Information

I vilken takt läcker joner ut ur ett plasmamembransegment som inte har några jonkanaler?

I vilken takt läcker joner ut ur ett plasmamembransegment som inte har några jonkanaler?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

När jag läste om syftet med myelin under åtgärdspotentialförökning stötte jag på en förvirring.

Vad jag förstår är en av de primära "fördelarna" med myelin att det hjälper till att öka tvärresistensen hos ett axon... vilket biologiskt sett motsvarar att påstå att det minimerar i vilken utsträckning joner rör sig ut ur eller in i cytoplasman av axonen.

Jag känner dock att jag alltid har lärt mig att "plasmamembranet är ogenomträngligt för laddade partiklar" och är därför förvirrad över vad ytterligare fördel tilldelas axonet av myelinet.

Tänk på följande två fall:

Fall A) Handlingspotentialen börjar vid axons initiala segment. Det efterföljande segmentet är myeliniserat. Åtgärdspotentialen, genom passiv diffusion, tar sig ner i det myeliniserade avsnittet tills den når den första noden av ranvier, där åtgärdspotentialen därefter återskapas.

Fall B) Handlingspotentialen börjar vid axons initialsegment. Det efterföljande segmentet är omyeliniserad men innehåller inga jonkanaler (eller pumpar). Åtgärdspotentialen, genom passiv diffusion, tar sig ner i denna ommyeliniserade sektion som inte har några jonkanaler (samma avstånd som i fall A) tills den når en tät samling av spänningsstyrda natriumkanaler.

I fall B, kommer aktionspotentialen att återskapas? Eller har den passiva diffusionshändelsen drabbats av för mycket "läckage"? Är det i så fall verkligen sant att:

(plasmamembranet + myelin) tvärresistens >> (plasmamembranet) enbart tvärresistens


Jag kommer mest att hoppa över titeln på din fråga och fokusera på förvirringen i kroppen, för frågan i titeln är lite av ett XY -problem. Det är inte så mycket biologiskt vettigt att tänka på ett membran som verkligen är så resistivt (det vill säga, jag känner inte till något exempel på neuron, eller ens någon annan cell, som har den egenskapen).


Om det verkligen inte fanns några kanaler av något slag, kan du verkligen anse att motståndet är mycket högt, minst lika högt som man kunde mäta i patchklämma. Det viktiga är inte själva motståndet utan förhållandet mellan tvärgående och axiellt motstånd; i förhållande till det axiella motståndet är tvärresistansen redan mycket hög.

Vad jag förstår är en av de främsta "fördelarna" med myelin att det hjälper till att öka en axons tvärresistens

Din förståelse är inte helt korrekt. Den isolerande fördelen med myelin (ignorerar andra organisatoriska fördelar) är inte bara relaterat till tvärresistensen, utan viktigare minskning av kapacitans av membranet (se Moore et al 1978 eller Richardson et al 2000 för några exempel på simuleringar; även någon rimlig neurovetenskaplig lärobok kommer att förklara detta). Du kan testa detta själv i en simuleringsmiljö som NEURON.

Myelin minskar kapacitansen genom att effektivt öka avståndet mellan "plattorna" på membrankondensatorn (se detta svar).

För att ladda en lång längd av membran med kanaler på endast vid korta segment, skulle du behöva tillräckligt många laddningar för att komma in inom det korta segmentet för att ladda hela axonlängden, och potentialen skulle förfalla med avstånd.

Myelin påverkar också resistensen, men det är främst viktigt eftersom membranet inte bara består av ett fosfolipid tvåskikt och det finns läckage utan noll. Till exempel finns det kanaler under lipiddubbelskiktet som skapar en vilopotential (Chiu & Ritchie, 1984).


Chiu, S.Y., & Ritchie, J.M. (1984). Om den fysiologiska rollen av internodala kaliumkanaler och säkerheten för ledning i myeliniserade nervfibrer. Proceedings of the Royal Society of London. Serie B. Biologiska vetenskaper, 220 (1221), 415-422.

Moore, J. W., Joyner, R. W., Brill, M. H., Waxman, S. D., & Najar-Joa, M. (1978). Simuleringar av ledning i likformiga myeliniserade fibrer. Relativ känslighet för förändringar i nodal och internodal parametrar. Biofysisk tidskrift, 21(2), 147-160.

Richardson, A. G., McIntyre, C. C., & Grill, W. M. (2000). Modellering av effekterna av elektriska fält på nervfibrer: påverkan av myelinhöljet. Medicinsk och biologisk teknik och datorer, 38 (4), 438-446.


Grundläggande hjärtelektrofysiologi är grundläggande för att förstå normal hjärtfunktion när det gäller hastighet och rytm och initiering av hjärtmuskelkontraktion. Det primära kliniska verktyget för att bedöma hjärtelektriska händelser är elektrokardiogrammet (EKG), som ger global och regional information om hastighet, rytm och elektrisk ledning samt förändringar i elektrisk aktivitet i samband med hjärtsjukdom, särskilt ischemisk hjärtsjukdom. Denna undervisningsöversikt är skriven på en nivå som är lämplig för första- och andraårsläkarstudenter. Specifika begrepp som diskuteras inkluderar jonjämviktspotentialer, elektrokemiska krafter som driver jonrörelser över membran, jonkanalernas roll vid bestämning av membranstoppspotentialer och åtgärdspotentialer och överföring av åtgärdspotentialer i hjärtat. Den elektrofysiologiska grunden för EKG beskrivs sedan, följt av diskussion om hur ischemi förändrar cellulär elektrofysiologi och EKG -inspelningar, med särskild tonvikt på förändringar i T -vågor och ST -segment i EKG.

innehållet i denna undervisningsöversikt är skriven på en nivå som är lämplig för första- och andraårsmedicinska studenter som lär sig grundläggande hjärtelektrofysiologi i normala och ischemiska hjärtan. Det första avsnittet undersöker den joniska grunden för vilande membranpotentialer och hjärtaktionspotentialer, med fokus på icke -pacemakerceller. Grundläggande begrepp som jonjämviktspotentialer, elektrokemiska krafter som driver jonrörelser över membran och jonkanalers roll vid bestämning av membranpotentialer diskuteras. Därefter utvecklas den elektrofysiologiska grunden för elektrokardiogram (EKG) inspelningar, med betoning på användningen av 12-avledade EKG-inspelningar för att se hjärtat från olika anatomiska perspektiv. Det sista avsnittet diskuterar hur myokardiell ischemi förändrar cellulär elektrofysiologi, överföringen av åtgärdspotentialer i hjärtat och hur dessa förändringar påverkar EKG under ischemiska händelser. Denna översyn hjälper till att överbrygga viktiga begrepp som ofta behandlas separat i grundläggande fysiologiska och kliniska kardiologiska läroböcker, med målet att förbättra läsarens förståelse av den fysiologiska grunden för ischemins effekter på hjärtaktivitet och EKG.

Normal hjärtcellulär elektrofysiologi.

Alla levande celler, på grund av fördelningen av joner över cellmembranet, har en vilande membranpotential som är negativ inuti cellen i förhållande till cellens utsida. De viktigaste jonerna som bidrar till membranpotentialen är Na +, K +, Ca ++ och Cl - (tabell 1). I en typisk cell är koncentrationen av K + högre inuti cellen än utanför. Däremot har Na +, Ca ++ och Cl - högre koncentrationer utanför än inuti cellen.

Tabell 1. Primära joner involverade i hjärtelektrofysiologi (11)

Den höga K + -koncentrationen inuti cellen relativt utsidan (150 mot 4 mM) sätter upp en koncentration (kemisk) gradient för den yttre diffusionen av K +. Eftersom membranet är permeabelt för K+ skapar utåtriktad diffusion av det positivt laddade kaliumet en negativ elektrisk potential inuti cellen i förhållande till utsidan. Hastigheten för K + diffusion utåt beror delvis på K + koncentrationsskillnaden över membranet. Om K + -koncentrationen utanför cellen ökas (t.ex. från 4 till 20 mM), kommer den kemiska gradienten som driver den utåtriktade diffusionen av K + att reduceras. Detta kommer att leda till minskad rörelse (mätt som elektrisk ström) av K+ ut ur cellen och en mindre negativ membranpotential (dvs membranet blir depolariserat) jämfört med när den externa K+-koncentrationen är normal.

Effekterna av förändringar i jonkoncentrationsgradienten på membranpotentialen kan beskrivas av Nernst -ekvationen (2, 11, 19), som beräknar jämviktspotentialen för en jon. Jämviktspotentialen är den spänning som krävs för att upprätthålla en given jonkemisk gradient över membranet. I Nernst -ekvationen (fig. 1), R = universell gaskonstant, T = temperatur (K), z = nej. av jonladdningar (t.ex. z = 1 för K+ och Na+ z = 2 för Ca++), och F = Faraday konstant. Vid normal kroppstemperatur och z = 1, RT/zF blir −61 när den naturliga loggen (ln) ändras till logg10. Om den inre koncentrationen för kalium [K +]i är 150 mM och ytterkoncentrationen [K +]o är 4 mM, då beräknas EK är -96 mV (EK = −61 log [K + ]i/[K +]o). Detta betyder att när membranpotentialen är −96 mV finns det ingen nettorörelse av K + över membranet, eftersom K + är i elektrokemisk balans över membranet. Om [K + ]o ökas till 20 mM, sedan nya EK är -53 mV. Med andra ord, med en reducerad kemisk gradient, EK är också reducerad (mindre negativ eller depolariserad) jämfört med 4 mM [K + ]o. Därför ökar [K + ]o kan dramatiskt påverka E.K och, som beskrivs senare, vilomembranpotentialen. Jämviktspotentialerna beräknade för Na +, Ca ++ och Cl - ges i tabell 1. Observera att Na + och Ca ++ har mycket positiva jämviktspotentialer, medan Cl - har en jämviktspotential (−90 mV) som är mycket nära vilomembranpotentialen (vilande Em).

Figur 1.Beräkning av kaliumjämviktspotentialen (EK) med Nernst -ekvationen. R, universell gaskonstant T, temperatur (K) z, Nej. av jonladdningar F, Faraday konstant [K]o, utanför (extracellulär) K + koncentration [K]i, inuti (intracellulär) K + koncentration. Vid normal kroppstemperatur och z = 1, RT/zF blir −61 när den naturliga loggen (ln) ändras till log10.

I allmänhet är membranpotentialen inte densamma som jämviktspotentialen för K+. I icke-pacemaker kardiomyocyter, vilande Em är cirka −90 mV, vilket är mindre negativt än jämviktspotentialen för K+ (−96 mV). Därför, under vilande förhållanden, är K+ inte i elektrokemisk balans. Under detta tillstånd är den elektrokemiska nettokraften (9, 11) som verkar på K + vilande Em - EK, eller −90 mV minus −96 mV, vilket är lika med +6 mV (tabell 1). Detta är kraften som driver K+ ut ur cellen vid vilande Em. Om cellen depolariseras till 0 mV, då är den elektrokemiska nettokraften som verkar på K + (Em - EK) är 0 mV minus −96 mV, vilket är lika med +96 mV. Därför, när cellmembranet är depolariserat, ökar den elektrokemiska nettokraften som verkar på K+ för att driva ut det ur cellen avsevärt jämfört med när cellen är vid sitt vilande Em. Det bör dock noteras att även vid vilande EmNär den elektrokemiska nettokraften är liten är det fortfarande tillräckligt för att driva K+ ut ur cellen.

Detta leder oss till ett annat koncept som är viktigt för att förstå jonrörelser över membran, och det är membranpermeabilitet för jonen. Till exempel, vid en given netto elektrokemisk kraft, kommer hastigheten för utåtgående rörelse för K + att minskas om membranpermeabiliteten till K + reduceras. K+, liksom var och en av de andra primära jonerna, rör sig genom cellmembranet via specifika jonkanaler som kan öppnas och stängas som svar på förändringar i membranpotential (spänningsstyrda kanaler) eller ligander som binder till receptorer associerade med kanalen (receptor- manövrerade kanaler) (9, 11). Att minska antalet öppna K + -kanaler i membranet minskar hastigheten för utåtgående rörelse för K + vid en given elektrokemisk nettokraft (dvs minskar K + utåtriktad elektrisk ström), vilket leder till depolarisering. I vilande hjärtceller är permeabiliteten för K+ mycket hög jämfört med när membranet är depolariserat (11, 19). Den relativt låga elektrokemiska nettokraften som verkar på K+ vid vilande Em (ca +6 mV) kompenseras av en mycket hög membranpermeabilitet för K + (19), vilket ger en stor rörelse utåt av K + (17) och upprätthåller vilande Em nära EK. På grund av detta är K + den jon som är mest ansvarig för den vilande Em.

Fram till denna punkt har diskussionen främst fokuserat på K +. Men liksom K + har var och en av de andra primära jonerna (Na +, Ca ++ och Cl - ) en associerad jämviktspotential och en elektrokemisk nettokraft som beror på membranpotentialen (se tabell 1). Därför kan förändringar i koncentrationsgradienten för dessa joner och membranpermeabiliteten för dessa joner påverka rörelsen av dessa joner över membranet och därigenom bidra till membranpotentialen. Även om det finns stora elektrokemiska krafter som verkar på Na + och Ca ++ vid vilande Em, vilande membranpermeabilitet är mycket låg för dessa joner, och därför är deras rörelse in i cellen mycket mindre än den yttre rörelsen för K + (11, 19). Följaktligen bidrar Na + och Ca ++ mycket lite till det vilande Em jämfört med K +.

Interaktionen mellan elektrokemiska krafter och membranpermeabilitet beskrivs av Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) -ekvationen (11, 19), där Em bestäms av summan av produkterna av den relativa konduktansen och jämviktspotentialen för huvudjonerna (fig. 2). Jonkonduktans är en elektrisk term som reflekterar membranpermeabiliteten för en jon (t.ex. ökar membranpermeabiliteten till K + genom att öppna K + -kanaler ökar K + konduktansen). Förhållandet gNa över gT representerar konduktansen för Na + (gNa) i förhållande till den totala membrankonduktansen för alla joner (gT). I den andra raden i ekvationen (se fig. 2) betecknas den relativa konduktansen med g′. Jämviktspotentialvärdet (E) för var och en av jonerna i den tredje raden i ekvationen är hämtat från tabell 1. I vilande celler, g′K är mycket hög, medan g ′Na, g′Ca, och g′Cl är relativt låga. Därför är det beräknade och observerade vilande Em (−90 mV) är nära EK (−96 mV). Om g ′ för varje jon förblir oförändrad, ökar sedan [K +]o kommer att depolarisera vilande Em eftersom det beräknade EK blir mindre negativ. Som beskrivs senare svarar förändringar i g ′ för dessa joner till stor del av förändringarna i Em associerad med åtgärdspotentialer.

Bild 2.Goldman-Hodgkin-Katz ekvation. Em, membranpotential g, jonkonduktans g ′, relativ jonkonduktans EX, jämviktspotential för specifikation x.

Vila E.m bestäms till stor del av utåtgående K + -strömmar på grund av den höga permeabiliteten hos vilande membran till K +.

Om jonkonduktansen är oförändrad, orsakar ökning av den extracellulära koncentrationen av K + membrandepolarisering.

I en vilande hjärtcell rör sig K+ ut och Na+ och Ca++ rör sig in i cellen, om än i olika takt. Men med tiden skulle detta läckage av joner orsaka en förlust av de kemiska koncentrationsgradienterna för dessa joner och avskaffa membranpotentialen. Därför krävs mekanismer för att upprätthålla jonkoncentrationsgradienterna över membranet. Detta uppnås genom jontransport och utbyte. Figur 3 beskriver tre viktiga mekanismer associerade med hjärtcellmembranet (sarcolemma) som säkerställer bibehållandet av jonkoncentrationsgradienter. Först transporterar ett Na + /K + -ATPas aktivt tre Na +-joner ut ur cellen i utbyte mot två K+-joner som transporteras in i cellen (8, 11). Detta säkerställer att Na + som kommer in i cellen kan avlägsnas och K + som förloras från cellen kan transporteras tillbaka in i cellen. Eftersom mer Na + pumpas ut ur cellen än K + som kommer in i cellen igen (förhållande 3:2), genererar denna ATP-beroende pump en liten negativ nettospänning inuti cellen, därför sägs denna pump vara elektrogen. Ett andra transportsystem tar bort Ca ++ som kommer in i cellen i utbyte mot Na + som kommer in i cellen (4, 6, 11). Detta är en icke-energiberoende utbytespump. Inträde av Na + i cellen via denna webbplats utbyts mot Ca ++ som transloceras ut ur cellen. Förhållandet Na + till Ca ++ utbyte är 3: 1, därför genererar denna pump små elektriska nätströmmar. Även om denna värmeväxlare kan arbeta i båda riktningarna beroende på förhållandet mellan Na+ och Ca++ och membranpotential, resulterar det i vilande celler i allmänhet i att positiva nettoladdningar (Na+) kommer in i cellen (4). Slutligen kan Ca++ som kommer in i cellen också avlägsnas med en Ca++ ATPase-pump (11, 15). Denna energiberoende pump extruderar aktivt Ca ++ från cellen, och därför är den också elektrogent, vilket ger en liten nettospänning inuti cellen.

