Mechanismus, durch den Hypokaliämie die Insulinsekretion reduziert

tl;dr

Hypokaliämie hyperpolarisiert Membranen durch Erhöhung der$K^+$Gradient, machen$\mathcal{E}_K$und folglich$\mathcal{E}_m$negativer. Dies macht jedes Signalisierungsereignis, das durch Depolarisation gesteuert wird, weniger reaktionsfähig.

Es ist kompliziert, aber wir können den Effekt verstehen, indem wir es uns ansehen$K^+$allein

Guter Fang. Ja, das Video (und Diagramm) sind falsch. Die Elektrophysiologie der Bauchspeicheldrüse$\beta$-Zellen ist nach wie vor ein Bereich aktiver Forschung. Ihre Lehrbücher (z. B. Costanzo Kapitel 9, unter Regulierung der Insulinsekretion ) werden Ihnen sagen, dass eine Erhöhung der Insulinsekretion zunimmt$\frac{[ATP]}{[ADP]}$Verhältnis schließt ATP-sensitiv$K^+$Kanäle, die die Membran depolarisieren. Dies ist zum großen Teil richtig, aber nicht vollständig verstanden , und nicht nur durch die Verringerung der$K^+$Leitfähigkeit der Membran. Weitere Arbeiten in den Jahren seit diesem verlinkten Artikel unterstützen die Bedeutung von a$Cl^-$Gradient und Anionenstrom, aber$K^+$Leitwert ist immer noch beteiligt und liegt wahrscheinlich immer noch dem Mechanismus zugrunde, durch den Hypokaliämie die Insulinsekretion reduziert.

Das Membranpotential wird durch die Konzentrationsgradienten und Permeabilitäten von Ionen bestimmt

Das Membranpotential der Bauchspeicheldrüse$\beta$-Zelle wird wie beim Neuron sowohl durch Konzentrationsgradienten als auch durch Permeabilitäten der Membran für Ionen bestimmt. Ich bin sicher, dass das OP dies versteht, aber für den allgemeinen Leser können Sie dieses Grundprinzip in jedem neurowissenschaftlichen oder physiologischen Lehrbuch nachlesen. Sie können das Membranpotential mit der Goldman-Gleichung oder der Sehnenleitwertgleichung berechnen. Beide sind Darstellungen desselben Prinzips, aber ich denke, die Akkordleitwertgleichung ist intuitiver. Wir vereinfachen für unsere Zwecke zu.

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

Hier ist für die Ionen i, j, k, ... das Membranpotential gleich der Summe einer Reihe von Termen für jedes Ion, wobei jeder Ionenterm ein Produkt des Gleichgewichtspotentials dieses Ions ist ($\mathcal{E}_i$) und dem Teil der Gesamtleitfähigkeit über die Membran, den die Leitfähigkeit dieses Ions darstellt. Leitwert kann grob als Permeabilität verstanden werden. Offenere Ionenkanäle bedeuten eine größere Permeabilität/Leitfähigkeit für dieses Ion.

Kurzfristige Änderungen des Membranpotentials, die zur Signalübertragung verwendet werden, werden durch Ändern der Leitfähigkeit der Membran für spezifische Ionen erreicht. Wenn die$\frac{g_i}{g_T}$für Ion i ansteigt, nähert sich das Membranpotential dem Gleichgewichtspotential für Ion i.

Der Konzentrationsgradient bestimmt das Gleichgewichtspotential

Jedes Ion hat ein Gleichgewichtspotential, ein Membranpotential, bei dem der Nettostrom eines Ions durch die Membran 0 ist. Aus der Nernst-Gleichung können wir sagen:

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

Hier$[I]_{out}$ist die Konzentration des Ions außerhalb der Zelle, und$[I]_{in}$ist die Konzentration in der Zelle. Wir haben die Proportionalitätskonstante eliminiert, weil sie unter physiologischen Bedingungen konstant ist, sie ist anders für die Bauchspeicheldrüse$\beta$-Zellen (vs. Neuronen), und es ist für unsere Diskussion nicht relevant (da wir keine Berechnungen mit reellen Zahlen durchführen werden. Wenn Sie sehr vorsichtig sind, werden Sie feststellen, dass der Log-Term oben eine äußere Konzentration hat, Innenkonzentration unten. Möglicherweise finden Sie die Nernst-Gleichung geschrieben mit einer negativen Proportionalitätskonstante und mit der Innenkonzentration oben. Diese sind aufgrund der Funktionsweise von Protokollen äquivalent.

Eine Änderung der Leitfähigkeit oder Permeabilität ändert das Membranpotential

Wenn Sie die Leitfähigkeit einer Membran zu einem bestimmten Ion erhöhen, bewegt sich das Membranpotential näher an das Gleichgewichtspotential für dieses Ion. Deshalb kommt es in der Nervenzelle zum Beispiel zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit der Axonmembran$Na^+$verursacht eine Depolarisation . Das Gleichgewichtspotential$\mathcal{E}_{Na}$, ist positiv. Das Ruhemembranpotential ist negativ. Höhere Durchlässigkeit für$Na^+$rückt das Membranpotential näher an$\mathcal{E}_Na$. Ebenso erhöht sich die Leitfähigkeit der Axonmembran$K^+$(nachdem die Membran depolarisiert ist) repolarisiert und dann die Membran hyperpolarisiert.$\mathcal{E}_K$negativ ist (negativer als das Ruhemembranpotential). Höhere Durchlässigkeit für$K^+$bewegt das Membranpotential näher an dieses große Negativ$\mathcal{E}_K$.

