Em formação

Ambiguidade sobre a relação entre o potencial de membrana e gradiente de concentração em células neuronais


Estou preso a uma ambigüidade sobre os potenciais de equilíbrio das células neuronais. O seguinte texto foi retirado do site khanacademy:

Em uma parte é dito que:

Começaremos com K em uma concentração mais alta dentro da célula do que no fluido circundante, assim como para um neurônio normal. (Outros íons também estão presentes, incluindo ânions que contrabalançam a carga positiva em K, mas eles não serão capazes de atravessar a membrana em nosso exemplo).

Se os canais de potássio na membrana se abrirem, o K começará a descer seu gradiente de concentração e para fora da célula. Cada vez que um íon K deixa a célula, o interior da célula perde uma carga positiva. Por causa disso, um ligeiro excesso de carga positiva se acumula na parte externa da membrana celular e um leve excesso de carga negativa no interior. Ou seja, o interior da célula torna-se negativo em relação ao exterior, configurando uma diferença no potencial elétrico através da membrana.

À medida que o potássio continua a deixar a célula, separando mais cargas, o potencial de membrana continua a crescer. Assim, a voltagem da membrana de construção é uma força crescente que age contra a tendência do movimento líquido dos íons de potássio para baixo no gradiente de concentração de potássio.

Eventualmente, a diferença de potencial elétrico através da membrana celular aumenta a um nível alto o suficiente para que a força elétrica conduzindo K de volta para a célula seja igual à força química conduzindo K para fora da célula. Quando a diferença de potencial através da membrana celular atinge esse ponto, não há movimento líquido de K em nenhuma das direções e o sistema é considerado em equilíbrio. Cada vez que um K sai da célula, outro K vai entrar.

Em outra parte é dito que:

A diferença de potencial elétrico através da membrana celular que equilibra exatamente o gradiente de concentração de um íon é conhecida como potencial de equilíbrio. Como o sistema está em equilíbrio, o potencial de membrana tenderá a permanecer no potencial de equilíbrio. Para uma célula onde há apenas uma espécie iônica permeante (apenas um tipo de íon que pode atravessar a membrana), o potencial de membrana em repouso será igual ao potencial de equilíbrio para aquele íon.

Quanto mais íngreme for o gradiente de concentração, maior deve ser o potencial elétrico que o equilibra. Você pode ter uma ideia intuitiva disso imaginando as concentrações de íons em ambos os lados da membrana como colinas de tamanhos diferentes e pensando no potencial de equilíbrio como a força que você precisa exercer para evitar que uma rocha role pelas encostas entre eles .

Concluí as duas seguintes informações do texto acima:

  1. Quanto mais perto chegamos do estado de equilíbrio, o potencial de membrana diminui porque o gradiente de concentração diminui. (Quanto mais íngreme o gradiente de concentração, maior deve ser o potencial elétrico que o equilibra)

  2. Quanto mais perto chegamos do estado de equilíbrio, o potencial de membrana aumenta, porque os íons positivos deixam a célula.

Como resolver esse paradoxo?


Eu interpreto sua pergunta como sendo aproximadamente: "o potencial de equilíbrio é baseado em uma diferença de concentração, mas conforme os íons se movem para criar o potencial elétrico, a diferença de concentração está mudando. Por que isso, por sua vez, não muda o potencial de equilíbrio de tal forma que as concentrações tornam-se iguais e o potencial torna-se zero? "

Se estou certo ...

A resposta ao seu paradoxo é que muito poucos íons precisam se mover.

O número de íons de potássio que teriam que se mover através da membrana para estabelecer o potencial de membrana em repouso é pequeno. As forças elétricas são muito fortes. O desequilíbrio em íons não afeta as concentrações dentro e fora de forma apreciável.

Para uma célula típica, 1 microcoulomb de carga (6 × 10 ^ 12 íons monovalentes) por centímetro quadrado de membrana, transferido de um lado da membrana para o outro, altera o potencial da membrana em cerca de 1 V. Isso significa, por exemplo, que em uma célula esférica de diâmetro de 10 μm, o número de íons K + que precisam fluir para alterar o potencial de membrana em 100 mV é apenas cerca de 1 / 100.000 do número total de íons K + no citosol.

de Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2002). Canais iônicos e as propriedades elétricas das membranas.

No entanto, como as membranas também são um pouco permeáveis ​​ao sódio e porque os potenciais de ação e a transmissão sináptica permitem que alguns íons adicionais fluam através da membrana, se você der um tempo infinito, eventualmente as concentrações de íons dentro e fora se equalizariam, e o potencial de membrana se igualaria eventualmente será zero. A bomba de sódio-potássio resolve esse problema, continuando a manter o potássio alto e o sódio baixo dentro da célula.