Bild 3.Jonpumpar för underhåll av Na +, K + och Ca ++ gradienter över cellmembranet. Na + /K + -ATPasen flyttar 3 Na + ut i utbyte mot 2 K + joner (3: 2 förhållande Na + till K +). Na + /Ca 2+ -bytaren fungerar i allmänhet för att avlägsna från cellen 1 Ca ++ i utbyte mot 3 Na + som kommer in i cellen. Ca ++ -ATPasen transporterar 1 Ca ++ ur cellen utan utbyte med andra joner. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Handlingspotentialer och deras ledning i hjärtat.

De elektriska egenskaperna hos hjärtceller kan kategoriseras i två grundläggande celltyper: pacemaker- och icke -pacemakerceller. Pacemakerceller finns främst i hjärtats sinoatriala (SA) och atrioventrikulära (AV) noder. SA -noden, som ligger i den övre bakre väggen i det högra förmaket nära ingången till överlägsna vena cava, fungerar normalt som den primära pacemakerplatsen för att driva hjärtats takt och rytm. AV-nodala pacemakerceller belägna i den nedre/posteriora regionen av interatrial septum undertrycks normalt av den snabbare hastigheten av SA-noden.

Pacemakerceller genomgår spontan depolarisering (pacemakerpotentialer), och därför har de ingen sann vilomembranpotential (11). När den spontana depolariseringen når en tröskelspänning (cirka -40 mV) utlöser den en snabbare och fullständigare depolarisering följt av repolarisering (dvs en åtgärdspotential genereras).De karakteristiska spänningsförändringarna hos pacemakerns aktionspotentialer skiljer sig på flera sätt från icke -pacemaker -actionpotentialer, på grund av unika egenskaper hos jonkanaler i pacemakerceller.

Icke -pacemaker -hjärtceller, som är i fokus för denna undervisningsöversikt, innefattar förmaks- och ventrikulära kardiomyocyter och Purkinje -ledningssystemet i ventriklarna (11). De har verkliga vilopotentialer (vanligtvis mellan −90 och −80 mV), genomgår mycket snabb depolarisering vid åtgärdspotentialinitiering och har en långvarig fas av depolarisering (platåfas) (fig. 4). Varaktigheten av dessa åtgärdspotentialer kan variera från 200 till 400 ms, vilket är mer än 10 gånger längre än åtgärdspotentialer som finns i nerv- och skelettmuskelceller.

Fig. 4.Icke-pacemaker generering av hjärtaktionspotential av jonströmmar (I). Nr 0–4 representerar åtgärdspotentialfaser. Gråa horisontella staplar representerar tidsperioden för strömflödet genom specifika Na +, Ca ++ och K + kanaler. Inåtgående Na+- och Ca++-strömmar orsakar depolarisering, medan utåtriktade K+-strömmar orsakar repolarisering. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com 2016).

Den vilande Em, som redan diskuterats, genereras främst av utåtriktade K + -strömmar (IK1) eftersom membranpermeabiliteten för Na+ och Ca++ är mycket låg i den vilande cellen, medan K+-permeabiliteten är hög. I vilande celler innebär denna rörelse utåt av K +, som ibland kallas "K + läckströmmar", K1 kanaler som är öppna vid vilande membranpotentialer (9, 17). Denna utåtgående ström driver membranpotentialen till ett värde som ligger nära jämviktspotentialen för K +. Vilopotentialen kallas för åtgärdspotentialens fas 4 (se fig. 4). När en cell snabbt depolariseras till en tröskelspänning (cirka −70 mV) av en åtgärdspotential som genereras av en intilliggande cell, svarar membranet genom att öppna snabba Na + -kanaler och långsamma Ca ++-kanaler av L-typ och stänga K +-kanaler ( 9, 14). Enligt GHK-ekvationen (se fig. 2) depolariserar dessa konduktansförändringar som åstadkoms av kanalöppning och -stängning membranpotentialen mot de positiva jämviktspotentialerna för Na+ och Ca++ och bort från K+-jämviktspotentialen. Denna snabba depolarisering hänvisas till som fas 0 av aktionspotentialen. Cellen genomgår sedan en liten repolarisering (fas 1) eftersom snabba Na + -kanaler stängs och en specifik K + -kanal (Ktill) öppnas (9, 14, 17). Emellertid upprätthåller den fortsatta inre rörelsen av Ca ++ genom L-typ Ca ++-kanaler ett depolariserat tillstånd (fas 2-platå) efter fas 1. När dessa Ca ++-kanaler börjar stängas öppnas en annan typ av K +-kanal (Kr) (9, 14, 17). Minskningen av inåtriktade Ca++-strömmar och ökningen av utåtriktade K+-strömmar orsakar repolarisering (fas 3) och en återgång till fas 4-vilopotentialen som upprätthålls av öppen K1 kanaler. Det är viktigt att notera att joner rör sig in och ut ur cellen under en åtgärdspotential, men endast ett litet antal joner i förhållande till de interna och yttre poolerna av joner är involverade i varje åtgärdspotential. Därför ändras inte jonkoncentrationsgradienter över membranet nämnvärt under aktionspotentialer. Dessutom säkerställer pumpar och växlare (se fig. 3) att jonkoncentrationsgradienterna upprätthålls.

Aktionspotentialer genereras av förändringar i jonkonduktans via öppning och stängning av jonkanaler.

Snabb inåtgående rörelse av Na + är till stor del ansvarig för den snabba initiala depolarisationen.

Fördröjd inåtgående rörelse av Ca ++ in i cellen förlänger depolarisationsfasen av åtgärdspotentialen.

Utåtgående rörelse av K + är ansvarig för repolarisering av membranet tillbaka till vilande Em.

Som redan beskrivits är SA -noden hjärtats normala pacemakerplats. När SA-nodala aktionspotentialer genereras sprids de snabbt genom de muskulära väggarna i förmakskamrarna genom cell-till-cell-ledning via jonledande gap-övergångar som finns där två celler är sammanfogade (9, 16). AV-noden är normalt den enda regionen mellan förmaken och kamrarna genom vilken aktionspotentialer kan passera från förmaken in i kamrarna (fig. 5). Det bör dock noteras att eftersom AV-nodcellerna är celler av pacemakertyp, har de en långsam depolariseringshastighet (minskad fas 0-lutning), vilket minskar cell-till-cell-ledningshastigheten (11). Därför finns det en fördröjning i ledningen av åtgärdspotentialer genom AV -noden, vilket medger mer fullständig fyllning av ventriklarna efter förmakskontraktion. Strax nedanför AV -nodcellerna är den korta bunten av His som delar sig i de vänstra och högra buntgrenarna i Purkinje -systemet som färdas ner på vänster och höger sida av det interventrikulära septumet. Buntgrenarna avger mindre Purkinje -fibrer, vilket underlättar snabb överföring av åtgärdspotentialer genom ventriklarnas muskulära väggar. Ledningen är mycket snabb i de specialiserade, icke-sammandragande kardiomyocyterna i Purkinje-systemet eftersom de har ett stort antal snabba Na+-kanaler, särskilt vid gap-junctions (16), och därför genomgår de mycket snabb fas 0-depolarisering. Purkinjefibrer i ventriklarna slutar vid kardiomyocyter som genomgår kontraktion som svar på depolarisering.

Bild 5.Pacemakerplats och ledningsbanor i hjärtat. SAN, sinoatrial nod AVN, atrioventrikulär nod LBB, vänster buntgren RBB, höger buntgren. Normal aktiveringssekvens är SAN → AVN → LBB och RBB → Purkinje -fibrer → myokard.

Normalt hjärt -elektrokardiogram.

Elektrisk aktivering av hjärtat sker när aktionspotentialer sprids genom hela förmaken från SA -noden, sedan riktas in i ventriklarna med hjälp av AV -noden och slutligen distribueras genom ventriklarna av Purkinje -systemet. Depolarisering och repolarisering av myokardiet kan observeras och kvantifieras genom att placera elektroder på kroppens yta för att mäta den elektriska aktiviteten i hjärtat. En registrering av denna aktivitet kallas ett elektrokardiogram (EKG). EKG:n registrerar förändringar i spänning, inte absolut spänning. Därför, när hjärtat är helt repolariserat eller depolariserat, registrerar EKG nollspänning (isoelektrisk baslinje).

Standarder har fastställts för registrering av EKG genom att placera elektroder på specifika platser på kroppens yta (7, 11). Dessa elektroder är konfigurerade elektriskt så att hjärtats elektriska aktivitet kan ses i olika vinklar, vilket resulterar i vad som kallas ett 12-avlednings EKG. I praktiken registreras dessa 12 avledningar samtidigt så att samma elektriska händelse i tiden kan ses i 12 olika vinklar. Sex av dessa ledningar innehåller elektroder placerade på vänster och höger arm och vänster och höger ben. Dessa avledningar ser hjärtat i följande vinklar: 0° (avledning I, vänster och höger arm), +60° (avledning II, höger arm och vänster ben), +120° (avledning III, vänster arm och vänster ben), −30 ° (bly aVL, vänster arm positiv), −150° (avledning aVR, höger arm positiv) och +90 ° (bly aVF, vänster ben positivt) (Fig. 6). Enligt konvention är 0 ° den horisontella linjen mellan vänster och höger arm som passerar genom hjärtat. Pilarna i fig. 6 representerar den positiva elektroden för en viss ledningsaxel. De förstärkta ledningarna (aVL, aVRoch aVF) har inte en enda negativ elektrod som avledning I, II och III. Istället är icke -positiva ledningar elektriskt kopplade för att fungera som en sammansatt negativ elektrod, detta ändrar betraktningsvinkeln för den positiva elektroden placerad på lemmen. Därför uppträder samma elektriska aktivitet i hjärtat på olika sätt i var och en av de sex lemledningarna, även om tidpunkten för händelserna som representerar sekvensen av aktivering och repolarisering är liknande (se fig. 6).

Bild 6.Extremitetsavledningar, deras synvinkel representerad av det axiella referenssystemet, och utseendet på en normal EKG-registrering för var och en av avledningarna med antagande av en elektrisk medelaxel på 60°. Pilarna representerar de positiva inspelningselektroderna för de 3 bipolära extremitetsledningarna (I, II, III) och de 3 förstärkta lemmledarna (aVL, aVFoch aVR). EKG -vågformer, men inte timing, verkar annorlunda med olika avbildningar av hjärtat när de spelas in samtidigt. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

De återstående sex avledningarna på EKGet ser hjärtat från frontplanet som är vinkelrätt mot ledlederna (fig. 7). Dessa avledningar kallas prekordiella (eller bröst-) avledningar och förkortas som V1 - V6. V1 inspelningselektrod placeras på bröstet till höger om bröstbenet över det fjärde interkostala utrymmet, och de återstående ledningarna placeras runt bröstet till vänster om V1, med V6 placerad i sidled vid mittaxillärlinjen över det femte interkostalrummet. Liksom lemledarna verkar EKG -vågformerna olika i varje prekordiell avledning eftersom hjärtats elektriska händelser ses i en annan vinkel.

Fig. 7.Precordial placering av bröstkabel och utseendet av en normal EKG -registrering för var och en av de 6 bröstkablarna (V1–V6). EKG -vågformer, men inte timing, verkar annorlunda med olika prekordiala vyer av hjärtat när de spelas in samtidigt. RV, höger kammare LV, vänster kammare. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Det finns tolkningsregler (11) för lemmar och bröstkablar, som kan sammanfattas enligt följande:

En våg av depolarisering som går mot en positiv registreringselektrod visar en positiv spänning på EKG -spårningen.

En våg av repolarisering som rör sig bort från en positiv inspelningselektrod visar en positiv EKG -spänning.

Spänningen är negativ om depolarisationsvågen rör sig bort från den positiva registreringselektroden eller om en repolarisationsvåg rör sig mot elektroden.

Depolarisations- eller repolarisationsvågor som rör sig vinkelrätt mot ledningsaxeln för en positiv inspelningselektrod visar ingen nettospänning.

Storleken på den registrerade spänningen är relaterad till massan av muskeln som genomgår depolarisering eller repolarisering.

Det finns specifika komponenter i EKG -spårningen som är gemensamma för alla elektroder (fig. 8). Även om dessa komponentvågformer kan se olika ut i olika ledningar, är deras tidsattribut likartade. Den första lilla avböjningen från nollbaslinjespänningen är P-vågen, som representerar förmaksdepolarisering. Denna våg har en positiv avböjning i de flesta avledningar men en mindre amplitud än andra vågor eftersom atriella muskelmassan är liten jämfört med ventriklarna. Nästa våg, som i allmänhet är den största i spänningsamplitud, är QRS-komplexet, som representerar ventrikulär depolarisering. Slutligen är den sista vågen T -vågen, som genereras genom ventrikulär repolarisering. Atriell repolarisering observeras inte eftersom den är maskerad av de mycket större spänningsförändringarna i QRS. Observera att det finns en betydande tidsfördröjning efter P -vågen innan QRS uppträder. Detta representerar till stor del ledningsfördröjningen som inträffar inom AV-noden. Tidsperioden som omfattar förmaksdepolarisering och AV-nodfördröjning kallas P-R-intervallet. Det finns också ett nollspänningssegment (isoelektriskt) mellan QRS- och T-vågen, vilket representerar den tidsperiod under vilken hela ventrikeln är i ett depolariserat tillstånd. Spårningen är också isoelektrisk mellan T -vågen och utseendet på nästa P -våg eftersom hela hjärtat repolariseras under denna period.

Bild 8.EKG-komponentvågor, intervall och segment. P, P-våg representerar atriell depolarisering QRS, QRS-komplex representerar ventrikulär depolarisering T, T-våg representerar ventrikulär repolarisering. ST -segmentet representerar den tidsperiod under vilken ventriklarna är fullständigt depolariserade. PR -intervallet är den tid som krävs för förmaksdepolarisering och fördröjning av överföring inom AV -noden. QT -intervallet representerar den totala tid som krävs för initiering och slutförande av ventrikulär depolarisering och repolarisering. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Elektriska vektorer och EKG-generering.

Ventrikulär depolarisering börjar när aktionspotentialer fortplantas ner i vänster och höger buntgrenar på vardera sidan av kammarskiljeväggen. Septums vänstra sida är först att depolarisera, och därför sprids septal depolarisering från vänster till höger sida av septum (fig 9A). När denna aktivitet registreras av ledning II, kan den septala depolariseringen visa en liten negativ avböjning (Q-våg) eller ingen urskiljbar avböjning eftersom depolariseringen rör sig nästan vinkelrätt mot ledningsaxeln (representerad som en momentan medelelektrisk vektor Fig. 9, svart pil). En mer lateral ledning såsom aVL skulle visa en mer framträdande Q-våg eftersom depolarisationsvektorn rör sig bort från den positiva elektroden av aVL. Efter septaldepolarisering sprider sig depolarisationen in i hjärtats topp (fig.9B). Vid denna tidpunkt är den momentana genomsnittliga elektriska vektorn på väg nästan direkt mot den positiva registreringselektroden, vilket resulterar i en stor positiv spänning (R våg) registreras av avledning II. Om detta spelades in av aVR, skulle QRS-avböjningen vara negativ vid denna tidpunkt. Kort därefter, när depolarisering uppslukar spetsen, rör sig depolarisationsvågor upp i väggarna i höger och vänster kammare (fig. 9)C). I ledning II skulle detta registreras som en liten positiv spänning. Flera millisekunder senare depolariseras de flesta av vänster kammare och hela höger (fig 9D). Vid denna tidpunkt kan elektroden registrera en liten negativ spänning (S -våg) eftersom depolarisationsvågen rör sig bort från bly II -positiva elektroden. Denna sekvens av ventrikulär depolarisering resulterar i QRS -komplex som registreras av bly II. Var och en av de andra 11 avledningarna kommer att spela in samma sekvens, men QRS kommer att se annorlunda ut eftersom var och en av dessa avledningar ser hjärtat från en annan vinkel (se Fig. 6 och 7). Hela sekvensen av ventrikulär depolarisering som representeras av QRS inträffar normalt inom 0,06–0,10 s.

