Informație

Cum se ajustează o celulă nervoasă dacă difuzia O2 este întreruptă?

Cum se ajustează o celulă nervoasă dacă difuzia O2 este întreruptă?



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.

Ce efecte ar avea asupra unui nerv dacă alimentarea cu oxigen este întreruptă? Există date despre asta?

Crește viteza conductanței nervoase? Cum rămâne cu Amplitudinea și canalele receptorilor de pe/în nerv?

În mod ciudat, este nebun de greu să găsești un răspuns la această întrebare, sau poate că caut doar în locurile greșite...


Dacă difuzia oxigenului este întreruptă, există o problemă serioasă. Neuronii din interiorul creierului încep încet să moară, multe alte lucruri precum schimbarea personalității sau incapacitatea de a procesa impulsurile dureroase apar dacă creierul este lipsit de oxigen. Dacă acest lucru nu este rezolvat în 15 minute, este imposibil să supraviețuiești.

Efectele reale asupra neuronilor sunt următoarele: Ca în majoritatea celulelor, prima soluție la acest tip de circumstanțe este metabolismul anaerob, același lucru se întâmplă în neuroni, dar nu durează mult și este ineficient. În ceea ce mă privește, conductanța nervoasă scade în acest tip de scenariu și receptorii se micșorează.

Ei bine, dacă receptorii se chiresc, ei nu ar trebui să poată transfera impulsuri, ceea ce înseamnă că conductanța nervoasă ar trebui să se oprească.

Acest link către un articol despre efectele privării de oxigen asupra creierului. https://www.livestrong.com/article/106179-effects-lack-oxygen-brain/


Capitolul 2 Sistemul circulator și transportul oxigenului

Sistemul cardiovascular sau circulator este conceput pentru a asigura supraviețuirea tuturor celulelor corpului în fiecare moment și face acest lucru prin menținerea mediului chimic imediat al fiecărei celule din organism (adică lichidul interstițial) la o compoziție adecvată pentru celula respectivă. functionare normala. Termenul “homeostasis” este folosit pentru a desemna constanta aproximativă a mediului intern (Claude Bernard, 1866).

Luați în considerare mai întâi cazul simplu ipotetic al unei singure celule sferice suspendate într-un volum mare (Ϟ ori volumul celular), bine agitat de mediu apos în echilibru cu aerul din cameră și care conține alți nutrienți. Disponibilitatea oxigenului este adesea un factor limitator pentru supraviețuirea celulei și, în general, este furnizat unei celule prin difuzie pasivă. Pe măsură ce moleculele de oxigen difuzează în celulă, ele sunt consumate, astfel încât există o scădere progresivă a concentrației de oxigen de la suprafața celulei până la cea mai mică concentrație care are loc în centrul celulei. Pentru o celulă sferică cu un coeficient de difuzie tipic pentru oxigen (� 𢄥 cm 2 /s) și un consum de oxigen al mușchiului scheletic în repaus (� 𢄢 ml O2 cm 𢄣 min 𢄡 ), dimensiunea critică (raza) care este alimentată în mod adecvat cu oxigen din mediul înconjurător este de aproximativ 1 mm. Astfel, descoperim că difuzia pune o limită superioară a dimensiunii celulelor în ceea ce privește nevoia lor de oxigen.

Deși difuzia este un proces de transport eficient pe distanțe scurte (&#60100 μm), așa cum se vede prin timpul mediu necesar unei molecule pentru a difuza o distanță X (tX 2 /2D), cum poate un organism multicelular mult mai mare, cum ar fi corpul uman care conține aproximativ 100 × 10 12 celule, să fie alimentat în mod adecvat cu oxigen? Pentru mamifere, mediul de scăldat pentru celule este apa, iar apa corporală totală reprezintă aproximativ 60% din greutatea corporală. Pentru o persoană de 70 kg, apa corporală totală este distribuită în trei compartimente cu următoarele volume aproximative: intracelular � l (33% din greutatea corporală) interstițială � l (22,5% din greutatea corporală) și plasmă circulantă � l. x022483 l (4,5% din greutatea corporală). Celulele sunt scăldate în lichid interstițial (ISF), dar volumul lichidului interstițial este doar puțin mai mult de jumătate din volumul lichidului intracelular. Astfel, ISF nu poate fi considerat un mare rezervor de lichid, iar compoziția sa este influențată direct de metabolismul celular.

Un organism se confruntă cu următoarea problemă: Cum poate fi menținută compoziția ISF aproape de valoarea sa dorită? Soluția acestei probleme este introducerea unui sistem circulator care împrospătează continuu ISF punându-l în contact intim cu lichid „proaspăt, recondiționat” (adică sânge arterial). Sângele circulant trebuie adus aproape de celule (&#6010 μm), deoarece schimbul de nutrienți și deșeuri metabolice are loc prin difuzie pasivă, un mecanism de transport care este cel mai eficient pe distanțe scurte. Astfel, sistemul cardiovascular folosește fluxul în vrac (convecție) pentru a reduce distanța efectivă dintre acțiunea de pompare a inimii și diferitele părți ale unui organism.

Pentru ca acest sistem să fie practic și să-și facă treaba eficient, trebuie îndeplinite două condiții importante: (1) trebuie să existe un flux sanguin adecvat prin cele mai mici vase de sânge, capilare, care sunt în contact cu celulele care cuprind un țesut și ( 2) compoziția chimică a sângelui care intră trebuie controlată pentru a fi cea dorită în ISF. Proiectarea și funcționarea sistemului cardiovascular îndeplinesc aceste condiții. Două funcții importante ale sistemului cardiovascular sunt deplasarea materialului (purtătorul este sângele) și deplasarea căldurii (metabolismul tisular generează căldură care trebuie adusă din miezul corpului către patul vascular cutanat de la suprafața acestuia, unde este radiată departe de corp).


Anatomia simplă a retinei de Helga Kolb

Când un oftalmolog folosește un oftalmoscop pentru a se uita în ochi, el vede următoarea vedere a retinei (Fig. 1).

În centrul retinei se află nervul optic, o zonă albă circulară până la ovală, care măsoară aproximativ 2 x 1,5 mm. Din centrul nervului optic iradiază vasele de sânge majore ale retinei. Aproximativ 17 grade (4,5-5 mm), sau două diametre și jumătate de disc la stânga discului, poate fi văzută pata roșiatică, de formă ușor ovală, fără vase de sânge, fovea, care se află în centrul zonei. cunoscută sub numele de macula de către oftalmologi.

Fig. 1. Retina văzută printr-un oftalmoscop
CLICK AICI pentru a vedea o animație (de la iris la retină) (film Quicktime)

Un câmp circular de aproximativ 6 mm în jurul foveei este considerat retină centrală, în timp ce dincolo de aceasta este retina periferică care se întinde până la ora serrată, la 21 mm de centrul retinei (fovea). Retina totală este un disc circular cu diametrul cuprins între 30 și 40 mm (Polyak, 1941 Van Buren, 1963 Kolb, 1991).

Fig. 1.1. O secțiune schematică prin ochiul uman cu o mărire schematică a retinei

Retina are aproximativ 0,5 mm grosime și căptușește partea din spate a ochiului. Nervul optic conține axonii celulelor ganglionare care merg către creier și, în plus, vasele de sânge care se deschid în retină pentru a vasculariza straturile și neuronii retinei (Fig. 1.1). O secțiune radială a unei porțiuni a retinei dezvăluie că celulele ganglionare (neuronii de ieșire ai retinei) se află cel mai în interior în retină, cel mai aproape de cristalin și din fața ochiului, iar fotosenzorii (tijele și conurile) se află cel mai exterior în retină împotriva epiteliului pigmentar și a coroidei. Prin urmare, lumina trebuie să străbată grosimea retinei înainte de a lovi și de a activa baghetele și conurile (Fig. 1.1). Ulterior, absorbția fotonilor de către pigmentul vizual al fotoreceptorilor este tradusă mai întâi într-un mesaj biochimic și apoi într-un mesaj electric care poate stimula toți neuronii succesivi ai retinei. Mesajul retinian referitor la intrarea fotică și o anumită organizare preliminară a imaginii vizuale în mai multe forme de senzație sunt transmise creierului din modelul de descărcare în vârf al celulelor ganglionare.

O diagramă simplistă a retinei subliniază doar fotoreceptorii senzoriali și celulele ganglionare cu câțiva interneuroni care conectează cele două tipuri de celule, așa cum se vede în Figura 2.

