maar een paar natriumkanalen opengaan, zal de resulterende depolarisatie de drempel niet bereiken en zal er geen actiepotentiaal worden geïnitieerd.

10.
Dit markeert het einde van de depolarisatie (en hoog tijd om de repolarisatie te starten!)


Resultaten

Vuren eigenschappen van mesencefale trigeminusneuronen

Elektrofysiologische opnames werden uitgevoerd op mesencefale trigeminusneuronen van hersenplakken van ratten met behulp van de hele-cel patch-clamp-opnamemethode. Neuronen werden opgenomen in de rostraal-caudale omvang van de kern om bemonsteringsbias te voorkomen.

In een subset van Mes V-neuronen (Wu et al., 2001) werd ritmische burst-ontlading geïnduceerd als reactie op een aanhoudende positieve stroominjectie in normale interne en externe oplossingen die de fysiologische ionische samenstelling benaderen. Een voorbeeld wordt getoond in figuur 1, EEN en B, waar depolarisatie van het membraan van het rustende membraanpotentieel ritmische subdrempeloscillaties veroorzaakte (Fig. 1B) die in amplitude groeide totdat burst-ontlading werd geïnduceerd (figuur 1 .)EEN,B). In dit voorbeeld was de gemiddelde frequentie ∼85 Hz. Typisch voor deze neuronen tijdens het barsten, is er zeer weinig aanpassing van de piek vóór beëindiging (figuur 1 .).C) (Wu et al., 2001, 2005). Voor een subset van neuronen was de aanpassingsratio (gemiddelde piekfrequentie tijdens de laatste drie ISI's gedeeld door gemiddelde frequentie tijdens de eerste ISI 0,84 ± 0,07 N = 84). Wanneer gemeten bij de drempel van ritmische burst-ontlading, was de gemiddelde intraburst-piekfrequentie voor alle onderzochte burst-neuronen 90,9 ± 28,6 Hz (14,0-172,7 Hz). N = 84) (Fig. 1NS).

De oscillaties en burst-ontladingen zijn niet het gevolg van complexe interacties tussen exciterende en remmende synaptische inputs omdat de oscillaties en burst-ontlading werden waargenomen in de aanwezigheid van synaptische kanaalantagonisten, maar werden geblokkeerd na TTX-toepassing, wat een rol suggereert voor natriumstromen zoals eerder beschreven ( Wu et al., 2001, 2005)

TTX-gevoelige natriumstromen vloeien tijdens burst-ontlading

We hebben eerder gesuggereerd dat lDutje is van cruciaal belang voor de controle van subdrempel- en supradrempel-membraanexcitabiliteit en burst-generatie in Mes V-neuronen met behulp van farmacologische, elektrofysiologische en computersimulatietechnieken (Wu et al., 2005). Direct bewijs voor een rol van natriumstromen en informatie over het tijdsverloop van de stromen ontbreekt echter. Om direct bewijs te verkrijgen ter ondersteuning van onze hypothese met betrekking tot de rol van natriumstromen bij het aansturen van burst-ontladingen, hebben we daarom de actiepotentiaalklemmethode gebruikt om de aard en het tijdsverloop voor natrium, calcium en lH stromen tijdens subthreshold membraanoscillaties en burst-ontlading (Raman en Bean, 1999 Do en Bean, 2003 Swensen en Bean, 2003).

Om meer direct bewijs te verkrijgen voor natriumstromen die burst-ontlading veroorzaken, hebben we cycli van ritmische burst-ontlading van een Mes V-neuron in stroomklemmodus opgenomen en vervolgens de typische burst-golfvorm in spanningsklemmodus gebruikt als het commandoprotocol (zie Materialen en methoden). Vervolgens hebben we TTX-gevoelige natriumstromen geregistreerd die zijn verkregen door aftrekking in reactie op toepassing van 0,5 m TTX-oplossing (Fig. 2EEN) (Do en Bean, 2003). Zoals verwacht vloeide er een grote natriumstroom tijdens de opwaartse slag van de actiepotentiaal en in mindere mate tijdens de interspike-intervallen tijdens een burst was deze stroom ook detecteerbaar tijdens subthreshold-oscillaties die optreden voor en na de burst-ontlading (Fig. 2B).

TTX-gevoelige natriumstromen tijdens burst-ontlading. EEN, Het bovenste spoor toont het golfvormcommando dat is opgenomen in de stroomtang in een Mes V-neuron. Het onderste spoor toont de afgetrokken TTX-gevoelige stroomrespons tijdens spanningsklem. B, TTX-gevoelige stroom liep continu tijdens een burst. Sporen zijn genomen uit de boxed segmenten in EEN op een uitgebreide tijdschaal. De bovenste en middelste sporen tonen het spanningscommando op een uitgebreide spanningsschaal. Het onderste spoor toont de huidige reactie. De verticale balken geven een breuk in de tijd aan.

Mesencefale V-neuronen vertonen prominente lH stroom (Khakh en Henderson, 1998 Tanaka et al., 2003) en zowel laag- als hoogdrempelige calciumstromen (onze niet-gepubliceerde waarnemingen) die zouden kunnen deelnemen aan de productie van netto binnenwaartse stroom om piekactiviteit tijdens burst-ontlading te stimuleren. Met behulp van de actiepotentiaalklemmethode hebben we het tijdsverloop en de mate van stroom door die kanalen bepaald. lH werd bepaald door aftrekking van de opname als reactie op toepassing van 10 μm externe ZD 7288 van controle (Pape, 1996 Beurrier et al., 2000 Tanaka et al., 2003). figuur 3EEN toont de actiepotentiaalopdrachtgolfvorm verkregen uit het gemiddelde van opeenvolgende actiepotentialen in een burst en de resulterende afgetrokken ZD-gevoelige stroom, terwijl figuur 3B toont dezelfde gegevens met een hogere versterking. In alle drie de geteste neuronen was de ZD-gevoelige stroom erg klein en naar buiten tijdens het interspike-interval (tussen -75 en -55 mV) en het grootst tijdens de repolarisatiefase van het actiepotentiaal. De gemiddelde waarden voor deze stroom die tijdens het interspike-interval vloeide, waren 30,0 ± 7,2 pA bij −75 mV, 10,3 ± 5,9 pA bij −69 mV, 9,6 ± 7,5 pA bij −63 mV en 15,9 ± 7,1 pA bij −55 mV (N = 3). Deze resultaten suggereren dat er slechts ∼10 pA ZD-gevoelige stroom vloeit tijdens het interspike-interval, wat niet . is lH. Figuur 3, EEN en B, laat zien dat er tijdens de dalende fase van de piek een uitgaande ZD-gevoelige stroom is, die waarschijnlijk een klein, niet-specifiek blok van onbepaalde K + -kanalen weerspiegelt (Do en Bean, 2003), omdat we eerder een kleine afname in afterhyperpolarization (AHP) na medicijntoepassing (Tanaka et al., 2003).

Natriumstroom, in tegenstelling tot lH en calciumstromen, is de overheersende stroom tijdens het interspike-interval. EEN, Signaalgemiddelde piekgolfvormopdracht (boven) en huidige reacties (onder) voor natrium, calcium en lH stromingen. Individuele pieken voor elke stroom werden uitgelijnd op hun pieken, en de pieken en hun stromen werden gemiddeld als reactie op elke piek binnen een burst. B, Sporen ontleend aan gegevens in EEN op een uitgebreide huidige schaal. Merk op dat de piekamplitudes van spanning en stroom buiten de schaal vallen. C, Stroom-spanningsrelatie tijdens het interspike-interval voor elke stroom wordt weergegeven. Foutbalken geven ± SD aan. TTX-gevoelig lnee (driehoek, N = 10), ZD 7288-gevoelig lH (vaste cirkel, N = 3), Cd 2+ gevoelig lCa (open cirkel, N = 6) worden weergegeven.

Calciumstromen die tijdens een burst vloeiden, werden bepaald door aftrekking met behulp van 0,3 mm CdCl2 oplossing, die 91 mm TEA en 0,5 µm TTX bevatte. Figuur 3, EEN en B, toont de Cd2+-gevoelige binnenwaartse stromen. Hoewel er tijdens de piek duidelijk een duidelijke calciumstroom naar binnen was, was deze erg klein tijdens het interspike-interval. De gemiddelde calciumstroom die tijdens het interspike-interval vloeide was -8,6 ± 5,4 pA bij −75 mV, −3,8 ± 1,6 pA bij −69 mV, −3,9 ± 2,4 pA bij −63 mV en −6,2 ± 4,0 pA bij −55 mV (N = 6). Een samenvatting van de amplitudes en tijdsverlopen van de natrium-, calcium- en ZD-gevoelige stromen die tijdens het interspike-interval vloeien, wordt weergegeven in figuur 3C. Individuele pieken binnen de gehele burst-ontlading werden uitgelijnd op hun pieken en de pieken en hun stromen werden gemiddeld over meerdere stroomcycli. Het is duidelijk dat we uit de gegevens concluderen dat de meest prominente inwaartse stroom tijdens de ISI wordt gedragen door natrium, met een kleine bijdrage van calciumstromen en geen bijdrage van lH.

Eigenschappen van TTX-gevoelige natriumstroom

In aanvulling op lNaT, lDutje is aanwezig in veel neurontypen, waaronder Mes V-neuronen (Wu et al., 2001, 2005), en meer recentelijk is een heroplevende natriumstroomcomponent gekarakteriseerd in Purkinje-neuronen (Raman en Bean, 1997). Er wordt aangenomen dat deze stroom resulteert tijdens repolarisatie van actiepotentiaal van herstel van geïnactiveerde kanalen via "open toestanden". Om te bepalen of deze stromen bijdragen aan de binnenwaartse stroom tijdens het interspike-interval, hebben we de volgende experimenten uitgevoerd met behulp van gemodificeerde spanningsklemprotocollen die eerder zijn beschreven (Do en Bean, 2003).

Natriumstromen werden verkregen met behulp van de standaard actiepotentiaal-klemgolfvorm tijdens een burst in realtime, en tijdens een gewijzigde toestand waarin dezelfde actiepotentiaalburst-golfvorm werd vertraagd met een factor 100 om de snelle lNaT. In dit gewijzigde protocol is de stijgende snelheid van de membraanspanning langzaam genoeg om ervoor te zorgen dat volledige snelle inactivering van lNaT wordt verkregen bij elke spanningscyclus, waardoor alleen TTX-gevoelig overblijft lDutje. Figuur 4EEN toont bij lage versterking de actiepotentiaalgolfvorm en onderliggende natriumstromen, terwijl figuur 4B toont twee pieken binnen een burst in 100× langzame tijd en de onderliggende natriumstroom. In dit geval, tijdens de pieken, de grote snel naar binnen lNaT wordt inderdaad afgeschaft. Ter vergelijking: voorafgaand aan de twee vertraagde actiepotentialen is de realtime (1× tijd) actiepotentiaalgolfvorm voor twee pieken en de grote onderliggende lNaT onderdeel hieronder. Figuur 4C toont dezelfde twee actiepotentiaalsjablonen en de bijbehorende 100 × langzame stromen gecomprimeerd tot realtime met een hogere versterking. Over elkaar heen zijn de real-time stromen ter vergelijking. Zoals duidelijk is, is de natriumstroom tijdens de repolarisatiefase erg klein en stroomt deze helemaal niet tijdens het eerste deel van de AHP wanneer deze in 100 × tijd wordt opgeroepen. Echter, beginnend rond het eerste derde deel van het interspike-interval en doorgaan tot de volgende piek, een langzaam ontwikkelende lDutje stroomde en nam in amplitude toe. De real-time natriumstromen zijn groot tijdens de actiepotentiaal en stromen, zoals verwacht, continu tijdens het interspike-interval (Fig. 4C). Een plot van geleiding van deze langzame stroom verkregen uit de lV relatie tijdens het interspike-interval wordt getoond in figuur 4NS (grijs). Het is waarschijnlijk dat deze langzame stroom die wordt waargenomen tijdens het interspike-interval de traditionele "aanhoudende" langzaam inactiverende natriumstroom is, omdat de geleiding ervan overlapt met de aanhoudende stroom die wordt opgewekt door een traditioneel langzame spanningsklemcommando (33,3 mV/s) over een vergelijkbare spanningsbereik (Fig. 4NS). Deze resultaten werden waargenomen in vijf van de vijf onderzochte neuronen.

Isolatie van aanhoudende natriumstroom van totale natriumstroom. EEN, Spanningsgolfvorm (boven) en TTX-gevoelige natriumstroomrespons (onder). B, TTX-gevoelig lDutje werd geïsoleerd door het kunstmatige golfvormprotocol (zie materialen en methoden). De eerste twee pieken werden uitgelokt in natuurlijke tijd, gevolgd door twee pieken die 100× langzamer werden uitgelokt dan natuurlijke tijd (vertraagde tijd). Dit effectief geïnactiveerd lNaT en blootgesteld lDutje. C, TTX-gevoelig lDutje opgenomen tijdens de opdracht sjabloongolfvorm in B werd uitgezet in een 100-voudig gecomprimeerde tijdbasis en gesuperponeerd met TTX-gevoelige totale natriumstroom verkregen in natuurlijke tijd. Merk op dat deze twee sporen elkaar overlappen rond het midden van het interspike-interval. NS, Vergelijking van geleidbaarheid-spanningsrelatie van lDutje verkregen door de vertraagde spike-protocolmethode hierboven en het spanningsrampprotocol (33,3 mV/s grijs) worden weergegeven. Geleidingsspanningsrelaties werden uitgezet als een functie van het commandopotentieel (zie materialen en methoden) (Erev werd berekend op +45 mV).

Tijdens het laatste deel van de piekrepolarisatie en het vroege deel van de AHP, stroomt er een grote natriumstroom wanneer deze in realtime wordt opgeroepen (Fig. 4C, zwart). Echter, tijdens het eerste deel van de AHP, zoals getoond, lDutje stroomt niet. Daarom moet de natriumstroom die tijdens deze periode in realtime stroomt, toe te schrijven zijn aan een bijdrage van een extra natriumcomponent, zoals een oplevende natriumstroom of een natriumstaartstroom (Do en Bean, 2003) of beide. Om onderscheid te maken tussen deze componenten, werden gemodificeerde actiepotentiaalgolfvormen gebruikt.

Figuur 5A1 toont het protocol dat wordt gebruikt om de aanwezigheid van te bepalen lNaR en onderliggende natriumstromen verkregen door aftrekking voor een familie van commandogolfvormen. Na een stapcommando tot +30 mV gedurende 3 ms, voldoende om een ​​volledige snelle inactivering van te produceren lNaT, werden daaropvolgende golfvormen tot spanningen tussen -70 en -10 mV toegepast. Zoals getoond, wordt na repolarisatie naar het nieuwe commandopotentieel een binnenwaartse stroom met maximale amplitude rond -40 mV gezien. De piekstroomamplitude van lNaR was vergelijkbaar, zelfs wanneer de prepulsperiode werd veranderd van 3 naar 10 ms (N = 4) (gegevens niet getoond). De top lNaR bij −40 mV was −725,8 ± 370,4 pA/pF en trad op in 5,1 ± 1,3 ms, en nam af met een tijdconstante tau van 20,2 ± 8,7 ms (N = 23). Figuur 5B, midden en onder, tonen zowel de stijg- als de vervaltijden als functie van de spanning. De eigenschappen van deze "oplevende stroom" zijn vrij gelijkaardig aan die eerder gerapporteerd voor Purkinje-neuronen (Raman en Bean, 1997 Do en Bean, 2003). Bij spanningen die negatiever zijn dan −40 mV, is de piek lNaR werd kleiner zoals weergegeven in de grafiek van piekstroom versus potentiaal (Fig. 5 'B, bovenkant). Dit is niet consistent met een natriumstaartstroom, omdat de lV relatie is niet ohms met positieve helling zoals verwacht voor een staartstroom. Het is ook onwaarschijnlijk dat dit een aanhoudende natrium-staartstroom vertegenwoordigt, omdat de stroom onmiddellijk na een onmiddellijke repolarisatie naar -40 mV van een voorafgaand hellingscommando naar +30 mV stroomt, meestal gebruikt om lDutje (Wu et al., 2001, 2005), is groter dan de piekstroom die wordt waargenomen tijdens de helling bij -40 mV (Fig. 5A2).