Bild 9.Generering av det ventrikulära QRS-komplexet under ventrikulär depolarisering. Inspelningselektroden är konfigurerad som avledning II. De små pilarna representerar enskilda momentana vektorer större pilar representerar de momentana genomsnittliga elektriska vektorerna, som bestämmer EKG -spänningen som registreras en viss tidpunkt under depolarisering. A: septal depolarisering. B: apikal depolarisering. C: samtidig vänster och höger ventrikulär depolarisering. D: slutförande av vänster ventrikulär depolarisering. Ledaxeln för QRS-spårning är 60° (avledning II). Anpassad och använd med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Sekvensen för ventrikulär repolarisering skiljer sig markant från depolarisering, vilket står för varför T -vågen har ett annat utseende än QRS. Baserat på reglerna för EKG -tolkning kan man tycka att T -vågen ska vara negativ eftersom de första cellerna som depolariseras bör vara först att repolarisera, vilket skulle resultera i en våg av repolarisering som rör sig mot samma elektrod som registrerade QRS. T-vågen är dock normalt upprätt i de flesta avledningar och har en längre varaktighet än QRS. Varför är det så här? Anledningen är att de sista cellerna som depolariseras är de första cellerna som repolariseras (fig. 10). De sista cellerna som depolariseras är belägna i subepikardialområdet (under utsidan) av den övre vänstra ventrikelfria väggen. De subepikardiella cellerna repolariseras först eftersom de har kortare aktionspotentialvaraktighet än subendokardiella celler (3, 14) (inre delen av ventrikeln), och därför genomgår de repolarisering före de subendokardiala cellerna trots att dessa celler depolariseras före de subepikardiella cellerna (se fig. 10) ). Därför, även om en överliggande inspelningselektrod skulle registrera en positiv QRS, vandrar repolarisationsvågen normalt bort från inspelningselektroden, och med tolkningsreglerna orsakar detta en positiv avböjning. T -vågen är längre än QRS eftersom det tar längre tid för ventriklarna att repolarisera än depolarisera. Anledningen till detta är att depolarisering involverar höghastighets Purkinje-systemet för att snabbt utföra åtgärdspotentialer i hela ventriklarna, medan repolariseringens utbredning inte involverar dessa vägar, och därför är det främst begränsat till långsammare cell-till-cell-ledning utanför av Purkinje -systemet.

Bild 10.EKG -registrering av ventrikulär repolarisering (T -våg). Depolarisering av ventrikelväggen sprider sig från subendokardiella (inre vägg) celler till subepikardiala celler (yttervägg), som visas med den fasta pilen. I de flesta ledningar är T -vågen upprätt (positiv spänning) eftersom subepikardiella (Epi) celler nära ventrikelytan, som är de sista cellerna som depolariseras, är de första som repolariseras. Detta inträffar eftersom varaktigheten av den subepikardiella aktionspotentialen är kortare än subendokardiella (Endo) celler (jämför solida och streckade aktionspotentialer). Därför rör sig repolarisationsvågan bort från den överliggande inspelningselektroden (streckade pilar representerar repolarisationsvektorer), vilket är motsatt av depolarisationsvågen (fast pil). Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Specifika kliniska kriterier som används för att bestämma frekvens, rytm, elektrisk axel, förändringar i specifika tidsintervall etc. finns i läroböcker för klinisk kardiologi (7).

EKG registrerar elektriska förändringar i samband med depolarisering (förmaks P -våg, ventrikulär QRS) och repolarisering av ventriklarna (T -våg) och tidpunkten för dessa händelser.

Genom att använda en 12-avledningskonfiguration kan hjärtats elektriska aktivitet ses från olika vinklar.

QRS-komplexets utseende skiljer sig mellan elektroderna när det gäller positiva och negativa avböjningar men inte timing eftersom varje elektrod ser hjärtats elektriska aktivitet från ett annat perspektiv, vilket kan ge viktig klinisk information om regional elektrisk aktivitet.

T -vågen är normalt positiv i de flesta ledningar eftersom de sista cellerna som depolariseras är de första som repolariseras.

Cellulär elektrofysiologisk grund för EKG -förändringar under ischemi.

Ischemi definieras som otillräckligt blodflöde, vilket minskar syretillförseln till en vävnad.Detta leder till en minskning av vävnadspartialtrycket av syre (hypoxi), vilket i sin tur får intracellulära ATP -nivåer att minska eftersom mitokondrier kräver syre för att göra ATP (5). En minskning av mobil ATP kan påverka en speciell typ av K + -kanal (KATP) som inaktiveras av normala cellulära ATP-nivåer (9, 18). När ATP faller, KATP kanaler öppnas och tillåter K + att lämna cellen. Även om en ökning av K + -rörelsen utåt skulle hyperpolarisera cellen, hamnar cellen i ett mer depolariserat tillstånd eftersom extracellulär K + -koncentration ökar när intracellulärt K + minskar. Enligt ekvationerna Nernst och GHK minskar detta EK, vilket leder till en mindre negativ (depolariserad) vilomembranpotential (fig. 11). Vidare kan förlusten av ATP minska aktiviteten hos Na + /K + -ATPas -pumpen, vilket leder till extracellulär ackumulering av K + och en förlust av det elektriska bidraget från pumpen till membranpotentialen (12). Därför kan pumphämning också bidra till depolarisering.

Fig. 11.Effekter av ischemi på ventrikulära verkningsmöjligheter. Ischemisk åtgärdspotential (streckad spårning) har en mindre negativ (depolariserad) vilopotential, långsammare fas 0 -uppslag och minskad varaktighet.

Ischemi-inducerad depolarisering inaktiverar (stänger) även snabba Na+-kanaler som är ansvariga för den snabba depolariseringen av fas 0 (5, 18). Detta skiljer sig från snabb depolarisering till tröskel, vilket öppnar de spänningsdrivna snabba Na + -kanalerna. Långsam depolarisering som den inträffar som svar på ischemi inaktiverar dessa kanaler, vilket minskar antalet snabba Na + -kanaler som är tillgängliga för snabb åtgärdspotentialgenerering. Eftersom varje Na + -kanal har ett något annorlunda svar på graderad depolarisering, ökar antalet inaktiverade kanaler med allvarligare ischemisk depolarisering. Med färre Na + -kanaler som bidrar till den initiala depolarisationen, minskas fasen 0 (uppströmningshastighet) (5) (se fig. 11). En vilande membranpotential på cirka −55 mV gör att alla snabba Na + -kanaler inaktiveras. En åtgärdspotential kan fortfarande inträffa under detta tillstånd, men långsam inåt Ca ++ via L-typ Ca ++ kanaler kommer att ansvara för fas 0, och depolarisationshastigheten blir mycket långsammare. Slutligen förkortar ischemisk depolarisering också åtgärdspotentialens varaktighet, vilket kan vara relaterat till öppnandet av KATP kanaler (1, 5, 18), vilket leder till tidigare fas 3 -repolarisering.

I förmaksmuskel kan Purkinje -systemet och ventrikulär muskelischemisk depolarisering minska ledningshastigheten eller producera ledningsblock eftersom åtgärdspotentialförökning i dessa vävnader främst beror på öppnandet av snabba Na + -kanaler, som inaktiveras av ischemi (5, 18). Ischemisk depolarisering av AV-noden kan sänka ledning och orsaka AV-block i första hand genom inaktivering av L-typ Ca++-kanaler (5), som är ansvariga för fas 0-depolarisering i nodalvävnad.

Nyckelbegrepp: hjärtischemi orsaker

ökad extracellulär K + och ett mindre negativt EK

snabb Na + -kanalinaktivering i icke -pacemakerceller

deprimerad fas 0 -lutning av åtgärdspotentialer

reducerad aktionspotential ledningshastighet.

Ischemi kan förändra EKG på flera olika sätt. Ändringar i takt och rytm, tillsammans med ledningsblock, kan inträffa, beroende på placeringen av den ischemiska regionen i hjärtat. Till exempel kan ledningsblock i de vänstra eller högra buntgrenarna förekomma (7), vilket ändrar sekvensen för kammaraktivering och förlänger ventrikelaktiveringstiderna och ökar QRS -varaktigheten. Ändrad ledning kan också leda till utveckling av återinträdande kretsar och takykardi, vilket ökar QRS -komplexets bredd och förändrar T -vågens utseende (7).

Ventrikulär ischemi kan förändra repolarisering och producera T -våginversion. Som beskrivits tidigare förkortar ischemi cellens verkningspotential, vilket resulterar i att repolarisering sker tidigare än normalt. Eftersom subendokardceller i allmänhet är mer mottagliga för ischemi (10), kan dessa celler repolarisera innan subepikardialcellerna när dessa blir hypoxiska. När detta inträffar går repolarisationsvågen från den subendokardiska till den subepikardiella ytan av kammaren. Baserat på EKG-tolkningsregler orsakar detta en negativ defekt i T-vågsregistreringen av en elektrod som ligger över den regionen av ventrikeln (Fig. 12). Uppkomsten av T-vågsinversion indikerar inte nödvändigtvis myokardischemi, men det observeras ofta kliniskt under ischemiska händelser.

Fig. 12.Omvändning av T -våg genom subendokardiell ischemi. Ischemiska subendokardiella celler (fast verkan potential) har en depolariserad vilande membranpotential och en förkortad åtgärdspotential varaktighet (↓ APD), vilket kan orsaka repolarisering innan subepikardiella celler (streckad åtgärdspotential) repolariseras. Detta kommer att leda till att repolarisationsvågen (streckade pilar) reser mot den överliggande inspelningselektroden, som i allmänhet är samma vektororientering som depolarisering (fast pil), detta orsakar en negativ avböjning av T -vågen. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Även om myokardiskemi ofta orsakar kliniskt signifikanta förändringar i takt, rytm eller ledning, sker dessa förändringar inte alltid med ischemi. EKG kan dock ge ytterligare bevis för ischemi genom att undersöka förändringar i ST-segmentet (7). Detta segment som ligger mellan slutet av QRS och början av T-vågen är normalt isoelektriskt (0 mV på EKG-registreringen) eftersom det representerar den period under vilken alla ventrikulära myocyter är depolariserade. ST -segmentet kan emellertid bli deprimerat eller förhöjt under ischemiska förhållanden. Till exempel kan en person med en historia av ansträngande bröstbesvär och misstänkt kranskärlssjukdom utvärderas med ett stress-EKG, vilket vanligtvis utförs genom att låta patienten gå på löpband vid olika arbetsbelastningar medan ett 12-avlednings EKG registreras. Om koronarblodflödet är otillräckligt för att stödja det ökade syrebehovet i hjärtat under träning blir vävnaden hypoxisk och depression av ST -segmentet kan inträffa (Fig. 13) (13).

Fig. 13.ST-segmentdepression till följd av ventrikulär subendokardiell ischemi. ST -segmentet är normalt isoelektriskt (nollspänning). Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Denna typ av behovsinducerad ischemi påverkar subendokardiet mer än subepicardium (10). Subendokardiell ischemi resulterar i depolarisering av den regionen i ventrikelväggen (fig. 14). Eftersom andra regioner fortfarande kan vara tillräckligt perfunderade under träningen, utvecklas en spänningsskillnad och diastoliska skadeströmmar mellan den normala och ischemiska vävnaden. Skadeströmmarna är "diastoliska" eftersom de är mest framträdande när resten av ventrikeln repolariseras. Elektroder registrerar denna skadeström som en positiv spänning som uppstår före QRS och efter T -vågen när ventriklarna normalt repolariseras. När ventrikeln blir mer enhetligt depolariserad efter QRS, kommer elektroden att spela in ett normalt isoelektriskt ST -segment. Därför, med ST-segmentnedtryckning, är det som faktiskt inträffar att baslinjespänningen (före QRS och efter T-vågen) höjs så att det isoelektriska ST-segmentet verkar vara nedtryckt i förhållande till baslinjen.

Fig. 14.Modell för depression i ST -segmentet associerat med subendokardiell ischemi. I en vilande, repolariserad ventrikel producerar subendokardiell ischemi ett område med depolarisering, som registreras som en positiv spänning eftersom vektorer som genereras vid gränsen mellan depolariserad och repolariserad vävnad (fasta pilar) är riktade mot den överliggande inspelningselektroden. Detta höjer baslinjespänningar som observerats före QRS-komplexet och efter T-vågen. När hela ventrikeln blir depolariserad (representerad av ST-segmentet) registreras nollspänning, vilket ger utseendet på ST-segmentsdepression i förhållande till perioden för ventrikulär repolarisering. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Förhöjning av ST-segmentet (fig. 15) är i allmänhet ett tecken på allvarligare myokardischemi och förekommer i majoriteten av akuta hjärtinfarkter som orsakas av fullständig blockering av en kransartär till följd av ett brustet aterosklerotisk plack med efterföljande trombbildning. Om hjärtenzymmätningar (t.ex. troponin) bekräftar infarkt (celldöd), kallas det ST förhöjt myokardinfarkt (STEMI).

Fig. 15.ST-segmentförhöjning till följd av ventrikulär transmural ischemi. ST-segmentet är normalt isoelektriskt (noll spänning). Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

För att förstå varför ST -segmentet blir förhöjt kan liknande resonemang tillämpas på det som beskrevs för ST -depression. Vid ST -höjd finns vanligtvis en transmural infarkt som omfattar hela väggtjockleken i ett ventrikelområde (7). Denna ischemiska vävnad blir depolariserad (fig. 16) på grund av dess oförmåga att upprätthålla normala jongradienter över cellmembranen. När det icke -involverade myokardiet repolariseras (mellan slutet av T -vågen och början av QRS) finns det skadeströmmar som skapas genom separering av depolariserad skadad vävnad och polariserad normal vävnad. En inspelningselektrod som ligger över den ischemiska vävnaden kommer att registrera negativa spänningar eftersom den elektriska vektorn kommer att vara i en riktning bort från elektroden. Därför, vid en tidpunkt då hela ventrikeln ska repolariseras och när EKG: s grundspänning ska vara noll, registrerar elektroden istället en negativ spänning. När hela ventrikeln depolariseras med QRS -utseendet försvinner spänningsskillnaden mellan den ischemiska och normala vävnaden och elektroden registrerar ett isoelektriskt ST -segment. Detta segment kommer dock att visas förhöjt jämfört med den deprimerade baslinjen. Andra EKG -förändringar (t.ex. bildning av framträdande Q -vågor) sker under timmarna och veckorna efter en STEMI (7).

Bild 16.Modell av ST-segmenthöjning associerad med transmural ischemi. I en vilande, repolariserad ventrikel producerar transmural ischemi en region av depolarisering, som registreras som en negativ spänning av den överliggande elektroden. Detta inträffar eftersom vektorer som genereras vid gränsen mellan depolariserad och repolariserad vävnad (fyllda pilar) riktas bort från den överliggande inspelningselektroden när allt utom den ischemiska vävnaden är repolariserad. Detta sänker baslinjespänningar som observerats före QRS -komplexet och efter T -vågen. När hela kammaren depolariseras (ST -segment) registreras nollspänning som ger ST -segmenthöjning utseende i förhållande till kammarperioden för repolarisering. Används med tillstånd från Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Nyckelbegrepp: ventrikulär ischemi kan producera

ST segment depression eller höjd.

Sammanfattning.

Denna undervisningsöversikt bygger en grund för att förstå cellulär elektrofysiologi i både det normala och ischemiska myokardiet. Vilande membranpotentialer och aktionspotentialer, som bestäms av jonkemiska gradienter och förändringar i membranjonkonduktans, är mycket känsliga för ischemi-inducerad vävnadshypoxi. Ischemi leder till cellulär depolarisering genom att ändra jonkemiska gradienter och membrankonduktans till joner. Dessa förändringar förändrar handlingspotential depolarisering och repolarisering och trycker ner deras ledning i hjärtat, vilket leder till förändrad EKG -vågmorfologi, intervall och segment. Därför är karakteristiska förändringar i EKG användbara vid diagnos av myokardiell ischemi och infarkt.


Föreläsning 24: Nervsystemet 1

Ladda ner videon från iTunes U eller Internetarkivet.

Föreläsning 21: Utveckling - 1

Föreläsning 22: Utveckling - 2

Föreläsning 24: Nervsystemet 1

Föreläsning 25: Nervsystemet 2

Föreläsning 26: Nervsystemet 3

Följande innehåll tillhandahålls under en Creative Commons-licens. Ditt stöd hjälper MIT OpenCourseWare att fortsätta att erbjuda utbildningsresurser av hög kvalitet gratis. Om du vill donera eller se ytterligare material från hundratals MIT -kurser besöker du MIT OpenCourseWare på ocw.mit.edu.

HAZEL SIVE: Okej, låt oss titta på några av dina frågor. Ett gäng av dem är-- vet du vad, jag kommer förmodligen att använda den skärmen för det mesta. För den här passar inte. Men låt oss titta på den här skärmen.

Dina frågor fokuserade verkligen kring IPS -celler och den typ av magi hos IPS -celler. Och det var ett par stora frågor som dök upp. Vad är problemet med att använda IPS -celler terapeutiskt?

Tja, det finns ett antal. En, de är så nya att vi egentligen inte vet vilka typer av celltyper dessa IPS-celler kan göra, så det är inte klart hur man använder dem. Ett annat problem faktiskt, som min kollega, professor Jaenisch arbetar med, är frågan om hur man faktiskt odlar dessa celler.

Jag har ett röstproblem i morse. Så du vet, ju tystare du är, desto mer kommer du att kunna höra mina ord.