Când un anatomist ia o secțiune verticală a retinei și o prelucrează pentru examinare microscopică, devine evident că retina este mult mai complexă și conține mult mai multe tipuri de celule nervoase decât indica schema simplistă (mai sus). Este imediat evident că există mulți interneuroni împachetati în partea centrală a secțiunii retinei care intervin între fotoreceptori și celulele ganglionare (Fig 3).

Toate retinele vertebratelor sunt compuse din trei straturi de corpuri de celule nervoase și două straturi de sinapse (Fig. 4). Stratul nuclear exterior conține corpuri celulari ai bastonașelor și conurilor, stratul nuclear interior conține corpuri celulari ale celulelor bipolare, orizontale și amacrine, iar stratul de celule ganglionare conține corpuri celulare ale celulelor ganglionare și celule amacrine deplasate. Împărțind aceste straturi de celule nervoase sunt două neuropile unde au loc contacte sinaptice (Fig. 4).

Prima zonă a neuropilului este stratul plexiform exterior (OPL) unde apar conexiuni între tijă și conuri și celulele bipolare care rulează vertical și celulele orizontale orientate orizontal (Figurile 5 și 6).

Fig. 5. Bloc 3-D al retinei cu OPL evidențiat
Fig. 6. Micrografie luminoasă a unei secțiuni verticale prin OPL

Al doilea neuropil al retinei este stratul plexiform interior (IPL) și funcționează ca o stație de releu pentru ca celulele nervoase purtătoare de informații verticale, celulele bipolare, să se conecteze la celulele ganglionare (Fig. 7 și 8). În plus, diferite varietăți de celule amacrine direcționate orizontal și vertical, interacționează cumva în rețele ulterioare pentru a influența și integra semnalele celulelor ganglionare. În punctul culminant al tuturor acestor procesări neuronale în stratul plexiform interior, mesajul privind imaginea vizuală este transmis creierului de-a lungul nervului optic.

Fig. 7. Bloc 3-D al retinei cu IPL evidențiat
Fig. 8. Micrografie luminoasă a unei secțiuni verticale prin IPL

2. Comparativ cu retina centrală și periferică.

Retina centrală aproape de fovee este considerabil mai groasă decât retina periferică (comparați figurile 9 și 10). Acest lucru se datorează densității crescute de împachetare a fotoreceptorilor, în special a conurilor, și celulelor bipolare și ganglionare asociate acestora din retina centrală în comparație cu retina periferică.

Fig. 9. Micrografie luminoasă a unei secțiuni verticale prin retina centrală umană
Fig. 10. Micrografie luminoasă a unei secțiuni verticale prin retina periferică umană
  • Retina centrală este dominată de conuri, în timp ce retina periferică este dominată de bastonașe. Astfel, în retina centrală, conurile sunt strâns distanțate, iar tijele mai puține la număr între conuri (Fig. 9 și 10).
  • Stratul nuclear exterior (ONL), compus din corpurile celulare ale tijelor și conurilor, are aproximativ aceeași grosime în retina centrală și periferică. Cu toate acestea, în periferie, corpurile celulare cu bastonaș depășesc în număr corpurile celulare conice, în timp ce inversul este valabil pentru retina centrală. În retina centrală, conurile au axoni oblici care își deplasează corpurile celulare din pediculii lor sinaptici din stratul plexiform exterior (OPL). Acești axoni oblici cu procesele celulare Muller însoțitoare formează o zonă cu aspect fibros cu colorare palid cunoscută sub numele de stratul de fibre Henle. Ultimul strat este absent în retina periferică.
  • Stratul nuclear interior (INL) este mai gros în zona centrală a retinei în comparație cu retina periferică, datorită unei densități mai mari de neuroni de ordinul doi care conectează conuri (celule bipolare conice) și a celulelor orizontale cu câmp mai mic și mai strâns distanțate. și celule amacrine preocupate de căile conurilor (Fig. 9). După cum vom vedea mai târziu, circuitele neuronilor conectate la con sunt mai puțin convergente prin faptul că mai puține conuri afectează neuronii de ordinul doi, decât o fac tijele în căile conectate cu tije.
  • O diferență remarcabilă între retina centrală și cea periferică poate fi observată în grosimile relative ale straturilor plexiforme interioare (IPL), straturilor de celule ganglionare (GCL) și stratului de fibre nervoase (NFL) (Fig. 9 și 10). Acest lucru se datorează, din nou, numărului mai mare și densității crescute de împachetare a celulelor ganglionare necesare pentru căile conurilor din retina foveală dominantă de con, în comparație cu retina periferică dominantă cu tije. Numărul mai mare de celule ganglionare înseamnă mai multă interacțiune sinaptică într-o IPL mai groasă și un număr mai mare de axoni ai celulelor ganglionare care circulă către nervul optic în stratul de fibre nervoase (Fig. 9).

3. Celulele gliale Muller.

Fig. 11. Vedere verticală a celulelor gliale Muller colorate cu Golgi

Celulele Muller sunt celulele gliale radiale ale retinei (Fig. 11). Membrana limitatoare exterioară (OLM) a retinei este formată din joncțiunile aderente dintre celulele Muller și segmentele interioare ale celulelor fotoreceptoare. Membrana limitatoare interioară (ILM) a retinei este, de asemenea, compusă din picioarele terminale ale celulei Muller care se află în contact lateral și constituenții asociați ai membranei bazale.

OLM formează o barieră între spațiul subretinian, în care segmentele interioare și exterioare ale fotoreceptorilor proiectează să fie în strânsă asociere cu stratul epitelial pigmentar din spatele retinei și retina neură propriu-zisă. ILM este suprafața interioară a retinei care mărginește umoarea vitroasă și formând astfel o barieră de difuzie între retina neură și umoarea vitroasă (Fig. 11).

De-a lungul retinei, vasele de sânge majore ale sistemului vascular retinian furnizează capilarele care intră în țesutul neural. Capilarele se găsesc traversând toate părțile retinei, de la stratul de fibre nervoase până la stratul plexiform exterior și chiar ocazional la fel de sus ca în stratul nuclear exterior. Nutrienții din vascularizația coriocapilarului (cc) din spatele stratului de epiteliu pigmentar furnizează stratul fotoreceptor delicat.

4. Structura foveală.

Centrul foveei este cunoscut sub numele de groapa foveală (Polyak, 1941) și este o regiune foarte specializată a retinei, diferită din nou de retina centrală și periferică pe care am considerat-o până acum. Secțiunile radiale ale acestei mici regiuni circulare a retinei care măsoară mai puțin de un sfert de milimetru (200 microni) sunt prezentate mai jos pentru om (Fig. 12a) și pentru maimuță (Fig. 12b).

Fig. 12a. Secțiune verticală a foveei umane de la Yamada (1969)
Fig. 12b. Secțiune verticală a foveei de maimuță de la Hageman și Johnson (1991)

Fovea se află în mijlocul zonei maculei a retinei până la partea temporală a capului nervului optic (Fig. 13a, A, B). Este o zonă în care fotoreceptorii conici sunt concentrați la densitatea maximă, cu excluderea tijelor, și aranjați la densitatea lor cea mai eficientă, care este într-un mozaic hexagonal. Acest lucru se vede mai clar într-o secțiune tangențială prin segmentele interioare ale conului foveal (Fig. 13b).

Fig. 13. Secţiune tangenţială prin fovea umană

Sub această groapă foveală centrală cu diametrul central de 200 de microni, celelalte straturi ale retinei sunt deplasate concentric lăsând doar cea mai subțire foaie de retină constând din celulele conice și unele dintre corpurile lor celulare (partea dreaptă și stângă din Figurile 12a și 12b). Acest lucru este deosebit de bine văzut în imaginile tomografiei cu coerență optică (OCT) ale ochiului viu și ale retinei (Fig. 13a, B). Stratificarea retinei distorsionată radial, dar completă, apare apoi treptat de-a lungul pantei foveale până când marginea foveei este alcătuită din neuronii deplasați de ordinul doi și trei, legați de conurile centrale. Aici celulele ganglionare sunt îngrămădite în șase straturi, astfel încât această zonă, numită marginea foveală sau parafovea (Polyak, 1941), este cea mai groasă porțiune a întregii retine.

5. Macula lutea.

Întreaga zonă foveală, inclusiv groapa foveală, panta foveală, parafovea și perifovea este considerată macula ochiului uman. Familiară pentru oftalmologi este o pigmentare galbenă a zonei maculare cunoscută sub numele de macula lutea (Fig. 14).

