Механизм, с помощью которого гипокалиемия снижает секрецию инсулина

тл;др

Гипокалиемия гиперполяризует мембраны, увеличивая$K^+$градиент, изготовление$\mathcal{E}_K$и следовательно$\mathcal{E}_m$больше отрицательного. Это делает любое сигнальное событие, контролируемое деполяризацией, менее чувствительным.

Это сложно, но мы можем понять эффект, взглянув на$K^+$один

Хороший улов. Да, видео (и схема) неверны. Электрофизиология поджелудочной железы$\beta$-клеток все еще является областью активных исследований. Ваши учебники (например, Костанцо, глава 9, в разделе «Регулирование секреции инсулина ») сообщат вам, что увеличение$\frac{[ATP]}{[ADP]}$отношение замыкает АТФ-чувствительный$K^+$каналы, деполяризующие мембрану. Это в значительной степени правильно, но не до конца понято , и не только за счет уменьшения$K^+$проводимость мембраны. Дальнейшая работа в годы, прошедшие после этой связанной статьи, подтверждает важность$Cl^-$градиент и анионный ток, но$K^+$проводимость все еще задействована и, вероятно, все еще лежит в основе механизма, посредством которого гипокалиемия снижает секрецию инсулина.

Мембранный потенциал определяется градиентами концентрации и проницаемостями ионов.

Мембранный потенциал поджелудочной железы$\beta$-клетка, как и у нейрона, определяется как градиентами концентрации, так и проницаемостью мембраны для ионов. Я уверен, что ОП это понимает, но для обычного читателя вы можете прочитать об этом основном принципе в любом учебнике по неврологии или физиологии. Вы можете рассчитать мембранный потенциал, используя уравнение Гольдмана или уравнение хордовой проводимости. Оба являются представлениями одного и того же принципа, но я думаю, что уравнение хордовой проводимости более интуитивно понятно. Мы упростим для наших целей.

$\mathcal{E}_m = \frac{g_{i}}{g_T} \mathcal{E}_i + \frac{g_{j}}{g_T} \mathcal{E}_j + \frac{g_{k}}{g_T} \mathcal{E}_k + ...$

Здесь для ионов i, j, k, ... мембранный потенциал равен сумме ряда членов для каждого иона, причем каждый ионный член является произведением равновесного потенциала этого иона ($\mathcal{E}_i$) и часть общей проводимости через мембрану, которую представляет проводимость этого иона. Проводимость можно грубо понимать как проницаемость. Более открытые ионные каналы означают большую проницаемость/проводимость для этого иона.

Краткосрочные изменения мембранного потенциала, используемые в передаче сигналов, достигаются за счет изменения проводимости мембраны для определенных ионов. Если$\frac{g_i}{g_T}$увеличивается для иона i, мембранный потенциал приближается к равновесному потенциалу для иона i.

Градиент концентрации определяет равновесный потенциал

Каждый ион имеет равновесный потенциал, мембранный потенциал, при котором суммарный ток иона через мембрану равен 0. Из уравнения Нернста мы можем сказать:

$\mathcal{E}_i \propto log_{10}\frac{[I]_{out}}{[I]_{in}}$.

Здесь$[I]_{out}$- концентрация иона вне клетки, а$[I]_{in}$это концентрация внутри клетки. Мы исключили константу пропорциональности, потому что в физиологических условиях она постоянна, а для поджелудочной железы она отличается.$\beta$-клетки (по сравнению с нейронами), и это не имеет отношения к нашему обсуждению (поскольку мы не собираемся производить какие-либо расчеты с реальными числами. Если вы будете очень внимательны, вы заметите, что логарифмический член имеет внешнюю концентрацию вверху, внутренняя концентрация внизу. Вы можете найти уравнение Нернста, записанное с отрицательной константой пропорциональности и с внутренней концентрацией вверху. Они эквивалентны из-за того, как работают журналы.

Изменение проводимости или проницаемости изменяет мембранный потенциал.

Когда вы увеличиваете проводимость мембраны по отношению к определенному иону, мембранный потенциал приближается к равновесному потенциалу для этого иона. Вот почему в нейроне, например, увеличение проводимости мембраны аксона до$Na^+$вызывает деполяризацию . Равновесный потенциал$\mathcal{E}_{Na}$, положительный. Мембранный потенциал покоя отрицательный. Более высокая проницаемость для$Na^+$приближает мембранный потенциал к$\mathcal{E}_Na$. Точно так же, увеличивая проводимость мембраны аксона до$K^+$(после деполяризации мембраны) реполяризует, а затем гиперполяризует мембрану.$\mathcal{E}_K$отрицательный (более отрицательный, чем мембранный потенциал покоя). Более высокая проницаемость для$K^+$сдвигает мембранный потенциал ближе к этому большому отрицательному$\mathcal{E}_K$.