Mes V-neuronen vertonen weer oplevende natriumstromen. A1, Het bovenste spoor toont het spanningsprotocol en het onderste spoor toont de huidige respons. lNaT werd opgewekt door een stappuls van 3 ms van -90 tot +30 mV. TTX-gevoelig lNaR werd opgewekt wanneer het membraan werd gerepolariseerd tot spanningen tussen -70 en -10 mV na maximale snelle inactivatie. De gegevens zijn voor de duidelijkheid uitgebreid en de onderbreking in de tijd is 10 ms. A2, TTX-gevoelige natriumstroom werd verkregen door een langzame helling toe te passen (-90 tot +30 mV 100 mV/s) gevolgd door een stapsgewijze repolarisatie tot -40 mV. lNaR is duidelijk na repolarisatie tot −40 mV (pijl). De inzet toont de uitgebreide tijdschaal van de omkaderde regio waarin: lNaR is aanwezig. B, TTX-gevoelig lNaR eigenschappen zijn spanningsafhankelijk. Relaties tussen piek lNaR (boven), stijgtijd (midden) en vervaltijd (onder) versus repolarisatieopdrachtpotentieel worden getoond. Foutbalken geven SD aan. C, Relatie tussen heroplevende natriumstroomcomponenten en totale natriumstroom. De hybride golfvormprotocollen worden bovenaan weergegeven en de huidige sporen worden hieronder weergegeven. Effen zwart is de totale natriumstroom opgewekt door sjabloonactiepotentiaal, en het grijze spoor is actueel als reactie op een stappuls (3 ms) om te inactiveren lNaT gevolgd door de repolarisatiefase van de actiepotentiaal. de geïsoleerde lNaR (grijs) werd gesuperponeerd met de totale natriumstroom (zwart). Merk op dat deze twee sporen elkaar overlappen op het hoogtepunt van de AHP en enige tijd daarna.

Om de bijdrage van te bepalen lNaR aan de totale natriumstroom tijdens spike-repolarisatie en het vroege deel van de AHP, hebben we de bijdrage van de natriumstaartstroom die op dat moment stroomt verwijderd met behulp van aangepaste protocollen (Do en Bean, 2003). Figuur 5C toont twee spanningscommando-golfvormprotocollen (bovenste sporen) gesuperponeerd en de resulterende natriumstromen (onderste sporen). Als we de actiepotentiaalgolfvorm in realtime gebruiken, is de totale binnenwaartse natriumstroom erg groot (afgekapt in de afbeelding). Op de piek van de AHP is deze stroom ∼150 pA (Fig. 3C, 5C). Bovenop is een opdrachtgolfvorm die is ontworpen om maximale inactivatie van de fast lNaT en dus geen staartstroom. Na de depolarisatie tot +33 mV gedurende 3 ms, werd vervolgens dezelfde repolarisatiepiekgolfvorm toegepast die eerder werd gebruikt. Zoals getoond, blijft er tijdens deze omstandigheden slechts een kleine inwaartse natriumstroom over tijdens de piek van de AHP en kort daarna. Bovendien overlappen de stroom die op de piek en na de AHP vloeide voor beide omstandigheden. Deze stroom moet een oplevende natriumstroom zijn, omdat gedurende deze tijd de staartstroom wordt geëlimineerd, en uit het voorgaande experiment (Fig. 4C), lDutje stroming gedurende deze tijd is nul. Dit werd waargenomen in alle vijf onderzochte cellen.

Langzame inactivering van TTX-gevoelige natriumstromen

Eerder suggereerden we dat burst-beëindiging het gevolg zou kunnen zijn van accumulatie van langzame inactivatie van natriumstromen tijdens een burst (Wu et al., 2001, 2005). Om bewijs voor deze hypothese te verkrijgen, hebben we experimenten uitgevoerd met behulp van de actiepotentiaalklem om te bepalen of: lNaT, lNaR, en lDutje zijn gevoelig voor langzame inactivering met behulp van protocollen die zijn ontworpen om deze stromen te isoleren.

Figuur 6EEN toont de opdrachtburst-golfvorm (boven) die is verkregen in de stroomtang, en de onderliggende stroom tijdens een burst (onderste spoor) tijdens de spanningsklem. Figuur 6B toont een uitgevouwen weergave verkregen uit figuur 6EEN. lDutje werd gedefinieerd als de gemiddelde stroom die vloeide over een tijdvenster van 1 ms 5 ms na het AHP-dal (Fig. 6B, box), wanneer heropleving en staartstromen minimaal zijn. het gemiddelde van lDutje werd berekend voor de eerste en laatste vijf pieken binnen een burst. Vervolgens vergeleken we het gemiddelde van lDutje op dit vroege tijdstip met dat gemeten net voor burst-beëindiging. Op basis van 10 onderzochte neuronen was de gemiddelde amplitude van de lDutje aan het einde van de ontlading was teruggebracht tot -86,1 ± 11,3% van de controle vergeleken met de gemiddelde amplitude aan het begin (P < 0,03 N = 10), wat suggereert dat een reductie in lDutje tijdens een aanhoudende burst zou, bescheiden, bijdragen aan burst-beëindiging (Wu et al., 2005).

Langzame inactivering van lDutje tijdens een uitbarsting. EEN, De bovenste trace toont het vroege deel (linkerkant) en late (rechterkant) van de burst-sjabloonspanningsopdracht op een uitgebreide tijdschaal. Het onderste spoor toont de huidige reacties. De gemiddelde stromen werden berekend voor de eerste vijf pieken en de laatste vijf pieken tijdens de burst-ontlading. De kleine vakjes tijdens elke ISI geven het gebied aan waarin stromen werden gemeten. B, De sporen tonen de omkaderde segmenten in EEN op een uitgebreidere tijdschaal. De stroomamplitude werd berekend door het gemiddelde te nemen van de stroom die 5 ms na het dal over een venster van 1 ms vloeide.

Echter, aanvullende mechanismen, zoals langzame inactivering van de lNaT en lNaR (Fleidervish en Gutnick, 1996 Do en Bean, 2003) zou ook kunnen bijdragen aan burst-terminatie. Om deze hypothese te testen, hebben we een aangepast protocol gebruikt waarmee we alle drie de stromen tegelijkertijd konden meten (Fig. 7 .).EEN) (Do en Bean, 2003) in oplossingen met een verlaagde concentratie van extern natrium (50 m m NaCl en 91 m m TEA-Cl) om serieweerstandsfouten te minimaliseren. Figuur 7EEN toont het protocol en de onderliggende natriumstromen. Spanningsafhankelijke langzame inactivering van lNaT, lNaR, en lDutje (Afb. 7EEN) werden getest met prepulsen met een duur van 20 s van -90 tot -40 mV, gevolgd door een terugkeer naar -90 mV gedurende 100 ms om herstel van snelle inactivatie mogelijk te maken. De verschillende natriumstroomcomponenten werden opgeroepen door een stap van 10 ms, +15 mV te gebruiken, gevolgd door een terugkeer naar -40 mV gedurende 100 ms. lNaT werd gedefinieerd als piek minus stationaire stroom tijdens de stap naar +15 mV. lNaR werd gedefinieerd als piek minus stationaire stroom (genomen aan het einde van de puls) opgewekt tijdens de stap naar −40 mV, terwijl lDutje werd gedefinieerd als steady-state stroom aan het einde van de puls minus basislijnstroom tijdens de stap naar −40 mV. figuur 7, B en C, toont een samenvatting van steady-state inactivatie voor elk van de stromen door de relatieve steady-state geleiding uit te zetten tegen prepulspotentiaal in lage externe natrium (50 m m ) en normale natrium (131 m m ) omstandigheden. Ongeacht de externe natriumconcentratie, lDutje was het meest vatbaar voor langzame inactivatie, gevolgd door: lNaR, dan lNaT (alleen gemeten in natriumarm) (Fig. 7B,C). Ter vergelijking, snelle inactivering van de lNaT verkregen in 15 m m extern natrium wordt ook getoond (Fig. 7B, stippellijn). De gemiddelde relatieve TTX-gevoelige piekgeleiding werd uitgezet tegen de conditioneringspulspotentiaal en voorzien van een Boltzmann-vergelijking. In natriumarm waren de fit-parameters: V1/2 = −65,0 ± 6,3 mV en k = 11,9 ± 2,0 mV voor lNaT, V1/2 = −73,3 ± 6,4 mV en k = 14,4 ± 6,3 mV voor lNaR (N = 6), en V1/2 = −72,7 ± 9,1 mV en k = 14,1 ± 6,1 mV voor lDutje. In normaal natrium leverden de Boltzmann-fitparameters op: V1/2 = −63,6 ± 6,9 mV en k = 8,4 ± 2,6 mV voor lNaR, V1/2 = −65,0 ± 3,0 mV en k = 7,7 ± 1,4 mV voor lDutje (N = 8). Bij laag natriumgehalte en gemeten bij −40 mV, werd elke relatieve geleiding verminderd tot 48,7 ± 16,8% (lNaT), 43.9 ± 5.6% (lNaR), en 28,2 ± 17,9% (lDutje), respectievelijk, terwijl in normaal natrium lNaR relatieve geleiding werd verlaagd tot 59,9 ± 10,7% en lDutje relatieve geleiding werd verlaagd tot 43,0 ± 17,7%.

Natriumstroomcomponenten vertonen een spanningsafhankelijke langzame inactivatie. EEN, Hybride protocol om langzame inactivatie van aan te tonen lNaT, lNaR, en lDutje. Het bovenste spoor toont het spanningsprotocol. Een prepuls van 20 s werd gevolgd door het testprotocol, dat een stap van 100 ms tot -90 mV, een stap van 10 ms tot +15 mV en een stap van 100 ms tot -40 mV omvat voor de aangegeven tijden. Neuronen werden gedurende 10 seconden op -90 mV gehouden voordat het daaropvolgende spanningsprotocol begon. Het onderste spoor toont de huidige respons tijdens de testpuls die wordt weergegeven voor prepulsen tussen −90 en −40 mV. B, Spanningsafhankelijkheid voor langzame inactivering van natriumstromen. Relatieve geleiding voor lNaT, lNaR, en lDutje zijn uitgezet als een functie van prepulsspanning en passen bij een Boltzmann-functie in de extracellulaire oplossing van 50 m m NaCl voor de gegevens in EEN. De stippellijn geeft spanningsafhankelijkheid aan voor snelle inactivering van lNaT en is ter vergelijking geschikt voor een Boltzmann-functie. C, Hetzelfde als B maar opgenomen in extracellulaire oplossing van 131 mm NaCl. lNaT werd niet gemeten vanwege een gebrek aan adequate spanningsregeling. NS, Vergelijking van opnamemodi voor hele cellen en outside-out patch. Representatieve stroomsporen verkregen uit spanningsstappen tussen -95 en +35 mV van een houdpotentiaal van -90 mV worden weergegeven in de configuratie met hele cellen (boven, links) en buiten-uit (boven, rechts). geschaald lV relaties worden gesuperponeerd voor natriumstromen voor beide opnamemodi (onder). Alle stromen werden door lekkage afgetrokken (zie Materialen en Methoden). De grijze lijn toont de opname van buiten naar buiten en de zwarte lijn toont de opname in de hele cel (N = 3). Foutbalken geven SD aan.

Om te bevestigen dat de spanning voldoende ruimte geklemd was tijdens snel lNaT opgeroepen door het hybride protocol dat in figuur 7 wordt gebruikt, hebben we aanvullende experimenten uitgevoerd met behulp van de outside-out patch-configuratie in een externe natriumoplossing van 50 mm. Met deze configuratie worden ruimteklemfouten geëlimineerd. We vergeleken de lV relatie van de vasten lNaT verkregen in hele-celconfiguratie met die verkregen in dezelfde cel na het betreden van de outside-out-configuratie. De P/N 4-methode werd gebruikt voor het aftrekken van lekkages. Figuur 7NS toont de samenvatting lV relatie gesuperponeerd voor de twee voorwaarden op hun respectieve huidige schalen. De geschiktheid van de configuratie met hele cellen om snel vast te klemmen lNaT in een laag extern natriumgehalte wordt bevestigd door een redelijk goede, maar niet perfecte, overlap van de lV relatie voor beide opnamemethoden en, in het bijzonder, de vergelijkbare omkeerpotentialen. Het feit dat Mes V-neuronen ovaal zijn en verstoken zijn van dendritische processen, vergroot ons vertrouwen in het gebruik van het hybride protocol in de hele celconfiguratie om de snelle stromen in opnameomstandigheden met een laag natriumgehalte te klemmen en verklaart hoogstwaarschijnlijk de relatief kleine verschillen in de lV relaties tussen de twee voorwaarden.

Om aanvullend bewijs te verkrijgen dat langzame inactivering van deze stromen bijdraagt ​​aan burst-frequentie en beëindiging, hebben we het testprotocol toegepast dat wordt beschreven in Figuren 7EEN en 8EEN op verschillende tijdstippen na het begin van een burst-golfvormcommando (Fig. 8EEN) aanvankelijk verkregen in stroomtang. In deze situatie diende de piekactiviteit tijdens het burst-commando dat aan het testprotocol voorafging effectief als de conditionerende prepuls. Deze gegevens werden verkregen in een laag natriumgehalte om spanningsregeling van het actiepotentiaalopdrachtsjabloon mogelijk te maken. Controlegegevens voor de tijdsafhankelijkheid van het begin van langzame inactivering werden eerst geanalyseerd door middel van een stappenprotocol voordat het burst-golfvormcommando werd uitgevoerd (Fig. 8EEN, inzet). Hierna werd de duur van de burst-ontlading kunstmatig veranderd en werd het testprotocol geïnduceerd na elke gewijzigde burst (Fig. 8EEN, rechtse nummers gaven het begin van het testprotocol aan). Vervolgens vergeleken we de amplitudeverandering van deze stromen voor en na de burst-golfvorm. Om trial-to-trial accumulatie van langzame inactivatie te voorkomen, werd het protocol elke 10 s herhaald. Een teststapprotocol toegepast 100 ms na de beëindiging van het golfvormcommando (om snelle inactivering te verwijderen) onthulde dat alle drie de natriumstromen waren ingedrukt in vergelijking met de controle. Figuur 8B geeft aan dat een zekere mate van langzame inactivatie zich ontwikkelt naarmate de burstduur voor alle 3 de stromen wordt verlengd. Bovendien ging de ontwikkeling van langzame inactivatie gepaard met de langzame aanpassing van de piek, zoals aangegeven door de gesuperponeerde relatieve onmiddellijke piekfrequentie van de gebruikte burst-sjabloon (Fig. 8B). Vergelijkbaar met die getoond in figuur 7, lDutje was het meest vatbaar voor langzame inactivatie. De huidige gegevens zijn dus compatibel met de hypothese dat burst-beëindiging en langzame piekadaptatie tot op zekere hoogte het gevolg zijn van langzame inactivering van lNaT, lNaR, en lDutje natrium stromen.