Această pigmentare este reflectarea pigmenților de screening galbeni, carotenoizii xantofilei zeaxantina și luteina (Balashov și Bernstein, 1998), prezenți în axonii conici ai stratului de fibre Henle. Se crede că macula lutea acționează ca un filtru cu lungime de undă scurtă, suplimentar față de cel oferit de cristalin (Rodieck, 1973). Deoarece fovea este cea mai esențială parte a retinei pentru vederea umană, mecanismele de protecție pentru evitarea luminii strălucitoare și în special a daunelor iradierii ultraviolete sunt esențiale. Căci, dacă conurile delicate ale foveei noastre sunt distruse, devenim orbi.

Fig. 14. Aspectul oftalmoscopic al retinei pentru a evidenția macula galbenă
Fig. 15. Secțiune verticală prin fovea maimuței pentru a arăta distribuția maculei galbene. Din Snodderly et al., 1984

Pigmentul galben care formează macula lutea în fovee poate fi demonstrat clar prin vizualizarea unei secțiuni a foveei la microscop cu lumină albastră (Fig. 15). Modelul întunecat din groapa foveală care se extinde până la marginea pantei foveale este cauzat de distribuția pigmentului macular (Snodderly și colab., 1984).

Dacă s-ar vizualiza mozaicul fotoreceptor foveal ca și cum pigmenții vizuali din conurile individuale nu ar fi albiți, s-ar vedea imaginea prezentată în Figura 16 (cadru inferior) (imagine din Lall și Cone, 1996). Conurile sensibile la lungimea de undă scurtă de pe panta foveală arată verde galben pal, conurile de lungime de undă mijlocie, roz și conurile sensibile la lungimea de undă lungă, violet. Dacă adăugăm acum efectul pigmentului galben de screening al maculei galbene, vedem apariția mozaicului conic în Figura 16 (cadru superior). Macula lutea ajută la îmbunătățirea rezoluției acromatice a conurilor foveale și blochează iradierea dăunătoare cu lumină UV (Fig. 16 din Abner Lall și Richard Cone, date nepublicate).

6. Stratul de fibre cu celule ganglionare.

Axonii celulelor ganglionare se desfășoară în stratul de fibre nervoase de deasupra membranei de limitare interioară către capul nervului optic într-o formă arcuită (Fig. 00, curgerea fibrelor roz). Fovea este, desigur, lipsită de un strat de fibre nervoase, deoarece retina interioară și celulele ganglionare sunt împinse spre panta foveală. Fibrele celulelor ganglionare centrale circulă în jurul pantei foveale și mătură în direcția nervului optic. Axonii celulelor ganglionare periferice continuă acest curs de arc către nervul optic cu o divizare dorso/ventrală de-a lungul meridianului orizontal (Fig. 00). Topografia retiniană se menține în nervul optic, prin geniculatul lateral până la cortexul vizual.

7. Alimentarea cu sânge a retinei.

Există două surse de alimentare cu sânge a retinei mamiferelor: artera centrală a retinei și vasele de sânge coroidiene. Coroida primește cel mai mare flux sanguin (65-85%) (Henkind și colab., 1979) și este vitală pentru menținerea retinei exterioare (în special a fotoreceptorilor), iar restul de 20-30% curge către retină prin retina centrală. artera retiniană din capul nervului optic pentru a hrăni straturile interioare ale retinei. Artera centrală a retinei are 4 ramuri principale în retina umană (Fig. 17).

Fig. 17. Fotografia fundului de ochi care prezintă imagistica cu fluoresceină a arterelor și venelor majore dintr-o retină normală a ochiului drept uman.Vasele ies din capul nervului optic și rulează în mod radial curbându-se spre și în jurul foveei (asterisc în fotografie) (Imaginea prin amabilitatea Isabel Pinilla, Spania)

Ramurile arteriale intraretinale furnizează apoi trei straturi de rețele capilare, adică 1) capilarele peripapilare radiale (RPC) și 2) un strat interior și 3) un strat exterior de capilare (Fig. 18a). Venulele precapilare drenează în venule și prin sistemul venos corespunzător în vena centrală a retinei (Fig. 18b).

Fig. 18a. Vedere Flatmount a unei retine de șobolan colorată cu NADPH-diaforază la nivelul focalizării unei artere majore și a arteriolelor. (Cu amabilitatea lui Toby Holmes, Moran Eye Center)
Fig. 18b. Vedere Flatmount a unei retine de șobolan colorată cu NADPH-diaforază la nivelul de focalizare a unei vene majore și venule. (Cu amabilitatea lui Toby Holmes, Moran Eye Center)

Capilarele peripapilare radiale (RPC) sunt cel mai superficial strat de capilare situate în partea interioară a stratului de fibre nervoase și se desfășoară de-a lungul căilor vaselor majore superotemporale și inferotemporale la 4-5 mm de discul optic (Zhang, 1994) . RPC-urile se anatomiză între ele și cu capilarele mai profunde. Capilarele interioare se află în straturile de celule ganglionare sub și paralel cu RPC. Rețeaua capilară exterioară merge de la stratul plexiform interior la stratul plexiform exterior, considerat stratul nuclear interior (Zhang, 1974).

După cum se va observa din angiografia cu fluoresceină din figura 17, există un inel de vase de sânge în zona maculară în jurul unei zone libere de vase de sânge și capilare cu diametrul de 450-600 um, denotă fovea. Vasele maculare iau naștere din ramurile arterelor temporale superioare și inferotemporale. La marginea zonei avasculare capilarele devin două straturi și în cele din urmă se unesc ca un singur inel stratificat. Venulele colectoare sunt mai adânci (posterior) față de arteriole și drenează fluxul de sânge înapoi în venele principale (Fig. 19, din Zhang, 1974). La maimuța rhesus, acest inel perimacular și fovea liberă de vase de sânge se vede clar în frumoasele desene realizate de grupul lui Max Snodderly (Fig. 20, Sodderly et al., 1992.)

Fig. 19. Vasele maculare ale ochiului maimuței formează un inel în jurul foveei avasculare (stea) (Din Zhang, 1994)
Fig. 20. Diagrama vasculaturii retiniene din jurul foveei la maimuța rhesus derivată din peste 80 de câmpuri de microscop. (Din Snodderly et al., 1992)

Arterele coroidale apar din arterele ciliare posterioare lungi și scurte și din ramurile cercului lui Zinn (în jurul discului optic). Fiecare dintre arterele ciliare posterioare se descompun în lobuli capilare în formă de evantai care alimentează regiunile localizate ale coroidei (Hayreh, 1975). Zona maculară a vaselor coroidiene nu este specializată, așa cum este aportul de sânge retinian (Zhang, 1994). Arterele străpung sclera din jurul nervului optic și se extind pentru a forma cele trei straturi vasculare din coroidă: straturile exterioare (cel mai scleral), medial și interior (cea mai apropiată membrană Bruchs a epiteliului pigmentar) straturi ale vaselor de sânge. Acest lucru este arătat în mod clar în turnarea de coroziune a unei fețe tăiate a coroidei umane din Figura 21a (Zhang, 1974). Lobulii venoși corespunzători se scurg în venele și venele care merg anterior spre ecuatorul globului ocular pentru a intra în venele vortex (Fig. 21b). Una sau două vene vortex drenează fiecare dintre cele 4 cadrane ale globului ocular. Venele vortex pătrund în sclera și se contopesc în vena oftalmică așa cum se arată în modelul de coroziune din Figura 21b (Zhang. 1994).

Fig. 21a. Cele trei straturi vasculare din coroidă: artere și vene exterioare (săgeată roșie/albastru), arteriole și venule mediale (săgeată roșie) și patul capilar interior (stea galbenă. Turnarea coroziunii unei fețe tăiate a coroidei umane (Din Zhang, 1994). )
Fig. 21b. Turnat de coroziune a spatelui superior al ochiului uman cu sclera îndepărtată. Venele vortex colectează sângele din ecuatorul ochiului și se contopesc cu vena oftalmică. (Din Zhang, 1994).

8. Boli degenerative ale retinei umane.

Retina umană este o organizare delicată a neuronilor, gliei și vaselor de sânge hrănitoare. În unele boli de ochi, retina devine deteriorată sau compromisă, iar schimbările degenerative se instalează, care în cele din urmă duc la leziuni grave ale celulelor nervoase care transportă mesajele vitale despre imaginea vizuală către creier. Indicăm patru afecțiuni diferite în care retina este bolnavă și orbirea poate fi rezultatul final. Multe mai multe informații despre patologia întregului ochi și a retinei pot fi găsite pe un site web realizat de medicul patolog ocular Dr. Nick Mamalis, Moran Eye Center.

Fig. 22. O vedere a fundului ochiului și a retinei la un pacient care are degenerescență maculară legată de vârstă.
Fig. 23. O vedere a fundului ochiului și a retinei la un pacient cu glaucom avansat.