Sua primeira dedução está errada. A frase realmente significa que com uma diferença de concentração maior na condição inicial, eventualmente, deveria haver um potencial elétrico mais alto para satisfazer o potencial químico oposto. A dinâmica do sistema pode ser descrita por uma função exponencial. Quanto mais perto do potencial de equilíbrio chegarmos, menor será a taxa de aproximação do estado final, ou seja, a taxa de escalada do potencial elétrico será. Observe que, na realidade, isso não afeta realmente as concentrações, pois uma pequena quantidade de troca iônica pode gerar uma quantidade considerável de potencial elétrico.


A interação entre o potencial eletrostático da membrana e as mudanças conformacionais nas proteínas da membrana

Correspondência para: Xuejun C. Zhang, Laboratório Nacional de Biomacromoléculas, Centro CAS para Excelência em Biomacromoléculas, Instituto de Biofísica, Academia Chinesa de Ciências, 15 Datun Road, Pequim 100101, China. E-mail: [email protected] Pesquise mais artigos deste autor

Laboratório Nacional de Biomacromoléculas, Centro CAS para Excelência em Biomacromoléculas, Instituto de Biofísica, Academia Chinesa de Ciências, Pequim, China

Universidade da Academia Chinesa de Ciências, Pequim, China

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Responder

A base iônica do potencial de membrana é um conflito entre dois processos físicos fundamentais: as "forças" difusivas e elétricas agindo sobre os íons. Como todas as partículas, os íons preferem se espalhar, ao invés de aglomerados - eles preferem um estado com maior entropia, ou desordem. No entanto, se as cargas são equilibradas em um sistema e, em seguida, os íons de uma determinada carga se espalham, deixando para trás os íons da outra carga, eles criam um desequilíbrio de carga - um potencial elétrico.

É exatamente isso que ocorre na célula, onde moléculas com carga negativa, como o DNA e outros ânions orgânicos, são impedidas de se difundir pela membrana, mas existem canais especiais que permitem a passagem de íons monoatômicos, como o Na +. A diferença de carga resultante estabelece um potencial elétrico - e, portanto, uma força elétrica que tenta equalizar a carga dentro e fora da célula.

O resultado de colocar a força elétrica e a força difusiva em conflito uma com a outra é um equilíbrio - um ponto em que os fluxos causados ​​por cada força são iguais e opostos. Em geral, os íons individuais têm um efeito maior na carga e no potencial do que na concentração, então chamamos esse estado de equilíbrio do sistema de "potencial de equilíbrio" ou "potencial de repouso", em vez de "concentração de equilíbrio".

Caso de íon único: a equação de Nernst

Podemos quantificar o valor do potencial elétrico neste ponto, seguindo essa explicação intuitiva com alguma física velha e boa. Para uma única espécie iônica $ X $, o processo é direto o suficiente para que reproduzi uma derivação de esboço na parte inferior deste post, para os tipos matemáticos. A equação resultante é chamada de "Equação de Nernst", em homenagem a seu descobridor, Walther Nernst:

Vamos falar sobre o primeiro semestre. Dois de seus componentes são apenas constantes que relacionam nossas unidades. R é a constante de gás ideal, que relaciona nossas unidades de energia às unidades de temperatura. F é a constante de Faraday, igual à carga, em coulombs, por mol de elétron - relaciona nossas unidades de carga às nossas unidades de concentração. T é apenas a temperatura. Se presumirmos que estamos falando de uma criatura de sangue quente e escolhermos medir os potenciais elétricos com miliVolts, podemos simplificar esses três termos em um número - cerca de 25:

Isso não é tão assustador! Também fica melhor: z é a carga do íon, que é apenas um dos três números em um contexto biológico: +1, -1 ou +2

Portanto, o principal fator determinante para o potencial de equilíbrio de um íon é a razão das concentrações do íon fora e dentro da célula. O logaritmo é igual a 0 quando seu argumento é 1. Nesse caso, o potencial de repouso é 0: se as concentrações no interior e no exterior são iguais, então não há força difusiva e, portanto, nada para um potencial elétrico se equilibrar. Se o íon for positivo, então o sinal da diferença de potencial de repouso é o mesmo que o sinal do logaritmo da razão de suas concentrações externas e internas. Ter mais íons fora da célula do que dentro dará uma razão maior que 1 e, portanto, um valor positivo do logaritmo. Portanto, os fluxos serão equilibrados quando a célula for positiva em relação ao ambiente extracelular. Essa carga positiva cria um campo elétrico que repele os íons carregados positivamente que, de outra forma, fluiriam para baixo em seu gradiente de concentração e para dentro da célula. Para um íon carregado negativamente, o sinal negativo de $ z $ inverte o sinal do potencial de equilíbrio e obtemos exatamente a mesma história, mutatis mutandis.

Múltiplos íons: Equação Goldman-Hodgkin-Katz

Na discussão anterior, consideramos apenas células com membranas permeáveis ​​a uma espécie iônica. As coisas ficam um pouco mais complicadas para íons múltiplos, uma vez que seus campos elétricos se somam, enquanto suas tendências difusivas são totalmente independentes. Portanto, não estamos mais procurando a voltagem na qual qualquer íon individual tem um fluxo líquido de 0 - em vez disso, estamos procurando a voltagem na qual o fluxo líquido de todos os íons é 0. Nesse potencial, não há rede fluxo de cobrar, e assim o potencial da membrana não mudará com o tempo.