IPS -celler, mänskliga celler, växer mycket långsamt i laboratoriet. Och det är väldigt svårt att odla dem. Så det finns några grundläggande frågor i biologin om hur man odlar dessa celler till tillräckligt många som faktiskt skulle vara användbara.

Men här är en annan som är mycket viktig. De transkriptionsfaktorer som vi använder för att omvandla vuxna celler till IPS-celler inkluderade en onkogen som kallas c-Myc. Och Myc är den typ av gen du inte vill att du ska flyta runt i din kropp, trevlig och aktiv i dina celler, eftersom den kommer att ge dig cancer.

Så utmaningen är hur man faktiskt använder Myc och andra potenta transkriptionsfaktorer för att förvandla vuxna celler till stamceller men inte få stamcellerna att ge mottagaren cancer. Och det finns några mycket smarta sätt som människor försöker komma runt detta.

Det är verkligen omöjligt att lära dig om det finns grupper av er som pratar. Jag kan bara inte göra det. Så ni som pratar, snälla snälla. Tack.

Okej, så vad är det som handlar om IPS -celler? Tja, det stora är att de kan vara dina egna. I teorin – och kanske i praktiken, ett decennium, fem år kanske från nu – kan dina egna celler, dina hudceller tas bort från dig, kan tas om hand i laboratoriet, förvandlas till dina egna stamceller och läggas tillbaka in i din egen kropp, och de skulle vara dina.

Så naturligtvis skulle de inte avvisas av dig. Och det är en enorm affär. De kallas autologa celler. Det finns en etisk fråga, i och med att du inte behöver skörda några embryon för att få stamcellslinjer. Och det är en stor sak.

Och här är en konceptuell affär. När vi pratade om utveckling talade vi om denna riktningsväg, där oengagrade celler blev engagerade blev differentierade. Man trodde verkligen att det var en enkelriktad väg.

Men vad IPS-cellteknologi har visat- låt oss titta på det här- okej, vi kan få idén från en av dessa två skärmar. Vad IPS -cellteknologi har visat är att du kan vända differentiering. Du kan ta differentierade vuxna celler och med rätt reglerande faktorer kan du göra dem till stamceller. Och så konceptuellt är det en stor sak. Mycket bra, bra frågor.

Min nästa kontorstid är måndag 12-1. Kom eller maila mig. Men nu ska vi övergå till en ny modul, och det är nervsystemet. Och det är här vi är på kursen.

Du har gjort allt grundmaterial. Vi har pratat om bildning. Och nu ska vi prata om system och nervsystemet i synnerhet.

Låt oss börja med frågan om vad ett system är. Bygga upp, komplexiteten i det vi pratar om i livet. Ett system refererar till många organ som fungerar tillsammans med en gemensam funktion. Många organ arbetar tillsammans med en övergripande funktion.

Och du kommer att prata om två i kursen. Du kommer att prata om nervsystemet och immunsystemet med professor Jacks. Nervsystemet, som är ämnet för de kommande tre föreläsningarna, har att göra med kommunikation - har att göra med kommunikation från utsidan till insidan av ett djurs kropp, har att göra med kommunikation inom kroppen och har att göra med kommunikation för att få organismen-- djuret, eftersom växter inte har nervsystemet-- djuret att göra något. Så nervsystemet handlar om kommunikation till eller från eller inuti ett djurs kropp.

Vi har haft ett antal elektriska analogier i kursen. Du kommer ihåg den berömda signalanalogin att slå på strömbrytaren där på väggen. Men nu går vi vidare till en annan elektrisk analogi, som faktiskt är sannare.

Och jag kommer att använda analogin för nervsystemet att tala om ledningar som överför signalen, genom vilka celler kommunicerar. Jag ska prata om kontakter mellan ledningarna. Och sedan ska jag prata om kretsar.

Och det kommer att vara ämnen för de kommande tre föreläsningarna. Så ledningar, kontakter och kretsar. Och det kommer att vara nervsystem 1 till 3, föreläsningarna i denna modul.

Idag ska vi prata om trådarna. Och det blir tre ämnen. Den första är celltypen som har något att göra med ledningarna för denna kommunikation. Det andra är något som kallas åtgärdspotential, vilket är signalen genom vilken celler kommunicerar inom sig själva. Och det tredje har att göra med jonkanalerna och pumparna.

Men låt oss börja med att formulera problemet på ett slags coolt sätt. Om du tittar på människan- låt oss titta på den här skärmen. Om du tittar in i människan, och du skisserar nerverna. Och om du gick för att se de levande, mjukgjorda mänskliga utställningarna, skulle du ha sett de mjukgjorda nerverna.

De är verkligen extraordinära. Nätverk av nerver, som är kommunikationsenheten i hela kroppen. Är enorm. Och det omfamnar nästan alla delar av kroppen, nästan.

Cellen som är involverad i kommunikation- vi kommer att ta fram detta om ett ögonblick- är neuron. Och en av sakerna med neuroner är att de har väldigt långa processer, kallade axoner, som vi kommer att behandla på djupet idag.

Men låt oss formulera saker mer intuitivt. Så här ser våra hjärnor ut. De har faktiskt inte nerver som innoverar dem. Och så om du faktiskt har en hjärnoperation kan du verkligen vara vaken under operationen. Eftersom det inte finns några nerver i hjärnan, eller åtminstone inga smärtreceptorer i hjärnan. Visst har hjärnan nerver, men det finns inga smärtreceptorer i hjärnan.

Mänsklig hjärna. Miljarder och miljarder och biljoner neuroner. Vi kommer att prata om siffror i framtida föreläsningar.Men låt oss titta lite djupare i hjärnan, så att du kan se hur packad den är med nervceller och hur kopplingarna mellan nervcellerna är så otroligt komplexa att man tänker på hur man använder kretsar för att konstruera det mänskliga nervsystemet - eller faktiskt det av de flesta djur-- är ett enormt problem.

Prof. kopplingar i den mänskliga hjärnan. Och börjar med en liten kub av hjärna-det här är cirka 100 mikron, det är inte riktigt en kub, men det är ungefär en 100-mikron kub-han har arbetat med att försöka ta reda på vad alla cellanslutningar är och vad alla celler finns i denna lilla kub av hjärna, som bara är en liten, liten del av din hjärna.

Så titta på det här. Detta är en elektronmikrograf som han har satt ihop ett gäng elektronmikrofotografier för att bygga denna 3D-struktur. Och nu går hans elever och professor Lichtman vid Harvard och skisserar en speciell cell i seriesnitt genom denna kub. Det här är väldigt små sektioner. Det handlar om fem nanometersektioner.

Och sedan sätter de ihop dessa avsnitt. Och du kan få neurons tredimensionella struktur när den går genom kuben. Och du kan börja kartlägga hur denna neuron ligger bredvid andra neuroner. OK, där går det bakåt.

Och det finns två celler som ligger bredvid varandra som du kan få i 3D -rendering, med denna mycket noggranna process med att först få delar av hjärnan, sätta ihop dem alla till en bit och sedan dekonstruera de enskilda cellernas former inom den delen . Om du gör det för hela vävnaden, är det här vad du får. Det är den röda och den gröna neuronen. Här är en blå, det finns en gul, lime, lila, röd, mörkblå, gul, orange. Det är skrämmande.

Varsågod. I den där lilla biten av hjärnan är det så packade cellerna är. Och kopplingarna mellan dem är enorma. Och det är bara mindre än en miljonedel av din hjärna.

Så att ta reda på alla kopplingar, alla kretsar i nervsystemet, är en enorm uppgift. Och vi vet inte det. Vi kommer att prata om vad vi vet senare. Men jag ville rama in problemet för dig, så att du har en känsla av vart vi försöker ta vägen.

Låt oss gå tillbaka till neuronen. Och låt oss prata om celltyp och hur celltyp är viktig för att tänka på signalering i nervsystemet. Så som allt annat i kroppen använder kommunikation celler som valuta. Och celltypen är den speciella typen av celltyp, som är neuronen. Så neuroner är de anslutande/ledande cellerna.

Det finns en andra celltyp i nervsystemet som verkligen är avgörande för nervsystemets funktion som kallas glia. Och det här är celler som kallas stödceller. Men det är inte riktigt rättvist. De styr neuroner, och som vi kommer att nämna senare isolerar de också neuroner, så att ledningarna inte kortsluter. Så de styr och isolerar neuroner.

Neuronens struktur är viktig för att förstå dess funktion. Liksom alla celler har den en kärna och cytoplasma. Och här är det, kärnan, cytoplasman. Och denna region av neuron kallas cellkroppen.

Men till skillnad från andra celler, det kommer processer som kommer ut från denna cellkropp. Och de är mycket omfattande processer. På ena sidan av cellkroppen är vanligtvis ganska korta processer. De kan vara grenade, och det kan finnas klasar av dem. Och dessa kallas dendriter.

Dendriter är processer som tar emot en signal. Så de är platsen där det finns en signalering - låt mig bli av med den dendriten - det finns en signalingång. Signalen som dendriter tar emot rör sig genom cellkroppen och in i en annan process, som kallas axon och är mycket lång.

Och det faktum att den är väldigt lång är faktiskt vad den här föreläsningen handlar om. Så axonen är tråden. Axoner kan vara upp till en meter långa. Här är axonet.

Och det finns axoner som börjar i ryggmärgen och rör sig hela vägen ner i benet, från en enda cell. Vi ska prata om varför det är om ett ögonblick. Dessa axoner förgrenar sig i sina ändar. Och de ansluter till en annan neuron eller något annat, men vi ritar en annan neuron.

Här är en annan neuron med sina dendriter och en annan axon. Kopplingen - här är neuron 1 och neuron 2. Och kopplingen mellan axoner och dendriter - eller som du kommer att upptäcka, axoner i cellkroppen - kallas en synaps. Vissa människor säger att synaps - det är kopplingen - antingen är OK.

Och saken är att denna ingång som är långt över på den vänstra sidan av brädet överförs, längs axonen, till nästa neuron och sedan längs nästa neuron. Detta är signalen. Och vi måste tänka på varför celler skulle vilja ha dessa mycket långa processer för att göra detta, och sedan hur signalen sänds.

Anledningen till att celler har fått dessa långa processer snarare än - ja, låt oss faktiskt gå tillbaka ett ögonblick. Låt oss fundera på hur celler kan kommunicera med varandra. Du kan tänka dig ett helt gäng små runda celler, alla uppställda, så att det finns en meter av dem som går från ryggmärgen ner till benet. Och det skulle ge dig en kommunikationskedja från ryggmärgen till ditt ben. Och du kan ha en tillbaka till din hjärna och så vidare.

Och det skulle i teorin fungera OK. Men det visar sig att cell-cellkommunikation är mycket långsam, och att celler har kommit på ett sätt att sända en signal längs sin egen längd som är mycket snabb.

Du vet att det är en begränsad tid mellan att få en stimulans och ett svar. Du vet, du rör vid något varmt, du kan se att det faktiskt tar en stund innan du kommer på att det är varmt. Det är hastigheten för signalöverföring, upp i din hjärna. Och du säger, wow, det är hett, rör på mitt finger.

Om du hade celler som ansluter snarare än långa processer i en cell, skulle det ta dig så mycket längre tid att faktiskt göra det - kanske 10 gånger längre - att göra den anslutningen. Och du skulle få ett illa bränt finger.

Så axon är det som tillåter snabb överföring av signalen. Så axonen är lång. Det leder till en intracellulär signal. Och detta är mycket snabbt, relativt en intercellulär signal.

Men hur överför man en signal längs en cell? Tja, axoner gör detta genom att använda rörelse av joner. Så signalen längs axonen beror på rörelse av joner. Och detta kallas en åtgärdspotential, som vi kommer att diskutera.

Och denna process bygger på en egenskap hos alla celler som neuroner har utnyttjat. Så nästan alla celler har en potentialskillnad över sitt membran, eftersom det finns en laddningsskillnad över plasmamembranet. Så nästan alla celler har det som kallas en membranpotential, vilket är en membranpotentialskillnad.

Och i allmänhet är celler mer positiva utanför än de är inuti. Så utanför cellen- och det här är värt att komma ihåg- det är mer positivt. Och det är mer positivt eftersom det finns mycket natriumjon. Du kommer att se varför detta är viktigt. Det finns låg kaliumjon, och det finns en hög kloridjon. Men egentligen, det som är viktigt är att det finns mycket hög natriumkoncentration utanför cellen.

Omvänt, inuti cellen är uppenbarligen mer negativ. Natrium är lågt. Kalium är högre men fortfarande inte särskilt högt. Och det finns ett gäng joner som är fångade i cellen.

Varför är detta viktigt? Låt mig se vad jag har här. OK, de flesta celler visar en potentiell skillnad. Här är det. Här skrivs potentialskillnaden. Neuroner är någonstans mellan minus 70 och minus 60 millivolt, där du pratar om den relativa potentialskillnaden inifrån och ut, det är därför det är negativt. Och du kan se att tumörceller faktiskt har en mycket låg membranpotential, vilket kanske inte är signifikant.

Vad är karaktären på signalen som neuroner använder för att överföra från ingången, längs axonet, till nästa cell? Vad är signalen som sänds längs axonen? Och svaret är något som kallas en actionpotential. Det är signalen som sänds längs axonen, tråden som jag hänvisade till.

Och en olyckspotential, som jag kommer att förkorta som AP, kommer att definiera-- och du kommer att förstå detta på ett ögonblick-- som en lokal, övergående depolarisering. Lokal, övergående - varar bara ett ögonblick - depolarisering, förändring i membranpotential. Och jag kommer att göra det mesta på tavlan. Du har en hand-out, men jag kommer att göra det mesta på tavlan eftersom det fungerar bättre som ett samtal än en demonstration.

Låt oss rita lite av ett axon. Här är axonen. Två plasmamembran- utsida, insida, utsida. Så detta är axonet. Plasmamembran, PM.

Och vad vi ska göra-- och här är en cytoplasma-- vad vi ska göra är att ta en bit av axonet och spränga det och fokusera på bara ett plasmamembran, på ena sidan av axonet, och titta och se i detalj vad som händer där. Så låt oss ta den här biten och spränga den, så att vi nu har plasmamembranet - och du kommer ihåg att det är ett lipiddubbelskikt. Men jag ritar det som en enda linje, för det är verkligen en smärtkontroll att rita det som ett lipiddubbelskikt. Men du vet att det är ett lipid tvåskikt.

På ena sidan-- och här är utanför cellen och inuti cellen. På ena sidan finns det många positiva laddningar. Och på andra sidan finns det färre och relativt sett fler negativa laddningar.

När axonen ser ut så här, med denna balans av positiva och negativa laddningar, sägs det vara i vilopotential. Och vilpotentialen är ungefär minus 60 millivolt.

Okej, vad är vårt mål? Vårt mål är att börja här, vid denna asterisk, och att sända en signal längs längden av denna bit av axon och att sända signalen på ett riktat sätt. Så vårt mål är att sända en riktningssignal.

Låt oss rita tre tidpunkter, som alla har ett plasmamembran av detta specifika axonsegment. Och låt oss- jag ska flytta över lite, till den här sidan av brädet- låt oss ha dem här, här och här. Och så kommer vi att ha en tidsvektor som går diagonalt över hela linjen.

Och vi började med något som såg ut som det gjorde på tavlan ovan vid vilopotential. Och nu ska vi- över ett mycket kort segment av membran, vi kommer att vända membranladdningen, eller så kommer cellen att göra det. Så att på utsidan nu finns det en liten del av membranet som är negativ på utsidan och positiv inuti. Och resten är positivt utanför och negativt inuti.

Med tiden kallas detta en depolarisering, en reversering av membranpotentialen. Med tiden kommer den depolariseringen, den initiala depolariseringen att rättas till. Det kommer att gå tillbaka till hur det var.

Så du får positiva laddningar utanför igen. Men segmentet av membranet bredvid kommer att depolariseras, så det blir nu negativt utanför och positivt inuti. Och resten är positivt ute och negativt inuti.

Den där lilla biten av membranet, den andra... så det är depolarisering 1, här är depolarisering 2. Återigen, med tiden kommer du att få korrigering av den andra depolariseringen. Och du har fått idén nu, den kommer att röra sig längre ner i axonen.

Så här är depolarisering 3. Och du minns att detta är utanför och inuti axonet. Så om du tittar på mitt diagram- jag har inte gett dig någon mekanism- men du kan se här att vi har en signal som rör sig i denna riktning, längs axonen.

Var och en av dessa depolariseringar som jag har ritat kallas en aktionspotential. Och jag ska ge dig, om ett ögonblick, några fler egenskaper, så att du vet en handlingspotential när du ser en. Men det finns ett par frågor som uppstår från detta enkla att rita diagram.

För det första, hur händer detta egentligen? Hur vänder laddningar över membranet? För det andra, varför är signalen enkelriktad? Varför går det inte bakåt? Och för det tredje, hur återställer du depolariseringen när det väl har hänt?