Degenerescența maculară legată de vârstă este o problemă comună a retinei a ochiului îmbătrânit și o cauză principală a orbirii în lume. Zona maculară și foveea devin compromise din cauza epiteliului pigmentar din spatele retinei care degenerează și formează druse (pete albe, Fig. 22) și permițând scurgerea lichidului în spatele foveei. Conurile foveei mor provocând pierderea vizuală centrală, astfel încât nu putem citi sau vedea detalii fine.

Glaucomul (Fig. 23) este, de asemenea, o problemă comună în îmbătrânire, unde presiunea din interiorul ochiului devine crescută. Presiunea crește deoarece camera anterioară a ochiului nu poate face schimb de lichid în mod corespunzător prin metodele normale de scurgere a apei. Presiunea din camera vitroasă crește și compromite vasele de sânge ale capului nervului optic și în cele din urmă axonii celulelor ganglionare, astfel încât aceste celule vitale mor. Tratamentul pentru reducerea presiunii intraoculare este esențial în glaucom.

Fig. 24. O vedere a fundului ochiului și a retinei la un pacient cu retinită pigmentară
Fig. 25. O vedere a fundului ochiului și a retinei la un pacient cu retinopatie diabetică avansată

Retinitul pigmentar (Fig. 24) este o boală ereditară urâtă a retinei pentru care în prezent nu există tratament. Se prezintă sub mai multe forme și constă dintr-un număr mare de mutații genetice analizate în prezent. Majoritatea genelor defecte care au fost descoperite se referă la fotoreceptorii bastonașe. Tijele retinei periferice încep să degenereze în stadiile incipiente ale bolii. Pacienții devin orbi de noapte treptat pe măsură ce din ce în ce mai multă parte a retinei periferice (unde se află tijele) este deteriorată. În cele din urmă, pacienții sunt reduși la vederea în tunel, doar fovea scutită de procesul bolii. Patologia caracteristică este apariția pigmentului negru în retina periferică și subțierea vaselor de sânge la capul nervului optic (Fig. 24).

Retinopatia diabetică este un efect secundar al diabetului care afectează retina și poate provoca orbire (Fig. 25). Vasele de sânge vitale hrănitoare ale ochiului devin compromise, distorsionate și se înmulțesc în moduri incontrolabile. Tratamentul cu laser pentru oprirea proliferării vaselor de sânge și a scurgerii de lichid în retină este cel mai comun tratament în prezent.

9. Referințe.

Balashov NA, Bernstein PS. Purificarea și identificarea componentelor căilor de metabolizare a carotenoidului macular uman. Invest Ophthal Vis Sci.199839:s38.

Hageman GS, Johnson LV. Interfața epiteliului pigmentat fotoreceptor-retinian. În: Heckenlively JR, Arden GB, editori. Principii și practica electrofiziologiei clinice a vederii. St. Louis: Mosby Year Book 1991. p. 53-68.

Harrington, D.O. și Drake, M.V. (1990) Câmpurile vizuale, ed. a 6-a. Mosby. St. Louis.

Hayreh SS. Natura segmentară a vascularizației coroidale. Br J Ophthal. 197559:631–648. [PubMed] [Text complet gratuit în PMC]

Henkind P, Hansen RI, Szalay J. Circulația oculară. În: Records RE, editor. Fiziologia ochiului uman și a sistemului vizual. New York: Harper & Row 1979. p. 98-155.

Kolb H. Organizarea neuronală a retinei umane. În: Heckenlively JR, Arden GB, editori. Principii și practici de electrofiziologie clinică a vederii. St. Louis: Mosby Year Book Inc. 1991. p. 25-52.

Polyak SL. Retina. Chicago: University of Chicago Press 1941.

Rodieck RW. Retina vertebratelor: principii de structură și funcție. San Francisco: W.H. Freeman and Company 1973.

Snodderly DM, Auran JD, Delori FC. Pigmentul macular. II. Distribuția spațială în retina primatelor. Invest Ophthal Vis Sci. 198425:674–685. [PubMed]

Snodderly DM, Weinhaus RS, Choi JC. Relații neuro-vasculare în retina centrală a maimuțelor macac (Macaca fascicularis). J Neurosci. 199212:1169–1193.[PubMed]

Van Buren JM. Stratul de celule ganglionare retiniene. Springfield (IL): Charles C. Thomas 1963.

Yamada E. Câteva caracteristici structurale ale foveei centrale din retina umană. Arch Ophthal. 196982:151–159. [PubMed]

Zhang HR. Studiu de scanare electron-microscopic al modelelor de coroziune pe angioarhitectura retiniană și coroidală la om și animale. Prog Ret Eye Res. 199413:243–270.


Minunat: toleranța la hipoxie în creierul țestoasei de apă dulce

Printre cele mai robuste vertebrate tolerante la hipoxie se numără țestoasa de apă dulce Trachemys scripta, care poate rezista la anoxie completă de zile la temperatura camerei până la săptămâni în hibernarea de iarnă (Jackson și Ultsch, 2010) chiar și la temperatura camerei, 24 de ore de anoxie și reoxigenare nu duc la pierderea evidentă a neuronilor (Fig. 1). Toleranța la hipoxie la speciile de broaște țestoase nu este o chestiune de ectotermie în sine, ci se datorează adaptărilor specifice legate de habitat: țestoasele acvatice cu aripile nordice sunt mai tolerante la anoxie decât animalele sudice chiar și în cadrul unei singure specii (probabil din cauza nevoii de a supraviețui). perioade potenţial lungi sub gheaţă sau în noroi hipoxic) (Ultsch, 2006). Interesant este că, deși puii multor specii de broaște țestoase supraviețuiesc în cuib în prima lor iarnă prin toleranță la îngheț (Storey, 2006) sau super-răcire (Packard și Packard, 2003), în general puii sunt mult mai puțin capabili să tolereze scufundarea anoxică decât adulții ( Reese și colab., 2004). S-a sugerat că acest lucru se datorează dezvoltării incomplete a cochiliei, deoarece coaja este importantă pentru tamponarea lactatului (Ultsch, 2006). Cu toate acestea, dezvoltarea toleranței la anoxie este necunoscută, deoarece au fost studiate doar stadiile de ecloziune și adult.

Analiza cortexului țestoasei pentru leziuni neuronale. (A–C) Colorație Cresyl Violet. (D-I) Imunomarcarea pentru markerul neuronal NeuN (D-F) și pentru markerul glial GFAP (G-I). Secțiuni de țesut au fost examinate de la animalele tratate după cum urmează: (A,D,G) Martor (B,E,H) anoxie (C,F,I) anoxie urmată de 3 zile de supraviețuire. Rețineți păstrarea benzii de celule neuronale în toate momentele în probele colorate cu Cresyl Violet și imunomarcate cu NeuN. Semnalele GFAP nu au fost crescute la 3 zile. Bară de scară: 200 μm pentru toate. [Figura retipărită din Kesaraju et al. (Kesaraju et al., 2009), cu permisiunea.]

Analiza cortexului țestoasei pentru leziuni neuronale. (A–C) Colorație Cresyl Violet. (D-I) Imunomarcarea pentru markerul neuronal NeuN (D-F) și markerul glial GFAP (G-I). Secțiuni de țesut au fost examinate de la animalele tratate după cum urmează: (A,D,G) Martor (B,E,H) anoxie (C,F,I) anoxie urmată de 3 zile de supraviețuire. Rețineți păstrarea benzii de celule neuronale în toate momentele în probele colorate cu Cresyl Violet și imunomarcate cu NeuN. Semnalele GFAP nu au fost crescute la 3 zile. Bară de scară: 200 μm pentru toate. [Figura retipărită din Kesaraju et al. (Kesaraju et al., 2009), cu permisiunea.]

Ca și în cazul unora dintre celelalte modele discutate în această revizuire, un mecanism de extindere a supraviețuirii anoxice este intrarea într-o stare de hipo-metabolism profund reversibil, cererea de energie este redusă pentru a satisface energia furnizată de glicoliza anaerobă. Procesele care necesită energie sunt foarte suprimate în creierul țestoasei, acestea includ scăderea eliberării neurotransmițătorilor excitatori (Milton și Lutz, 1998 Milton și colab., 2002 Thompson și colab., 2007) și creșterea inhibiției neuronale (Lutz și Manuel, 1999 Nilsson și Lutz). , 1991 Nilsson şi Lutz, 1992). Scăderea permeabilității ionilor (oprirea canalului) și suprimarea potențialelor de acțiune (oprirea vârfurilor) contribuie, de asemenea, la economii semnificative de energie. Împreună, reducerile fluxului de ioni și eliberarea neurotransmițătorilor au ca rezultat o „comă” reversibilă cu activitate electrică a creierului foarte redusă (Fernandes și colab., 1997). Sinteza proteinelor este inhibată (Fraser et al., 2001), poate prin mecanisme epigenetice (Biggar și Storey, 2012 Krivoruchko și Storey, 2010a), fosforilarea-defosforilarea proteinelor reglatoare (Rider și colab., 2009) sau prin oprirea ciclului celular (Zhang și colab., 2013).