Como você pode imaginar, podemos levar em conta vários fluxos difusivos, adicionando-os - dois fluxos de saída precisam ser cancelados por um fluxo de entrada com o dobro do tamanho. No entanto, nem todos os fluxos são criados iguais. Os membreanes biológicos são seletivamente permeável - em vez de ter orifícios físicos simples para o fluxo de íons, as membranas têm proteínas seletivas chamadas [canais iônicos] http://charlesfrye.github.io> / 18) que apenas permite a passagem de íons de uma determinada espécie.

Se houver uma diferença de concentração muito grande, mas nenhum ou muito poucos orifícios na membrana para o íon fluir, então muito poucos íons fluirão - imagine um balão de água com um orifício de agulha no fundo em comparação com um com um pedaço retirado Fora. Portanto, precisamos levar o relativo permeabilidades dos íons em consideração.

A equação resultante assumindo que todos os íons têm uma carga de 1 ou -1, que funciona bem para a maioria dos contextos de neurociência, é o Equação Goldman-Hodgkin-Katz:

Aqui p significa permeabilidade. Observe que estamos fazendo duas somas separadas, uma para íons positivos e outra para íons negativos. Observe ainda que os argumentos são diferentes para essas duas somas: a razão para íons negativos é "de cabeça para baixo" em relação à razão para íons positivos. Ou seja, no topo da proporção, estamos somando as concentrações de íons positivos fora da célula, mas as concentrações de íons negativos fora da célula, enquanto a situação é inversa na parte inferior.

A razão algébrica para esta situação é bastante simples: o z do lado de fora do log de íons negativos é um negativo. Quando queremos combinar várias equações com diferentes valores para z, precisamos trazer o z dentro do logaritmo. Negativo uma vez o log de x é igual ao log de x -1 e, portanto, precisamos inverter nossa proporção.

Mas estamos falando de biologia aqui, não de matemática pura, então é melhor haver uma explicação em termos do sistema real. E aqui está!

Lembre-se de que estamos tentando equilibrar fluxos de íons com um campo elétrico. Um campo elétrico que empurra contra o fluxo de íons positivos em uma direção aumentará o fluxo de íons negativos na mesma direção - uma força elétrica repulsiva para íons positivos é uma força atrativa para íons negativos. Por causa disso, precisamos de um potencial elétrico igual, mas oposto, para neutralizar um gradiente de concentração de íons negativos em vez de íons positivos. Inverter a proporção dentro do log nos dá uma vez o resultado original negativo - igual, mas oposto.

Observe que a equação GHK fornece uma tensão na qual o fluxo líquido é 0, mas os fluxos de íons individuais podem ser diferentes de zero. Isso significa que os íons estarão fluindo para dentro ou para fora da célula, abolindo os próprios gradientes de concentração que configuram a diferença de voltagem em primeiro lugar! Por causa disso, as células precisam gastar energia para manter seus gradientes de concentração. A proteína primária nesse sistema é o trocador de sódio-potássio, que cliva o ATP para empurrar o sódio e o potássio contra seus gradientes.

Esses fluxos constantes são a razão pela qual os canais iônicos subjacentes ao potencial de membrana em repouso são freqüentemente chamados de canais de "vazamento".

Uma Visão Elétrica: O Circuito Equivalente

A discussão anterior levou principalmente químico visão do potencial de membrana: temos uma membrana permeável, gradientes de concentração, etc. Há uma visão paralela e equivalente do potencial de membrana que é principalmente elétrico: o circuito equivalente.

Nessa visão, os gradientes de concentração são baterias - eles produzem um potencial elétrico - a membrana semipermeável é um resistor - permite a passagem de quantidades variáveis ​​de corrente, dependendo da permeabilidade - e os fluidos intra e extracelulares são fios - eles passam a corrente sem resistência.

Podemos combinar todas essas peças para obter uma imagem do circuito equivalente:

Figura 1 Circuito equivalente para um neurônio. De Kandel, 5e.

Já falamos sobre os primeiros quatro desses elementos, movendo-se da esquerda para a direita. Existem três gradientes de concentração e suas permeabilidades associadas, aqui referidos pela carta g, que significa condutância sem um bom motivo. A condutância é o inverso da resistência. Cada condutância gX passa uma corrente eu do íon X, alimentado pelo gradiente de concentração EX. Esses são os fluxos dos quais falamos o tempo todo. O quarto elemento é o trocador sódio-potássio.

Já podemos nos beneficiar desta nova estrutura. A aplicação de algumas leis de circuito simples nos dá um substituto novo e mais fácil de usar para a Equação GHK:

Onde os valores EX são apenas os valores que obtivemos da Equação de Nernst. Esta é uma forma muito elegante de expressar o potencial da membrana: é um média ponderada dos potenciais de Nernst, onde os pesos são os tamanhos das condutâncias iônicas. Essa interpretação será útil quando quisermos pensar sobre o potencial de ação.