Tijdsverloop van langzame inactivering voor natriumstromen tijdens een burst. EEN, Protocol om het tijdsverloop van langzame inactivatie voor natriumstroomcomponenten tijdens burst-ontlading te onderzoeken. Het getoonde hybride testprotocol (inzet, bovenspanning, onderstroom) werd toegepast op de aangegeven tijdstippen tijdens een burst-golfvorm van een opdrachtsjabloon. Het hybride opdrachtsjabloon was hetzelfde als weergegeven in figuur 7.EEN behalve dat de prepuls nu de voorgaande piekontlading was. Hetzelfde stapcommandoprotocol werd getest als een controle 10 s vóór de burst-golfvorm. B, Tijdsverloop van langzame inactivering van lNaT, lNaR, en lDutje tijdens de burst-ontlading. Relatieve stromen worden uitgezet tegen de tijd nadat de burst-sjabloon voor elke stroomcomponent is toegepast. De relatieve piekfrequentie tijdens de sjabloonuitbarsting wordt ter vergelijking op dezelfde tijdschaal uitgezet (continue tracering). Foutbalken geven SD aan.

Aanhoudende natriumstroom vloeit tijdens het interburst-interval

Meestal eindigen bursts abrupt met een depolariserende napotentiaal en gedempte oscillaties die geen piek veroorzaken. Na burst-beëindiging zijn subthreshold-oscillaties het kleinst in vergelijking met die vlak voor het begin van de burst. Interessant is dat het steady-state membraanpotentieel bij burst-terminatie slechts een paar millivolt gehyperpolariseerd is vergeleken met het begin van de burst (Fig. 1B, 9B) (Wu et al., 2001). Tijdens de interburst-periode depolariseert het membraanpotentiaal langzaam en worden subthreshold-oscillaties opnieuw geïnitieerd en veroorzaken ze het begin van de burst. Om te bepalen of zich tijdens deze periode langzame natriumstromen ontwikkelen, hebben we de TTX-gevoelige stroom gemeten die tijdens de interburst-periode vloeit. Figuur 9EEN toont de burst-sjabloon die wordt gebruikt als de spanningsopdracht en de vervolgens geregistreerde TTX-afgetrokken natriumstroom bij lage versterking, terwijl Afbeelding 9B toont dezelfde gegevens die zijn verkregen binnen het gebied dat wordt weergegeven in figuur 9EEN (box) met een hogere winst. Zoals duidelijk is, ontwikkelde zich tijdens het interburst-interval, terwijl het sjabloonspanningscommando de membraanpotentiaal depolariseerde, een langzame natriumstroom. Nauwkeurige inspectie van de stroomsporen gedurende deze tijd toont de aanwezigheid van kleine stroomoscillaties die in de loop van de tijd steeds groter worden (Fig. 9C). Om de relatie tussen de spannings- en stroomoscillaties te bepalen, werd een kruiscorrelatieanalyse uitgevoerd. De piek van de spanningsoscillatie werd gebruikt als de referentietrigger en de daaropvolgende stroom werd gemiddeld gedurende een venster van ongeveer ± 20 ms rond elke oscillatie vóór burst-ontlading. Figuur 9NS toont aan dat in feite voor elke oscillatie van het membraanpotentiaal onder de drempel een snel activerende en deactiverende natriumstroom wordt gegenereerd en gekoppeld aan het spanningscommando.

Tijdsverloop van ontwikkeling van aanhoudende natriumstroom tijdens het interburst-interval. EEN, Het bovenste spoor toont het golfvormcommando. De stippellijn geeft −51 mV aan. Het onderste spoor toont een afgetrokken TTX-gevoelige stroomrespons bij lage versterking. B, De sporen tonen het gestippelde omkaderde segment in EEN bij hoge winst. Het bovenste spoor toont het spanningscommando en het onderste spoor toont de afgetrokken TTX-gevoelige stroom. Tijdens het interburst-spanningstraject nam de amplitude van de TTX-gevoelige natriumstroom exponentieel toe. C, Begin en beëindiging van burst-ontlading bij hoge versterking. De sporen tonen de omkaderde segmenten in B op een uitgebreidere tijdschaal. NS, Kruiscorrelatieanalyse tussen spanningsoscillaties onder de drempel (referentietrigger) en stroomreacties. Neerwaartse afbuiging van stroom duidt op binnenwaartse stroom.


Abstract

De transmembraan natriumgradiënt is essentieel voor zowel de prikkelbaarheid van de hartcel als de regulatie van de cytoplasmatische concentraties van Ca en protonen. Bovendien beïnvloeden bewegingen van Na over het mitochondriale membraan matrixprotonen en calcium. In het eerste deel van de review bespreken we de belangrijkste routes die verantwoordelijk zijn voor sarcolemmale en mitochondriale natriumbewegingen. Het grootste deel van de review houdt rekening met de veranderingen van de intracellulaire Na-concentratie ([Na + ]l) die optreden bij ziekten, met name ischemie, reperfusie en hartfalen. We bekijken bewijsmateriaal dat de toename van intracellulair natrium impliceert tot ofwel een verhoogde instroom van natrium (via ofwel natriumkanalen of natrium/waterstofuitwisseling) ofwel, als alternatief, tot een verminderde efflux op de Na/K-pomp. Hoewel er veel is geleerd over natriumregulatie in het hart, zijn er nog steeds veel onbeantwoorde vragen, vooral met betrekking tot mitochondriale Na-regulatie.

Intracellulair natrium ([Na + ]l) wordt voortreffelijk geregeld door een reeks kanalen en transporteurs. De transsarcolemmale Na-gradiënt is een belangrijke regulator van de intracellulaire concentraties van Ca ([Ca 2+ ]l) en andere ionen en metabolieten. Echter, [Na + ]l kan ontregeld zijn bij hartaandoeningen, en deze ontregeling kan bijdragen aan hartpathologie geassocieerd met deze ziekten. Bijvoorbeeld [Na + ]l is aangetoond dat het stijgt tijdens ischemie of gesimuleerde ischemie, 1-5 en het is aangetoond dat dit bijdraagt ​​aan ischemie / reperfusieschade. [Na + ]l er is ook gesuggereerd dat het hartfalen verhoogt, 6-9 en er is gesuggereerd dat dit bijdraagt ​​aan veranderde Ca-regulatie, veranderde contractiliteit en aritmieën. Als regulator van [Ca 2+ ]l, [Na + ]l regelt contractiliteit, aritmogeniciteit en energie. Er is ook aanzienlijke recente interesse in de onderlinge relatie tussen cytosolische en mitochondriale ionische homeostase en in hoe mitochondriale concentraties van Na en Ca de mitochondriale functie kunnen reguleren. Ook is er momenteel veel belangstelling voor de gunstige effecten van remmers van Na-kanalen en dragers. Deze review richt zich op de regulatie van [Na + ]l en hoe dit kan worden veranderd bij ziekten zoals ischemie en hartfalen.

Meting van intracellulaire Na-concentratie

Het is belangrijk om te onthouden dat de nauwkeurigheid van metingen van de intracellulaire natriumconcentratie afhangt van de gebruikte methoden, en dit is met name een probleem wanneer kwantitatieve gegevens vereist zijn. Tot nu toe zijn vier technieken gebruikt. 1. De vroegste studies gebruikten metingen van de totale Na-concentratie en radioactieve fluxen en gecorrigeerd voor de Na in de extracellulaire ruimte. 10 Deze benadering heeft een zeer beperkte tijdsresolutie. 2. De volgende benadering omvatte het gebruik van natriumselectieve micro-elektroden. 11 Van alle beschikbare technieken is dit waarschijnlijk de meest kwantitatieve, maar wordt beperkt door de noodzaak om het weefsel te spietsen met 2 micro-elektroden (een natriumselectief en de andere om membraanpotentiaal te meten), waardoor het bijna onmogelijk is om het te gebruiken in sterk samentrekkende weefsels en hele harten. 3. 23 Na-kernmagnetische resonantie (NMR) kan worden gebruikt om intracellulair Na te meten, zolang een "shift-reagens" wordt gebruikt om de effecten van extracellulair Na te elimineren. 12,13 Deze techniek heeft een relatief gebrek aan gevoeligheidskinetische metingen met een bemonsteringssnelheid van zelfs 1 minuut nodig in de orde van een gram weefsel, waardoor deze benadering effectief wordt beperkt tot gebruik op hele harten. NMR is dus geen geschikte techniek om veranderingen van Na, die in seconden optreden, te onderzoeken. 4. De meest recent geïntroduceerde aanpak is om gebruik te maken van Na-gevoelige fluorescerende indicatoren. De meest gebruikte is SBFI. 14 Dit is gebruikt om Na te meten in werk aan enkele cellen 4 en hele harten. 15 Deze indicatoren kunnen gemakkelijk worden geïntroduceerd in de membraandoorlatende acetoxymethylestervorm, hoewel er voor moet worden gezorgd dat een deel van de indicator in intracellulaire organellen zoals mitochondriën terechtkomt. Afhankelijk van de omstandigheden kan dit een handicap zijn bij het kwantificeren van de cytoplasmatische Na-concentratie of kan het worden gebruikt om de mitochondriale Na-concentratie te schatten. 4 De meer recent ontwikkelde CoroNa-reeks indicatoren kan worden gebruikt om selectief cytoplasmatisch (met behulp van CoroNa Green) en mitochondriaal Na (met behulp van CoroNa Red) te meten. 16 Het is echter moeilijk om deze fluorescerende Na-indicatoren te kwantificeren, dus ze zijn nuttig voor het meten van snelle veranderingen in Na, maar zijn niet ideaal voor het verkrijgen van kwantitatieve metingen.

Regulatie van cytoplasmatisch Na onder basale omstandigheden

Sarcolemmale instroompaden

Zoals besproken in een recent overzicht, vindt de instroom van Na in een rustende cel plaats via verschillende routes, waaronder: Na-kanalen, Na/Ca-uitwisseling (NCX), Na/H-uitwisseling (NHE), Na/bicarbonaat-cotransporter, Na/K/2Cl cotransporter en Na/Mg-uitwisseling. Het hart is natuurlijk niet normaal in rust, maar klopt regelmatig. Deze activiteit verhoogt de hoeveelheid Na die binnenkomt via Na-kanalen en ook via NCX (aangezien Na de cel binnenkomt in ruil voor de Ca die binnenkomt via de L-type Ca-stroom). In deze review concentreren we ons op 3 routes voor Na-invoer, die het belangrijkst lijken te zijn bij ziekten: Na-kanalen, NHE en NCX.

Na kanalen

Het tetrodotoxine (TTX)-gevoelige Na-kanaal wordt geactiveerd tijdens de opwaartse slag van de actiepotentiaal. De mate van opening wordt bepaald door zowel activerings- (m) als inactivatie- (h) poorten, zodat depolarisatie eerst het kanaal opent (activeert) alvorens te sluiten (inactivatie). De belangrijkste vorm van het natriumkanaal is de zogenaamde "cardiale" isovorm (NaV1.5), die wordt gekenmerkt door een lage affiniteit voor de remmer TTX. Meer recent werk heeft echter verschillende "neuronale" isovormen in het hart geïdentificeerd, met name NaV 1.1 en 1.3, die veel gevoeliger zijn voor TTX. 18 De meest bekende rol van de natriumstroom is om een ​​snelle opwaartse slag van de actiepotentiaal teweeg te brengen en daardoor de verspreiding van de actiepotentiaal door het hart mogelijk te maken. Het is echter al vele jaren bekend dat, naast het verminderen van de opwaartse snelheid van de actiepotentiaal, remming van de Na-stroom met TTX de actiepotentiaal verkort, wat suggereert dat de natriumstroom een ​​rol speelt in het plateau van de actiepotentiaal. 19 Dit komt overeen met recenter werk dat aantoont dat mutaties in het natriumkanaal leiden tot verschillende lange QT-syndromen. 20 Het bestaan ​​van de onderliggende steady-state of persistente (niet-inactiverende) component van de Na-stroom werd voor het eerst aangetoond in cardiale Purkinje-vezels. 21 Hoewel deze stroom erg klein is (≈1%) in vergelijking met de piek Na-stroom tijdens de opgaande slag van de actiepotentiaal, betekent het feit dat deze stroom veel langer wordt aangehouden, dat deze een significante rol zal spelen in de totale Na-instroom de cel in. Van bijzonder belang voor de huidige beoordeling is het feit dat de aanhoudende Na-stroom wordt versterkt door hypoxie en daarom kan bijdragen aan de toename van [Na + ]l waargenomen bij ischemie. 22 Een belangrijke vraag betreft het gedrag van de persistente Na-stroom laat in ischemie wanneer de elektrische activiteit is gestopt en de membraanpotentiaal is gedepolariseerd tot −50 mV. 23 Bij deze potentiaal wordt het late Na-kanaal geactiveerd, maar zal het alleen Na-invoer produceren als het niet volledig is gedeactiveerd. Het is daarom opmerkelijk dat de aanhoudende Na-stroom geen teken van inactivering vertoont met spanningsklempulsen van 1 seconde, 24 en er is gesuggereerd dat het daarom kan bijdragen aan het binnendringen van Na in hypoxische omstandigheden 25 zelfs wanneer het membraan is gedepolariseerd. Zoals later besproken, is er daarom veel opwinding over de ontwikkeling van medicijnen die de aanhoudende Na-stroom blokkeren. 26 Samenvattend zijn de 2 belangrijkste factoren die naar verwachting de binnenkomst van Na in hartcellen via het Na-kanaal beïnvloeden (1) de frequentie van stimulatie en (2) de mate van activering van de aanhoudende natriumstroom.

Na/H-uitwisseling

NHE gebruikt de energie in de Na-gradiënt om H uit de cel te pompen. De regelgeving van NHE is onlangs herzien. 27-29 NHE wordt gestimuleerd door intracellulaire verzuring en is een van de belangrijkste transporters die betrokken zijn bij de extrusie van zuur uit de cel. 30 Het is ook belangrijk bij de regulatie van het celvolume en bij de reorganisatie van het cytoskelet. NHE-activiteit wordt gestimuleerd door intracellulaire acidose via protonbinding aan een allosterische plaats in de transporter. Verschillende agonisten kunnen echter de pH wijzigen waarbij NHE wordt geactiveerd door fosforylering. Door de pH te veranderen waarbij NHE actief is, kunnen hormonen de cellulaire pH veranderen, en dit verandert op zijn beurt de celgroei, proliferatie en hypertrofie. Langdurige activering door veel van deze agonisten die NHE activeren, zal hypertrofie veroorzaken, en het is aangetoond dat remmers van NHE hypertrofie verzwakken.