Canale ionice și neurotransmițători

Lucrări recente au arătat că multe dintre aceste adaptări sunt împletite, în special interacțiunile dintre echilibrul neurotransmițătorilor și diverse canale ionice, cu efecte multiple și aparent redundante. De exemplu, acidul gamma-aminobutiric (GABA) induce scăderi asemănătoare anoxiei ale activității potențialului post-sinaptic excitator (EPSP) în creierul țestoasei normoxice, aparent prin inhibarea pre-sinaptică a eliberării glutamatului. De asemenea, GABA scade curentul ionic prin receptorii glutamatergici NMDA și AMPA (Pamenter și colab., 2012), astfel încât stimulul necesar pentru a genera un potențial de acțiune crește de peste 20 de ori (Fig. 2). Cu toate acestea, excitotoxicitatea dependentă de receptorul NMDA (NMDAR) este de asemenea suprimată de receptorii δ-opioizi (Pamenter și Buck, 2008) care există la o densitate surprinzător de mare în creierul broaștei testoase (Xia și Haddad, 2001) și ajută la rezistența la glutamat și stresul hipoxic la mamifere (Zhang et al., 2000). Curenții receptorilor AMPA, între timp, sunt, de asemenea, reduceți prin activarea canalelor mitocondriale K+ dependente de ATP (Zivkovic și Buck, 2010), care, la rândul lor, reduc de asemenea eliberarea de glutamat și dopamină în anoxia timpurie (Milton și Lutz, 2005 Milton și colab., 2002). În expunerile anoxice mai lungi, eliberarea de glutamat este suprimată de adenozină și GABA (Thompson și colab., 2007). Adenozina afectează, la rândul său, oprirea canalelor (Pék și Lutz, 1997 Pérez-Pinzón și colab., 1993), eliberarea de dopamină (Milton și Lutz, 2005 Milton și colab., 2002), curenții NMDAR (Buck și Bickler, 1998) și sângele cerebral debit (Hylland et al., 1994).

Neuroprotecție la nivel molecular

În ciuda numeroaselor căi care vizează supresia metabolică, cercetările recente au arătat că o varietate de mecanisme de protecție sunt activate în schimb la nivel molecular în creierul broaștei țestoase anoxice. Acestea includ creșteri ale proteinelor de șoc termic, factori anti-apoptotici, kinazele MAP, antioxidanți și modularea căii p53. Interesant este că mulți dintre acești factori nu numai că pot proteja împotriva daunelor în condiții anoxice, ci și pot ameliora stresul oxidativ atunci când oxigenul este restabilit.

Potențialul membranei neuronale corticale (mV) tratat cu o soluție de mimă ischemică se depolarizează la EGABA. Panoul superior: rezumatul pragului potențialului de acțiune (AP) (APth) din neuronii stimulați tratați conform indicațiilor. AP nu au putut fi obținute în timpul tratamentului IS (soluție ischemică). Panoul de jos: probe de înregistrări ale AP-urilor evocate înregistrate în timpul controlului inițial (i), perfuziei IS (ii) și reperfuziei normoxice (iii). [Adaptat după Pamenter et al. (Pamenter et al., 2012) retipărit cu permisiunea de la Macmillan Publishers Ltd.]

Potențialul membranei neuronale corticale (mV) tratat cu o soluție de mimă ischemică se depolarizează la EGABA. Panoul superior: rezumatul pragului potențialului de acțiune (AP) (APth) din neuronii stimulați tratați conform indicațiilor. AP nu au putut fi obținute în timpul tratamentului IS (soluție ischemică). Panoul de jos: probe de înregistrări ale AP-urilor evocate înregistrate în timpul controlului inițial (i), perfuziei IS (ii) și reperfuziei normoxice (iii). [Adaptat după Pamenter et al. (Pamenter et al., 2012) retipărit cu permisiunea de la Macmillan Publishers Ltd.]

Inducerea proteinelor de șoc termic (HSP) este una dintre primele linii de apărare împotriva stresului fiziologic, deplasând echilibrul celular de la apoptoză și către supraviețuire (Lanneau et al., 2008 Obrenovitch, 2008). Deși rolurile lor specifice în toleranța la anoxie la broasca testoasă sunt încă necunoscute, HSP-urile cresc într-un număr de organe. Krivoruchko și Storey au raportat creșteri de două până la trei ori ale mai multor HSP în mușchiul scheletic, împreună cu creșteri atât ale factorului de transcripție 1 al șocului termic (HSF1) cât și ale translocației nucleare a HSF1 în inimă și mușchi (Krivoruchko și Storey, 2010b). În creier, creșterile atât ale Hsp72, cât și ale Hsc73 au fost raportate pentru prima dată de Prentice și colab. (Prentice și colab., 2004). Creșterea șocului termic înrudit Hsc73 a fost o descoperire nouă, deoarece aceasta este una dintre cele mai abundente proteine ​​intracelulare la mamifere, dar este considerată ca nu răspunde la stres (Snoeckx și colab., 2001). De asemenea, surprinzător au fost nivelurile normoxice ușor detectabile ale Hsp72, deoarece la mamifere este în esență nedetectabil în condiții de control (Snoeckx și colab., 2001). Lucrări suplimentare au arătat niveluri bazale ridicate ale numeroaselor HSP în creier (Kesaraju și colab., 2009) și alte organe (Stecyk și colab., 2012) și reglarea lor rapidă în anoxie. Unele HSP continuă să crească peste 24 de ore anoxie în creier la mamifere, acestea sunt asociate în primul rând cu glia, ceea ce duce la specularea că în creierul țestoasei astrocitele pot juca un rol semnificativ în timpul anoxiei, chiar dacă neuronii își închid o mare parte din funcția (Kesaraju și al., 2009).

Nivelurile normoxice ridicate ale HSP și creșterea rapidă ca răspuns la oxigenul scăzut au condus la sugestia că țestoasele prezintă în esență „precondiționare constitutivă” în fața anoxiei, cu niveluri ridicate de proteine ​​bazale capabile să răspundă imediat la stresul celular (Prentice și colab., 2004). Interesant, Stecyk et al. nivelurile raportate de HSP sunt, de asemenea, îmbunătățite de temperaturile scăzute, ipotezând că țestoasele vor experimenta temperaturi de iarnă înainte ca iazurile lor să înghețe și, astfel, frigul le poate pregăti și mai mult pentru anoxie înainte ca nivelurile de oxigen să fie complet epuizate (Stecyk et al., 2012).

Citoprotecția Hsp72 poate apărea prin inhibarea căilor de moarte celulară apoptotică și necrotică (Giffard et al., 2008), soarta celulelor fiind decisă de echilibrul dintre proteinele de stres și calea apoptotică (Beere, 2001), în special nivelurile Bcl-2 și Bax. În creierul țestoasei, raportul Bcl-2:Bax este menținut (Kesaraju și colab., 2009) sau ușor crescut (Nayak și colab., 2011), spre deosebire de hipoxia și ischemia mamiferelor, unde Bax crește și scade Bcl- 2 înclină celula spre apoptoză (Feldenberg et al., 1999). În creierul țestoasei, echilibrul căilor pro-moarte și supraviețuire poate fi, de asemenea, afectat de factori precum p53 și kinazele MAP.

Factorul de transcripție p53 reglează ciclul celular, metabolismul energetic, repararea leziunilor ADN și apoptoza (Zhang și colab., 2010) și răspunde la stresul celular. p53 este activat de stresul metabolic, parțial prin protein kinaza activată de AMP (AMPK) (Vousden și Ryan, 2009 Zhang și colab., 2010), care crește în mușchiul alb al broaștei țestoase anoxice (Rider și colab., 2009).În plus, un studiu recent al regulatorului de glicoliză și apoptoză indusă de p53 țintă Tp53 (TIGAR) a arătat că activarea a redus generarea de specii reactive de oxigen (ROS) și niveluri ridicate de glutation redus (Wanka și colab., 2012). Deoarece reglarea în jos a căilor energetice și protecția împotriva morții celulare și a stresului oxidativ sunt semne distinctive ale toleranței la anoxie, nu este surprinzător să găsim dovezi ale activării p53 la broasca țestoasă (Zhang et al., 2013). Interesant este că există, de asemenea, interacțiuni între p53 și calea fosfoinozitidă 3-kinază-protein kinaza B (PI3K/AKT) (Ladelfa și colab., 2011), care este reglată în sens pozitiv în creierul broaștei țestoase anoxice (Milton și colab., 2008). Nayak și colab., 2011).