O quinto elemento do circuito equivalente tem estado até agora fora do escopo de nossa discussão. Temos considerado potenciais de equilíbrio, ou estados estacionários do sistema de potencial de membrana. Algumas das propriedades mais interessantes do comportamento neuronal, entretanto, envolvem respostas transitórias. Considere os resultados do seguinte experimento: injetamos uma etapa de corrente em um neurônio e, em seguida, registramos o potencial de membrana conforme ele muda ao longo do tempo. Se nossa imagem do neurônio até este ponto estivesse totalmente correta, esperaríamos apenas ver uma etapa no potencial da membrana - a voltagem mudaria para um novo valor instantaneamente e os fluxos iônicos mudariam para refletir esse fato. Em vez disso, vemos o seguinte:

Figura 2 O resultado de uma corrente escalonada não é uma mudança escalonada na tensão.

Em vez de atingir imediatamente a voltagem esperada, o neurônio leva um bom tempo para chegar lá. O que da?

A resposta está no quinto elemento do circuito equivalente acima: é um capacitor. No projeto do circuito, os capacitores são feitos separando duas placas de metal com um meio resistivo. Quanto mais contato próximo as placas têm, mais o acúmulo de carga em uma placa pode causar o acúmulo de carga oposta na placa oposta. Podemos quantificar isso com um número, o capacitância, que tem unidades de Farads. No neurônio, nossas "placas" são os fluidos intracelulares e extracelulares diretamente contra a membrana, e nosso "meio resistivo" é a bicamada fosfolipídica que forma a maior parte da membrana.

Então, quando injetamos corrente na célula, o primeiro lugar que ela vai é para essas placas de capacitor. Isso não muda o potencial através da membrana, portanto, bem no início de nossa injeção atual, o potencial da membrana é inalterado. O que ele faz é dificultar a adição de corrente posterior ao capacitor: o capacitor "fica lotado" e, portanto, as cargas posteriores são mais propensas a tomar uma rota alternativa. O único caminho alternativo disponível é através das condutâncias, então com o passar do tempo, menos carga vai para o capacitor e mais vai para as condutâncias.

Minha metáfora solta favorita para esse processo envolve um bando de casais humanos, separados por um rio com apenas uma ponte frágil e perigosa. Para corresponder à ciência subjacente, vamos ser heteronormativos um pouco e dizer que os casais são todos homens e mulheres. Se deixarmos todos os namorados de um lado do rio, a primeira coisa que eles vão querer é se encontrar com a namorada. No entanto, a ponte frágil é muito assustadora, então eles caminham até a costa, chamam por bae e se encontram sem ter que arriscar suas vidas.

Fig. 3 Um auxílio visual.

Mas depois que muitos namorados adotarem essa estratégia, a zona ribeirinha vai começar a ficar lotada. Estará lotado o suficiente, de fato, para que algumas almas intrépidas comecem a cruzar a ponte, frustradas por sua incapacidade de chegar à costa. Isso, é claro, mudará o equilíbrio de gênero, ao contrário das pessoas gritando do outro lado do rio.

No neurônio, as cargas positivas e negativas são os dois sexos. A membrana é o rio, que separou tragicamente nossos casais amorosos. A condutância representa a qualidade da ponte: uma condutância mais alta significa uma ponte mais segura e menos assustadora. A capacitância representa a facilidade de falar do outro lado do rio: se o rio for estreito e sinuoso, muitos outros casais podem fazer fila para conversar confortavelmente. Se, por outro lado, o rio for muito largo e reto, as margens se encherão rapidamente e a motivação para cruzar a ponte também aumentará mais rapidamente.

Como você deve ter adivinhado com toda a discussão do tempo nos parágrafos anteriores, o modelo de circuito equivalente nos permite usar as propriedades de condutância e capacitância para prever o curso de tempo incomum que vimos na Figura 2. Os detalhes de como podemos fazer isso são um pouco fora do escopo deste post, mas se você estiver curioso, dê uma olhada na página da Wikipedia sobre circuitos RC. Se você já trabalhou com instrumentos eletrônicos ou elétricos, algumas das idéias serão muito familiares!

Uma Breve Derivação da Equação de Nernst

AVISO: MATEMÁTICA

Acima, ∇ significa "gradiente" ou derivado multidimensional. À direita, pegamos esse gradiente, ou diferença, em relação à concentração de íons, c. Sabemos que o fluxo espacial de íons devido a forças difusivas será inversamente proporcional a este gradiente, uma vez que os íons fluem por seu gradiente de concentração em direção a áreas de baixa concentração. Como escolheremos nossas unidades arbitrariamente, não sabemos qual será a constante de proporcionalidade, então apenas a chamamos kd. Observe que a concentração é uma função da posição espacial, que denotamos por x.