Och alla dessa saker du kommer att se hänger ihop, men låt oss ta upp dessa frågor. Så hur händer detta? Varför är det enkelriktat? Och vad betyder det- eller vad är mekanismen för att återställa membranpotentialen efter att en depolarisering har skett? Som till exempel här har du återställt membranpotentialen.

Så svaret på allt detta är komplext. Och vi kommer att svara på det i bitar, som vi brukar göra i den här klassen. Och det första vi kommer att svara på är att ändra membranpotentialen.

Låt oss börja igen med vår axonbit, med utsida och insida, och laddningsfördelningen som har vilopotential. Och så kommer någon form av input. Det kan vara beröring, det kan vara en annan neuron som rör en andra neuron. Det kan vara vision, ljus, som kommer, någon form av input.

Här är det. Och denna ingång verkar på en mycket lokal del av membranet. Och det förändrar membranpotentialen bara en liten bit, så att membranpotentialen kan nå något som kallas tröskelpotential.

Så låt oss titta, låt oss dra fram det. Här är det. Drygt en liten bit av membranet finns det någon form av laddningsomvändning. De positiva laddningarna kommer utifrån, och de rör sig inuti. Och vi kallar denna potentialskillnadströskelpotential. Och om du vill ha en siffra handlar det om minus 55 millivolt.

Vad händer efter tröskeln? Jo tröskel, du förstår vad tröskel är. Det betyder att något händer för att du har nått en punkt där du inte kan återvända. Och vad som händer är att det nu finns en aktionspotential, och det finns en massiv rörelse av de positiva natriumjonerna in i cellen.

Så från tröskelpotential finns det en massiv rörelse, igen ut och in. Så nu har du istället för denna lilla lilla region av depolarisering, du har en stor region av depolarisering. Så det här är en liten depol-- för depolarisering-- som leder till en mycket stor depolarisering av det slag som jag ritade på tavlan tidigare.

Denna stora depolarisering kallas åtgärdspotential. Och det har flera egenskaper. Aktionspotentialen vänder membranpotentialen nästan helt. Så nu i den här delen av membranet ligger den på ungefär plus 60 millivolt. Så det är en massiv depolarisering. Du vänder helt upp jonfördelningen över ett litet område av membranet.

Det är dock väldigt lokalt. En aktionspotential uppstår över-- eller så sker denna massiva depolarisering över ungefär en mikron membran. Det tar en till två millisekunder att ställa in. Det handlar om att flytta mellan 10 och 5: e jonerna utifrån och in. Och jag har berättat potentialen.

Den andra saken som är riktigt kritisk som du måste förstå är något som kallas allt eller inget. Depolariseringen du får med en åtgärdspotential är antingen komplett, eller så händer det inte. Om du når tröskeln, vänder du polaritet, och du får denna fullständiga depolarisering till plus 60 millivolt från minus 60. Du får inte en partiell depolarisering till plus 10 eller 20 eller 30 ibland, eller 35.

För en given neuron får du en specifik åtgärdspotential. Och antingen händer det eller så händer det inte. Så allt på ingen, mycket viktigt. Inga små eller stora actionpotentialer.

Och nu har vi en depolarisering, men vi har inte svarat på två frågor. Vi har inte svarat på frågan om enkelriktad, och vi har inte svarat på frågan om återställning. Så låt oss göra det på nästa bräda.

Och låt oss börja med en actionpotential. Och jag ska faktiskt rita en actionpotential, ungefär mitt i denna axon. Du får se varför.

När du får en åtgärdspotential är det som händer att natriumjoner rör sig från utsidan inuti. Och dessa natriumjoner- eftersom de bara är joner- kommer att börja diffundera i cytoplasman. Och när de sprids intill, kommer de att ändra membranpotentialen, som kommer att nå tröskeln, vilket kommer att utlösa en åtgärdspotential i membranbiten bredvid. Och då kommer dessa joner att diffundera, för att få mängden membran bredvid att nå tröskelpotentialen. Och du får en åtgärdspotential utlöst, och så vidare.

Men jonerna, naturligtvis, eftersom de bara är joner, kan röra sig åt båda hållen. Så jonerna kan flytta tillbaka. Om det är här din aktionspotential ägde rum, skulle jonerna kunna röra sig i den riktningen och utlösa en aktionspotential som går tillbaka, uppför axonet, mot cellkroppen.

Varför händer det inte? Det händer inte för att när du väl har utlöst en aktionspotential blir det membranet eldfast och kan inte utlösa en annan aktionspotential på ett tag. Och under den tid då membranet inte kan reagera och göra ytterligare en åtgärdspotential, har jonerna spridit sig bort och gått vidare nedåt axonen. Och så får du en enkelriktad spridning.

Låt oss försöka dra fram det. Så här är en actionpotential. Och jonerna som rör sig in kommer att spridas. Och de kommer att ta membranet intill tröskeln. Och så kommer de att utlösa en actionpotential bredvid.

De joner som smälter bakåt kan inte göra någonting. För när membranet en gång har haft en åtgärdspotential kan det inte ha ett annat på ett tag. Så det här membranet här, intill åtgärdspotentialen, är eldfast mot depolarisering- det är verkligen ett fruktansvärt stavjobb där, depolarisering- under en viss tid. Låt oss säga för ungefär en sekund eller lite mindre än så, men någonstans där omkring.

Och det betyder att handlingspotentialen är enkelriktad. Jonerna kan spridas i båda riktningarna, men åtgärdspotentialen kan bara gå i en. Så det ger dig en riktning av din signal.

Och dessutom har jag kavaljerat dragit på där att membranpotentialen vänder och återställer sig själv, där aktionspotentialen tidigare inträffade. Och vi ska prata om det mer om ett ögonblick. Så här har membranpotentialen återställts.

Så detta är en teoretisk vandring genom handlingspotentialer. Och jag gav dig ett gäng utdelningar. Men jag kommer inte att gå igenom dem, för du kan använda dem som ett test eller som en övning efter lektion, för att se hur mycket du förstod.

En av sakerna med konduktans längs en axon är att den är väldigt snabb. Det tar väldigt kort tid från att röra den där heta saken till att inse att du har rört den. Men en av anledningarna till att det är så kort är att du inte skickar en actionpotential hela vägen längs en axon som vi ritar.

Man får inte riktigt på varandra följande delar av membranet att depolarisera. För det är faktiskt, även om det är snabbare än intercellulära anslutningar, fortfarande ganska långsamt. Så det finns ett sätt som en cell isolerar sig själv, en axon isolerar sig själv, för att ge dig aktionspotentialer bara till särskilda platser.Och det påskyndar verkligen överföringshastigheten för en aktionspotential.

Och jag har det på bilden här, och vi är precis ombord. Så att under depolarisering och efter och hela tiden läcker joner från axonen. Och detta minskar frekvensen av aktionspotentialbildning.

Och så vad celler gör, det är ungefär som en kortslutning-- nej, det är inte riktigt kortslutning, men det är en dålig elektrisk ledning. Och så vad cellen har gjort är att isolera sig med lager av fettceller. Och dessa celler är verkligen fantastiska.

De flesta av cellerna som isolerar nervcellerna i nervsystemet lindas runt neuronerna, som i detta diagram. Du kan se här är en cell. Och dessa linjer beror på att en enda cell har lindat sig runt neuronen. Du vet att plasmamembranet är lipid. Det leder inte joner, så du har verkligen ett fettskikt av isolering.

Och det som isolerar cellerna är något som kallas ett myelinhölje, vilket är lipid plus lite protein. Men det är ett riktigt hydrofobt lager som sveper runt nervcellerna och isolerar dem.

Längs nervcellerna som är isolerade finns det specifika platser där det inte finns någon isolering. Och det är där handlingspotentialer äger rum. Så åtgärdspotentialer äger rum vid nick utan myelin.

Och detta är ett sätt som neuroner verkligen påskyndar sin konduktanshastighet. Och så jag lägger här aktionspotentialfrekvensen, men det är faktiskt inte korrekt. Jag ska prata om överföringshastigheten.

Så hur går allt detta ihop? Låt oss titta på en film, där här är neuronen, och här är axonet, som överför en aktionspotential längs dess längd. Och här är ett annat sätt att skildra aktionspotentialen, som en graf över spänning mot tid. Och det är något som du kommer att träna på i avsnitt.

Men det jag vill att du ska se är att det finns en åtgärdspotential som rör sig längs axonen. Och axonet kan överföra många, många aktionspotentialer, den ena efter den andra, med en kort återhämtningsperiod emellan.

Vi har fortfarande inte riktigt svarat på frågan om hur aktionspotentialer fungerar. Och svaret på det är att överväga jonkanaler och pumpar, eftersom all denna laddningsfördelning inte bara händer. Det är upprättat av cellen, och det är upprättat av jonkanaler och pumpar, som vi kan skriva Regulera membranpotential.

Låt oss mycket kort granska vad jonkanaler och pumpar är. Vi har pratat om dem ett gäng. Men du måste kunna några essenser för just den här modulen.

Jonkanaler tillåter joner över membranet genom diffusion. Så här är en jonkanal. Och jag ritar en kanal som är öppen. Och jonerna rör sig genom diffusion, över kanalen.

Men det finns andra klasser av jonkanaler, som inte alltid är öppna. De kallas gated. Och vi pratade om dem, när vi pratade om proteinutsöndring, proteinlokalisering.

Så gated kanaler under en viss stimulans kan stängas och sedan byta till den öppna bekräftelsen, efter att de har fått den lämpliga stimulansen. Så här finns det någon form av stimulans. Och en kanal som är grind öppnas.

Ett tredje sätt att få joner över membranet är att använda en pump, där en pump är lokaliserad även i plasmamembranet. Men i stället för en diffusionsstyrd process för att få joner över membranet, rör pumpen aktivt joner över membranet.

Så jonpumpar transporterar joner aktivt. Och de kräver i allmänhet energi, ATP, för att göra det. Och alla dessa saker är väsentliga för att ställa in membranpotentialen och för att ändra den under aktionspotentialbildningen.

Om vi ​​tänker på vilopotentialen-- faktiskt, låt mig se vad jag har på bilderna här. Det här är en riktigt cool grej. Okej, låt mig ta mig igenom vårt styrelsearbete, och sedan ska vi göra det som är riktigt häftigt efter eller på måndag.

För att ställa in vilopotentialen finns det flera typer av kanaler och pumpar som du måste vara medveten om. En av dem- som är en biggie och som Nobelpriset delades ut för några decennier sedan- kallas natriumkaliumpumpen. Och det här är verkligen en stor sak. Det kallas också natriumkalium-ATPas. Och vad den gör är att pumpa ut tre natriumjoner ur cellen och stoppa in två kaliumjoner i cellen. Och detta är en enormt viktig pump för livet. Och du kan se vad det gör är att öka natriumkoncentrationen utanför cellen och öka kaliumkoncentrationen inuti.

Det finns också något som kallas en öppen kaliumkanal som gör att allt detta kalium som pumpas in av natriumkaliumpumpen börjar diffundera ut ur cellen. Men i själva verket diffunderar inte allt ut. Eftersom det träffar de positiva laddningarna av natriumjonerna på utsidan, och det finns en elektrostatisk repulsion.

Och så begränsar det hur mycket kalium- till måndag kommer jag antingen att kunna tala till måndag eller så har jag helt tappat rösten. Du har möjlighet. Så den öppna kaliumkanalen tillåter kalium genom diffusion, tills den avstötas eller stoppas av elektrostatiska krafter som kommer från natriumjoner. Och sedan är en tredje jon som är öppen, en jonkanal som är öppen kloridkanalen, som vi inte kommer att diskutera just nu.

Under actionpotentialen finns det en enormt viktig jonkanal som är det sista jag kommer att nämna idag. Och det kallas för spänningsgrindad natriumkanal. Detta är en jonkanal som, liksom många jonkanaler, består av ett komplex av proteiner. Vi noterar det, jag noterar det nästa gång.

Men den spänningsgrindade natriumkanalen är känslig för membranpotential. Och när tröskelpotentialen uppnås, sker en förändring i bekräftelsen av denna kanal, som normalt stängs vid vilande innehåll men blir öppen vid tröskelpotential, för att leda till åtgärdspotentialen. Och det blir öppet genom att faktiskt glida av en av alfa -helixerna som utgör kanalens proteiner. Och de glidande alfaspiralerna glider eftersom deras laddningar förändras, laddningarna av aminosyrorna förändras. Och det öppnar upp kanalen.

Så jag ska visa er en bild av den sista av natriumkanalen, den spänningsstyrda natriumkanalen. Här är det. Och så slutar vi.

Ta en titt på detta snabbt. Här är spänningsgrindad natriumkanal stängd. Aminosyror som blockerar porerna. Och där öppnas det för att släppa in jonerna. Och vi avslutar det här på måndag.


Hög temperatur ökar vätskan

Celler fungerar bäst vid normal fysiologisk temperatur, vilket är 98,6 grader Fahrenheit hos varmblodiga djur som människor. Om kroppstemperaturen ökar, till exempel under hög feber, kan cellmembranet bli mer flytande. Detta händer när fettsyrasvansarna i fosfolipiderna blir mindre stela och tillåter mer rörelse av proteiner och andra molekyler i och genom membranet. Detta kan förändra cellens permeabilitet, vilket möjligen tillåter några potentiellt skadliga molekyler att komma in. Både integrerade och perifera proteiner i membranet kan också skadas av höga temperaturer och, om extremt hög, kan värme orsaka att dessa proteiner bryts ned eller denaturerar.


Elektrokemiska gradienter

Enkla koncentrationsgradienter är differentiella koncentrationer av ett ämne över ett utrymme eller ett membran, men i levande system är gradienter mer komplexa. Eftersom joner rör sig in och ut ur celler och eftersom celler innehåller proteiner som inte rör sig över membranet och mestadels är negativt laddade, finns det också en elektrisk gradient, en laddningsskillnad, över plasmamembranet. Det inre av levande celler är elektriskt negativt med avseende på den extracellulära vätska som de badar i. Samtidigt har celler högre koncentrationer av kalium (K +) och lägre koncentrationer av natrium (Na +) än den extracellulära vätskan. I en levande cell tenderar koncentrationsgradienten av Na + att driva den in i cellen, och den elektriska gradienten av Na + (en positiv jon) tenderar också att driva den inåt till det negativt laddade interiören. Situationen är dock mer komplex för andra element som kalium. Den elektriska gradienten av K+, en positiv jon, tenderar också att driva in den i cellen, men koncentrationsgradienten för K+ tenderar att driva K+ ut ur cellen. Den kombinerade gradienten av koncentration och elektrisk laddning som påverkar en jon kallas dess elektrokemiska gradient.

Figur ( PageIndex <1> ): Elektrokemisk gradient: Elektrokemiska gradienter uppstår från de kombinerade effekterna av koncentrationsgradienter och elektriska gradienter.


I vilken takt läcker joner ut ur ett plasmamembransegment som inte har några jonkanaler? - Biologi

C2006/F2402 '09 DISPLAY FÖR FÖRELÄSNING #5 Senast uppdaterad 02/03/09 09:18

(c) 2009 Dr Deborah Mowshowitz, Columbia University, New York, NY


I. Mätning av transport av små molekyler
- Granskning av Essentials

A. Behöver en lämplig experimentuppställning. En vanlig metod: att använda RBC-spöken, som introducerades förra gången.

Sätt spöken i lösning med en viss koncentration av X
Co = koncentration utanför = [X]ut = något fast värde att starta
Ci = koncentration inuti = [X]i vanligtvis = 0 för att starta.
Du mäter Ci som en funktion av tiden.
Du upprepar med olika startvärden för Co.

B. Mätningar av upptag genererar två typer av kurvor -- Se åhörare 4C

1. Kurva #1. Du mäter Ci = [X]i som en funktion av tiden för att få den initiala transporthastigheten och jämviktsvärdena för X på insidan och utsidan.

2. Kurva #2. Du mäter den initiala transporthastigheten som en funktion av startvärdet för Co = [X]ut

C . Kurva # 1 - Upptag av X vs tid: Mått [X]i vid ökande tider vid någon (yttre, väsentligen fixerad) koncentration av X plot conc. av X inuti vs. tid. Detta gör att du kan skilja aktiv och passiv transport.

1. För aktiv transport av neutrala molekyler, [X]i vid jämvikt kommer att överstiga [X]ut.

2. För passiv transport av neutrala molekyler, [X]i vid jämvikt kommer att vara lika [X]ut.

(Om X laddas är situationen mer komplicerad, som förklaras nedan.)

Fråga: Om du mäter upptaget en andra gång, med en högre koncentration av X, kommer lutningen på kurva #1 att vara densamma? Kommer det att plana ut vid samma värde?

D. Kurva #2 -- Upptag av X vs koncentration: Mät inledande upptagningshastighet för X (från kurva #1) vid varierande koncentrationer av tillsatt (utanför) X tomthastighet för upptag kontra initial koncentration av [X]ut. Se handout eller Sadava 5.15 (5.11) eller Becker fig. 8-6. Detta gör att du kan ta reda på vilken typ av protein (om något) som är involverat i transporten.