PI3K/AKT activat și kinaza reglată extracelulară (ERK1/2), în general considerate a fi citoprotectoare, creșterea neuronilor broaștei testoase in vivo (Milton și colab., 2008) și in vitro (Nayak et al., 2011), la fel ca și Bcl-2. Se crede că AKT funcționează parțial prin interacțiuni cu familia de proteine ​​Bcl-2 (Wang și colab., 2007) și, ca și în cazul altor componente ale supraviețuirii anoxice, aceste căi sunt legate de creșterea adenozinei. Blocarea receptorului de adenozină A1 (A1R) previne reglarea lor în sus și crește nivelurile factorilor pro-apoptotici JNK, p38MAPK și Bax (Nayak și colab., 2011).

Mecanismele de supraviețuire anoxică reduc, de asemenea, daunele ROS

Spre deosebire de creierul mamiferelor, care prezintă o supraproducție de specii reactive de oxigen (ROS) după hipoxie sau ischemie/reperfuzie (Hashimoto și colab., 2003), creierul broaștei testoase pare să suprime producția de ROS la reoxigenare (Milton și colab., 2007). Pamenter și colab., 2007). Ca și în cazul altor mecanisme de protecție, adenozina influențează, de asemenea, producția de ROS la reoxigenare (Fig. 3). Blocarea receptorilor de adenozină A1 crește eliberarea de ROS și moartea celulelor (Milton și colab., 2007) în ciuda nivelurilor ridicate de antioxidanți (Pérez-Pinzón și Rice, 1995 Rice și colab., 1995 Willmore și Storey, 1997 Willmore și Storey, 2007). Efectele adenozinei asupra ROS pot apărea parțial prin Bcl-2, deoarece supraexpresia scade moartea celulară în timpul stresului oxidativ prin creșterea nivelurilor de antioxidanti și suprimarea radicalilor liberi (Lee et al., 2001). Lucrările recente din laboratorul Milton au arătat, de asemenea, că Hsp72 este implicată în reducerea producției de ROS (date nepublicate). Prin afectarea unor părți ale căii apoptotice și, eventual, a stabilității mitocondriale, creșterile Bcl-2, ERK1/2, AKT și anumite HSP sunt, de asemenea, probabil să scadă stresul oxidativ în timpul perioadei de recuperare, când producția de ROS ar putea altfel copleși chiar și nivelul ridicat. nivelurile de antioxidanti ale creierului broastei testoase.

Un antioxidant potențial descoperit recent la broasca țestoasă este neuroglobina (Burmester și colab., 2000), care a fost studiată și în alte modele de toleranță la hipoxie (Avivi și colab., 2010 Mitz și colab., 2009 Roesner și colab., 2008 Schneuer). et al., 2012). Neuroglobina este puternic reglată atât în ​​hipoxie, cât și la reoxigenare la broasca țestoasă (Milton și colab., 2006 Nayak și colab., 2009), iar scăderea expresiei neuroglobinei cu ARNsi specific țestoasei dublează eliberarea de ROS la reoxigenare. Cu toate acestea, acest lucru nu crește moartea celulară, așa că se pare că neuronii broaștei testoase sunt suficient de protejați de alte mecanisme pentru a rezista la o creștere de două ori a ROS (Nayak și colab., 2009), rolurile suplimentare ale neuroglobinei din creierul țestoasei nu au fost investigate.

H2O2 concentrația în mediul culturilor de celule primare îmbogățite neuronal tratate fie cu agonistul de adenozină 2-cloro-N6-ciclopentiladenozină (CCPA), fie cu antagonistul 8-ciclopentil-1,3-dipropilxantină (DPCPX). Anoxia timp de 4 ore a scăzut semnificativ producția de ROS, cu excepția celulelor tratate cu DPCPX. Re-oxigenarea a crescut producția de ROS doar la niveluri normoxice la controale, în timp ce CCPA a redus și DPCPX a crescut producția de ROS. Asteriscurile indică o diferență semnificativă față de celulele normoxice, *P<0.05, **P<0.01. Datele sunt medii ± s.e.m., N=3 experimente independente/grup. [Figura adaptată de la Milton et al. (Milton et al., 2007), cu permisiunea.]

H2O2 concentrația în mediul culturilor de celule primare îmbogățite neuronal tratate fie cu agonistul de adenozină 2-cloro-N6-ciclopentiladenozină (CCPA), fie cu antagonistul 8-ciclopentil-1,3-dipropilxantină (DPCPX). Anoxia timp de 4 ore a scăzut semnificativ producția de ROS, cu excepția celulelor tratate cu DPCPX. Re-oxigenarea a crescut producția de ROS doar la niveluri normoxice la controale, în timp ce CCPA a redus și DPCPX a crescut producția de ROS. Asteriscurile indică o diferență semnificativă față de celulele normoxice, *P<0.05, **P<0.01. Datele sunt medii ± s.e.m., N=3 experimente independente/grup. [Figura adaptată de la Milton et al. (Milton et al., 2007), cu permisiunea.]

Și în cele din urmă, în ciuda toleranței lor remarcabile la anoxie, examinarea histologică a T. scripta creierele care nu au fost expuse la anoxie în laborator au prezentat unele dovezi de leziuni ale creierului, ceea ce sugerează leziuni anterioare care au apărut probabil în perioade lungi de anoxie în timpul hibernarii de iarnă (S.L.M., observație nepublicată). Acest lucru ne-a determinat să investigăm posibilitatea regenerării neuronale ca mecanism pe termen lung de toleranță la anoxie. Când este puternic deteriorat de ischemia globală, T. scripta a arătat dovezi ale reproducerii neuronale în decurs de 3 săptămâni (Kesaraju și Milton, 2009), adăugând încă o strategie la setul de instrumente de supraviețuire anoxică la aceste animale remarcabile.


Controlul ritmului cardiac și al ritmului respirator

Este important ca corpul nostru să ne regleze ritmul cardiac și ritmul respirator, astfel încât cantitatea de oxigen furnizată să poată fi modificată în funcție de cât de mult respirăm. O parte a creierului nostru numită medula oblongata este responsabilă de modificarea ritmului cardiac și a ritmului respirator, ca răspuns la semnalele pe care le primesc de la receptorii din fluxul sanguin.

Efectul exercițiului asupra ritmului cardiac și al respirației

Ritmul cardiac și ritmul respirator cresc în timpul exercițiului pentru a furniza oxigen și pentru a elimina mai repede dioxidul de carbon din țesuturile respiratorii.

Când faci exerciții fizice, mușchiul tău scheletic se contractă rapid și frecvent. Acest lucru necesită energie din respirație. Pentru a vă asigura că celulele musculare au suficient oxigen și glucoză pentru respirație, ritmul cardiac crește pentru a pompa aceste substanțe în jurul corpului mai repede. O frecvență cardiacă crescută asigură și eliminarea mai rapidă a deșeurilor respiratorii (dioxid de carbon). În timpul exercițiului, nostru crește și ritmul respirator și respirăm mai adânc. Acest lucru are ca rezultat obținerea unei cantități mai mari de oxigen în corpul nostru, precum și eliminarea cantității crescute de dioxid de carbon produsă.

Controlul ritmului cardiac

The medular oblongata este o regiune a creierului care se găsește în partea de jos a creierului, în trunchiul cerebral. Este implicat în procese inconștiente, cum ar fi controlul ritmului cardiac și al respirației. O parte a medulului oblongata numită centru de control cardiovascular este responsabil pentru modificarea ritmului cardiac în funcție de nevoile corpului nostru. Funcționează prin trimiterea de impulsuri simpatic sau neuroni parasimpatici care eliberează diferiți neurotransmițători pe SAN - SAN își modifică apoi ritmul de tragere pentru a încetini sau accelera ritmul cardiac.

Două tipuri de receptori, baroreceptori (receptorii de presiune) și chemoreceptori (receptori chimici) sunt responsabili pentru detectarea stimulilor din sânge și semnalizarea medulei oblongate pentru a ne modifica ritmul cardiac. Baroreceptorii detectează modificări ale tensiunii arteriale și se găsesc în corpurile aortice și carotidiene. Chemoreceptorii detectează concentrația de oxigen în sânge. Sunt, de asemenea, sensibili la modificări ale pH-ului rezultând din dioxid de carbon dizolvat în sânge (reacționează cu apa pentru a forma acid carbonic), ceea ce este un indiciu al disponibilității oxigenului. Chemoreceptorii sunt, de asemenea, localizați în corpurile aortice și carotidiene.