À esquerda, fazemos algo semelhante, mas com relação à função do potencial elétrico, Φ. Queremos saber o fluxo, ou fluxo de cobranças, então precisamos levar em consideração sua concentração, c. ke, gostar kd, é uma constante que relaciona o fluxo elétrico ao nosso sistema de unidades. Portanto, o lado esquerdo da Eqn. Eu apenas digo que a parte elétrica de nossa corrente é proporcional à nossa diferença de potencial e à concentração de cargas agidas por essa diferença. O lado direito diz que nossa corrente difusiva é proporcional ao gradiente de concentração, com alguma constante kd que relaciona o fluxo ao nosso sistema de unidades. Queremos que essas coisas sejam iguais e opostas.

Fazemos algumas suposições simplificadas: que estamos falando de fluxo 1-D normal a uma membrana aproximadamente plana em uma vaca esférica semelhante a um ponto, etc. Depois de reorganizar, integramos ambos os lados entre o interior da célula eu, e do lado de fora, oe obtenha Eqn. 2. De repente, a equação de Nernst está à vista e é apenas uma questão de acionar a equação. 4

Nernst relacionou as duas constantes de proporcionalidade, descobrindo os termos que elas tinham em comum e dando origem à forma mais familiar da "Equação de Nernst" que aparece acima. No entanto, a melhor e mais geral prova dessa relação deve-se, na verdade, a Einstein!


Ambiguidade sobre a relação entre potencial de membrana e gradiente de concentração em células neuronais - Biologia

As adenilil ciclases de mamíferos possuem 12 domínios que abrangem a transmembrana e apresentam uma semelhança superficial com certas classes de canais iônicos. Algumas evidências sugerem que as adenilil ciclases de espermatozoides bacterianas e de ouriço-do-mar podem ser reguladas pela despolarização da membrana. No presente estudo, exploramos o efeito da alteração do potencial de membrana na atividade da adenilil ciclase de células granulares cerebelares com despolarização aguda de potássio. Uma resposta estimuladora bifásica e então inibitória é evocada por aumentos progressivos na razão extracelular [K]: [Na] na ausência de Ca 2+ extracelular. Este efeito não imita o aumento linear no potencial de membrana provocado nas mesmas condições. Em vez disso, parece que a despolarização da membrana abre canais de Ca 2+ do tipo L (sensível à nimodipina), permitindo a entrada de Na +, que estimula diretamente a atividade da adenilil ciclase. A gramicidina, que gera poros permeáveis ​​a cátions monovalentes e simultaneamente elimina o potencial de membrana, permite uma estimulação semelhante por Na + aplicado extracelularmente. Embora os resultados não indiquem sensibilidade direta da adenilil ciclase da célula granular cerebelar ao potencial de membrana, eles demonstram que, como resultado da despolarização da membrana, o influxo de Na +, bem como de Ca 2+, elevará os níveis de cAMP.


Introdução

Os neurônios no cérebro se comunicam uns com os outros por meio de sinalização sináptica, que depende da ativação de proteínas receptoras que permitem fluxos transmembrana rápidos de íons. A principal operação de um neurônio é transformar entradas sinápticas em potenciais de ação. A taxa na qual os potenciais de ação são gerados, a taxa de disparo de saída de um neurônio, é o meio principal pelo qual os neurônios codificam informações [1]. A maneira pela qual um neurônio integra a entrada sináptica codificada por taxa e a transforma em uma taxa de disparo de saída é conhecida como sua função de entrada-saída [2].

A inibição sináptica é crucial para moldar esta transformação de entrada-saída [3,4]. Por exemplo, entradas inibitórias podem realizar uma operação de divisão reduzindo a inclinação (ganho) da função de entrada-saída, ou uma operação subtrativa compensando a função de entrada-saída para a direita [5,6]. Trabalhos anteriores demonstraram que este efeito algébrico diferencial de inibição sináptica pode ser realizado através do direcionamento de entradas inibitórias para diferentes áreas da célula piramidal. A inibição localizada proximalmente perto do soma pode ter um efeito divisivo na função de entrada-saída enquanto espacialmente distribuída, a inibição dendriticamente direcionada apóia os efeitos subtrativos da inibição [7].

No nível do receptor, a inibição sináptica no cérebro é mediada principalmente pelos receptores do ácido γ-aminobutírico do tipo A (GABAUMARs), que são seletivamente permeáveis ​​a íons cloreto (Cl -) e, em menor grau, íons bicarbonato (HCO3 -, consulte a Tabela 1 para uma lista de abreviações) [8]. Como resultado, o potencial de reversão para GABAUMARs (EGABA), é em grande parte uma função do gradiente de Cl - transmembrana. Junto com o potencial de membrana, isso define a força motriz para o fluxo de Cl através desses receptores e, portanto, representa uma propriedade fundamental da sinalização inibitória [9]. Cl intracelular - concentração ([Cl -]eu) e, portanto, EGABA, podem diferir entre os compartimentos neuronais subcelulares, o que foi sugerido como resultado de diferenças espaciais na função ou expressão de cotransportadores cátion-cloreto na membrana neuronal [10-12]. Ou seja, ativação sináptica de GABAUMARs pode ter efeitos diferentes no potencial da membrana neuronal por causa da expressão diferencial de Cl - mecanismos homeostáticos.