Повышение проницаемости поджелудочной железы$\beta$-клетки к$K^+$гиперполяризует мембрану

Я использую примеры нейронов, потому что именно здесь эти концепции преподаются наиболее подробно, но давайте попробуем применить наше понимание к поджелудочной железе.$\beta$-клетка. Концентрации, проницаемости и мембранные потенциалы немного отличаются, но не так сильно. Мембранный потенциал покоя для$\beta$-ячейка составляет около -60 мВ. Пороговый потенциал для$Ca^{++}$высвобождение (которое приводит к секреции инсулина) составляет от -50 до -40 мВ. (Обратитесь к моим ранее связанным статьям). У меня нет точного номера для$\mathcal{E}_K$, равновесный потенциал$K^+$в$\beta$-клетки, но он более отрицателен, чем мембранный потенциал покоя этой клетки. Мы знаем это, потому что (как показано в связанных исследованиях) OP является правильным, увеличивая проводимость мембраны до$K^+$вызывает сеть$K^+$ток из клетки, а не внутрь, переводя мембранный потенциал в более отрицательное состояние (гиперполяризуя мембрану), подобно тому, что мы наблюдаем в нейронах.

Снижение проницаемости поджелудочной железы$\beta$-клетки к$K^+$ДЕПОЛЯРИЗУЕТ мембрану

Как обсуждалось в главе 9 Констанцо, АТФ-чувствительные$K^+$каналы закрываются (не открываются) в ответ на увеличение$\frac{[ATP]}{[ADP]}$соотношение. Это уменьшает _$K^+$проводимость мембраны, позволяя мембранному потенциалу приближаться к другим равновесным потенциалам (например,$\mathcal{E}_{Na}$, что положительно). С$\mathcal{E}_K$, который более отрицателен, чем предыдущий мембранный потенциал, вносит меньший вклад, мембранный потенциал становится менее отрицательным или деполяризуется.

Вы можете использовать менее математические рассуждения, чтобы выяснить, что происходит, когда$K^+$проводимость тоже снижается. Закрыть$K^+$канал, и положительные ионы, которые должны были выйти из клетки , остаются внутри клетки, делая мембранный потенциал менее отрицательным, деполяризуя мембрану. По сути, это то же самое, что введение положительных ионов внутрь клетки.

Когда мембрана деполяризуется,$Ca^{++}$высвобождается, что вызывает секрецию инсулина.

Гипокалиемия

При гипокалиемии внешние концентрации$K^+$снижаться. Это влияет на равновесный потенциал,$\mathcal{E}_K$. Из приведенного выше уравнения Нернста мы можем посмотреть на логарифмический член, чтобы увидеть, как$\mathcal{E}_K$меняется, когда$[K^+]_{out}$уменьшается. Фракция$\frac{[K^+]_{out}}{[K^+]_{in}}$меньше 1 во всех клетках человека (более$K^+$внутри ячейки, чем снаружи), поэтому логарифмический термин будет логарифмическим (некоторое число от 0 до 1). Вы можете вычислить это с помощью калькулятора, но в этом домене (0-1) логарифм отрицательный. Оно больше и отрицательно, чем ближе вы приближаетесь к 0, меньше (но все же отрицательно), чем ближе вы приближаетесь к 1. Если такое поведение вам незнакомо, я рекомендую вам изучить его с помощью калькулятора.

Если вы уменьшите числитель в логарифмическом члене ($log_{10} \frac{out}{in}$), как и при гипокалиемии, вы получаете большее отрицательное число. Это не меняет чистого направления потока или тока для$K^+$на уровнях, происходящих в клетке. Это все еще нетто.$\mathcal{E}_K$является более отрицательным, чем это могло бы быть в противном случае, так почему бы не уменьшить проводимость/проницаемость путем закрытия чувствительного к АТФ$K^+$каналы делают то же самое и деполяризуют мембрану?

Закрытие чувствительно к АТФ$K^+$каналы в условиях гипокалиемии вызывают деполяризацию, но не в достаточной степени . Вы должны вернуться к хордовой проводимости или уравнению Гольдмана и рассмотреть эффект$\mathcal{E}_K$на мембранный потенциал перед АТФ-чувствительным$K^+$каналы закрыты. С более негативным$\mathcal{E}_K$, член хордовой проводимости$\frac{g_{K}}{g_T} \mathcal{E}_K$является более негативным, и в целом$\mathcal{E}_m$является более негативным. Глобальная гипокалиемия эффективно гиперполяризует мембрану не только в поджелудочной железе.$\beta$-ячейка, но везде. Это важный принцип для понимания последствий гипокалиемии не только в отношении секреции инсулина, но и в любых условиях. Как правило, возбудимые мембраны при гипокалиемии вялые (кроме волокон Пуркинье). Вот почему, например, он вызывает мышечную слабость.