Când medula oblongata primește semnale de la baroreceptori și chemoreceptori, aceasta modifică rata la care nodul sino-atrial (SAN) incendii (aflați mai multe despre SAN aici). Dacă tensiunea arterială sau concentrația de oxigen este scăzută, centrul de control cardiovascular crește rata de declanșare a SAN prin activarea sistemul nervos simpatic. Sistemul nervos simpatic este implicat în răspunsul „luptă și fugi”. și crește ritmul cardiac prin eliberarea unui neurotransmițător numit noradrenalina, care se leagă de receptorii de pe SAN. Pe de altă parte, tensiunea arterială ridicată și concentrația mare de oxigen determină centrul de control cardiovascular să reducă rata de ardere a SAN prin activarea sistemul nervos parasimpatic. Aceasta este implicată în „odihnește-te și digeră’ și scade ritmul cardiac prin eliberarea unui alt neurotransmițător numit acetilcolina. Acetilcolina se leagă de receptorii de pe SAN pentru a-și încetini rata de ardere.


9.1 Molecule de semnalizare și receptori celulari

Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea face următoarele:

  • Descrieți patru tipuri de mecanisme de semnalizare găsite în organismele multicelulare
  • Comparați receptorii interni cu receptorii de suprafață celulară
  • Recunoașteți relația dintre structura unui ligand și mecanismul său de acțiune

Există două tipuri de comunicare în lumea celulelor vii. Comunicarea dintre celule se numește semnalizare intercelulară, iar comunicarea în interiorul unei celule se numește semnalizare intracelulară. O modalitate ușoară de a vă aminti distincția este înțelegerea originii latine a prefixelor: inter- înseamnă „între” (de exemplu, liniile care se intersectează sunt cele care se intersectează) și intra- înseamnă „în interior” (ca și în cazul intravenos).

Semnalele chimice sunt eliberate de celulele de semnalizare sub formă de molecule mici, de obicei volatile sau solubile, numite liganzi. Un ligand este o moleculă care leagă o altă moleculă specifică, în unele cazuri, furnizând un semnal în proces. Prin urmare, liganzii pot fi considerați ca molecule de semnalizare. Liganzii interacționează cu proteinele din celulele țintă, care sunt celule care sunt afectate de semnale chimice, aceste proteine ​​sunt numite și receptori. Liganzii și receptorii există în mai multe varietăți, totuși, un ligand specific va avea un receptor specific care leagă de obicei doar acel ligand.

Forme de semnalizare

Există patru categorii de semnalizare chimică găsite în organismele multicelulare: semnalizare paracrină, semnalizare endocrină, semnalizare autocrină și semnalizare directă prin joncțiunile interconectate (Figura 9.2). Principala diferență dintre diferitele categorii de semnalizare este distanța pe care o parcurge semnalul prin organism pentru a ajunge la celula țintă. Ar trebui să remarcăm aici că nu toate celulele sunt afectate de aceleași semnale.

Semnalizarea paracrină

Semnalele care acționează local între celulele apropiate se numesc semnale paracrine. Semnalele paracrine se deplasează prin difuzie prin matricea extracelulară. Aceste tipuri de semnale provoacă de obicei răspunsuri rapide care durează doar o perioadă scurtă de timp. Pentru a menține răspunsul localizat, moleculele de ligand paracrin sunt în mod normal degradate rapid de enzime sau îndepărtate de celulele vecine. Eliminarea semnalelor va restabili gradientul de concentrație pentru semnal, permițându-le să difuzeze rapid prin spațiul intracelular dacă sunt eliberate din nou.

Un exemplu de semnalizare paracrină este transferul de semnale prin sinapse între celulele nervoase. O celulă nervoasă este formată dintr-un corp celular, mai multe extensii scurte, ramificate numite dendrite, care primesc stimuli și o extensie lungă numită axon, care transmite semnale către alte celule nervoase sau celule musculare. Joncțiunea dintre celulele nervoase unde are loc transmisia semnalului se numește sinapsă. Un semnal sinaptic este un semnal chimic care se deplasează între celulele nervoase. Semnalele din interiorul celulelor nervoase sunt propagate prin impulsuri electrice cu mișcare rapidă. Când aceste impulsuri ajung la capătul axonului, semnalul continuă către o dendrită a celulei următoare prin eliberarea de liganzi chimici numiți neurotransmițători din celula presinaptică (celula care emite semnalul). Neurotransmițătorii sunt transportați pe distanțe foarte mici (20-40 nanometri) dintre celulele nervoase, care sunt numite sinapse chimice (Figura 9.3). Distanța mică dintre celulele nervoase permite semnalului să circule rapid, ceea ce permite un răspuns imediat, cum ar fi: „Luați mâna de pe aragaz!”

Când neurotransmițătorul leagă receptorul de pe suprafața celulei postsinaptice, potențialul electrochimic al celulei țintă se modifică și este lansat următorul impuls electric. Neurotransmițătorii care sunt eliberați în sinapsa chimică sunt degradați rapid sau sunt reabsorbiți de celula presinaptică, astfel încât celula nervoasă primitoare să se poată recupera rapid și să fie pregătită să răspundă rapid la următorul semnal sinaptic.

Semnalizarea endocrină

Semnalele de la celulele îndepărtate sunt numite semnale endocrine și provin din celulele endocrine. (În organism, multe celule endocrine sunt localizate în glandele endocrine, cum ar fi glanda tiroidă, hipotalamus și glanda pituitară.) Aceste tipuri de semnale produc de obicei un răspuns mai lent, dar au un efect de durată mai lungă. Liganzii eliberați în semnalizarea endocrină se numesc hormoni, molecule de semnalizare care sunt produse într-o parte a corpului, dar afectează alte regiuni ale corpului la o anumită distanță.

Hormonii parcurg distante mari dintre celulele endocrine si celulele lor tinta prin fluxul sanguin, care este o modalitate relativ lent de a se deplasa in tot corpul. Datorită formei lor de transport, hormonii devin diluați și sunt prezenți în concentrații scăzute atunci când acționează asupra celulelor țintă. Aceasta este diferită de semnalizarea paracrină, în care concentrațiile locale de liganzi pot fi foarte mari.

Semnalizarea autocrină

Semnalele autocrine sunt produse de celulele de semnalizare care se pot lega, de asemenea, de ligandul care este eliberat. Aceasta înseamnă că celula de semnalizare și celula țintă pot fi aceeași sau o celulă similară (prefixul auto- înseamnă sine, un memento că celula de semnalizare trimite un semnal către ea însăși). Acest tip de semnalizare apare adesea în timpul dezvoltării timpurii a unui organism pentru a se asigura că celulele se dezvoltă în țesuturile corecte și își preiau funcția corespunzătoare. Semnalizarea autocrină reglează, de asemenea, senzația de durere și răspunsurile inflamatorii. În plus, dacă o celulă este infectată cu un virus, celula își poate semnala ea însăși să sufere moartea celulară programată, ucigând virusul în acest proces. În unele cazuri, celulele învecinate de același tip sunt, de asemenea, influențate de ligandul eliberat. În dezvoltarea embriologică, acest proces de stimulare a unui grup de celule învecinate poate ajuta la direcționarea diferențierii celulelor identice în același tip de celule, asigurând astfel un rezultat de dezvoltare adecvat.

Semnalizare directă peste joncțiunile gol

Gap joncțiuni la animale și plasmodesmate la plante sunt conexiuni între membranele plasmatice ale celulelor învecinate. Aceste canale umplute cu lichid permit moleculelor de semnalizare mici, numite mediatori intracelulari, să difuzeze între cele două celule. Moleculele mici sau ionii, cum ar fi ionii de calciu (Ca 2+ ), sunt capabili să se deplaseze între celule, dar moleculele mari, cum ar fi proteinele și ADN-ul, nu pot intra prin canale. Specificul canalelor asigură că celulele rămân independente, dar pot transmite rapid și ușor semnale. Transferul de molecule de semnalizare comunică starea curentă a celulei care se află direct lângă celula țintă, ceea ce permite unui grup de celule să-și coordoneze răspunsul la un semnal pe care doar una dintre ele l-ar fi primit. În plante, plasmodesmate sunt omniprezente, transformând întreaga fabrică într-o rețea de comunicații uriașă.

Tipuri de receptori

Receptorii sunt molecule proteice din celula țintă sau de pe suprafața acesteia care leagă ligand. Există două tipuri de receptori, receptori interni și receptori de suprafață celulară.