1. Om ett enzymliknande protein (bärare eller pump) är inblandat i transport kommer kurvan att vara hyperbolisk - bärare eller pumpprotein mättas vid hög [X] precis som ett enzym gör. Varför? Om [X] är tillräckligt hög kommer alla proteinmolekyler att vara "upptagna" eller engagerade, och transporten når max. värde. Att lägga till mer X kommer inte att öka transporthastigheten. (Samma som att nå Vmax med en V vs [S] -kurva för ett enzym.)

2. Om inget protein, eller ett kanalliknande protein , är involverad i transport, kommer kurvan att vara linjär (vid fysiologiska, det är rimliga, koncentrationer av X.). Det finns ingen tidskrävande händelse såsom bindning av X eller en större konformationsförändring i proteinet som begränsar reaktionshastigheten vid hög [X].

Obs: kurvan för en kanal kommer mättas vid extremt höga nivåer av X. Dessa mättnadsnivåer uppnås vanligtvis inte i praktiken.

E. Kurva #1 vs kurva #2. För båda kurvorna överväger du reaktionen Xut ↔ Xi. Så vad är den stora skillnaden?

1. I kurva #1 , tittar du på hur koncentrationen av Xi varierar med tid (börjar med en fast koncentration av Xut, och inget X inuti.). Samma idé som att rita P bildad (eller S förbrukad) vs tid för en enzymkatalyserad reaktion.

a. (Initial) Kurvens lutning = Betygsätta av upptag (med tiden som variabel).

b. Platåvärde = avkastning = slutvärde för [X]i när kurva #1 avtar.

c. Observera att kurva #1 ALLTID planar ut.

2. I kurva #2 , du tittar på hur Betygsätta av upptag (flöde) -- initial lutning av kurva #1 -- varierar för annorlunda startkoncentrationer av [X]ut. Samma idé som att plotta V vs S för en enzymkatalyserad reaktion.

a. (Initial) Kurvans lutning = Betygsätta av upptag (med [X]ut som variabel).

b. Denna kurva avtar endast om ett protein måste binda till X och/eller ändra konformationen avsevärt för att flytta X.


II. Kinetik och egenskaper för varje typ av transport - Hur du skiljer fallen från varandra.

Alla fall nedan hänvisar till reaktionen [X]i ↔ [X]ut. Alla viktiga funktioner sammanfattas i tabellen på utdelning 4C.

A.Enkel spridning (fall 1)

1. Kurva #1 (koncentration av ämne X inuti ritat mot tid) platåer vid [X]i = [X]ut.

2. Kurva #2 (upptagningshastighet av X plottad vs koncentration av X tillsatt utanför) mättas inte.

3. Energi:

a. Reversibilitet: Rxn (X i ↔ X ut) är strikt reversibel.

b. Kekv = 1 Standard fri energiförändring (ΔG o ) = 0 vid equil. [X]i = [X]ut

c. ΔG. Faktisk förändring av fri energi (ΔG) och transportriktning beror på koncentrationen av X. Om [X] är högre utanför går X in och vice versa.

4. Viktighet . Används av steroidhormoner, några små molekyler, gaser. Endast saker som är mycket små eller opolära kan använda denna mekanism för att korsa membran. Material (vanligtvis små molekyler) kan diffundera till kapillärer genom att diffundera genom vätskan i utrymmena mellan cellerna. (Cellerna som omger kapillärerna har inte täta korsningar, förutom i hjärnan.)

B. Bärarmedierad transport = underlättad diffusion med hjälp av ett bärarprotein (fall 3). Observera att vi skjuter upp fall 2.

1. Kurva #1 samma som ovan (fall 1)

2. Kurva #2 mättar. Se Becker fig. 8-6, eller Sadava fig. 5,12 (5,11)

3. Mekanism: Bäraren fungerar som enzym eller permeas, med Vmax, Km etc. Se Becker fig. 8-8.

Bärare kan betraktas som ett enzym som katalyserar:

Xut ↔ Xi

Bäraren är specifik, precis som ett enzym. Kommer bara att katalysera rörelse av X och närbesläktade föreningar.

4. Energi som ovan (fall 1) - ämnet rinner ner i dess lutning, så transporten är reversibel, beroende på relativa koncentrationer in och ut.

5. Förordning: Aktiviteten hos transportproteiner kan regleras på minst 3 sätt - metoder a-c nedan. Metoderna a & b är gemensamma för många proteiner och listas främst här för jämförelse (mer information någon annanstans). Metod c är unik för transmembranproteiner.

a. allosterisk feedback -- hämning/aktivering av bärarproteiner

b. kovalent modifiering (reversibel) av bärarproteinerna - vanliga modifieringar är

(1). Fosforylering - tillsats av fosfatgrupper - katalyserad av kinaser.

Kinaser katalyserar: X + ATP → X-P + ADP

(2). Defosforylering -- avlägsnande av fosfatgrupper -- katalyserad av fosfataser.

Fosfataser katalyserar: X-P + H2O → X + Pi

P (fet) = fosfatgrupp knuten till molekylen
Pi = oorganisk fosfatgrupp (i lösning)

(3). Reaktioner som utförs av fosfataser och kinaser är i allmänhet irreversibla. Men de kovalenta modifieringarna av bärarproteinerna är reversibla - genom att använda båda typerna av enzymer.

c. avlägsnande/införande av bärare i membran .

(1). Nytillverkade membranproteiner sätts in i membranet av en vesikel, genom en mekanism som kommer att diskuteras senare.

(2). Vesikel kan smälta ihop med plasmamembranprocessen är reversibel.

(a). Fusion av vesikeln med plasmamembranet infogar transportprotein i plasmamembranet där det kan främja transport.

(b). Knoppning (endocytos) av en vesikel tillbaka till cytoplasman avlägsnar transportproteinet och stoppar transporten.

(3). Vissa kanaler och/eller bärarproteiner regleras på detta sätt - kanal- eller bärarproteiner kan infogas i membranet (eller tas bort) som svar på lämpliga hormonella signaler. Exempel -

(a). GLUT4 - den insulinkänsliga glukostransportören. Insulin främjar införandet av transportören i plasmamembranet i vissa celler, vilket möjliggör ökat glukosupptag. Detaljer nästa gång.

(b). Vattenkanaler (akvaporiner) i njurceller. Hormonet ADH (antidiuretiskt hormon) främjar insättning av kanalerna i plasmamembranet. Därför återvinns vatten, inte förlorat. Mer detaljer när vi kommer till njure.

Anmärkningar: (1). Denna diskussion handlar om regleringen av aktivitet av redan existerande proteinmolekyler. Reglering av belopp protein genom att justera synteshastigheter, nedbrytning etc. diskuteras senare.
(2). Metod c gäller fall 2 & amp 3. Kan gälla fall 4 & amp 5, men jag känner inte till några exempel.

För att se hur du analyserar upptag, prova problem 2-1. För att sammanfatta allt hittills, prova 2-4.

C. Aktiv transport (fall 4 & amp 5)

1. Vad är detsamma? Kurva #2 mättar som i tidigare fall.

2. Vad är annorlunda? Kurva #1 : när det platåer, [X]i större än [X]ut - eftersom ämnets rörelse är kopplad till någon annan energifrigörande reaktion. (Detta förutsätter att vi följer reaktionen Xut → X i).

3. Mekanism -- Ett enzymliknande transportprotein är inblandat som i tidigare fall.

a. X flyttar upp sin lutning. Protein fungerar som transportör eller pump som katalyserar rörelse av X upp dess gradient. Därför måste transportåtgärder drivas direkt eller indirekt genom nedbrytning av ATP.

b. De flesta primära aktiva transporterna innefattar förflyttning av katjoner. (Men se ABC -transportörer nedan.) Gradering av katjoner kan sedan användas för att utföra arbete, till exempel sekundär aktiv transport.

4. Energiförhållanden:

a. Reversibilitet: Reaktionen är inte lätt reversibel. X transporteras praktiskt taget alltid i samma riktning (som antingen är in eller ut för en viss aktiv transportör).

b. Kekv inte = 1 och standardfri energi (ΔG o) inte = noll. Vid jämvikt. [X]i är inte lika med [X]ut

c. Koppling: Den totala reaktionen har vanligtvis stora, negativa Δ G o (& Δ G) eftersom in övergripande reaktion, transport av X (uppför, mot lutningen) är kopplad till en mycket nedförsbacke reaktion. Nedförsbacke reaktionen är antingen

(1). Uppdelning av ATP (vid primär aktiv transport), eller

(2). Körning av någon jon (säg Y) nerför dess lutning(vid sekundär aktiv transport).

5. Sekundär (indirekt) aktiv transport -- Hur passar ATP in? Processen sker i 2 steg:

a. Steg 1. Förberedande steg: Splittring av ATP sätter upp en gradient av någon jon (säg Y), vanligtvis en katjon (Na + eller H + ).

b. Steg 2. Korrekt aktiv transport: Y kör ner dess gradient, och den erhållna energin används för att driva X upp dess gradient. Se Becker fig. 8-10.

c. Övergripande: Steg (1) är primärt aktivt transportsteg (2) är sekundärt och kan fortsätta (i frånvaro av ATP) tills Y -lutningen försvinner. Observera att steg (1) inte kan ske alls utan ATP men steg (2) kan fortsätta utan någon ATP (ett tag).

Prova problem 2-2 & amp 2-10.

6. Några exempel & amp Möjliga mekanismer (modeller diskuteras nedan). Klicka på länkarna för animationer.

Typ av aktiv transport

1. Kurva #1

a. Mycket hög transporthastighet -- Initial lutning av kurva #1 mycket brant.

b. Transporter är passiva

(1). Om X är neutralt, den enda kraft som driver X genom kanalen är koncentrationen av X.

(2). Om X är laddat (en jon) du måste ta hänsyn till de elektriska krafterna samt koncentrationen. (Information nedan om hur du gör detta.)

(3). Sammanfattningsvis, kurva #1 platåer med [X]i = [X]ut endast om X är neutralt eller det finns ingen elektrisk potential.

2. Kurva #2 : Form som enkel diffusion (linjär, ingen mättnad) vid fysiologisk koncentrationer. Kurva platåer endast vid utomordentligt höga koncentrationer, så vi antar ingen mättnad.

3. Grindar/reglering

a. De flesta kanaler är gated = % tid en viss kanal/grind är öppen styrs (men varje enskild grind är antingen öppen hela vägen eller stängd).

(1). Ligand gated- öppnar eller stängs som svar på ligander (= kemikalier som binder till ämnet som diskuteras). Typiska ämnen som öppnar ligandgrindade kanaler är hormoner, signalsubstanser etc. För en bild se Sadava fig. 5-10 (5,9).

(2). Spänning gated -- öppnar eller stänger som svar på förändringar i spänningen. Tillåter överföring av elektriska signaler som i muskler och nerver - se Becker fig. 13-8 och 13-9.

(3). Mekaniskt grindad - öppnas eller stängs som svar på tryck. Viktigt i kontakt, hörsel och balans.

b. Andra regleringsmedel -- Vissa kanaler regleras genom införande i membranet eller avlägsnande från membranet som förklarats ovan för aquaporiner i njure.

c. Vissa kanaler är öppna hela tiden (ogated) Ett exempel = K + läckkanaler. Dessa tillåter att lite K+ lämnar eller "läcker ut" celler, vilket gör att cellerna har en liten total negativ laddning. Detta är avgörande för ledning av impulser av nerver och muskler, vilket kommer att förklaras i detalj senare. Varför låter läckekanaler bara & kvota lite & quot K + att lämna? Varför är inte koncentrationen av K + på båda sidor av membranet densamma? Se nedan.

4. Kurva #1 för joner. De flesta kanaler är jonkanaler - transporterar laddade partiklar, inte neutrala molekyler. Detta väcker nya energihänsyn:

a. Betalningsroll: Om X är laddat måste du ta hänsyn till både kemisk gradient och ampspänning (laddningsgradient eller elektrisk potential). Koncentration & spänning kan både "trycka" joner på samma sätt eller trycka i motsatta riktningar.

b. Resultat av laddning: Kekv vanligtvis inte lika med 1 här -- Kurva #1 platåer när kemisk gradient och spänning är balanserade (inte nödvändigtvis vid [X]ut = [X]i). Exempel: K + joner slutar läcka ut ur cellen och du når jämvikt för K + när laddningsskillnaden över cellmembranet (som trycker in K + in) balanserar ut koncentrationsskillnaden över membranet (vilket driver K + ut).

5. Mekanism.

a. Hög kapacitet: Brist på mättnad och hög transporthastighet tyder på att max. kanalens kapacitet är mycket stor och är inte lätt att nå. Detta antas bero på en eller båda av följande:

(1). Bindning av jon till kanalprotein är svag (Km >> 1), och/eller

(2). Ingen större konformationsförändring av kanalprotein krävs för att jon ska passera igenom.

b. Specificitet: Kanaler är mycket specifika - varje kanal transporterar bara en eller ett mycket litet antal relaterade ämnen.

c. En modell (FYI). Hur förklarar man kombinationen av hög hastighet (& kapacitet) och hög specificitet? Specificeringsmekanism har nyligen kommit fram för en kanal. För bilder se Sadava fig. 5.11 (5.10) & amp Becker fig. 13-8 och 13-9. För mer, se Nobelpriset i kemi för 2003, eller en intervju med Rod MacKinnon om kanalen. Detta är ett aktuellt forskningsämne och kan diskuteras igen när vi kommer till nervfunktionen.

Se Sadava fig. 44,6 (44,5) för jämförelse av jonpumpar och jonkanaler Becker s. 199 (203) för jämförelse av bärar- och kanalproteiner.

6. Terminologi. (Påminnelse från förra gången)

a. Underlättad diffusion? Diffusion genom en kanal brukar kallas & quotfacilitated diffusion & quot eftersom ett protein behövs (som en & quotfacilitator & quot för att bilda kanalen) för transport över membranet. (Som i dina texter och på åhörarblad 4B.)

b. Enkel diffusion? Diffusion genom en kanal kallas också ibland "enkel diffusion", eftersom transporthastigheten som en funktion av [X] i allmänhet är linjär, som för enkel diffusion, för fysiologiska koncentrationer av X. (Se ovan och handout 4C, fall 2.) Med andra ord är kinetiken för passage genom en kanal linjär (vid fysiologiska koncentrationer av X), som enkel diffusion - inte hyperbolisk, som vid bärarmedierad transport eller standard enzymkatalyserade reaktioner.

c. Bättre terminologi: Därför, för tydlighetens skull, kallas transport genom en kanal ofta för "kanalmedierad diffusion", eller "faciliterad diffusion genom en kanal".

Ser problem 2-6, A. Kan du utesluta transport genom en kanal? (I detta problem 'facilitated diffusion' = 'bärarförmedlad transport.')

III. Aktiv transport - hur fungerar det? Se ovan för länkar till animationer och referenser till bilder i texter.

1. Ett exempel på primär aktiv transport: Na+/K+-pump som finns i alla eukaryota celler (se handout 5B).

a. Pump/enzym har två huvudformer: man vänder sig mot (E1), en är vänd utåt (E2).

b. Former har olika affiniteter för K+ och Na+. (Se utdelning)

c . Fosforyleringens roll: tillsats/borttagning av fosfat växlar pumpen från en form till den andra.

d. Rollen som kinas & amp; fosfatasaktiviteter för pump

(1). Detta är ett exempel på användning av kinaser och amp -fosfataser (för tillsats/avlägsnande av fosfater) för att reglera proteinaktivitet genom reversibel kovalent modifiering.

(2). Resultat av enzymaktion i detta fall:

Kinasaktivitet (katalyserar fosforylering) slår ut pumpen (E1 → E2)

Fosfatasaktivitet (katalyserar avlägsnande av fosfat) vänder pump & quotin & quot (E2 → E1)

e. Jonbindningens roll: aktiverar lämpligt enzym, kinas eller fosfatas

f . Enzymers placering: kinas och fosfatas är en del av själva pumpen. Inte separata proteiner.

E1 → E2: Bindning av Na + på insidan aktiverar kinas. Kinas fosforylerar pump. Vippar ut pumpen, tömmer Na +, tar upp K +.

E2 → E1: Bindning av K + på utsidan aktiverar fosfatas. Fosfatas-de-fosforylerar pumpen. Slår in pumpen, tömmer K +, plockar upp Na +.

g. Stokiometri: 3 Na + ut per 2 K + in per ATP hydrolyserad. En del av laddningsskillnaden balanseras av anjontransport. Celler är negativa på insidan i förhållande till utsidan, men det mesta av laddningsobalansen beror INTE på pumpen. (De flesta laddningsobalanser beror på K + läckkanaler som förklarats ovan.)

h. Reversibilitet -- den här pumpen är reversibel i den meningen att alla reaktioner är reversibla: höga Na + och K + gradienter kan användas för att göra ATP från ADP och Pi , även om detta aldrig händer in vivo (se 4 nedan). Hur det än är irreversibel genom att ATP inte kan användas för att pumpa Na + in och K + ut. Den kan endast användas för att pumpa K + in och Na + ut. (I motsats till situationen med Na + /glukossamtransport.)

