Пространственная буферизация калия

Пространственная буферность калия представляет собой механизм регуляции внеклеточной калия концентрации астроцитами . Другими механизмами клиренса астроцитарного калия являются захват хлорида калия, управляемый носителями или каналами. Реполяризация имеет нейронов тенденцию повышать концентрацию калия во внеклеточной жидкости. Если произойдет значительное повышение, это будет мешать передаче сигналов нейронов за счет деполяризации нейронов. Астроциты имеют большое количество каналов ионов калия, облегчающих удаление ионов калия из внеклеточной жидкости. Они захватываются в одной области астроцита, а затем распределяются по цитоплазме клетки и далее к соседям через щелевые контакты . Это удерживает внеклеточный калий на уровне, который предотвращает вмешательство в нормальное распространение потенциала действия .

Пространственная буферизация калия

Глиальные клетки, которые, как когда-то считалось, играли пассивную роль в ЦНС, являются активными регуляторами многочисленных функций мозга, включая выведение нейромедиатора из синапсов, руководство во время миграции нейронов, контроль нейрональной синаптической передачи и поддержание идеальной ионной среды для активные связи между нейронами центральной нервной системы.

Нейроны окружены внеклеточной жидкостью, богатой ионами натрия и бедной ионами калия. Концентрации этих ионов внутри клеток меняются. Из-за разницы в концентрации через клеточную мембрану возникает химический градиент, который приводит к притоку натрия и оттоку калия. При возникновении потенциала действия происходит значительное изменение внеклеточной концентрации калия из-за ограниченности объема внеклеточного пространства ЦНС. Изменение концентрации калия во внеклеточном пространстве влияет на различные нейрональные процессы, такие как поддержание мембранного потенциала, активация и инактивация потенциалзависимых каналов, синаптическая передача и электрогенный транспорт нейромедиаторов. Изменение внеклеточной концентрации калия от 3 мМ может повлиять на нервную активность. Таким образом, существуют разнообразные клеточные механизмы жесткого контроля ионов калия, наиболее широко распространенным механизмом является механизм пространственной буферизации K+. Орканд и его коллеги, которые первыми выдвинули теорию пространственной буферизации, заявили, что «если глиальная клетка деполяризуется под действием К+, накопившегося в щелях, возникающий ток переносит К+ внутрь в области с высоким содержанием [К+] и снова наружу через электрически связанные глиальные клетки в области с низким уровнем [К+]. [K+] регионов» В модели, представленной Оркандом и его коллегами, глиальные клетки поглощают и перемещают ионы калия из области высоких концентраций в область низкой концентрации, поддерживая низкую концентрацию калия во внеклеточном пространстве. Глиальные клетки хорошо подходят для транспортировки ионов калия, поскольку они обладают необычайно высокой проницаемостью для ионов калия и преодолевают большие расстояния благодаря своей удлиненной форме или соединению друг с другом.

Механизмы регуляции калия

Буферизацию калия можно разделить на две категории: поглощение калия и пространственная буферизация калия. Для поглощения калия избыток ионов калия временно попадает в глиальные клетки через транспортеры или калиевые каналы. Для сохранения электронейтральности приток калия в глиальные клетки сопровождается притоком хлора или оттоком натрия. Ожидается, что когда калий накапливается в глиальных клетках, происходит приток воды и набухание. Для пространственной буферизации калия функционально связанные глиальные клетки с высокой проницаемостью для калия переносят ионы калия из областей с повышенной концентрацией калия в области с более низкой концентрацией калия. Ток калия обусловлен разницей мембранного потенциала глиального синцития и локального равновесного потенциала калия. Когда в одной области концентрация калия увеличивается, возникает чистая движущая сила, заставляющая калий поступать в глиальные клетки. Поступление калия вызывает локальную деполяризацию, которая распространяется электротонически через сеть глиальных клеток, что приводит к выведению чистой движущей силы калия из глиальных клеток. Этот процесс вызывает локальную дисперсию калия с небольшим чистым приростом ионов калия внутри глиальных клеток, что, в свою очередь, предотвращает отек. Было обнаружено, что деполяризация глиальных клеток, вызванная активностью нейронов, высвобождает калий в кровоток, который, как когда-то широко предполагалось, является причиной расслабления сосудов, мало влияет на нервно-сосудистую связь. Несмотря на эффективность механизмов пространственной буферизации калия, в некоторых областях ЦНС буферизация калия, по-видимому, больше зависит от механизмов активного поглощения, чем от пространственной буферизации. Таким образом, точная роль пространственной буферизации глиального калия в различных областях нашего мозга все еще остается неопределенной.

Создал канал

Высокая проницаемость мембран глиальных клеток для ионов калия является результатом экспрессии высокой плотности калий-селективных каналов с высокой вероятностью открытия при мембранных потенциалах покоя . Кир-каналы, каналы, выпрямляющие калий внутрь , позволяют ионам калия проходить внутрь гораздо легче, чем наружу. Они также демонстрируют переменную проводимость, которая положительно коррелирует с концентрацией внеклеточного калия: чем выше концентрация калия вне клетки, тем выше проводимость.

Каналы Kir подразделяются на семь основных подсемейств, от Kir1 до Kir7, с различными механизмами стробирования. Kir3 и Kir6 в первую очередь активируются внутриклеточными G-белками . Поскольку у них относительно низкая вероятность открытия по сравнению с другими семействами, они мало влияют на буферизацию калия. Kir1 и Kir7 в основном экспрессируются в эпителиальных клетках , например, в клетках почек, сосудистого сплетения или пигментного эпителия сетчатки, и не оказывают влияния на пространственную буферность. Kir2, однако, экспрессируется в нейронах головного мозга и глиальных клетках. Kir4 и Kir5, наряду с Kir2, расположены в мюллеровой глии и играют важную роль в откачке калия. Между исследованиями экспрессии этих каналов в указанных местах имеются некоторые расхождения.