Na/Ca-uitwisseling

De NCX is uitgebreid herzien. 31 Het gebruikt de energie die wordt geleverd door Na-ionen die de cel binnenkomen om Ca eruit te pompen. De omzetsnelheid van NCX en dus de Na-invoer in de cel zal afhangen van de intracellulaire concentraties van Na en Ca, evenals van de membraanpotentiaal. Omdat NCX het belangrijkste mechanisme is om Ca uit de cel te pompen, moet in de stabiele toestand de Ca-efflux door de uitwisseling gelijk zijn aan de Ca-influx in de cel die grotendeels door de L-type Ca-stroom gaat. Daarom zal elke manoeuvre die de intrede van Ca in de cel op de L-type stroom verhoogt (bijv. β-adrenerge stimulatie) resulteren in een verhoogde binnenkomst van Na op NCX. Na-instroom is een lineaire functie van [Ca 2+ ]l, 32 en dus de grotere [Ca 2+ ]l is, hoe groter de instroom van Na. Van belang voor latere overwegingen in dit overzicht van de effecten van ischemie, een verlaging van de intracellulaire pH verlaagt de activiteit van NCX. 33 ATP kan de NCX activeren, een effect dat een millimolaire affiniteit heeft voor ATP 34 en daarom zal een afname van de ATP-concentratie ook de NCX-activiteit verminderen.

Hoewel (zoals hierboven besproken) NCX over het algemeen in de zogenaamde "voorwaartse" modus werkt om Ca uit de cel te pompen, kan het, afhankelijk van de elektrochemische gradiënt, ook netto Ca-invoer produceren gekoppeld aan Na-efflux (de omgekeerde modus). Netto-omgekeerde modus kan alleen optreden bij potentialen die positief zijn voor het omkeerpotentieel van NCX. Op zijn beurt hangt het omkeringspotentieel af van de concentratie van intracellulair Na en Ca. Depolarisatie van de cel aan het begin van het actiepotentiaal kan omgekeerde NCX bevorderen. Dit effect wordt echter gecompenseerd door de toename van [Ca 2+ ]l veroorzaakt door vrijlating uit het sarcoplasmatisch reticulum die NCX naar de voorwaartse modus vervormt. 35 Algemeen wordt daarom aangenomen dat NCX onder normale omstandigheden voornamelijk in voorwaartse modus werkt. De situatie kan echter anders zijn bij hartfalen, waarbij een combinatie van verhoogde [Na + ]l en verminderde Ca-afgifte zal resulteren in langere perioden van omgekeerde modus. 36 Van belang voor deze review is de stijging van [Na + ]l waargenomen bij ischemie 37 zou naar verwachting de omgekeerde modus van NCX verhogen, hoewel de effecten van andere factoren, zoals veranderingen van ATP en pH, ook in gedachten moeten worden gehouden. Ten slotte moet worden opgemerkt dat als de netto omgekeerde modus van NCX gedurende een significante periode optreedt, er netto calcium zal binnenkomen. Dit Ca moet uit het cytoplasma worden verwijderd. In een echte stabiele toestand vereist dit Ca-transport uit de cel, en het is onduidelijk of de andere sarcolemmale Ca-verwijdering, het plasmamembraan Ca-ATPase (PMCA), voldoende capaciteit heeft. Op de korte termijn zou de Ca-balans kunnen worden gehandhaafd door sekwestratie in mitochondriën, hoewel we ons wederom niet bewust zijn van onderzoeken die een kwantitatief evenwicht aantonen tussen Na-invoer in de cel op NCX en mitochondriale opname, hoewel Liu et al hebben aangetoond dat intracellulaire Na kan intramitochondriaal Ca veranderen.

Andere sarcolemmale kanalen

Hoewel normaal gesproken wordt beschouwd als onderdeel van de intercellulaire verbindingen, zijn connexine (Cx) hemikanalen ook gevonden in het oppervlaktemembraan en er is gesuggereerd dat ze kunnen openen tijdens metabole stress, waardoor mogelijk Na-invoer mogelijk wordt. 37

Na Efflux-routes

Zoals hierboven vermeld, terwijl NCX onder bepaalde omstandigheden Na uit de cel kan verwijderen, is het zeer waarschijnlijk dat de netto tijdsgemiddelde flux van Na door dit mechanisme naar de cel wordt geleid ("voorwaartse modus"). Dit laat de Na/K-pomp over als het enige significante mechanisme om Na+ uit de cel te pompen tegen de elektrochemische gradiënt in.

De Na/K ATPase gebruikt de vrije energie van hydrolyse van ATP om 3 intracellulaire Na-ionen uit te wisselen voor 2 extracellulaire K, waardoor de gradiënten voor Na en K over het celmembraan worden ingesteld. De details van de structuur en regulatie van de Na/K ATPase worden elders besproken. 39 In het kort bestaat de Na/K-ATPase uit a- en -subeenheden. Er zijn 3 -isovormen met verschillende Na-affiniteiten en 2 β-subeenheden, hoewel alleen β1 in het hart tot expressie wordt gebracht. 39 De Na/K-ATPase wordt ook gereguleerd door een klein fosfoproteïne, phospholemman (PLM), op een manier die doet denken aan fosfolamban-regulatie van het sarco-/endoplasmatisch reticulum Ca-ATPase (SERCA). PLM, een lid van de FXYD-familie (ook bekend als FXYD-1) is overvloedig aanwezig in het hart en er is aangetoond dat het wordt gefosforyleerd door adrenerge stimulatie. 40 PLM associeert met en vermindert de Na-affiniteit van de α1- en α2-subeenheden van het Na/K-ATPase. PLM vermindert dus de activiteit van Na/K-ATPase door de affiniteit voor Na te verminderen. Despa et al 41 toonden aan dat β-adrenerge stimulatie de Na/K ATPase activeert in wildtype muizen, maar niet in harten van muizen zonder PLM (PLM-KO). De Na-pompactiviteit in wildtype muizen na β-adrenerge stimulatie was vergelijkbaar met die in PLM-KO-harten. Samengevat laten deze gegevens zien dat de PLM-gemedieerde vermindering van Na-pompactiviteit verloren gaat wanneer PLM wordt gefosforyleerd.

Regulering van mitochondriaal Na

Mitochondriaal Na-effluxmechanisme

Mitochondriaal [Na + ] wordt gereguleerd door Na-influx- en -effluxmechanismen. Het belangrijkste Na-effluxmechanisme is de mitochondriale NHE (zie figuur A). 42 Tijdens elektronentransport worden protonen uit de matrix geëxtrudeerd, wat resulteert in een matrix pH die meer alkalisch is dan het cytosol. 43 In geïsoleerde mitochondriën met een extramitochondriale pH van -7,1, wordt de matrix-pH doorgaans gemeten rond 7,8 (ΔpH 0,7). 42 In veel van deze onderzoeken worden mitochondriën echter gehandhaafd in niet-fysiologische buffers, of in afwezigheid van anorganisch fosfaat (Pl), wat de pH-gradiënt zou verminderen (veroorzaakt door Pl/H cotransporter of eventueel Pl/OH antiporter). 42 Van matrix-pH is gemeld dat deze lager is (ΔpH ≈0,04) wanneer gemeten in een meer fysiologische buffer met Pl bij 37°C. 44 In geïsoleerde mitochondriën lijkt de NHE dicht bij evenwicht te werken. In geactiveerde mitochondriën, die protonen extruderen, wordt gedacht dat de pH-gradiënt de Na-gradiënt aandrijft. Jung et al vonden dat in mitochondriën inademing, de matrix Na 8-voudig lager was dan extramitochondriaal Na. 42 Als mitochondriale NHE bijna in evenwicht zou zijn met een stoichiometrie van 1 op 1, zou deze 8-voudige Na-gradiënt in evenwicht zijn met een pH-gradiënt van 0,92, een waarde die iets hoger is dan typisch gevonden in geïsoleerde mitochondriën. De Na-gradiënt over de matrix lijkt dus bijna in evenwicht te zijn met de mitochondriale pH-gradiënt. Dit komt overeen met de waarneming dat de mitochondriale NHE een hoge activiteit heeft. Zoals vermeld, is de mitochondriale pH-gradiënt in situ echter waarschijnlijk veel lager, en dit zou de Na-gradiënt over de mitochondriën verminderen. Zo wordt aangenomen dat de Na-gradiënt in situ veel lager is dan de 8-voudige gemeten in geïsoleerde mitochondriën (waarschijnlijk minder dan een 2-voudige Na-gradiënt in cellen). Studies in gepermeabiliseerde cardiale myocyten ondersteunen het concept dat in geactiveerde mitochondriën de matrix [Na+] lager is dan de cytosolische Na en dat metabole remming (die de protonextrusie uit de matrix zou blokkeren en elke pH-gradiënt over de mitochondriën zou doen verdwijnen) resulteert in een toename in matrix [Na + ]. 4,42 Er zijn echter weinig betrouwbare metingen van matrix Na in intacte myocyten, en dit is een gebied dat aanvullend onderzoek vereist.

Figuur. Schematisch diagram van sarcolemmale en mitochondriale fluxen. Op het sarcolemma worden de volgende transporters en kanalen getoond (met de klok mee): Na/K-pomp NCX werkt in Ca-uitstroom (voorwaartse) modus NCX werkt in Ca-instroom (omgekeerde) modus Na-kanaal Na/H-uitwisseling Ca-kanaal. Op de mitochondriën zijn de getoonde transporters en kanalen (met de klok mee): NCX in Ca-entreemodus Na/H-uitwisseling NCX in Ca-effluxmodus Ca uniporter pyruvaattransporter fosfaattransporter F1F0 ATPase-complex I tot IV van de ademhalingsketen. A, controle. [Na + ]l is ≈8 mmol/L en pHl ≈7.2. [Ca2+ ]l zal variëren tussen ≈100 nmol/L in diastole en 1 μmol/L in systole. B, ischemie. Bij het sarcolemma (met de klok mee) worden de volgende wijzigingen aangegeven. [ATP]l wordt verlaagd, wat de Na/K-pomp beïnvloedt. Zoals de pijlen laten zien, wordt de omgekeerde modus van NCX verhoogd. De instroom van Na is verhoogd, vooral op het persistente Na-kanaal. Na/H-activiteit wordt verhoogd. Anaërobe glycolyse produceert melkzuur, waardoor de cel verzuurt. Er is ook een toename van [Ca 2+ ]l tot 3 μmol/L, een daling van de pHl tot 6,0, en een toename van [Na + ]l tot 35 tot 40 mmol/L. Bij de mitochondriën (met de klok mee) zijn de veranderingen: verhoogde Ca-invoer en Na-efflux op NCX, stopzetting van elektronentransport en protonefflux, en netto ATP-synthese door mitochondriën. C, hartfalen. Hier zijn de belangrijkste sarcolemale veranderingen in vergelijking met controle: een toename van Na-instroom op NCX en toename van NHE en toename van Na-invoer via Na-kanalen. De toename van [Na + ]l tot 15 mmol/L zal resulteren in meer Na-toegang tot de mitochondriën.

Het is onwaarschijnlijk dat mitochondriën een belangrijke rol spelen bij het reguleren van cytosolisch [Na + ] onder basale omstandigheden, maar als de mitochondriale pH-gradiënt wordt verhoogd, kan dit resulteren in een verhoogde Na-efflux uit het mitochondrion. Een dergelijke toename zou echter waarschijnlijk van voorbijgaande aard zijn en toe te schrijven zijn aan de beperkte Na in de matrix en de uitstroom uit het cytosol via de Na/K-ATPase. Inderdaad, in de stabiele toestand mag er geen netto flux van Na in of uit de mitochondriën zijn, en [Na + ]l wordt gereguleerd door het sarcolemma. Er zijn weinig directe kwantitatieve metingen van matrix [Na + ] in situ en geen enkele in het hart, dit is duidelijk een gebied dat aanvullende toekomstige studies behoeft. Omdat de Na-gradiënt over de mitochondriën belangrijke implicaties heeft, zal het belangrijk zijn om de niveaus van matrix [Na+] in vivo te definiëren.

Mitochondriën bevatten ook een K/H-wisselaar die K uit de matrix extrudeert in ruil met H. 46 Het mitochondriale binnenmembraan is grotendeels ondoordringbaar voor K als K vrij over de mitochondriën zou worden verdeeld, gegeven de Δψ van −180 mV, zou matrix K ≈100 mol/L. Deze wisselaar is belangrijk bij het reguleren van het mitochondriale volume. Hoewel er enige onenigheid is, 46,47 wordt algemeen aangenomen dat matrix K iets hoger is dan cytosolische K, vanwege een lek van K in de mitochondriën vanwege de hoge cytosolische K en het hoge negatieve mitochondriale membraanpotentieel. Er zijn verschillende recente beoordelingen over mitochondriale K-regulatie en volumeregulatie. 46,47

Mitochondriaal Na-instroommechanisme

De mitochondriale Na / Ca-wisselaar (NCE) lijkt het belangrijkste Na-instroommechanisme in cardiale mitochondriën te zijn. Hoewel er eerder enige twijfel bestond over de vraag of de NVU elektroneutraal of elektrogeen was, zijn de meest recente gegevens in geïsoleerde mitochondriën het erover eens dat de wisselaar elektrogeen is en 3 Na voor 1 Ca uitwisselt. 48-52 Omdat de stoichiometrie van de NVU echter een belangrijke bijdrage levert aan de regulatie van matrix [Ca], is het van cruciaal belang om aanvullende gegevens over de stoichiometrie te hebben, hetzij in vivo, hetzij onder omstandigheden die de in vivo waargenomen omstandigheden nabootsen. Het is ook vermeldenswaard dat, in tegenstelling tot de sarcolemmale NVU, de veronderstelde stoichiometrie van de NVU niet is geverifieerd door directe demonstratie van de voorspelde elektrogene stroom.

Bekrachtigde mitochondriën hebben een groot naar binnen gericht membraanpotentiaal (Δψ), typisch in het bereik van -150 tot -180 mV. Deze grote Δψ, gekoppeld aan een naar binnen gerichte Na-gradiënt, zal een grote drijvende kracht zijn voor het extruderen van Ca uit de matrix in ruil voor Na-invoer. Op basis van typische matrix Ca-waarden gemeten in myocyten, lijkt het erop dat NCE niet in evenwicht is. Als NCE in elektrochemisch evenwicht zou zijn, gegeven typische waarden voor cytoplasmatisch [Na+] (8 mmol/L), mitochondriaal [Na+] (6 mmol/L) en membraanpotentiaal (-160 mV), zou dit resulteren in een mitochondriaal Ca gradiënt van ≈958. Dus met een tijdsgemiddelde [Ca 2+ ]l van ≈300 nmol/L, matrix [Ca 2+ ] zou ≈0,3 nmol/L zijn, een waarde die aanzienlijk lager is dan de matrixwaarden gemeten in myocyten (≈100 nmol/L). Bovendien zou een lage matrix [Ca2+] van ≈0.3 nmol/L niet consistent zijn met Ca2 activatie van mitochondriale dehydrogenasen. 53 Schreur et al 54 laadden een intact geperfuseerd hart met indo-1 en gebruikten Mn om cytosolisch indo-1 te doven. Ze rapporteerden dat onder omstandigheden waarin de systolische [Ca 2+ ] 673 nmol/L en de diastolische [Ca 2+ ] 132 nmol/L was, de mitochondriale matrix [Ca 2+ ] werd gemeten op 183 nmol/L. Er is een aanzienlijke variatie in de waarden die worden gerapporteerd voor matrix Ca, maar over het algemeen zijn de waarden die worden gerapporteerd voor matrix [Ca 2+ ] doorgaans veel hoger dan berekend op basis van het NVU-evenwicht.