Além das diferenças espaciais no EGABA, as sinapses inibitórias também exibem uma forma de plasticidade de curto prazo que envolve mudanças na força motriz iônica para receptores ionotrópicos pós-sinápticos impulsionados por alterações de curto prazo na concentração intracelular de Cl [13,14]. A plasticidade iônica ocorre quando GABAUMACl mediado por R - o influxo supera o Cl local - extrusão através do Cl canônico - extrusora KCC2 [15–17]. Trabalhos anteriores mostraram como a plasticidade iônica é regulada em um nível espacial com diferentes compartimentos neuronais subcelulares tendo diferentes suscetibilidades ao acúmulo de cloreto induzido por atividade. Por exemplo, estudos experimentais e de modelagem mostraram como os compartimentos dendríticos de pequeno volume são particularmente propensos à plasticidade iônica [16,18-21].

Embora a grande maioria dos modelos teóricos de sinalização inibitória e computação neuronal assumam valores estáticos para EGABA, estudos anteriores exploraram a relevância do Cl dinâmico - em múltiplos contextos. Por exemplo, estudos têm investigado os fundamentos biofísicos do Cl - homeostase via transporte ativo de íons, cotransportadores cátion-cloreto ou ânions impermeáveis ​​[20,22], os efeitos das morfologias neuronais no acúmulo de Cl [19,21,23], e como o Cl dinâmico - afeta a codificação neural degradando a informação mútua [24]. No entanto, como as diferenças no direcionamento espacial da inibição sináptica interagem com a plasticidade iônica para modular dinamicamente a função de entrada-saída dos neurônios não é bem compreendido. Para resolver isso, desenvolvemos modelos computacionais de neurônios multicompartimentais, que incorporaram mecanismos parametrizados experimentalmente para explicar o Cl neuronal - extrusão e plasticidade iônica. Em primeiro lugar, mostramos que a entrada sináptica estruturada em curso (tanto excitatória, inibitória ou ambas) pode levar a variações espaciais no EGABA independentemente das diferenças na extrusão de Cl. Em segundo lugar, descobrimos que a contabilização do cloreto dinâmico tem um efeito significativo sobre a capacidade da inibição direcionada dendriticamente para compensar as curvas de entrada-saída neuronais. Em terceiro lugar, demonstramos que, devido à plasticidade iônica, a função de entrada-saída neuronal não é estática, mas varia significativamente em função do tempo. Finalmente, descobrimos que os efeitos observados do cloreto dinâmico na função de saída neuronal são inteiramente mediados por mudanças no EGABA. Nossos resultados fornecem uma estrutura para a compreensão de como a dinâmica do Cl altera as propriedades computacionais da inibição sináptica direcionada espacialmente.


Reconhecimentos

Os autores são apoiados pelo National Institutes of Health (concede NS34994, MH54671 e NS074015), a Swiss National Science Foundation (grant PA00P3_131470), a G. Harold e Leila Y. Mathers Charitable Foundation, a US-Israel Binational Foundation, a Global Instituto de Pensamento Científico e Programa Ciências das Fronteiras Humanas (bolsa RGP0032 / 2011). Partes desta revisão foram escritas enquanto G.B. foi pesquisador visitante no Centro Interdisciplinar de Computação Neural, Universidade Hebraica, Jerusalém (2007) e no Programa Zukunftskolleg, Universidade de Konstanz, Alemanha (2011). Agradecemos a G. Einevoll, E. Schomburg e J. Taxidis por seus comentários sobre o manuscrito.


PAPEL DO ESTRESSE OXIDATIVO NA EXCITOTOXICIDADE DE GLUTAMATE

Se o desacoplamento controlado não aliviar o estresse oxidativo, é importante entender como o estresse oxidativo afeta a função mitocondrial no contexto neuronal. A resposta fisiopatológica dos neurônios à excitotoxicidade do glutamato é de relevância nas investigações de acidente vascular cerebral e uma série de doenças neurodegenerativas. Uma suposição inicial era que o cálcio que entrava através do receptor NMDA patologicamente ativado levava ao acúmulo do cátion pela mitocôndria e que as mitocôndrias carregadas de cálcio geravam espécies reativas de oxigênio em excesso que danificavam a mitocôndria e a célula e eram causais na célula neuronal morte (Dugan et al., 1995 Reynolds e Hastings, 1995 Sengpiel et al., 1998). Com neurônios em cultura, o ponto final dos experimentos para induzir a morte celular necrótica ocorre quando uma célula individual estocasticamente falha em regular sua concentração de cálcio citoplasmática, um fenômeno denominado desregulação retardada de cálcio (DCD) (Randall e Thayer, 1992). Uma análise de célula única correlacionando DCD com os níveis observados de superóxido mostrou inequivocamente que os neurônios apenas mostraram um aumento significativo nos níveis de superóxido na indução de DCD (Vesce et al., 2004). A adição de antioxidantes potentes permeáveis ​​às células não foi capaz de retardar o DCD, embora fossem eficazes em capturar virtualmente todo o superóxido gerado (Vesce et al., 2004). Ficou, portanto, aparente neste modelo que o aumento do superóxido foi um efeito, e não a causa, do DCD, e ocorreu presumivelmente como resultado da falha na manutenção das vias antioxidantes após o colapso do potencial de membrana mitocondrial e o catastrófico aumento do cálcio livre citoplasmático.