Панглиальный синцитий

Панглиальный синцитий представляет собой обширную сеть взаимосвязанных глиальных клеток, которые широко связаны щелевыми соединениями. Панглиальный синцитий распространяется через центральную нервную систему, где обеспечивает метаболическую и осмотическую поддержку, а также ионную регуляцию миелинизированных аксонов в путях белого вещества. Три типа макроглиальных клеток в сети панглиального синцития представляют собой астроциты , олигодендроциты и эпендимоциты. Первоначально считалось, что между олигодендроцитами существуют гомологичные щелевые контакты. Позже с помощью неструктурного анализа было обнаружено, что щелевые соединения не связывают напрямую соседние олигодендроциты, а скорее щелевые соединения с соседними астроцитами, обеспечивая вторичный путь к близлежащим олигодендроцитам. Благодаря прямому щелевому соединению между миелиновыми оболочками и окружающими астроцитами избыток калия и осмотической воды напрямую попадает в синцитий астроцитов, где он пассивно распространяется вниз по течению к кончикам астроцитов в капиллярах и ограниченной глии .

Откачивание калия

Пространственная буферизация калия, которая происходит в сетчатке, называется сифонированием калия, где клетки Мюллера являются основным типом глиальных клеток. Клетки Мюллера играют важную роль в физиологии сетчатки. Он поддерживает метаболизм клеток сетчатки и имеет решающее значение для поддержания гомеостаза калия во внеклеточном пространстве во время активности нейронов. Подобно клеткам, ответственным за пространственную буферизацию, клетки Мюллера отчетливо проницаемы для ионов калия через каналы Kir. Как и у других глиальных клеток, высокая селективность мембран клеток Мюллера к ионам калия обусловлена ​​высокой плотностью Кир-каналов. Калиевая проводимость распределена в клетках Мюллера неравномерно. Путем фокального увеличения ионов калия вдоль клеток Мюллера амфибий и регистрации возникающей в результате деполяризации наблюдаемая калиевая проводимость концентрировалась в отростке конечности, составляющая 94% общей калиевой проводимости, локализованной в небольшом субклеточном домене. Наблюдение привело к гипотезе, что избыток калия во внеклеточном пространстве «перекачивается» клетками Мюллера в стекловидное тело. Сифонирование калия представляет собой специализированную форму механизмов пространственной буферизации, при которой большой резервуар ионов калия опорожняется в стекловидное тело. Аналогичная картина распределения каналов Кира обнаружена у земноводных.

История

О существовании сифонирования калия впервые сообщили в исследовании 1966 года Orkand et al. В ходе исследования зрительный нерв Necturus был рассечен, чтобы зафиксировать перемещение калия на большие расстояния после стимуляции нерва. После низкочастотной стимуляции 0,5 Гц на ретинальном конце рассеченного зрительного нерва была измерена деполяризация 1-2 мВ в астроцитах на противоположном конце нервного пучка, который находился на расстоянии до нескольких миллиметров от электрода. При более высокочастотной стимуляции наблюдалось более высокое плато деполяризации. Поэтому они предположили, что калий, высвобождаемый во внеклеточный компартмент во время аксональной активности, проникал и деполяризовал близлежащие астроциты, откуда он переносился незнакомым механизмом, что вызывало деполяризацию астроцитов, удаленных от места стимуляции. Предложенная модель была фактически неподходящей, поскольку в то время не были известны ни щелевые контакты, ни синцитий среди глиальных клеток, а зрительный нерв Necturus немиелинизирован, а это означает, что отток калия происходил непосредственно в периаксональное внеклеточное пространство, где ионы калия во внеклеточном пространстве будут непосредственно поглощается многочисленными астроцитами вокруг аксонов.

Болезни

У больных туберозным склерозирующим комплексом (КТС) возникают аномалии астроцитов, что приводит к патогенезу неврологической дисфункции при этом заболевании. TSC — это мультисистемное генетическое заболевание с мутацией в гене TSC1 или TSC2 . Это приводит к отключению неврологических симптомов, таких как умственная отсталость, аутизм и судороги. Глиальные клетки играют важную физиологическую роль в регулировании возбудимости нейронов и предотвращении эпилепсии. Астроциты поддерживают гомеостаз возбуждающих веществ, таких как внеклеточный калий, путем немедленного поглощения через специфические калиевые каналы и натриево-калиевые насосы. Он также регулируется пространственной буферизацией калия через сети астроцитов, где астроциты соединяются через щелевые соединения. Мутации в гене TSC1 или TSC2 часто приводят к снижению экспрессии астроцитарного белка коннексина Cx43 . При нарушении соединения щелевых контактов между астроцитами возникает множество нарушений буферизации калия, что приводит к увеличению внеклеточной концентрации калия и может предрасполагать к гипервозбудимости нейронов и судорогам. Согласно исследованию, проведенному на животной модели, у мышей с дефицитом коннексина 43 наблюдался сниженный порог возникновения эпилептиформных событий. Исследование также продемонстрировало роль щелевого соединения в ускорении выведения калия, ограничении накопления калия во время возбуждения нейронов и изменении концентрации калия.

Демиелинизирующие заболевания центральной нервной системы, такие как оптиконевромиелит, часто приводят к нарушению молекулярных компонентов панглиального синцития, что приводит к блокированию пространственной буферности калия. Без механизма калиевой буферизации происходит осмотическое набухание миелина, вызванное калием, при котором миелин разрушается и аксональная приветственная проводимость прекращается.