Het lijkt er dus op dat de mitochondriale NVU niet in elektrochemisch evenwicht is. Dit komt waarschijnlijk door de invoer van Ca via de uniporter en de kinetische eigenschappen van de NVU. De maximale activiteit van de NVU is ook laag ten opzichte van de uniporter (en NHE). Toevoeging van rutheniumrood, een remmer van de uniporter, leidt tot lagere matrix Ca-niveaus die de niveaus benaderen die worden voorspeld door het NVU-evenwicht. 51,52 Dus het binnendringen van Ca via de uniporter lijkt te voorkomen dat NCE een elektrochemisch evenwicht bereikt. Het is leerzaam om naar figuur 6 in Dash en Beard, 52 te kijken, waarin uit modellering blijkt dat in de afwezigheid van rutheniumrood en de afwezigheid van Na (dat NCE activeert), matrix Ca een zeer sterke afhankelijkheid heeft van extramitochondriaal Ca. Toevoeging van Mg, dat de uniporter zal antagoneren, vermindert het niveau van matrix Ca aanzienlijk bij een gegeven extramitochondriaal Ca. Denton et al vonden dat toevoeging van ruthenium het vermogen van extramitochondriaal Ca2 om mitochondriaal dehydrogenase te activeren verminderde, wat consistent is met een lagere matrix Ca wanneer de uniporter wordt geremd. McCormack et al 56 vonden dat de relatie tussen extramitochondriaal [Ca 2+ ] en matrix [Ca 2+ ] niet lineair is. Bij lage extramitochondriale Ca-spiegels (<400 nmol/L) in aanwezigheid van Na en Mg is de matrix [Ca 2+ ] kleiner dan extramitochondriaal [Ca 2+ ]. Echter, als extramitochondriaal Ca wordt verhoogd tot 0,5 μmol/L, worden matrix [Ca 2+ ] en extramitochondriaal [Ca 2+ ] gelijk. Deze gegevens, die consistent zijn met recente modellering, kunnen de grote verschillen in waarden verklaren die zijn gerapporteerd voor matrix [Ca 2+]. Modellering van matrix [Ca 2+ ] laat zien dat de relatie tussen cytosol en matrix [Ca 2+ ] afhangt van de snelheid van NVU ten opzichte van de Ca uniporter. 50,57

Hoewel buiten het bestek van deze review, is de beat-to-beat relatie tussen cytosolische en matrix Ca besproken. Als cytosolisch [Ca 2+ ]l stijgt, matrix [Ca 2+ ] stijgt ook, er wordt echter gedebatteerd of de stijging van de matrix [Ca 2+ ] de stijging van het cytosol [Ca 2+ ] integreertl of dat matrix [Ca 2+ ] beat-to-beat reageert (zie elders 57,58 ).

Zoals hieronder wordt besproken, kan de mitochondriale NCE, met verlies van Δψ, dat zou optreden tijdens ischemie of metabole remming, omkeren en Ca in de matrix transporteren. Elke Na-gradiënt zou verdwijnen tijdens ischemie of metabole remming omdat deze afhangt van de pH-gradiënt, die op zijn beurt afhangt van protonextrusie via elektronentransport.

Belang van NVU voor het reguleren van Energetica

In overeenstemming met een belangrijke rol voor NCE bij het reguleren van matrix [Ca 2+ ], hebben Cox en Matlib 59 aangetoond dat het verhogen van extramitochondriaal Na resulteert in een afname van matrix Ca, gemeten met fura-2 geladen in de matrix. Deze Na-afhankelijke afname in matrix Ca verminderde de vorming van NADH, consistent met Ca-activering van mitochondriale dehydrogenasen. Met een elektrogene NVU zou het verhogen van extramitochondriaal (of cytosolisch) [Na+] matrix [Ca 2+] zelfs in afwezigheid van een Na-gradiënt doen afnemen.

Mitochondriën zijn de plaats van de meeste energie (ATP) productie in een hartcel. Er wordt steeds meer erkend dat matrixionconcentraties, die worden gemoduleerd door cytosolische ionenconcentraties, een groot effect hebben bij het beheersen van mitochondriale energie. Een toename in matrix [Ca 2+ ]l, het is al lang bekend dat het mitochondriale dehydrogenasen activeert (zie figuur A) en zo de vorming van NADH, het initiële substraat en de bron van elektronen voor de elektronentransportketen, reguleert. 53,55 Matrix [Ca 2+ ] stimuleert ook de F1F0 ATPase, waardoor ATP-productie op meerdere locaties wordt gestimuleerd. 60 Een aantal reviews hebben zich recentelijk gericht op de rol van Ca bij het reguleren van mitochondriale energie. 50 Na-afhankelijke regulatie van mitochondriaal [Ca 2+ ] via NVU zou belangrijk kunnen zijn bij het reguleren van mitochondriale ATP-productie via activering van mitochondriale dehydrogenasen en door directe activering van de F1F0 ATPase. Een toename in matrix [Ca 2+ ] zou ook het mitochondriale Ca-geactiveerde K-kanaal (mitoK-Ca) kunnen activeren. Er zijn waarschijnlijk ook aanvullende eiwitten en processen (zoals volumeregulatie en misschien mitochondriale splijting en fusie) die worden gereguleerd door matrix [Ca 2+ ] en [Na + ]. Van een grote toename in matrix [Ca2+] wordt ook vermeld dat het de mitochondriale transitieporie, 61 een groot geleidingskanaal, activeert, wat leidt tot celdood door necrose en/of apoptose.

Samenvattend, hoewel de Na-gradiënt over de mitochondriën belangrijke implicaties heeft voor de matrix [Ca 2+ ], die op zijn beurt de mitochondriale energie en celdood reguleert, is er nog steeds veel dat we niet begrijpen met betrekking tot de regulatie van mitochondriale [Na + ] en [Ca2+]. Het is bijvoorbeeld belangrijk om de ΔpH in in situ mitochondriën te bepalen. De meeste beschikbare gegevens met betrekking tot mitochondriale parameters zoals ΔpH, Δψ, bindingsconstanten voor Na- en Ca-binding aan NVU, en Vmax voor transporters werden verkregen in geïsoleerde mitochondriën, vaak onder niet-fysiologische omstandigheden. Ondanks de beschrijving ervan meer dan 50 jaar geleden, hebben we de Ca uniporter nog steeds niet geïdentificeerd op moleculair niveau, en er is nog steeds aanzienlijke onzekerheid over zijn kinetische parameters. 62 Er is ook onzekerheid over zowel het niveau van matrix [Na + ] in situ als het niveau van matrix [Ca 2+ ] en of het reageert op veranderingen in het cytosol [Ca 2+ ] op een beat-to-beat basis of dat het integreert de veranderingen in cytosolisch [Ca 2+]. 57,63 De stoichiometrie van NVU staat nog steeds ter discussie en de 3:1 stoichiometrie moet worden bevestigd. Gezien het belang van mitochondriaal Ca in cel-energys en celdood, zal het belangrijk zijn om een ​​beter begrip te krijgen van de transportprocessen die matrix [Na + ] en [Ca 2+ ] reguleren. Huidige opvattingen over de matrixniveaus van pH, Na en Ca worden gegeven in de figuur.

Na regulering bij ziekte

[Na + ]l wordt over het algemeen gemeld als verhoogd bij de meeste modellen van hartfalen en bij ischemie/reperfusie. 1,2,8,64 Zo'n toename van [Na + ]l zal belangrijke gevolgen hebben voor contractiliteit, aritmogenese en energie. We bespreken de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor veranderde Na-regulatie bij ziekte en mogelijke medicijndoelen om de veranderde Na-homeostase te verbeteren.

Ischemie en reperfusie

Met behulp van 23 Na NMR is aangetoond dat [Na+]l stijgt ongeveer 3- tot 4-voudig tijdens ischemie (zie de figuur, B) tot een niveau in het bereik van 25 tot 40 mmol/L. 1,2,65 Deze toename van [Na + ]l kan worden toegeschreven aan een toename van de Na-instroom, een afname van de Na-extrusie of een combinatie van beide. Als de tijd van ischemie relatief kort is (minder dan 30 minuten in een konijnen- of knaagdierhart), [Na + ]l herstelt snel tijdens reperfusie tot preischemische niveaus. De transportmechanismen die betrokken zijn bij deze stijging van [Na + ]l tijdens ischemie en het herstel ervan bij reperfusie worden hieronder besproken.

Sarcolemmale effluxroutes tijdens ischemie en reperfusie

Na/K-pomp tijdens ischemie

De Na/K-ATPase extrudeert Na uit de cel en brengt daardoor de naar binnen gerichte Na-gradiënt tot stand die de drijvende kracht vormt voor vele andere uitwisselaars. Het effect op [Na + ]l van een bepaalde toename van de Na-instroom zal afhangen van hoe goed de Na/K-ATPase kan reageren. In de stationaire toestand moet een toename van de Na-instroom worden gecompenseerd door een gelijke toename van de Na-uitstroom. Dit vereist een verhoging van [Na + ]l. Hoe steiler de afhankelijkheid van de Na/K ATPase-snelheid van [Na + ]l, hoe kleiner de vereiste stijging van [Na + ]l. Als de Na/K-ATPase gedeeltelijk wordt geremd, is de snelheidsafhankelijkheid van [Na + ]l zal ondieper zijn, en dus een grotere toename van [Na + ]l zal worden geproduceerd door een bepaalde toename van de Na-instroom. Omdat [Na + ]l gestaag stijgt tijdens ischemie, wordt algemeen aangenomen dat de activiteit van de Na/K-ATPase tijdens ischemie wordt verminderd. 66 Een probleem met een kwantitatieve analyse is dat de metabole effecten van ischemie zich niet onmiddellijk ontwikkelen, en daarom kunnen effecten op ionentransport zich slechts langzaam ontwikkelen. Gegevens suggereren echter dat de pomp tijdens de eerste paar minuten van ischemie actief blijft. 65,67 De redenen voor de uiteindelijke remming van de Na/K ATPase zijn niet helemaal duidelijk. Het is duidelijk dat een daling van ATP zal resulteren in remming van de Na/K-ATPase, maar er is gesuggereerd dat de pomp wordt geremd voordat de ATP-niveaus dalen tot concentraties die zouden resulteren in remming van de Na-pomp. 67 Een stijging van ADP en Pl zal ook de pomp remmen, hoewel het wederom niet duidelijk is dat ze stijgen met het juiste tijdsverloop om rekening te houden met de remming van de pomp en de stijging van [Na + ]l.

Als de daling van het bulk-ATP niet voldoende is om de pomp te remmen tijdens de vroege periode van ischemie, wat is dan het mechanisme? Het is mogelijk dat er een posttranslationele modificatie is van de Na/K ATPase of een eiwit dat de pomp reguleert die tot remming leidt. Interessant is dat gerapporteerd is dat de activiteit van Na/K-ATPase wordt gereguleerd door stikstofmonoxide, 68 dat tijdens ischemie kan worden veranderd. Er zijn ook gegevens die suggereren dat de Na-pomp kan worden geremd door een labiele remmer die wordt gegenereerd tijdens ischemie. Fuller et al 69 hebben gerapporteerd dat ischemie een labiele cytosolische verbinding produceert die resulteert in remming van het Na/K-ATPase door een mechanisme waarbij reactieve zuurstofspecies betrokken zijn. Deze remmer vermindert de activiteit van de Na/K-ATPase uit hart en hersenen, maar niet uit de nieren. Interessant is dat PLM naar verluidt aanwezig is in hart en hersenen, maar niet in de nieren. In een ander onderzoek suggereerden Fuller et al. 70 dat ischemie leidt tot activering van het Na/KATPase via fosforylering van PLM, maar deze activering van de pomp wordt overwonnen door de remmer die tijdens ischemie wordt gegenereerd. Ze speculeerden dat als de labiele remmer snel wordt verwijderd aan het begin van de reperfusie, de activering van de Na/K-ATPase [Na+] zou versterken.l herstel na ischemie. Interessant is dat Imahashi et al. 71 vinden dat vrouwelijke muizen minder een stijging van [Na + ] hebbenl tijdens ischemie lijkt dit toe te schrijven aan verminderde Na-efflux omdat de verschillen worden geëlimineerd door ouabaïne. Misschien hebben vrouwelijke muizen minder van de remmer (of verhoogde activering van PLM).

Ongeacht het mechanisme lijkt het erop dat de activiteit van de Na/K-ATPase tijdens ischemie aanzienlijk is verminderd, zodat het de verhoogde Na-instroom die optreedt niet kan bijhouden. Als veranderingen in ATP en zijn metabolieten onvoldoende zijn om rekening te houden met de verminderde pompactiviteit tijdens ischemie (zie hierboven), dan moeten andere waarschijnlijke kandidaten, zoals posttranslationele modificaties van de pomp zelf of regulerende eiwitten zoals PLM, worden overwogen. Identificatie van het mechanisme voor de verminderde pompactiviteit zal nieuwe medicijndoelen opleveren om ischemische schade te verminderen.

Na/K-pomp tijdens reperfusie

Na relatief korte duur van ischemie, rapporteren de meeste onderzoeken dat reperfusie resulteert in een snelle (binnen minuten) terugkeer naar pre-ischemische Na-spiegels. 72 Deze terugkeer van [Na + ]l tot basislijnniveaus wordt voornamelijk gemedieerd door de Na-pomp, omdat toevoeging van ouabaïne het herstel van [Na+] blokkeertl op reperfusie. 72 Er is enige onenigheid 72,73 over de vraag of de Na + die binnenkomt bij reperfusie resulteert in een meetbare toename van [Na + ]l of dat het snel wordt geëxtrudeerd via de Na-pomp en NCX in omgekeerde modus, wat resulteert in slechts een lichte en zeer voorbijgaande piek in [Na + ]l. De meeste van de 23 Na NMR-onderzoeken vinden weinig of geen meetbare extra stijging van [Na+]l tijdens reperfusie, tenzij de Na/K-ATPase wordt geremd. 71,72 Omdat NMR-metingen een signaalgemiddelde zijn over 2 tot 5 minuten, is het mogelijk dat er een tijdelijke stijging is in [Na + ]l aan het begin van ischemie. Deze gegevens suggereren dat bij reperfusie de Na/K-ATPase snel wordt gereactiveerd en het verhoogde Na+ dat binnenkomt kan extruderen. Als, zoals hierboven besproken, de pomp wordt geremd vanwege posttranslationele modificatie of de aanwezigheid van een labiele remmer, lijkt het erop dat deze remming wordt opgeheven bij het begin van de reperfusie.