Apesar desse experimento, é óbvio que o estresse oxidativo tem um efeito deletério na sobrevivência neuronal. Para investigar isso, desenvolvemos uma técnica para estressar oxidativamente os neurônios antes da exposição ao glutamato (Vesce et al., 2005). Monoclorobimane tem sido usado extensivamente como uma sonda de fluorescência para avaliar os níveis intracelulares de glutationa (Keelan et al., 2001). The probe can also be used to deplete the cell of glutathione, however, with the big advantage that the time course of depletion can be followed from the increase in fluorescence of the product (Vesce et al., 2005 ). Maximum glutathione depletion takes about 60 min in a granule cell preparation. As discussed previously (Nicholls et al., 2003 ), any decrease in the size of the glutathione pool should be reflected in an oxidative shift in the glutathione redox potential. The availability of a redox active GFP construct (Dooley et al., 2004 ) allows this to be tested. GFP molecules that have been engineered to contain vicinal cysteine groups seem to equilibrate directly with the glutathione pool (Dooley et al., 2004 ) and transfection of the GFP into primary cerebellar granule neurons confirms that the monochlorobimane-mediated depletion of glutathione pool is associated with an oxidative shift in the redox potential of the residual glutathione (Vesce et al., 2005 ).

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


Membrane Communication with Intracellular Components

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

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

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

Plasma membrane and endoplasmic reticulum connection.

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

Plasma membrane and mitochondrial connection.

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


Structural Receptor Types

The cells that interpret information about the environment can be either (1) a neuron that has a free nerve ending (dendrites) embedded in tissue that would receive a sensation (2) a neuron that has an encapsulated ending in which the dendrites are encapsulated in connective tissue that enhances their sensitivity or (3) a specialized receptor cell, which has distinct structural components that interpret a specific type of stimulus (Figure 13.1.1). The pain and temperature receptors in the dermis of the skin are examples of neurons that have free nerve endings. Also located in the dermis of the skin are lamellated and tactile corpuscles, neurons with encapsulated nerve endings that respond to pressure and touch. The cells in the retina that respond to light stimuli are an example of a specialized receptor cell, a photoreceptor.

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

Figure 13.1.1 – Receptor Classification by Cell Type: Receptor cell types can be classified on the basis of their structure. Sensory neurons can have either (a) free nerve endings or (b) encapsulated endings. Photoreceptors in the eyes, such as rod cells, are examples of (c) specialized receptor cells. These cells release neurotransmitters onto a bipolar cell, which then synapses with the optic nerve neurons.

Another way that receptors can be classified is based on their location relative to the stimuli. Um exteroceptor is a receptor that is located near a stimulus in the external environment, such as the somatosensory receptors that are located in the skin. Um interoceptor is one that interprets stimuli from internal organs and tissues, such as the receptors that sense the increase in blood pressure in the aorta or carotid sinus. Finally, a proprioceptor is a receptor located near a moving part of the body, such as a muscle or joint capsule, that interprets the positions of the tissues as they move.


Biophysical basis

Action potentials result from the presence in a cell's membrane of special types of voltage-gated ion channels. A voltage-gated ion channel is a cluster of proteins embedded in the membrane that has three key properties:

  1. It is capable of assuming more than one conformation.
  2. At least one of the conformations creates a channel through the membrane that is permeable to specific types of ions.
  3. The transition between conformations is influenced by the membrane potential.

Thus, a voltage-gated ion channel tends to be open for some values of the membrane potential, and closed for others. In most cases, however, the relationship between membrane potential and channel state is probabilistic and involves a time delay. Ions channels switch between conformations at unpredictable times: The membrane potential determines the rate of transitions and the probability per unit time of each type of transition.

Voltage-gated ion channels are capable of producing action potentials because they can give rise to positive feedback loops: The membrane potential controls the state of the ion channels, but the state of the ion channels controls the membrane potential. Thus, in some situations, a rise in the membrane potential can cause ion channels to open, thereby causing a further rise in the membrane potential. An action potential occurs when this positive feedback cycle proceeds explosively. The time and amplitude trajectory of the action potential are determined by the biophysical properties of the voltage-gated ion channels that produce it. Several types of channels that are capable of producing the positive feedback necessary to generate an action potential exist. Voltage-gated sodium channels are responsible for the fast action potentials involved in nerve conduction. Slower action potentials in muscle cells and some types of neurons are generated by voltage-gated calcium channels. Each of these types comes in multiple variants, with different voltage sensitivity and different temporal dynamics.