2. Ett exempel på sekundär aktiv transport: Na + /glukossamtransport

a. Transporter Protein har 2 former med olika affiniteter för glukos. Endera formen kan vända in eller ut.

b. Na +: Bindning av Na + växlar proteinet från en form till den andra förändrar affiniteten för glukos.

c. Konformationsförändring: Bindning av både glukos & Na + vänder förmodligen proteinet så att det är vänt mot "andra" förlusten av både glukos & Na + gör detsamma -- vänder proteinet så att det vänds mot "andra".

d. Riktning för glukostransport och dubbelriktad: Båda formerna (med eller utan Na + ) kan vara vända in eller ut. Därför är denna pump reversibel i den meningen att Na + teoretiskt kan användas för att pumpa glukos in i eller ur en cell. Men i normala celler, när detta protein används, går glukos alltid in i cellen med Na +. Varför? (Tänk mekanism, inte resonemang.)

B. Andra funktioner i Active Transport (för referens)

1. ABC -transportörer

a. Stor superfamilj av transportörer. Ett brett utbud av ämnen, inte bara katjoner, kan transporteras. Olika proteiner transporterar olika klasser av ämnen. Alla ABC -transportörer har samma struktur.

b. Typ av primär aktiv transport. ATP binder till en cytoplasmatisk proteindomän som kallas en ATP binding cassette. ATP -hydrolys driver rörelse av ämne som transporteras.

c. Exempel:

(1). MDR-protein = multipelt läkemedelsresistensprotein. Pumpar ut många olika hydrofoba läkemedel ur cellerna orsakar bristande respons på många cancerbehandlingar. Första eukaryota ABC-transportör som upptäckts.

(2). CFTR: Proteindefekt vid cystisk fibros (CFTR) tillhör samma superfamilj som ABC -transportörer och har liknande struktur, men fungerar som en kanal (för Cl -), inte som en transportör. ATP öppnar och stänger troligen kanalen. Se Becker Box 8B.

(3). Vissa flippaser - transportörer som flyttar vissa lipider från P (eller cytoplasmatiska) sidan till E (eller lumen) sidan av cellmembranen.

FYI: Becker kallar alla transportproteiner som hjälper till att flytta lipider över membranet "flippaser" andra böcker använder olika terminologi för att skilja olika typer av transportörer.

2. Är pumpar reversibla?

a. Teoretiskt är alla pumpar (som Na + /K + pump) det reversibel -- En pump kan bryta ner ATP och använda energin för att driva joner upp i sin gradient, eller (om jongradienten är tillräckligt stor), joner som rinner ner i sin gradient kan ge tillräckligt med fri energi för att driva fosforylering av ADP till ATP. Därför kallas proteiner som katalyserar aktiv transport ibland & quotATPases & quot eller pumpar, oavsett om deras normala funktion är att hydrolysera ATP eller att syntetisera ATP.

b. Praktiskt sett är de flesta pumpar inuti cellerna enkelriktad. De flesta (men inte alla) individuella & quotpump & quot proteinerna fungerar bara ett sätt i cellerna, eftersom standardfri energi för & quotusual & quot riktningen är mycket negativ. Därför krävs det mycket höga koncentrationer av produkter (mycket höga ATP- eller mycket höga jonkoncentrationer, beroende på reaktionen) för att skjuta reaktionen i & quotreverse & quot -riktningen. De koncentrationer som behövs för att vända reaktionen uppnås inte i celler, men kan uppnås i provrör (genom att tillsätta ATP, sätta upp jongradienter etc.). Så in vitro (i provrör), men inte in vivo (i levande celler) kan du få pumparna att köra åt båda hållen. Två exempel på viktiga pumpar som är reversibla (in vitro), men springer vanligtvis i en riktning (in vivo):

(1). I de inre membranen av mitokondrier och kloroplaster används kemisk eller lätt energi via elektrontransport för att skapa en protongradient, som sedan rinner ner och driver fosforyleringen av ATP. Så dessa system fungerar nästan alltid till göra ATP medan joner springer ner deras lutning. (Diff. proteiner används i de två organellerna.)

(2). Na + /K + -pumpen i plasmamembranet nästan alltid använder upp ATP -- Detta system driver joner upp deras lutningar på bekostnad av ATP.

För fler exempel, se Becker-tabell 8-3.

Prova nu problem 2-3 & 2-5.

IV. Att sätta ihop alla transportmetoder för små molekyler eller vad är det här för nytta?

A. Hur glukos kommer från tarmens lumen → muskel- och fettceller. Ett exempel på hur de olika typerna av transporter används. (Handout 5A) Steg i processen:

1. Hur glukos lämnar lumen. Glukos passerar den apikala ytan av epitelceller i första hand genom Na+/glukossamtransport. (2 o akt. transport)

2. Roll av Na+/K+-pump. Pump i basolateral (BL) yta håller Na + i cellen låg, så Na + gradient gynnar inträde av Na +. (1 o akt. transport)

3. Hur glukos lämnar epitelceller. Glukos (förutom det som används för metabolism av epitelceller) lämnar BL-ytan av cellen (och går in i interstitiell vätska) genom underlättad diffusion = bärarmedierad transport. (Interst. fluid = vätska mellan kroppens celler.)

4. Hur glukos kommer in i och lämnar kapillärer - genom enkel diffusion genom utrymmen mellan cellerna. Obs: detta är INTE genom diffusion över ett membran.

5. Hur glukos kommer in i kroppens celler - genom underlättad diffusion (= bärarmedierad transport). Bäraren är endast "mobiliserad", det vill säga införs i membranet (genom fusion av vesiklar som förklarats tidigare) i vissa celltyper (fett och muskel) i närvaro av insulin. Bärare finns permanent i cellmembranet i andra celltyper (hjärna, lever). Se nedan om GLUT -transportörer.

6. Roll av glukosfosforylering. Omvandling av G → G-6-fosfatfällor G inuti celler.

För ytterligare exempel på användningen av de olika typerna av transportprocesser, se Becker fig. 8-1 och 8-2. För bilder på steg 1-3, se http://www.biology.arizona.edu/cell_bio/problem_sets/membranes/graphics/cotransport_sys.gif eller

Observera att båda dessa kommer från klasser med omfattande online-anteckningar. Biokemikursen innehåller flera animationer av transportproteiner.

B. Hur glukos når kroppsceller -- En annan titt på utdelat material 5-A. Stegen i processen beskrivs ovan i den ordning de uppträder. Här är en sammanfattning med fokus på de olika typerna av transport.

1 . Rollen för Active transpo rt - Behövs för att få glukos från lumen till insidan av epitelcellen.

a. Primär aktiv transport - Na + /K + pump håller intracellulärt [Na +] lågt.

b. Sekundär aktiv transport -- Glukos kommer in i epitelceller genom Na+/glukossamtransport

2. Passiv transports roll & Fosforylering (av glukos)

a. Passiv transport - Används för att flytta glukos resten av vägen- ut från epitelceller, in och amp från kapillärer och in i kroppsceller.

b. Fosforylering av glukos -- Används i kroppscellerna för att hålla den fria glukosnivån vid "vägens ände" låg, och säkerställa att glukosgradienten är "nedförsbacke" från epitelceller till kapillärer till kroppsceller.

3. Diffusionens roll: Glukos och andra små molekyler (men inte makromolekyler) diffunderar in och ut ur kapillärerna genom de vätskefyllda utrymmena mellan cellerna, inte genom att diffundera över cellmembranet. Observera att proteiner är för stora för att komma in i eller lämna kapillärer på detta sätt.

4. Rollen för GLUT-transportörer (en annan protein-/genfamilj)

a. GLUT -proteiner är ansvariga för bärarmedierad transport av glukos. All passiv glukostransport över membran (det vill säga bärarmedierad) beror på en familj av proteiner som kallas GLUT 1, GLUT 2, etc.

b. Olika familjemedlemmar (gener och proteiner) uttrycks i olika celltyper. GLUT 1 -protein finns i plasmamembranet hos RBC och de flesta andra celler, GLUT 2 -protein på BL -ytan på tarmepitelceller, GLUT 4 -protein i muskler och fettvävnad, etc. (Observera att alla gener för alla proteiner finns i alla dessa celler typer -- DNA är detsamma!)

c. Alla gener och motsvarande proteiner är lika, men har betydande strukturella och funktionella skillnader. Detta är ytterligare ett exempel på en gen/proteinfamilj. Alla proteiner har en liknande övergripande struktur -- 12 transmembransegment, COOH och aminoändar på den intracellulära sidan av membranet, etc. För en bild klicka här För ett diagram och tabell klicka här.

d. Position och verkan av GLUT 4 är insulinberoende. GLUT 4 är den enda insulinberoende medlemmen i familjen. Insulin utlöser införande av GLUT 4 -protein i plasmamembranet genom att utlösa vesikelfusion, såsom förklarats ovan. Alla andra proteiner finns konstitutivt i sina respektive membran.

e. Transportriktning. Observera att en medlem i denna familj (GLUT 2) är ansvarig för att transportera glukos UT från epitelceller olika medlemmar är ansvariga för att hjälpa glukos att komma in i de flesta andra celler. Alla familjemedlemmar binder glukos på ena sidan av membranet, ändrar konformation och frigör glukos på andra sidan av membranet. Vilken väg glukosen går (in eller ut) beror på de relativa koncentrationerna av glukos på de två sidorna av respektive membran, inte på vilket GLUT -protein används.

Prova problem 2-9 och amp 2-12.

Nästa gång -- Allt vi inte kommer till ovan kommer att göras nästa gång. Sedan detaljer om hur stora molekyler korsar membran. (Några specifika exempel-öden för LDL, EGF och Fe-transferrin.) Hur kommer stora molekyler in och ut ur celler? Hur kommer nytillverkade proteiner till rätt plats?


Utökad data Fig. 1 Homozygositet hos Ninj1 punktmutation korrelerar med låg lyhördhet för LPS.

a, Ninj1 genotyper och screeningsfenotyper av möss härledda från IGL03767. Identifieringsnummer för screenade möss visas. G, generation. b, Nitton SNV -genotyper muterade i stamtavlan och deras fenotyper. c, Wild-type och IGL03767 Ninj1 gener. Exon 2-kodande sekvens är i versaler och SNV-mutation är i fet stil och markerad med en asterisk. Grå rutor representerar exoner.

Utökad data Fig. 2 NINJ1 är väsentlig för pyroptosrelaterad PMR.

a, Immunoblot av NINJ1 och GSDMD i BMDM -lysat. b, Vänster, frisättning av DD-150 i levande cellavbildningsanalys av iMACs efter LPS-elektroporering under en 16-timmars tidsförlopp. Höger, immunoblot av NINJ1 in Ninj1 –/– iMACs rekonstituerade med NINJ1. Data är medelvärden (cirklar) ± s.d. (skuggat område) av tre individuella replikat. c, Immunoblot av GSDMD, GSDMD-NT och NINJ1 i supernatant och extrakt från nigericin-stimulerade primade BMDM. Actin är från en separat fläck. d, LDH- eller IL-18-frisättning från BMDM stimulerade som i fig. 2d. e, IL-6 eller TNF-produktion från BMDM stimulerade med Pam3CSK4 (TLR2) eller extracellulär LPS (TLR4). fLipidkomposition av primade BMDM. Lipider som är profilerade är diacylglycerol (DAG), dihydroceramid (DER), hexosylceramid (HCER), laktosylceramid (LCER), lysofosfatidylkolin (LPC), lysofosfatidyletanolamin (LPE), fosfatidylkolin (PC), fosfatidyletanolamin (SM), fosfatidyletanomyelinglycer (SM), (SM) TAG), kolesterylester (CE) och ceramid (CER). g, RNA-seq av primade BMDM. h, Time-lapse avbildningsanalys av mitokondriell membranpotential mätt med tetrametylrhodaminmetylesterperklorat (TMRM) i primade BMDM efter LPS-elektroporering. Data är medelvärden (cirklar) ± s.d. (skuggat område) av tre individuella replikat. i, Encells time-lapse-avbildningsanalys av TMRM- och DD-150-frisättning i primade vildtyps BMDM efter LPS-elektroporering. Tidpunkt '0' motsvarar punkten för maximal TMRM-minskning för varje cell. j, Silverfärgning av proteiner i kultursupernatant av nigericin-stimulerade primade BMDM. k, Kaplan – Meier överlevnadsdiagram för möss som utmanades med 54 mg kg -1 LPS. P värden beräknades genom ett tvåsidigt Gehan-Breslow-Wilcoxon-test. Om inte annat anges är data medel (staplar) för minst tre individuella replikat (cirklar). n = 2 per genotyp. För gelkälldata, se tilläggsbild 1.

Utökade data Fig. 3 NINJ1 har en global roll i PMR-induktion relaterad till pyroptos, apoptos och nekros.

a, d, g, Frisättning av HMGB1 från BMDM stimulerade med cisplatin, venetoclax, oligomycin (a, d), eller TNF plus zVAD (g). b, Lönsamhet (vänster) och LDH-frisättning (höger) av venetoklaxstimulerade BMDM. c, Uttryck av angivna gasdermin-transkript i RNA-seq-analys av BMDM. FPKM, fragment per kilobas av transkript per miljon mappade läsningar. e, Bright-field bilder av BMDM odlade med oligomycin. Skalstänger, 25 μm. fSilverfärgning av proteiner i odlingssupernatant av BMDM stimulerade med TNF och zVAD. Om inget annat anges är data medel (staplar) av minst tre individuella replikat (cirklar). n = 2 per genotyp. För gelkälldata, se tilläggsbild 1.

Utökade data Fig. 4 Fylogenetisk träd- och aminosyrasekvensanpassning av NINJ1 och NINJ2.

a, Immunoblot av Flag – NINJ1 från Fig. 4a som är representativ för två oberoende experiment. b, LDH-frisättning från Flag-NINJ1-transfekterade HEK293T-celler. Data är medel (staplar) för minst tre individuella replikat (cirklar) c, Cytotoxicitet av icke-märkta människor och mus NINJ1, NINJ2 och dNINJ-A, B, C i HEK293T-celler. Data är medel (staplar) för minst fyra individuella replikat (cirklar). d, Fylogenetiskt träd av NINJ1 och NINJ2. Siffror representerar standardiserade distanspoäng (antal aminosyrasubstitutioner per linjens längd). e, Multipel inriktning av NINJ1- och NINJ2-aminosyrasekvenser med den extracellulära a-helix-domänen som förutses av JPred markeras i blått. f, Multipel inriktning av NINJ1-aminosyrasekvenser med den extracellulära a-helix-domänen som förutses av JPred. g, Cirkulära dikroismspektra för NINJ1 a-helixregionpeptid som visar karakteristiskt a-helixmönster (två nedgångar vid 208 nm och 222 nm). h, Immunoblot av Flag-NINJ1 från Fig. 4b representativ för två oberoende experiment. För gelkälldata, se tilläggsbild 1.

Utökad data Fig. 5 Biokemisk analys av NINJ1.

a, Top, NINJ1-domänstruktur. Mitt, cytotoxicitet för Flaggmärkta vildtyp NINJ1 eller NINJ1 med prolinpunktsmutanter i HEK293T-celler. Siffror indikerar positioner för aminosyrarester som ersattes av prolin. Cytotoxicitet (dödande poäng) normaliserades mot vildtyp NINJ1-kontroll. Botten, immunoblot av Flag-NINJ1. Data är medelvärden (staplar) av minst tre individuella replikat (cirklar). b, Vänster, cytotoxicitet av flaggmärkta NINJ1- eller NINJ1-mutanter av vildtyp i HEK293T-celler. Höger, immunoblot av Flag – NINJ1. Data är medelvärden (staplar) av minst fyra individuella replikat (cirklar). c, Vänster, frisläppande av DD-150 vid levande cellavbildning av Ninj1 –/– iMACs rekonstituerade med NINJ1 efter LPS elektroporering. Höger, immunoblot av iMAC med anti-NINJ1 polyklonal antikropp. Data är medelvärden (cirklar) ± s.d. (skuggat område) av tre individuella replikat. d, e, Immunoblot av NINJ1 i primade BMDMD stimulerade med LPS elektroporation eller nigericin (d), eller i icke-primade BMDMDs odlade med indikerade stimuli (e). f, Phos-tag SDS – PAGE-analys av LPS elektroporering- eller nigericin-stimulerade primade BMDM med eller utan staurosporinförbehandling. S6, ribosomalt protein S6. Resulterar i df är representativa för två oberoende experiment. För gelkälldata, se tilläggsbild 1.

Utökad data Fig. 6 Subcellulär lokalisering av NINJ1.