NCX tijdens ischemie en reperfusie

Omdat NCX omkeerbaar is, kan het functioneren als zowel een Na-instroom als een uitstroomroute. Men denkt dat Na-invoer via NCX tijdens ischemie wordt verminderd of geremd omdat met de stijging van [Na+]l, de Na-gradiënt daalt snel tijdens ischemie. De afname van de Na-gradiënt die optreedt, kan echter gedeeltelijk worden toegeschreven aan de instroom van Na via NCX (zie figuur B). Remming van de stijging van Na tijdens ischemie (met NHE-remmers of remmers van Na-kanalen) blokkeert de stijging van Ca tijdens ischemie, en dit is als bewijs beschouwd dat NCX tijdens ischemie omgekeerd werkt. 2,74 Een beter behoud van de Na-gradiënt zou echter ook een betere Ca-extrusie via NCX mogelijk maken, wat ook de stijging van Ca tijdens ischemie zou verminderen. Bij muizen zonder NCX1 (NCX-KO) was de stijging van [Na+]l tijdens ischemie was verminderd in vergelijking met wildtype harten, wat zou kunnen suggereren dat NCX functioneert om netto Ca-efflux en Na-influx tijdens ischemie te produceren. 75 Een alternatieve interpretatie is dat verminderde Ca-lading en beter behoud van ATP in de NCX-KO-harten leidt tot een verhoogde Na-efflux of minder Na-invoer via NHE (vanwege minder zuurvorming). Omdat NCX bijna in evenwicht is, kan het functioneren als een Na-instroomroute tijdens vroege ischemie, totdat de elektrochemische gradiënt omkeert en dan zal de omgekeerde modus overheersen. Inderdaad, het modelleren van NCX-fluxen tijdens ischemie is consistent met NCX die in beide richtingen werkt tijdens ischemie, waarbij de omgekeerde modus overheerst nadat de elektrochemische gradiënt omkeert. 76 Een belangrijke rol voor Ca-invoer via NCX tijdens ischemie wordt gesuggereerd door studies die verminderde ischemie / reperfusieschade aantonen bij muizen met hartspecifiek verlies van NCX. 75

Tijdens vroege reperfusie lijkt NCX voornamelijk een netto Na-efflux te zijn in plaats van een Na-instroomroute. Bij reperfusie wordt aangenomen dat Na de myocyt binnenkomt via NHE (zie hieronder) en de verhoogde [Na+]l verhoogt de Na-efflux via de Na/K ATPase en NCX. De omkering van NCX resulteert in Ca laden van de cel. Er is gesuggereerd 77 dat remming van NCX een therapeutisch doelwit zou kunnen zijn om Ca-overbelasting tijdens vroege ischemie te verminderen. Er zijn verschillende remmers onderzocht (bijvoorbeeld KB-R7943 78 ) waarvan is gemeld dat ze selectief de "omgekeerde" modus van NCX remmen. Deze remmers zijn onlangs beoordeeld. 79-81 Er is echter aangetoond dat zowel KB-R7943 als SEA400 niet-specifieke effecten hebben, zoals blijkt uit het verlagen van Ca-transiënten in hartbuizen zonder NCX. 82 Het vermogen om NCX selectief in één richting te remmen, is op thermodynamische gronden op de proef gesteld. 83 Kortom, in de evenwichtspositie zijn de voorwaartse en achterwaartse modi even groot. Selectieve remming van de omgekeerde modus zou daarom resulteren in een netto voorwaartse modus, die thermodynamisch onmogelijk is. Het gemeten vermogen van deze remmers om de achteruit meer dan de voorwaartse modus te remmen, is het resultaat van de verschillende experimentele omstandigheden die werden gebruikt om de twee modi te bestuderen. Vermoedelijk bindt het medicijn zich aan een vorm van de NCX, die in de omgekeerde modus in een hogere concentratie voorkomt. Er moet echter worden opgemerkt dat deze medicijnen mogelijk beter blokkeren onder de omstandigheden die worden waargenomen tijdens reperfusie, en daarom is het perfect mogelijk voor een medicijn om de Ca-winst bij reperfusie te blokkeren terwijl het weinig effect heeft op de voorwaartse modus tijdens normale fysiologie (omdat de vorm van NCX waaraan het medicijn bindt, komt minder vaak voor tijdens normale fysiologie wanneer het voornamelijk in de voorwaartse modus werkt).

Sarcolemmale instroompaden

Er is veel discussie geweest over de routes waarlangs Na de cel binnenkomt tijdens ischemie. 84 De 2 belangrijkste kandidaten zijn NHE en persistente (niet-inactiverende) Na-kanalen. 73,85

Na/H-uitwisseling

Studies hebben aangetoond dat toevoeging van NHE-remmers de stijging van [Na+] aanzienlijk afzwakt.l tijdens ischemie, wat wijst op een rol voor NHE bij het produceren van verhoogde Na-instroom. 2,74,86–88 De rol van NHE bij de stijging van [Na + ]l tijdens ischemie is in twijfel getrokken omdat veel van de NHE-remmers ook persistente Na-kanalen remmen. 84,89 Het is duidelijk dat de duidelijke remming van de stijging van [Na + ]l tijdens ischemie die optreedt met amiloride en andere niet-selectieve NHE-remmers, is gedeeltelijk toe te schrijven aan remming van persistente Na-kanalen. Dit sluit echter een rol voor NHE niet uit. Recente studies tonen inderdaad aan dat specifiekere NHE-remmers ook de stijging van [Na+]l tijdens ischemie, 86,88,90 hoewel de verzwakking van de stijging van [Na + ]l lijkt minder te zijn dan bij niet-specifieke remmers zoals amiloride. Verdere ondersteuning voor een rol voor NHE komt van studies met muizen zonder NHE. Deze bleken resistent te zijn tegen ischemie/reperfusieschade in vergelijking met wildtype, met een beter behouden ATP tijdens ischemie en een vermindering van de mate van contractuur tijdens ischemie. 91

In tegenstelling tot het debat over het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de stijging van [Na + ]l tijdens ischemie lijkt men het erover eens te zijn dat NHE primair verantwoordelijk is voor de stijging van [Na+]l aan het begin van de reperfusie. 84 Tijdens ischemie daalt de intracellulaire pH tot -6,0 en de extracellulaire pH wordt ook zuur. 92 Bij reperfusie is er nu met de normalisering van de extracellulaire pH een grote naar buiten gerichte protongradiënt die de binnenkomst van Na via NHE verhoogt. Zoals hierboven vermeld, wordt het Na dat binnenkomt snel geëxtrudeerd via de Na/K ATPase en de NCX, dus er is meestal weinig of geen meetbare stijging van [Na + ]l bij reperfusie boven de niveaus die aanwezig zijn aan het einde van ischemie. 72 Remming van NHE bij reperfusie resulteert in een lichte vertraging van het herstel van de pHl en een lichte vermindering van de zeer voorbijgaande stijging van [Na + ]l, 74 wat suggereert dat veel van het Na dat via NHE binnenkomt, door de pomp wordt geëxtrudeerd. De Na die wordt geëxtrudeerd door de omgekeerde modus van NCX neemt echter toe [Ca 2+]. Deze toename van [Ca 2+ ]l kan veel nadelige effecten hebben op de hartfunctie. Het kan de koppeling van excitatie/contractie veranderen, bijdragen aan het ontstaan ​​van aritmieën, proteasen activeren en de mitochondriën binnendringen en bio-energetica veranderen of zelfs celdoodroutes activeren. Het verminderen van Ca-invoer via NCX zou dus ischemie / reperfusieschade verminderen. Er is een aantal strategieën voorgesteld om de intrede van Ca via NCX te verminderen, waaronder het verminderen van [Na+]l toegang door NHE te remmen bij reperfusie (of ischemie en reperfusie), remming van omgekeerde modus van NCX en korte zure reperfusie. Remming van de stijging van [Na + ]l tijdens ischemie door remming van persistente Na-kanalen en/of stimulatie van de Na/K-ATPase tijdens ischemie en reperfusie kan ook gunstig zijn.

Lazdunski et al. stelden meer dan 20 jaar geleden93 voor dat remming van NHE bij het begin van reperfusie beschermend zou zijn. In diermodellen is aangetoond dat toevoeging van NHE-remmers vóór ischemie ischemie/reperfusieschade vermindert. 94,95 Toevoeging van NHE-remmers aan het begin van de reperfusie was beschermend in ongeveer 96, maar niet in alle 95 onderzoeken. Ondanks de gunstige effecten van NHE-remmers in preklinische onderzoeken, was een aantal grote klinische onderzoeken grotendeels negatief. 97 De reden voor het mislukken van de proeven is elders besproken. 28,84,98 De NHE-remmers werden meestal lang na het begin van de reperfusie gegeven, een tijd die in de dierstudies niet gunstig was. Het is mogelijk dat NHE-remmers nuttig zijn als ze worden gegeven tijdens ischemie of helemaal aan het begin van de reperfusie. Een gunstig effect werd waargenomen met behulp van een post-hocanalyse in een onderzoek waarin de NHE-remmer cariporide werd gegeven aan patiënten die een coronaire bypass-operatie ondergingen. 99 In een daaropvolgend onderzoek dat zich op CABG richtte, werd echter een hogere dosis cariporide gebruikt en werd stopgezet vanwege een verhoogde incidentie van beroerte. In het licht van recente gegevens die wijzen op anti-angineuze effecten van ranolazine, zou het interessant kunnen zijn om te testen of NHE-remmers vergelijkbare effecten hebben. Er is ook gesuggereerd dat NHE-remmers de post-ischemische ontwikkeling van hypertrofie verminderen. 29.100

Na kanaal

Een rol voor de persistente Na+ kanalen bij de stijging van [Na+]l tijdens ischemie wordt gesuggereerd omdat is aangetoond dat remmers van deze kanalen zoals TTX en lidocaïne de stijging van [Na+] verminderenl tijdens ischemie. 3,5,73 De vroege NHE-remmers blokkeerden echter ook persistente Na-kanalen en een deel van hun vermogen om ischemische [Na + ]l en bescherming tegen ischemische schade is toe te schrijven aan hun remming van Na-kanalen. 85 Het is aangetoond dat de persistente Na-kanalen actief zijn tijdens ischemie, maar (althans zoals beoordeeld door het ontbreken van effecten van TTX) lijken niet bij te dragen tijdens reperfusie. 73 Van ranolazine, een nieuw "anti-ischemisch" medicijn dat pyruvaatdehydrogenase 101 activeert (in feite was dit het oorspronkelijk beschreven werkingsmechanisme), is ook aangetoond dat het niet-inactiverende Na-kanalen remt. 102 Ranolazine vermindert de frequentie en symptomen van angina bij patiënten en zorgt voor een betere inspanningstolerantie en er is gemeld dat het de verhoging van het ST-segment vermindert, zonder nadelige effecten op de hemodynamiek, en er is ook gemeld dat het anti-aritmisch is. 103,104 Ondanks deze gunstige effecten verminderde ranolazine echter niet het primaire eindpunt van cardiovasculaire sterfte, infarct of terugkerende ischemie in de MERLIN-studie. 105 Het succes bij het behandelen van symptomen van angina met ranolazine zou erop kunnen wijzen dat voorbijgaande ischemie geassocieerd met angina leidt tot een toename van [Na+]l en dat het verminderen van deze stijging van [Na + ]l is een voordelige strategie. Opgemerkt moet worden dat ranolazine ook pyruvaatdehydrogenase activeert, wat ook zou kunnen bijdragen aan de gunstige effecten. Wang et al hebben echter gemeld dat de gunstige effecten van ranolazine niet worden gemedieerd door remming van het vetzuurmetabolisme. 106 De gunstige effecten van ranolazine bij de behandeling van angina zouden kunnen suggereren dat NHE-remmers ook beschermend zouden zijn bij angina pectoris. Het is ook interessant dat ranolazine weliswaar de symptomen van angina verminderde, maar de mortaliteit niet verminderde. Deze gegevens lijken erop te wijzen dat het verminderen van de stijging van [Na + ]l tijdens voorbijgaande ischemie, zoals optreedt bij angina, heeft op langere termijn geen gunstig effect op het verminderen van de mortaliteit. Dit kan een weerspiegeling zijn van de moeilijkheid om verbetering van de mortaliteit aan te tonen bovenop de huidige behandeling. Het zou interessant zijn om te zien of ranolazine de ontwikkeling van hypertrofie en/of hartfalen kan veranderen, zoals is gesuggereerd bij NHE-remmers.

Connexin Hemi-kanalen

Naast de goed gekarakteriseerde rol voor NHE en persistente Na-kanalen in de stijging van [Na+]l tijdens ischemie suggereren recente gegevens dat ischemie een niet-selectieve stroom door connexine (Cx) hemikanalen kan activeren. 37,107-110 Cx hemikanalen komen samen, één uit elke cel, om gap junctions te vormen. Deze hemikanaalvoorlopers van gap junctions zijn permeabel voor moleculen van minder dan ongeveer mR 1000. Zo'n kanaal zou de instroom van Na, Ca en andere ionen mogelijk maken. John et al. 107 rapporteerden dat Cx-hemikanalen worden geopend door metabole remming. De opening van zelfs een klein aantal van deze kanalen kan de homeostase van ionen ernstig verstoren. Er wordt gespeculeerd dat het openen van deze Cx-hemikanalen een stap kan zijn in het bevorderen van celdood. De exacte rol van Cx-hemikanalen bij iondisfunctie tijdens ischemie is niet duidelijk, maar er zijn enkele gegevens die suggereren dat remming van deze kanalen celzwelling tijdens ischemie kan verminderen. Het is ook interessant dat is aangetoond dat Cx43 zich met preconditionering naar de mitochondriën lokaliseert. 110a De regulatie van Cx43 tijdens ischemie is duidelijk complex en vereist verder onderzoek.

Mitochondriale transporters

Tijdens ischemie stopt het elektronentransport (zie figuur B) en elke mitochondriale pH-gradiënt zal waarschijnlijk verdwijnen. Dit zou de naar binnen gerichte Na-gradiënt verminderen of verdrijven (zie figuur B). Bovendien leidt ischemie tot het verlies van membraanpotentiaal, 111 en met een stijging van [Ca 2+ ]l en [Na + ]l tijdens ischemie kan de NVU omkeren en Ca in de matrix transporteren. Uitgaande van een cytosolische [Ca 2+ ] van 3000 nmol/L, en weinig of geen Na-gradiënt over de mitochondriën, zonder Δψ, zou NCE-evenwicht voorspellen dat matrix [Ca 2+ ] zeer vergelijkbaar zou zijn met de cytosolische [Ca 2+ ]. Met het verlies van Δψ zou de Ca uniporter worden geremd en zou NVU het evenwicht naderen. In overeenstemming met een omkering van de mitochondriale NCE tijdens ischemie, rapporteerden Griffith et al. 112 dat remming van mitochondriale NCE met CGP-37157 tijdens ischemie resulteert in een afname van de matrix [Ca 2+]. Tijdens reperfusie keert mitochondriale NVU terug naar de preischemische modus van het extruderen van Ca uit de matrix. Er zijn enkele interessante implicaties met betrekking tot omkering van mitochondriale NVU tijdens ischemie. Omkering van NVU zou Ca van het cytosol naar de matrix transporteren, waardoor [Ca 2+ ]l terwijl matrix Ca toeneemt. 112 De toename in matrix [Ca 2+ ] zou mitochondriaal dehydrogenase versterken, 53 waardoor NADH toeneemt, het zou ook F1F0 ATPase, 60 maar bij afwezigheid van zuurstof zou er weinig of geen elektronentransport zijn. De toename van zowel NADH als matrix [Ca 2+] zijn factoren waarvan gerapporteerd is dat ze de opening van de mitochondriale permeabiliteitstransitieporie (MPTP), 61 die geassocieerd is met celdood, versterken. De reductie in [Ca 2+ ]l zou de activering van door calcium geactiveerde proteasen en Ca-ATPase kunnen verminderen, maar deze beschermende effecten worden waarschijnlijk tenietgedaan door de nadelige effecten van verhoogde matrix [Ca2+] (dwz activering van MPTP). Het is interessant dat cardioprotectieve manoeuvres, zoals diazoxidebehandeling, de matrix [Ca2+] tijdens ischemie verminderen. 113 Bovendien is gemeld dat het anti-apoptotische eiwit Bcl-2 de activiteit van de mitochondriale NCE vermindert. 114 Deze gegevens suggereren dat remming van mitochondriale NCE tijdens ischemie een belangrijk therapeutisch doelwit zou kunnen zijn.