Erhöhung der Durchlässigkeit der Bauchspeicheldrüse$\beta$-Zellen zu$K^+$hyperpolarisiert die Membran

Ich verwende Beispiele des Neurons, da diese Konzepte normalerweise am gründlichsten gelehrt werden, aber versuchen wir, unser Verständnis auf die Bauchspeicheldrüse anzuwenden$\beta$-Zelle. Konzentrationen, Permeabilitäten und Membranpotentiale sind ein wenig anders, aber nicht so sehr. Ruhemembranpotential für a$\beta$-Zelle liegt bei etwa -60mV. Schwellenpotential für$Ca^{++}$Freisetzung (die zur Insulinsekretion führt) liegt zwischen -50 und -40 mV. (Siehe meine zuvor verlinkten Artikel). Ich habe keine genaue Zahl für$\mathcal{E}_K$, das Gleichgewichtspotential von$K^+$In$\beta$-Zellen, aber es ist negativer als das Ruhemembranpotential dieser Zelle. Wir wissen das, weil (wie in den verlinkten Studien gezeigt wird) das OP korrekt ist, indem es die Leitfähigkeit der Membran erhöht$K^+$verursacht ein Netz$K^+$Strom aus der Zelle heraus statt hinein, wodurch das Membranpotential in einen negativeren Zustand versetzt wird (Hyperpolarisation der Membran), ähnlich wie wir es in Neuronen sehen.

Verringerung der Durchlässigkeit der Bauchspeicheldrüse$\beta$-Zellen zu$K^+$DEPOLARISIERT die Membran

Wie in Constanzo Kapitel 9 besprochen, ATP-sensitiv$K^+$Kanäle schließen (nicht öffnen) als Reaktion auf eine Erhöhung der$\frac{[ATP]}{[ADP]}$Verhältnis. Dadurch verringert sich die$K^+$Leitfähigkeit der Membran, wodurch das Membranpotential näher an andere Gleichgewichtspotentiale (z. B.$\mathcal{E}_{Na}$, was positiv ist). Mit$\mathcal{E}_K$, das negativer als das vorherige Membranpotential ist, weniger beiträgt, wird das Membranpotential weniger negativ oder depolarisiert.

Sie können eine weniger mathematische Argumentation verwenden, um herauszufinden, was passiert, wenn die$K^+$Auch die Leitfähigkeit nimmt ab. Schließen Sie a$K^+$Kanal und positive Ionen, die sich aus der Zelle herausbewegt hätten, bleiben in der Zelle, wodurch das Membranpotential weniger negativ wird und die Membran depolarisiert wird. Dies ist praktisch dasselbe wie positive Ionen in die Zelle zu bringen.

Wenn die Membran depolarisiert,$Ca^{++}$freigesetzt wird, was zur Insulinsekretion führt.

Hypokaliämie

Bei Hypokaliämie, außerhalb von Konzentrationen von$K^+$verringern. Dies wirkt sich auf das Gleichgewichtspotential aus,$\mathcal{E}_K$. Aus der obigen Nernst-Gleichung können wir den Log-Term betrachten, um zu sehen, wie$\mathcal{E}_K$wechselt wann$[K^+]_{out}$nimmt ab. Der Bruchteil$\frac{[K^+]_{out}}{[K^+]_{in}}$ist in allen menschlichen Zellen kleiner als 1 (es gibt mehr$K^+$innerhalb der Zelle als außerhalb), also ist der Log-Term log (eine Zahl zwischen 0 und 1). Sie können dies mit einem Taschenrechner berechnen, aber in diesem Bereich (0-1) ist das Protokoll negativ. Es ist größer und negativ, je näher Sie 0 kommen, kleiner (aber immer noch negativ), je näher Sie 1 kommen. Wenn Ihnen dieses Verhalten nicht vertraut ist, empfehle ich Ihnen, es mit einem Taschenrechner zu untersuchen.

Wenn Sie den Zähler im Log-Term verringern ($log_{10} \frac{out}{in}$), wie wir es bei Hypokaliämie tun, erhalten Sie eine größere negative Zahl. Dies ändert nicht die Nettoflussrichtung oder den Strom für$K^+$auf Niveaus, die in der Zelle auftreten. Es ist immer noch net aus.$\mathcal{E}_K$ist negativer als es sonst wäre, warum also nicht die Leitfähigkeit / Permeabilität durch Schließen des ATP-empfindlichen verringern$K^+$Kanäle dasselbe tun und die Membran depolarisieren?

Schließen ATP empfindlich$K^+$Kanäle in der Einstellung von Hypokaliämie verursachen Depolarisation, aber nicht genug. Sie müssen zur Akkordleitfähigkeit oder Goldman-Gleichung zurückkehren und die Auswirkung von berücksichtigen$\mathcal{E}_K$auf das Membranpotential vor dem ATP empfindlich$K^+$Kanäle sind geschlossen. Mit einem negativeren$\mathcal{E}_K$, der Sehnenleitwert$\frac{g_{K}}{g_T} \mathcal{E}_K$ist eher negativ, und das insgesamt$\mathcal{E}_m$ist eher negativ. Globale Hypokaliämie hyperpolarisiert effektiv die Membran, nicht nur in der Bauchspeicheldrüse$\beta$-Zelle, aber überall. Dies ist ein wichtiges Prinzip zum Verständnis der Folgen einer Hypokaliämie, nicht nur in Bezug auf die Insulinsekretion, sondern in allen Situationen. In der Regel sind erregbare Membranen bei Hypokaliämie träge (außer Purkinje-Fasern). Deshalb verursacht es zum Beispiel Muskelschwäche.