The most intensively studied type of voltage-dependent ion channels comprises the sodium channels involved in fast nerve conduction. These are sometimes known as Hodgkin-Huxley sodium channels because they were first characterized by Alan Hodgkin and Andrew Huxley in their Nobel Prize-winning studies of the biophysics of the action potential, but can more conveniently be referred to as N / DV channels. (The "V" stands for "voltage".) An N / DV channel has three possible states, known as deactivated, ativado, e inactivated. The channel is permeable only to sodium ions when it is in the ativado Estado. When the membrane potential is low, the channel spends most of its time in the deactivated (closed) state. If the membrane potential is raised above a certain level, the channel shows increased probability of transitioning to the ativado (open) state. The higher the membrane potential the greater the probability of activation. Once a channel has activated, it will eventually transition to the inactivated (closed) state. It tends then to stay inactivated for some time, but, if the membrane potential becomes low again, the channel will eventually transition back to the deactivated Estado. During an action potential, most channels of this type go through a cycle deactivatedativadoinactivateddeactivated. This is only the population average behavior, however — an individual channel can in principle make any transition at any time. However, the likelihood of a channel's transitioning from the inactivated state directly to the ativado state is very low: A channel in the inactivated state is refractory until it has transitioned back to the deactivated Estado.

The outcome of all this is that the kinetics of the N / DV channels are governed by a transition matrix whose rates are voltage-dependent in a complicated way. Since these channels themselves play a major role in determining the voltage, the global dynamics of the system can be quite difficult to work out. Hodgkin and Huxley approached the problem by developing a set of differential equations for the parameters that govern the ion channel states, known as the Hodgkin-Huxley equations. These equations have been extensively modified by later research, but form the starting point for most theoretical studies of action potential biophysics.

As the membrane potential is increased, sodium ion channels open, allowing the entry of sodium ions into the cell. This is followed by the opening of potassium ion channels that permit the exit of potassium ions from the cell. The inward flow of sodium ions increases the concentration of positively charged cations in the cell and causes depolarization, where the potential of the cell is higher than the cell's resting potential. The sodium channels close at the peak of the action potential, while potassium continues to leave the cell. The efflux of potassium ions decreases the membrane potential or hyperpolarizes the cell. For small voltage increases from rest, the potassium current exceeds the sodium current and the voltage returns to its normal resting value, typically −70 mV. [ 3 ] However, if the voltage increases past a critical threshold, typically 15 mV higher than the resting value, the sodium current dominates. This results in a runaway condition whereby the positive feedback from the sodium current activates even more sodium channels. Thus, the cell "fires," producing an action potential. [ 4 ] [ 5 ]

Currents produced by the opening of voltage-gated channels in the course of an action potential are typically significantly larger than the initial stimulating current. Thus, the amplitude, duration, and shape of the action potential are determined largely by the properties of the excitable membrane and not the amplitude or duration of the stimulus. This all-or-nothing property of the action potential sets it apart from graded potentials such as receptor potentials, electrotonic potentials, and synaptic potentials, which scale with the magnitude of the stimulus. A variety of action potential types exist in many cell types and cell compartments as determined by the types of voltage-gated channels, leak channels, channel distributions, ionic concentrations, membrane capacitance, temperature, and other factors.

The principal ions involved in an action potential are sodium and potassium cations sodium ions enter the cell, and potassium ions leave, restoring equilibrium. Relatively few ions need to cross the membrane for the membrane voltage to change drastically. The ions exchanged during an action potential, therefore, make a negligible change in the interior and exterior ionic concentrations. The few ions that do cross are pumped out again by the continuous action of the sodium–potassium pump, which, with other ion transporters, maintains the normal ratio of ion concentrations across the membrane. Calcium cations and chloride anions are involved in a few types of action potentials, such as the cardiac action potential and the action potential in the single-cell alga Acetabularia, respectivamente.

Although action potentials are generated locally on patches of excitable membrane, the resulting currents can trigger action potentials on neighboring stretches of membrane, precipitating a domino-like propagation. In contrast to passive spread of electric potentials (electrotonic potential), action potentials are generated anew along excitable stretches of membrane and propagate without decay. [ 6 ] Myelinated sections of axons are not excitable and do not produce action potentials and the signal is propagated passively as electrotonic potential. Regularly spaced unmyelinated patches, called the nodes of Ranvier, generate action potentials to boost the signal. Known as saltatory conduction, this type of signal propagation provides a favorable tradeoff of signal velocity and axon diameter. Depolarization of axon terminals, in general, triggers the release of neurotransmitter into the synaptic cleft. In addition, backpropagating action potentials have been recorded in the dendrites of pyramidal neurons, which are ubiquitous in the neocortex. [ 7 ] These are thought to have a role in spike-timing-dependent plasticity.


Assista o vídeo: maqueta membrana celular (Novembro 2021).