Hartfalen en hypertrofie

Er zijn een aantal recente beoordelingen geweest over wijzigingen in [Na + ]l tijdens hypertrofie en hartfalen. 7,8,115 We concentreren ons daarom op het samenspel tussen cytosolisch en mitochondriaal Na en het effect van veranderd mitochondriaal Na op de celfunctie. De meeste onderzoeken melden een toename van [Na + ]l tijdens hypertrofie en hartfalen, 8,9,115-118, hoewel niet allemaal een toename vonden. 119.120 Over het geheel genomen lijken de gegevens een toename van [Na + ]l bij hypertrofie en hartfalen bij de mens. Wat zijn de mechanismen die kunnen leiden tot deze toename van [Na + ]l en wat zijn de gevolgen?

Sarcolemmale instroompaden

Na kanaal

Pogwizd et al. 8 hebben gesuggereerd dat de stijging van [Na + ]l bij hartfalen is eerder toe te schrijven aan een grotere Na-instroom dan aan een verminderde Na-efflux. De initiële snelheid van Na-influx, gemeten onmiddellijk na remming van de Na/K ATPase, bleek ≈ 2-voudig groter te zijn in myocyten van falende harten in vergelijking met controle. 6 Met remmers tegen NHE, persistent Na-kanaal en NCX concludeerden Despa et al. 6 dat de stijging van [Na+] bij hartfalen voornamelijk te wijten is aan een verhoogde Na-influx via persistente Na-kanalen (zie figuur C) die geremd kunnen worden door TTX, lidocaïne of nieuwe medicijnen zoals ranolazine. 102 Deze bevinding zou kunnen wijzen op een gunstig effect van ranolazine bij het verminderen van de ontwikkeling van hypertrofie en/of hypertrofie na myocardischemie.

Na/H-uitwisseling

Baartscheer et al. hebben ook melding gemaakt van een toename van de Na-instroom bij hartfalen die kan worden geremd door cariporide (een NHE-remmer), wat een rol suggereert voor verhoogde Na-instroom door NHE bij hartfalen (zie figuur C). In overeenstemming met deze bevinding hebben een aantal onderzoeken aangetoond dat NHE-remmers de ontwikkeling van hartfalen kunnen blokkeren of afzwakken. 29,121,122 Het debat over de vraag of NHE- of Na-kanalen verantwoordelijk zijn voor de toename van Na tijdens hypertrofie is enigszins vergelijkbaar met de argumenten over de toename van [Na + ]l tijdens ischemie. Aanvullende studies zijn nodig om de vraag op te lossen, maar het is mogelijk dat beide bijdragen en dat hun relatieve bijdrage afhangt van het model.

Andere Na-instroompaden

Despa et al. 6 suggereren dat NCX niet bijdraagt ​​aan de stijging van [Na+]l tijdens hypertrofie. De bijdrage van andere Na-instroomroutes, zoals Cx-hemikanalen, tijdelijke receptorpotentiële kanalen en Na-bicarbonaattransporters, aan de toename van Na tijdens hypertrofie en hartfalen is niet in detail bestudeerd.

Sarcolemmal Na Efflux Pathways

Na/K-pomp

Er zijn gegevens die wijzen op zowel verminderde expressie als veranderde expressie van verschillende isovormen van de Na/K ATPase in sommige modellen van hartfalen. Zoals hierboven besproken, bevat de Na/K-ATPase a- en -subeenheden. Er zijn veranderingen in α-isovormen gemeld bij hypertrofie en hartfalen, hoewel er geen consistent patroon is. Studies die de activiteit van Na/K-ATPase bij hartfalen onderzoeken, zijn ook tegenstrijdig. Studies melden een afname van de Na-affiniteit zonder verandering in Vmax, 123 een daling in Vmax en geen verandering in Na-affiniteit, 124 en geen verandering in beide Vmax of Na-affiniteit. 6 Veranderingen in de fosforylering van PLM zouden ook de Na/K-ATPase-activiteit kunnen veranderen. Bossuyt et al. 125 rapporteerden dat bij hartfalen de PLM-expressie in sterkere mate wordt verlaagd dan de Na/K-ATPase en dat PLM meer wordt gefosforyleerd bij hartfalen. Alles bij elkaar genomen zouden deze waarnemingen wijzen op minder PLM-gemedieerde remming van de Na-pomp bij hartfalen.

Veranderingen in hartfalen en hypertrofie omvatten dus een afname in expressie van de Na/K ATPase zonder consistente verandering in activiteit en een afname in PLM samengaand met een toename in fosforylering van PLM. Er is gesuggereerd dat de veranderingen in PLM de afname in expressie zouden kunnen compenseren, waardoor het gebrek aan verschil in activiteit wordt verklaard. Op dit moment zijn de resultaten enigszins tegenstrijdig en is aanvullend onderzoek nodig.

Na/Ca-uitwisseling

Er zijn gegevens die wijzen op een toename van NCX-niveaus en/of activiteit met hypertrofie en hartfalen. 115,126,127 Er is voorgesteld dat deze toename in NCX zou kunnen helpen Ca uit de cel te verwijderen en gedeeltelijk te compenseren voor verminderde SERCA, die optreedt bij hartfalen. Daartegenover staat het feit dat de stijging van [Na + ]l bij hypertrofie en hartfalen zal de drijvende kracht voor Ca extrusie via NCX verminderen (zie de figuur, C) en zo bijdragen aan de toename van diastolische Ca die wordt waargenomen bij hartfalen. Het algehele effect hangt af van de relatieve veranderingen van NCX-expressie en [Na + ]l.

Mitochondriale transporters

Zoals hierboven besproken, is de toename van [Na + ]l tijdens hypertrofie en hartfalen is waarschijnlijk toe te schrijven aan verhoogde Na-invoer door het plasmamembraan, en de mitochondriale NCX draagt ​​niet bij aan deze stijging van [Na+]l. Echter, de stijging van [Na + ]l tijdens hartfalen is gesuggereerd om mitochondriaal [Ca 2+] te verlagen, als gevolg van een verhoogde Na-gradiënt over de mitochondriën en daarom een ​​grotere drijvende kracht voor Ca-efflux uit de mitochondriën via mitochondriale NCX (zie de figuur, C). 38 Uit een aantal onderzoeken is gebleken dat het verhogen van het cytosolische (of extramitochondriale) [Na+] resulteert in een afname van de matrix [Ca 2+]. 38,59 Er is echter ook een toename van diastolische Ca met hypertrofie waarvoor Ca-extrusie tegen een grotere gradiënt nodig is. Een toename van [Ca 2+ ]l zal ook de opname door de Ca uniporter verhogen. Bovendien wordt met een elektrogene NVU, 49,52, het mitochondriale membraanpotentieel een factor, en het zou kunnen veranderen tijdens hartfalen. Een afname van het mitochondriale membraanpotentieel zou de neiging hebben om de stimulatie van de NVU te compenseren die zou optreden bij een toename van cytosolisch Na. Een andere factor is de mitochondriale pH-gradiënt, die blijkbaar de Na-gradiënt bepaalt, en als de matrix-pH wordt gewijzigd tijdens hartfalen, zou dit de Na-gradiënt kunnen veranderen. Het is dus moeilijk om a priori te voorspellen welk effect hartfalen zal hebben op mitochondriaal [Na+] en [Ca 2+]. Ondanks deze zorgen suggereren de gegevens van Liu et al 38 dat de toename van [Na+]l dat optreedt bij hartfalen, kan de mitochondriale [Ca 2+ ] en mitochondriale energie veranderen. Ze toonden aan dat een toename van [Na + ]l verminderde mitochondriale [Ca 2+ ] en verhoogde oxidatie van mitochondriaal NADH. Ze toonden verder aan dat myocyten van falende harten een hogere [Na+]l (16,8 versus 5,2 mmol/L in de controle) en netto-oxidatie van NADH trad op bij stimulatie. Behandeling van falende myocyten met de mitochondriale NCE-remmer CGP-37157 blokkeerde de oxidatie van NADH die optrad wanneer falende myocyten werden gestimuleerd. Deze gegevens tonen aan dat remming van mitochondriale NCE de productie van NADH verhoogt, die, zoals hierboven besproken, plaatsvindt via Ca-geactiveerde NADH-gekoppelde dehydrogenasen. Dus deze vermindering van mitochondriaal [Ca 2+], secundair aan verhoogde [Na+]l, zou aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor mitochondriale [Ca 2+ ] en energie.

Conclusie

Hoewel er veel werk is verricht aan de fluxen van natrium door zowel het oppervlaktemembraan als de mitochondriale membranen, is het duidelijk dat een volledig begrip van de natriumregulatie, met name bij ziekten, ons nog steeds ontgaat. Toekomstige studies zullen de regulatie van mitochondriale iontransporters moeten ophelderen en hoe ze interageren met plasmamembraantransporters om ionen en metabolisme in het hart te reguleren tijdens fysiologie en ziekte.

Origineel ontvangen op 8 oktober 2008 revisie ontvangen op 25 november 2008 geaccepteerd op 15 december 2008.


Natriumconcentratie tijdens het genereren van actiepotentiaal - Biologie

Het doel van deze pagina is om het tweede artikel van Hodgkin en Huxley samen te vatten. In dit artikel onderzochten ze de stromen die werden gecreëerd door de beweging van natriumionen en kaliumionen door het neuronmembraan. Hun artikel ging over het uitzoeken welke ionenstroom bij elke fase van de membraanstroom hoort. Deze informatie kan later worden gebruikt om een ​​wiskundige vergelijking te maken om de ionenstromen te beschrijven. Deze wiskundige vergelijkingen kunnen vervolgens worden gebruikt in het model van Hodgkin en Huxley.

Het experiment

Dit artikel gaat over het identificeren van welke ionen worden geassocieerd met verschillende fasen van de actiepotentiaal. Dit werd bereikt met behulp van de spanningsklemmethode die ze eerder hadden ontwikkeld. Het bleek dat wanneer de membraanpotentiaal werd verlaagd vanaf zijn rustwaarde met een hoeveelheid tussen 10mV en 100mV, de initiële stroom naar binnen was, tegengesteld aan de stroomrichting die in eerdere experimenten was opgemerkt.Hodgkin en Huxley dachten dat deze verandering in de richting van de stroom kon worden veroorzaakt door de natriumconcentratie in de externe omgeving te veranderen. Eerder was er enig bewijs dat de stijgende fase van de actiepotentiaal werd veroorzaakt door de instroom van natrium. Dit kan het fenomeen verklaren dat ze hebben waargenomen. Om hun hypothese te testen, voerden Hodgkin en Huxley een spanningsklem-experiment uit waarbij ze de externe oplossing waarin het axon was ondergedompeld, veranderden. De controle was normaal zeewater. De gewijzigde oplossing had een verlaagde natriumconcentratie.

(Chemische stoffen in zeewater buiten natrium)

Resultaten
Toen de externe natriumconcentratie tot nul werd teruggebracht, verdween de ingaande stroom en werd vervangen door een vroege bult van de uitgaande stroom. De late uitgaande stroom was slechts licht gewijzigd, met een stabiel niveau dat 15-20% lager was in de natriumvrije omgeving. Kortom, de beginfase van de binnenwaartse stroom die normaal wordt geassocieerd met depolarisatie, werd omgekeerd toen het natrium in de externe omgeving tot nul werd verlaagd. Deze resultaten komen kwalitatief overeen met hun hypothese dat de binnenwaartse stroom wordt gedragen door natriumionen. Een reden dat de vertraagde uitgaande stroom niet wordt beïnvloed door veranderingen in de natriumconcentratie, zou kunnen zijn dat deze component in de actiepotentiaal grotendeels te wijten is aan de beweging van kaliumionen.

In een oplossing met een verlaagde natriumconcentratie liggen de resultaten, zoals verwacht, tussen een natriumvrije oplossing en een natriumrijke oplossing. De Nerst-vergelijking kan worden gebruikt om te kwantificeren hoe de natriumpotentiaal wordt beïnvloed door de natriumconcentratie. Het bleek dat er veel overeenstemming was tussen de experimentele natriumpotentiaalresultaten en de theoretische resultaten op basis van de Nerst-vergelijking. Op voorwaarde dat er aanvankelijk natrium in de externe omgeving was, is het mogelijk om een ​​kritische potentiaal te vinden waarboven de beginfase van de ionenstroom naar binnen is en waaronder de beginfase naar buiten is. Normaal gesproken was deze kritische potentiaal 100 mV, hoewel deze op dezelfde manier varieerde met de externe natriumconcentratie als de potentiaal van een natriumelektrode. Deze resultaten suggereren dat depolarisatie leidt tot een snelle verandering in permeabiliteit voor natriumionen. De beweging van natriumionen na deze verandering in permeabiliteit draagt ​​de beginfase van de ionenstroom.

Ionische stroom scheiden in componenten
Er moesten enkele aannames worden gedaan om de ionenstroom te kunnen scheiden in zijn componenten, de natriumstroom en de kaliumstroom. Ten eerste moet het tijdsverloop van de kaliumstroom hetzelfde zijn in het geval dat er een laag natriumgehalte is als in het geval dat er een hoge natriumconcentratie is. Ten tweede is het tijdsverloop van de natriumstroom vergelijkbaar in de twee gevallen (hoog en laag natrium). De amplitude en de richting kunnen tussen de twee gevallen worden gewijzigd, maar de tijdschaal en de vorm van het tijdsverloop moeten hetzelfde blijven. Ten derde moet de veranderingssnelheid van de kaliumstroom nul zijn gedurende ongeveer 1/3 van de periode die de natriumstroom nodig heeft om zijn maximum te bereiken.

Met behulp van deze aannames werd een reeks experimenten ontworpen voor deze analyse. Het tijdsverloop van de natrium- of kaliumpermeabiliteit wanneer het axon in de gedepolariseerde toestand wordt gehouden, wordt gevonden door conductantie te gebruiken als een maat voor permeabiliteit. Er werden drie series spanningsklemrecords genomen. De eerste was in de oplossing in kwestie. De tweede was in de tegenovergestelde oplossing. De derde zat weer in de betreffende oplossing. De records van de spanningsklemmen in deze serie werden vervolgens vergeleken. De stroom van de membraancondensator werd afgetrokken. Elk paar records (de eerste en de derde) werd gemiddeld om rekening te houden met veroudering van het neuron in de tijd.

Het verschil in rustpotentiaal werd verklaard door interpolatie. Het bleek dat de natriumgeleiding snel tot een maximum stijgt en vervolgens langs een exponentiële curve afneemt. De kaliumgeleiding stijgt langzamer langs een S-vormige curve en wordt gedurende langere tijd op een hoog niveau gehouden. De maximale natrium- en kaliumgeleiding waren ongeveer 30 mmho/cm2 bij een depolarisatie van 100mV.

Figuur 1: Illustratie van de scheiding van ionenstroom in natriumstroom en kaliumstroom. I is in zeewateroplossing. I' zit in 10% natrium-zeewateroplossingen.

Figuur 2: Natrium (a) en kalium (b) conductanties. Verplaatsing van membraanpotentiaal voor elk record wordt gegeven langs de y-as. Axon in zeewater.