Immunfluorescensmikroskopi av NINJ1 och indikerade markörer i primade BMDM. Skalstänger, 25 μm. Mikrofotografier är representativa för två oberoende experiment.

Utökad data Fig. 7 Karakterisering av NINJ1 extracellulär a-helix-domän.

a, Beräkningsmodell för den extracellulära domänen NINJ1. Grå, hydrofoba rester blå, negativt laddade rester ljusblå, polära rester röda, positivt laddade rester. b, Immunoblot av Flag – NINJ1 i HEK293T -celler från Fig. 4e representativ för två oberoende experiment. c, Liposomfrigivning av NINJ1-a-helixregionpeptiden, dess sekvensförvrängda variant eller Melittin (a-spiralformig bi-giftpeptid). Data är medel (staplar) för fyra individuella replikat (cirklar). P värdet beräknades med hjälp av en dubbelsidig oparad student t-testa. d, Frisättning av DD-150 i levande cellavbildning av BMDM efter stimulering av nigericin i närvaro av 20 μg ml -1 av indikerade monoklonala antikroppar. Data är medelvärden (cirklar) ± s.d. (skuggat område) av fyra individuella replikat. mAb, monoklonal antikropp. För gelkälladata, se tilläggsbild 1.

Utökad data Fig. 8 Karakterisering av Gsdmd –/– Gsdme –/– BMDM och anti-NINJ1 monoklonal antikropp.

aImmunoblot av GSDME i BMDM. GSDME är från en separat fläck. b, Immunobloter med anti-mus NINJ1 monoklonal antikroppsklon 25 i HEK293T-celler transfekterade med de angivna flaggmärkta konstruktionerna. Resulterar i a och b är representativa för två oberoende experiment. För gelkälldata, se tilläggsbild 1.


Effekt av plasmamembranjonströmmar på klorofyllfluorescens och excitationskylning i Chara Kloroplaster

Upplysta jätteceller av karaceanalger uppvisar membranexcitabilitet såväl som de rumsliga mönstren för fotosyntes och transmembrana H+-flöden. Exciteringen av plasmalemma under dessa förhållanden resulterar i övergående nedbrytning av externa alkaliska och sura zoner och hämmar fotosyntesen i de alkaliska zonerna. Genereringen av aktionspotential i de mönstrade internoderna följs av cellhyperpolarisering som toppar på 1 min och varar upp till 15 min. För att utesluta påverkan av drivande vilopotential på kloroplastresponsen på plasmamembran -excitation tillämpades spänningsklemmen i detta arbete och klorofyllfluorescensförändringar orsakade av en kort depolariserande puls övervakades. Den depolariserande förskjutningen av membranpotentialen under spänningsklämförhållanden visade sig orsaka en stor depression av (F _ << text>>^<<<'>>>) klorofyllfluorescens och fotosyntetisk aktivitet, förutsatt att inåtriktade Ca 2+ och Cl – strömmar utlöstes och att ett inåtriktat H + flöde (eller OH – efflux) kvarstod före appliceringen av en elektrisk stimulans. De depolarisationsinducerade jonströmmarna uppmätta i de alkaliska och sura cellområdena under ljus och i mörker visade sig skilja sig signifikant. Resultaten överensstämmer med tanken att det massiva inåtgående H + -flödet som uppträder i de alkaliska cellområdena under belysning är associerat med det sura skiftet av cytoplasmatiskt pH. Divergerande amplituder för jonströmmar i olika celldelar kan delvis bestämmas av närvaron av många plasmalemmala invaginationer, karasomer som är specifikt lokaliserade i syrazonerna, samt genom skarpa lokala förändringar av yttre pH i syrazoner under perforering av cellvägg med en mäta mikroelektrod.


Vilka faktorer påverkar permeabiliteten hos ett cellmembran?

Ett cellmembrans permeabilitet påverkas av polariteten, den elektriska laddningen och molmassan hos molekylerna som diffunderar genom det. Fosolipidlagren som utgör cellmembranet påverkar också dess permeabilitet.

Ett cellmembran består av två fosolipidlager. Varje lager har ett elektriskt laddat och hydrofilt huvud, medan svansen är oladdad och hydrofob. De elektriskt laddade huvudena i dessa lager är vända mot vattnet. De oladdade svansarna vetter mot varandra. Detta gör det lättare för små, neutralt laddade molekyler att passera genom cellmembranet i motsats till laddade och större molekyler. Fosolipidskikten hindrar även icke-lipidlösliga ämnen från att passera genom cellmembranet.

Cellmembran är selektivt permeabla, vilket gör att vissa ämnen kan passera genom att begränsa andras passage, säger Physiology Web. Detta är viktigt för att förse en cell med näringsämnen, eliminera avfall och förhindra att oönskade molekyler kommer in i en cell. De dubbla fosfolipidlagren i ett cellmembran inkluderar polära huvuden och opolära svansar, säger WiseGeek. Cellmembran är mycket genomsläppliga för opolära molekyler, som syre, kväve, koldioxid och steroider, säger Physiology Web. Omvänt är membran mindre permeabla för små polära molekyler, såsom vatten, glycerol, urea och etanol, och mycket ogenomträngliga för stora polära molekyler, såsom glukos och sackaros.

Elektrisk laddning spelar också en viktig roll för membranpermeabiliteten, säger Physiology Web. Laddade partiklar eller joner kan inte tränga in i ett cellmembran. Dessa laddade partiklar, såsom natrium-, kalium-, kalcium-, väte- och klorjoner, kräver specialiserade transportproteiner för att bära dem över membranet. Transportproteiner bär också molekyler som glukos, vatten och etanol över membran. Detta innebär att cellen har mer kontroll över hur många av dessa molekyler som passerar igenom och hur ofta.


Metoder

Molekylär kloning

Vi använde en AnkG-klon från råtta (270 kDa) för alla experiment i denna studie. DNA som motsvarar de första fem ankyrinupprepningarna av den membranbindande domänen (R1-R5: resterna 38–200) amplifierades med PCR och ligerades in i en pCold (Takara Bio Inc., Japan)-härledd vektor, i vilken ett ursprungligt klyvningsställe för Factor Xa -proteaset ersattes med ett Tobease Etch Virus (TEV) proteas -klyvningsställe. Den resulterande konstruktionen kodar för ett protein som endast har två extra rester, Gly-Thr, vid N-terminalen efter TEV-klyvningen.

Proteinuttryck och rening

AnkG (R1-R5) proteiner uttrycktes i E. coli [BL21 (DE3) pLysS] odlad i 2YT media vid 16 ° C och inducerades med 0,4 mM IPTG under 20 timmar. Celler skördades genom centrifugering, varefter cellpellets lyserades genom ultraljudsbehandling i lysbuffert (10 mM K2HPO4, pH 7,3, 250 mM KCl, 1 mM EDTA, 5 mM P-ME, 1 mM PMSF) och det olösliga materialet avlägsnades genom centrifugering. Den återstående lösliga fraktionen, som innehöll His-märkta AnkG-proteiner, applicerades på en 20 ml HisPrep FF (GE Healthcare Japan, Japan) nickelladdad kolonn och eluerades med 500 mM imidazol på ett ÄKTA-reningssystem (GE Healthcare Japan, Japan). ). Efter avsaltning av imidazolen klyvs de His-märkta proteinerna med användning av TEV-proteas (

300 μM i 24 timmar vid 4 ° C). AnkG-proteiner samlades upp i genomflödet från Hisprep-nickelkolonnen och utökades till en superdex200 gelfiltreringskolonn (GE Healthcare Japan, Japan). De renade proteinerna koncentrerades sedan vidare genom buffertbyte med användning av ett Amicon-centrifugalfilter (Merck Millipore Corp., USA) till 10 mg/ml [löst i 50 mM NaCl, 5 mM Tris-HCl (pH 7,5)] och användes sedan för kristallisationssteget.

Kristallisering, datainsamling och strukturbestämning

AnkG (R1-R5) -kristaller odlades på kristallskärmningsplattor vid 20 ° C med användning av ångdiffusion med sittande droppe. Kristaller av den reducerade formen av AnkG växte från 1:1-blandningar av proteinlösning och reservoarlösning innehållande 50 mM CaCl2, 100 mM Bis-Tris (pH 7,0), 30% vikt/volym PEG550 MME (Index #26, Hamptom Research, USA) (Fig. 1). Kristaller av den oxiderade formen av AnkG växte från 1: 1 blandningar av proteinlösning och reservoarlösning innehållande 10 mM MgCl2-hexahydrat, 50 mM Tris-HCl (pH 7,5), 1,6 M (NH4)24 (Natrix #26, Hamptom Research, USA) (Fig. 2). För datainsamling överfördes kristallerna till 20–25% PEG200 kryoprotektant och flashkyldes i flytande kväve. Data samlades in på BL44XU SPring-8 (Hyogo, JAPAN), som är utrustad med en MX-225HE CCD-detektor (Rayonix, USA) och stöds ekonomiskt av Academia Sinica och National Synchrotron Radiation Research Center (Taiwan, ROC). Kristallen av den reducerade formen tillhörde P21212-rymdgruppen och diffrakterade röntgenstrålar till 1,62 Å, medan kristallen av den oxiderade formen tillhörde C121-rymdgruppen och diffrakterade röntgenstrålar till 1,83 Å.

All data behandlades med HKL2000 (HKL Research Inc., USA). Den primära strukturen för den reducerade formen av ANKG (R1-R5) löstes genom molekylär ersättning med Phaser 39 med AnkR-membranbindande domänstruktur som en mall (1N11, rester 637–791) och en initial strukturell modell byggdes med programmet Arp/Warp 40. Den ursprungliga strukturen användes sedan som en mall för den molekylära ersättningen för bestämning av den oxiderade strukturen och en modell byggdes framgångsrikt med hjälp av Arp/Warp, trots den utfällda strukturen för den första upprepningen (fig. 2A). P2121Den asymmetriska enheten med 2 rymdgrupper av den reducerade formen innehöll två molekyler, medan den asymmetriska enheten för C121-rymdgruppen av den oxiderade formen innehöll en dimer molekyl. Modellbyggnader gjordes i Coot 41 . Vi kunde sätta ihop 158 rester i var och en av de två kedjorna i den reducerade formen och 134 rester i varje två kedjor i strukturen av den oxiderade formen. Alla modeller förfinades med REFMAC5 42 och TLS -parametrar inkluderades när den oxiderade strukturen förfinades (tabell 1).

Den strukturella jämförelsen och överlagringen av AnkG (40–194) och AnkB (2030–2184 PDB -kod #4RLV och #4RLY) utfördes med användning av lsqkab i CCP4 -sviten och r.m.s.d. beräknades (Fig. ID). För att jämföra den finkorniga modellstrukturen med kristallstrukturen (reducerad form) överlagrade vi de spiralformade kroppsstrukturerna (två av de fem anti-parallella α-spiralerna) och bestämde den strukturella avvikelsen för slingfingrarna (fig. 5). Strukturerna för den reducerade och oxiderade formen av AnkG jämfördes också i intervallet av rester 68–194 (kompletterande Fig. S3). Det inledande segmentet av R2 (rester 95–100), fingerslingan för R4 (resterna 168–175) och fingerslingan för R2 (resterna 100–110) analyserades också med avseende på strukturella jämförelser (fig. 1D och kompletterande figur S3) ). Ytområden för strukturmodellerna beräknades med användning av areaimol i CCP4 -sviten (kompletterande bild S6).

Gelfiltreringsanalys av den redoxberoende dimeriseringen

Molekylvikterna hos de renade oxiderade/reducerade proteinerna bestämdes såsom beskrivits tidigare 21,43,44. Renade AnkG (R1-R5) proteiner (0,5 mg/ml) inkuberades först med 100 μM H2O2 under 1 timme eller 4 timmar vid 4 ° C och sedan med 5 mM DTT under 1 timme vid 4 ° C efter oxidationen. Proteinlösningar (100 μL vardera) leddes sedan genom en superdex200 gelfiltreringskolonn (GE Healthcare Japan, Japan) ekvilibrerad med laddningsbufferten (250 mM KCl, 10 mM K2HPO4 [pH 7,3]) på ett ÄKTA-renarsystem (GE Healthcare Japan, Japan) vid 4 °C och en flödeshastighet på 0,5 ml min −1 . Eluater övervakades vid 280 nm och molekylvikterna och stökiometri för proteinerna analyserades på basis av elusionstopparna med användning av sex standardproteiner för molekylmassa för proteiner (GE Healthcare Japan, Japan) (Fig. 2C).

Molekylär dynamik simulering

Alla MD-simuleringar utfördes med GROMACS mjukvarupaket version 4.6.5 45 . Vi utförde grovkorniga MD-simuleringar av tre system, palmitoylated-AnkG, nonpalmitoylated-AnkG och AnkG dimer, med Martini-kraftfält 46,47,48 (ver. 2,2 för aminosyror och ver. 2,0 för lipider och joner) för att analysera beteende hos AnkG runt ett membran. Kraftfältparametrar för de s-palmitoylerade Cys skapades genom att Cys sidokedjeatom ersattes med palmitoylacylkedjan. Alla tre systemen bestod av ett protein (AnkG), ett lipiddubbelskikt bestående av 410 1-palmitoyl-2-oleoyl-fosfatidyletanolamin (POPE) molekyler, vattenmolekyler och joner. Storlekarna på systemen var ungefär 11 × 11 × 17 nm3, 11 × 11 × 17 nm3 respektive 11 × 11 × 20 nm3. Det periodiska gränsvillkoret tillämpades på alla simuleringar. Genom att ändra proteinarrangemanget förberedde vi 100, 10 och 16 initialstrukturer för de palmitoylerade-AnkG-, nonpalmitoylated-AnkG- och AnkG-dimersystemen. Grovkorniga proteinstrukturer konstruerades baserat på röntgenstrukturerna med hjälp av martinize.py-skriptet och en elastisk nätverksmodell kombinerades med Martini-modellen för att bevara deras tertiära strukturer. De nedre och övre elastiska bindningsavstängningsvärdena sattes till 0,5 respektive 0,9 nm och den elastiska bindningskraftskonstanten sattes till 5000 kJ.mol −1 .nm −2. Vi minimerade energin i dessa system, jämviktade dem med positionsbegränsningar för ryggradens atomer och utförde sedan 1-μs produktionskörningar med ett tidssteg på 25 fs i NPT-ensemble (310 K, 1 bar) med hjälp av V-rescale-termostaten 49 och Berendsen barostat 50. De elektrostatiska interaktionerna beräknades med hjälp av partikelnät Ewald (PME) metod 51,52.

Alla banor analyserades med ett intervall på 2 ns (dvs 500 ögonblicksbilder för varje 1-μs simulering). Vi betraktade en ögonblicksbild som en ”kontakt” om minimiavståndet mellan membranatomer och AnkG -atomer var mindre än 6 Å.En "Insättningshändelse" definierades som första gången interaktion mellan membranet och Cys70 i AnkG observerades i tre på varandra följande ögonblicksbilder och banor med en "insättningshändelse" betraktades som "insatta". Kontaktsannolikhet mellan membranet och AnkG definierades som sannolikheten för att placeras i närheten av lipiddubbelskiktet och sannolikheten beräknades för varje rest som förhållandet mellan ögonblicksbilder där det fanns interaktion mellan resten och atomer i ett lipidhuvud. grupp, dvs C1A, C1B, NH3 och PO4 i ett Martini -kraftfält, under banorna efter en "insättningshändelse" eller den första "kontakten" mellan AnkG och membranet.

Vi utförde också finkorniga (all-atom) MD-simuleringar för att analysera interaktionen mellan lipid-tvåskiktet och AnkG i atomnivån (fig. 5). En typisk konformation av AnkG-förankring till POPE-membranet valdes och solvatiserades med

150 mM NaCl i en rektangulär låda. Simuleringarna gjordes med ett periodiskt randvillkor och de elektrostatiska interaktionerna behandlades med PME-metoden. CHARMM36 kraftfält 53 applicerades på aminosyrorna, lipidmolekylerna och jonerna och TIP3P-modellen 54 applicerades på vattenmolekylerna. Parametrar för den s-palmitoylerade Cys skapades genom att kombinera kraftfältsparametrarna för Cys-resten i CHARMM36 med de för palmitoylacylkedjan i lipiderna. Alla bindningar var begränsade av LINCS-algoritmen 55 . Vi gjorde energiminimeringen av hela systemet och ökade sedan gradvis systemets temperatur med hjälp av V-rescale termostaten med positionsbegränsningar för tunga atomer i proteinet. En 5-ns produktionskörning med ett tidssteg på 2 fs i NPT-ensemblen utfördes med positionsbegränsningar för ryggradsatomer i proteinet för att slappna av sidokedjekonformationerna. Systemets temperatur och tryck kontrollerades vid 310 K och 1 bar med användning av en Nose-Hoover-termostat 56,57 respektive Parrinello-Rahman barostat 58,59.


Titta på videon: Hur atomer blir joner (Februari 2023).