Ionendynamiek in niet-neuronale celtypen en subcellulaire compartimenten

Tot nu toe hebben we ons gericht op ionenconcentratiegradiënten over het neuronale membraan. Het is belangrijk op te merken dat astrocyten verweven zijn in het weefsel van neuronale netwerken waar ze, net als neuronen, een groot aantal eiwitten tot expressie brengen die bepaalde ionenconcentratiegradiënten over hun membranen tot stand brengen. Door de ionenconcentraties in de extracellulaire ruimte te beïnvloeden, moduleren astrocyten ook de ionenconcentratiegradiënten die essentieel zijn voor synaptische transmissie en netwerkprikkelbaarheid. Een van de best beschreven rollen voor astrocyten omvat de controle van extracellulair K+ zoals beschreven in de kaliumsectie hierboven. Astrocyten werken als een K+ “sink” die overmatige extracellulaire opbouw van K+ tijdens neuronale activiteit voorkomt. In de context van epileptische activiteit is er inderdaad toenemend bewijs van diermodellen en weefsel dat is weggesneden van patiënten met temporale kwab-epilepsie, dat astrocytische disfunctie een significante rol speelt bij epileptogenese, in het bijzonder met betrekking tot extracellulaire K+-regulatie (Hinterkeuser et al., 2000 Steinhöx000E4user en Seifert, 2002 Wallraff et al., 2006 Bedner et al., 2015).

In vergelijking met neuronale onderzoeken hebben metingen van de dynamiek van de intra-astrocytische ionenconcentratie tijdens epileptiforme activiteit veel minder aandacht gekregen. Niettemin wordt aangenomen dat verhoogde netwerkactiviteit resulteert in een toename van intra-astrocytisch Ca 2+, Na+ en K+, evenals een intra-astrocytische alkalinisatie (Chesler en Kraig, 1989 Walz, 2000 Volterra et al., 2014 Karus et al. al., 2015). De richting van de activiteit-geïnduceerde astrocytische Cl − flux is nog vrij onduidelijk, hoewel GABAEENEr is gesuggereerd dat R-activering resulteert in Cl −-efflux van astrocyten (Egawa et al., 2013). Als deze veranderingen ook duidelijk worden tijdens een aanval, wordt verwacht dat astrocytische beweging van K+ en H+ de door aanvallen veroorzaakte veranderingen in de concentratie van deze ionen in neuronen zal verbeteren. Ondertussen zou de astrocytische beweging van Ca 2+ en Na + het tegenovergestelde effect hebben en de veranderingen in neuronen verergeren. Het bepalen van de relevantie van ionendynamiek in verschillende celtypen voor de voortplanting en beëindiging van aanvallen vormt een interessant gebied voor toekomstig onderzoek.

Naast de celtype-specifieke controle van ionenconcentratiegradiënten, kunnen verschillende subcellulaire compartimenten binnen een individueel neuron of astrocyt ook verschillen in ionenconcentratie vertonen. Dergelijke subcellulaire verschillen kunnen het gevolg zijn van het expressiepatroon van ionentransporters, of de specifieke instroom van ionensoorten in verschillende regio's van een cel. Lokale concentratieveranderingen als gevolg van ionische fluxen over het membraan zijn een functie van de diffusie- en ionentransporteigenschappen van het betreffende compartiment, evenals het volume. Een bepaalde ionenstroom zal bijvoorbeeld een grotere concentratieverandering veroorzaken in een klein intracellulair compartiment, vergeleken met een compartiment met een groot volume. Experimentele en computationele studies hebben inderdaad aangetoond dat een flux van Cl − een grotere verandering zal veroorzaken in [Cl − ]l en daarom EGABA wanneer Cl−-lading plaatsvindt binnen dendrieten, dan in de soma (Staley en Proctor, 1999 Raimondo et al., 2012b). Zoals besproken in voorgaande paragrafen, is dit ook relevant voor de instroom van Na+ en Ca2+ geassocieerd met activiteit-geïnduceerde glutamaterge geleiding op dendritische stekels. De ionische veranderingen die optreden tijdens een aanval zijn daarom een ​​functie van de plaats van flux en de eigenschappen van het betreffende compartiment. Recent bewijs is naar voren gekomen dat, in ieder geval binnen in vitro modellen van aanvallen, sterke rekrutering van op soma gerichte parvalbumine die interneuronen tot expressie brengt, betekent dat de plaats van maximale Cl-accumulatie plaatsvindt binnen somatische in tegenstelling tot dendritische regio's van hippocampale piramidale neuronen (Ellender et al., 2014). Het is echter redelijk om te zeggen dat subcellulaire verschillen in door aanvallen veroorzaakte ionische veranderingen en hun functionele relevantie voor aanhoudende pathologische activiteit slecht zijn beschreven. Dit is daarom een ​​onderzoeksgebied dat enorm zou moeten profiteren van de vooruitgang in genetisch gecodeerde ionensensoren en gerelateerde optogenetische technieken.


Een model van cardiale elektrische activiteit met ionische pompen en concentratieveranderingen

Er zijn vergelijkingen ontwikkeld om cardiale actiepotentialen en pacemakeractiviteit te beschrijven. Het model houdt rekening met uitgebreide ontwikkelingen in experimenteel werk sinds de formulering van de M.N.T. (R.E. McAllister, D. Noble en R.W. Tsien, J. Physiol., Lond. 251, 1-59 (1975)) en B.R. (G.W. Beeler en H. Reuter, J. Physiol., Londen. 268, 177-210 (1977)) vergelijkingen. Het huidige mechanisme lK2 is vervangen door de hyperpolariserende geactiveerde stroom, lF. Uitputting en accumulatie van kaliumionen in de extracellulaire ruimte worden weergegeven door partiële differentiaalvergelijkingen voor diffusie in cilindrische of bolvormige preparaten of, wanneer een dergelijke nauwkeurigheid niet essentieel is, door een driecompartimentenmodel waarin de extracellulaire concentratie in de intercellulaire ruimte uniform is . De beschrijving van de vertraagde K-stroom, lK, blijft gebaseerd op het werk van D. Noble en R. W. Tsien (J. Physiol., Londen. 200, 205-231 (1969een)). De onmiddellijke binnenwaartse gelijkrichter, lK1, is gebaseerd op de vergelijking van S. Hagiwara en K. Takahashi (J. Membraan Biol. 18, 61-80 (1974)) en op de patch-clamp-onderzoeken van B. Sakmann en G. Trube (J. Physiol., Londen. 347, 641-658 (1984)) en van Y. Momose, G. Szabo en W.R. Giles (Biofysica. J. 41, 311a (1983)). De vergelijkingen verklaren met succes alle eigenschappen die voorheen werden toegeschreven aan lK2, evenals het geven van meer volledige beschrijvingen van lK1 en lK. De natriumstroomvergelijkingen zijn gebaseerd op experimentele gegevens van T.J. Colatsky (J. Physiol., Londen. 305, 215-234 (1980)) en A.M. Brown, K.S. Lee en T. Powell (J. Physiol., Londen., Londen. 318, 479-500 (1981)). De vergelijkingen reproduceren correct het bereik en de grootte van de natrium 'venster'-stroom. De tweede inwaartse stroom is gedeeltelijk gebaseerd op de gegevens van H. Reuter en H. Scholz (J. Physiol., Londen. 264, 17-47 (1977)) en K.S. Lee en R.W. Tsien (Natuur, Londen. 297.498-501 (1982)) voor zover het de ionenselectiviteit betreft. De kinetiek van activering en inactivatie is echter aanzienlijk versneld om de veel snellere stromen te reproduceren die in recent werk zijn geregistreerd. Een belangrijk gevolg van deze verandering is dat Ca-stroominactivatie meestal zeer vroeg in het actiepotentiaalplateau plaatsvindt. De vergelijkingen van de natrium-kaliumuitwisselingspomp zijn gebaseerd op gegevens die zijn gerapporteerd door D.C. Gadsby (Proc. nat. Acad. Wetenschap. VS. 77, 4035-4039 (1980)) en door D.A. Eisner en W.J. Lederer (J. Physiol., Londen. 303, 441-474 (1980)). De uitwisselingsstroom van natrium-calcium is gebaseerd op de vergelijkingen van L.J. Mullins (J. gen.. Fysiol. 70, 681-695 (1977)). Intracellulaire calciumsequestratie wordt weergegeven door eenvoudige vergelijkingen voor opname in een reticulum-opslag die vervolgens een release-opslag opnieuw primeert. De repriming-vergelijkingen gebruiken de gegevens van W.R. Gibbons & H.A. Fozzard (J. gen. fysio. 65, 367-384 (1975B)). In navolging van het werk van Fabiato en Fabiato (J. Physiol., Londen. 249, 469-495 (I975)), wordt aangenomen dat Ca-afgifte wordt veroorzaakt door intracellulair vrij calcium. De vergelijkingen reproduceren de essentiële kenmerken van intracellulaire vrije calciumtransiënten zoals gemeten met aequorine. Het verklarende bereik van het model omvat en breidt dat van de M.N.T. vergelijkingen. Ondanks de grote veranderingen die zijn aangebracht, lijkt het algemene tijdsverloop van de geleidingsveranderingen naar kaliumionen sterk op die van de M.N.T. model. Er zijn echter belangrijke verschillen in het tijdsverloop van Na- en Ca-geleidingsveranderingen. De Na-geleiding bevat nu een component vanwege de hyperpolariserende geactiveerde stroom, lR, die langzaam toeneemt tijdens de depolarisatie van de pacemaker. De Ca-geleidingsveranderingen zijn veel sneller dan in de M.N.T. model zodat in actiepotentialen langer dan ongeveer 50 ms de primaire bijdrage van het snelle gepoorte calciumkanaal aan het plateau te wijten is aan een stabiele 'window'-stroom of niet-geïnactiveerde component. Langzamere calcium- of Ca-geactiveerde stromen, zoals de Na-Ca-uitwisselingsstroom, of Ca-gated stromen, of een veel langzamer Ca-kanaal moeten dan de dynamische rol spelen die eerder werd toegeschreven aan de kinetiek van een enkel type calciumkanaal. Dit kenmerk van het model betekent op zijn beurt dat het repolarisatieproces gerelateerd moet zijn aan de inotrope toestand, zoals blijkt uit experimenteel werk. Het model reproduceert met succes intracellulaire natriumconcentratieveranderingen die worden veroorzaakt door variaties in [Na]0- of Na-K-pompblok. De natriumafhankelijkheid van het overshootpotentieel wordt goed gereproduceerd ondanks het feit dat intracellulair Na in stabiele toestand evenredig is aan extracellulair Na, zoals in de experimentele resultaten van D. Ellis J. Physiol., Londen. 274, 211-240 (1977)). Het model reproduceert de reacties op stroompulsen die worden toegepast tijdens de plateau- en pacemakerfasen. In het bijzonder wordt een substantiële netto afname in conductantie voorspeld tijdens de depolarisatie van de pacemaker, ondanks het feit dat het regelproces een toename in conductantie is voor de hyperpolariserende geactiveerde stroom. De onmiddellijke effecten van het veranderen van extracellulair [K] worden gereproduceerd, waaronder: (i) de verkorting van de actiepotentiaalduur en onderdrukking van de activiteit van de pacemaker bij hoge [K] (ii) de verhoogde automatisering bij matig lage [K] en (iii) de depolarisatie tot het plateaubereik met voortijdige depolarisaties en lage spanningsoscillaties bij zeer lage [K]. De ionenstromen die worden toegeschreven aan veranderingen in de activiteit van de Na-K-pomp worden goed weergegeven. Het blijkt dat de schijnbare Km voor K is de activering van de pomp sterk afhankelijk van de grootte van de beperkte extracellulaire ruimte. Met een ruimte van 30% (zoals in Purkinje-vezels voor honden) is de schijnbare Km ligt dicht bij de veronderstelde reële waarde van 1 mM. Wanneer de extracellulaire ruimte wordt teruggebracht tot minder dan 5%, wordt de schijnbare Km neemt toe met een orde van grootte. Een substantieel deel van de pomp is dan niet beschikbaar voor remming door lage [K]B. Deze resultaten kunnen de schijnbare discrepanties in de literatuur over de Km voor pompactivering.


Referenties

  • Attwell D, Cohen I, Eisner D, Ohba M & Ojeda C. (1979). De steady-state TTX-gevoelige ("venster") natriumstroom in cardiale Purkinje-vezels. Pflügers Archiv, European Journal of Physiology 379, 137-142.
  • Bruine HF, DiFrancesco D & Noble SJ. (1979) Hoe versnelt adrenaline het hart? Natuur, 280, 235-236
  • DiFrancesco D. (1981a) Een nieuwe interpretatie van de pacemaker huidige iK2 in Purkinje-vezels van de kuit. Journal of Physiology 314, 359-376
  • DiFrancesco D. (1981b) Een onderzoek naar de ionische aard van de pacemakerstroom in Purkinje-vezels van de kuit. Journal of Physiology 314, 377-393
  • Hall AE, Hutter OF & Noble D. (1963). Stroom-spanningsrelaties van Purkinje-vezels in natriumarme oplossingen. Journal of Physiology 166, 225-240.
  • Hutter OF & Noble D. (1960). Herstellende eigenschappen van de hartspier. Natuur 188, 495.
  • Kiyosue T & Arita M. (1989). Late natriumstroom en zijn bijdrage aan de actiepotentiaalconfiguratie in ventriculaire myocyten van cavia's. Oplageonderzoek 64, 389-397.
  • Maltsev VA, Sabbah HN, Higgins RSD, Silverman N, Lesch M & Undrovinas AI. (1998). Nieuwe, ultraslow inactiverende natriumstroom in menselijke ventriculaire myocyten. Oplage 98, 2545-2552.
  • Edele D. (1962). Een wijziging van de Hodgkin-Huxley-vergelijkingen die van toepassing zijn op Purkinje-vezelactie en pacemakerpotentialen. Journal of Physiology 160, 317-52 [PubMed].
  • Noble D. (1984) Het verrassende hart: een overzicht van de recente vooruitgang in cardiale elektrofysiologie. Journal of Physiology 353: 1-50
  • Edele D. (2006). De muziek van het leven. OUP, Oxford.
  • Edele D. (2007). Van het Hodgkin-Huxley-axon tot het virtuele hart. Journal of Physiology 580, 15-22.
  • Reuter H. (1967). De afhankelijkheid van langzame inwaartse stroom in Purkinje-vezels van de extracellulaire calciumconcentratie. Journal of Physiology 192, 479-492.
  • Sakmann BFAS, Spindler AJ, Bryant SM, Linz KW & Noble D. (2000). Verdeling van een aanhoudende natriumstroom over de ventriculaire wand bij cavia's. Oplageonderzoek 87, 910-914.
  • Weidmann S. (1956). Elektrofysiologie der Herzmuskelfaser. Huber, Bern.
  • Zygmunt AC, Eddlestone GT, Thomas GP, Nesterenko VV & Antzelevitch C. (2001). Grotere late natriumgeleiding in M-cellen draagt ​​bij aan elektrische heterogeniteit in de ventrikel van de hond. American Journal of Physiology 281, H689-697.
  • James Sneyd (2007) Modellen van calciumdynamica. Scholarpedia, 2 (3): 1576.
  • Jeff Moehlis, Kresimir Josic, Eric T. Shea-Brown (2006) Periodieke baan. Scholarpedia, 1(7):1358.
  • John W. Moore (2007) Spanningsklem. Scholarpedia, 2 (9): 3060.