Receptorii interni

Receptorii interni, cunoscuți și sub denumirea de receptori intracelulari sau citoplasmatici, se găsesc în citoplasma celulei și răspund la moleculele de ligand hidrofobi care sunt capabile să călătorească prin membrana plasmatică. Odată ajunse în interiorul celulei, multe dintre aceste molecule se leagă de proteine ​​care acționează ca regulatori ai sintezei (transcripției) ARNm pentru a media expresia genelor. Expresia genelor este procesul celular de transformare a informațiilor din ADN-ul unei celule într-o secvență de aminoacizi, care în cele din urmă formează o proteină. Când ligandul se leagă de receptorul intern, se declanșează o schimbare conformațională care expune un situs de legare a ADN-ului pe proteină. Complexul ligand-receptor se deplasează în nucleu, apoi se leagă de regiuni reglatoare specifice ale ADN-ului cromozomial și promovează inițierea transcripției (Figura 9.4). Transcripția este procesul de copiere a informațiilor din ADN-ul unei celule într-o formă specială de ARN numită ARN mesager (ARNm), celula folosește informațiile din ARNm (care se deplasează în citoplasmă și se asociază cu ribozomi) pentru a lega aminoacizi specifici din ordinea corectă, producând o proteină. Receptorii interni pot influența direct expresia genelor fără a fi necesar să transmită semnalul altor receptori sau mesageri.

Receptori de suprafață celulară

Receptorii de suprafață celulară, cunoscuți și sub denumirea de receptori transmembranari, sunt proteine ​​de suprafață celulară, ancorate la membrană (integrale) care se leagă de moleculele de ligand externi. Acest tip de receptor se întinde pe membrana plasmatică și realizează transducția semnalului, prin care un semnal extracelular este convertit într-un semnal intracelular. Liganzii care interacționează cu receptorii de suprafață celulară nu trebuie să intre în celula pe care o afectează. Receptorii de suprafață celulară sunt, de asemenea, numiți proteine ​​sau markeri specifici celulei, deoarece sunt specifici tipurilor de celule individuale.

Deoarece proteinele receptorilor de suprafață celulară sunt fundamentale pentru funcționarea normală a celulelor, nu ar trebui să fie surprinzător faptul că o defecțiune a oricăreia dintre aceste proteine ​​ar putea avea consecințe grave. S-a demonstrat că erorile din structurile proteice ale anumitor molecule de receptor joacă un rol în hipertensiune arterială (tensiune arterială crescută), astm, boli de inimă și cancer.

Fiecare receptor de suprafață celulară are trei componente principale: un domeniu extern de legare a ligandului numit domeniul extracelular, o regiune hidrofobă care se întinde pe membrană numită domeniu transmembranar și un domeniu intracelular în interiorul celulei. Mărimea și întinderea fiecăruia dintre aceste domenii variază foarte mult, în funcție de tipul de receptor.

Conexiune de evoluție

Cum recunosc virușii o gazdă

Spre deosebire de celulele vii, mulți virusuri nu au o membrană plasmatică sau oricare dintre structurile necesare pentru a susține viața metabolică. Unii viruși sunt pur și simplu alcătuiți dintr-o înveliș proteic inert care cuprinde ADN sau ARN. Pentru a se reproduce, virusurile trebuie să invadeze o celulă vie, care servește drept gazdă, și apoi să preia aparatul celular gazdei. Dar cum își recunoaște un virus gazda?

Virușii se leagă adesea de receptorii de suprafață celulară de pe celula gazdă. De exemplu, virusul care provoacă gripa umană (gripa) se leagă în mod specific de receptorii de pe membranele celulelor sistemului respirator. Diferențele chimice ale receptorilor de suprafață celulară între gazde înseamnă că un virus care infectează o anumită specie (de exemplu, oamenii) adesea nu poate infecta o altă specie (de exemplu, puii).

Cu toate acestea, virusurile au cantități foarte mici de ADN sau ARN în comparație cu oamenii și, ca urmare, reproducerea virală poate avea loc rapid. Reproducerea virală produce invariabil erori care pot duce la modificări în virusurile nou produse, aceste modificări înseamnă că proteinele virale care interacționează cu receptorii de suprafață celulară pot evolua în așa fel încât să se poată lega de receptorii unei gazde noi. Astfel de modificări se întâmplă în mod aleatoriu și destul de des în ciclul reproductiv al unui virus, dar modificările contează doar dacă un virus cu proprietăți de legare noi intră în contact cu o gazdă adecvată. În cazul gripei, această situație poate apărea în locuri în care animalele și oamenii sunt în contact strâns, cum ar fi fermele de păsări de curte și porcine. 1 Odată ce un virus trece de fosta „barieră a speciilor” la o nouă gazdă, se poate răspândi rapid. Oamenii de știință urmăresc îndeaproape noile viruși care apar (numiți viruși emergenti) în speranța că o astfel de monitorizare poate reduce probabilitatea de epidemii virale globale.

Receptorii de suprafață celulară sunt implicați în cea mai mare parte a semnalizării în organismele multicelulare. Există trei categorii generale de receptori de suprafață celulară: receptori legați de canale ionice, receptori legați de proteină G și receptori legați de enzime.

Receptorii legați de canale ionice leagă un ligand și deschid un canal prin membrană care permite ionilor specifici să treacă. Pentru a forma un canal, acest tip de receptor de suprafață celulară are o regiune extinsă care se întinde pe membrană. Pentru a interacționa cu stratul dublu de cozi de acizi grași fosfolipidici care formează centrul membranei plasmatice, mulți dintre aminoacizii din regiunea care se întinde pe membrană sunt de natură hidrofobă. În schimb, aminoacizii care căptușesc interiorul canalului sunt hidrofili pentru a permite trecerea apei sau a ionilor. Când un ligand se leagă de regiunea extracelulară a canalului, există o schimbare conformațională în structura proteinei care permite trecerea ionilor precum sodiu, calciu, magneziu și hidrogen (Figura 9.5).

Receptorii legați de proteina G leagă un ligand și activează o proteină de membrană numită proteină G. Proteina G activată interacționează apoi fie cu un canal ionic, fie cu o enzimă din membrană (Figura 9.6). Toți receptorii legați de proteina G au șapte domenii transmembranare, dar fiecare receptor are propriul său domeniu extracelular specific și situsul de legare a proteinei G.

Semnalizarea celulară folosind receptori legați de proteina G are loc ca o serie ciclică de evenimente. Înainte ca ligandul să se lege, proteina G inactivă se poate lega la un site nou descoperit pe receptorul specific pentru legarea sa. Odată ce proteina G se leagă de receptor, schimbarea de formă rezultată activează proteina G, care eliberează guanozin difosfat (GDP) și preia guanozin 3-fosfat (GTP). Subunitățile proteinei G s-au împărțit apoi în α subunitatea și cel βγ subunitate. Unul sau ambele dintre aceste fragmente de proteină G pot fi capabile să activeze alte proteine ​​ca rezultat. După un timp, GTP-ul este activ α subunitatea proteinei G este hidrolizată în PIB și βγ subunitatea este dezactivată. Subunitățile se reasociază pentru a forma proteina G inactivă și ciclul începe din nou.

Receptorii legați de proteina G au fost studiati pe larg și s-au învățat multe despre rolurile lor în menținerea sănătății. Bacteriile care sunt patogene pentru oameni pot elibera otrăvuri care întrerup funcția specifică a receptorului legat de proteina G, ducând la boli precum pertussis, botulism și holera. În holeră (Figura 9.7), de exemplu, bacteria transmisă prin apă Vibrio cholerae produce o toxină, coleragenul, care se leagă de celulele care căptușesc intestinul subțire. Toxina intră apoi în aceste celule intestinale, unde modifică o proteină G care controlează deschiderea unui canal de clorură și îl face să rămână activ în mod continuu, ducând la pierderi mari de fluide din organism și, ca urmare, la deshidratare potențial fatală.

Receptorii legați de enzime sunt receptori de suprafață celulară cu domenii intracelulare care sunt asociate cu o enzimă. În unele cazuri, domeniul intracelular al receptorului însuși este o enzimă. Alți receptori legați de enzime au un mic domeniu intracelular care interacționează direct cu o enzimă. Receptorii legați de enzime au în mod normal domenii mari extracelulare și intracelulare, dar regiunea care se întinde pe membrană constă dintr-o singură regiune alfa-helidiană a catenei peptidice. Când un ligand se leagă de domeniul extracelular, un semnal este transferat prin membrană, activând enzima. Activarea enzimei declanșează un lanț de evenimente în interiorul celulei care duce în cele din urmă la un răspuns. Un exemplu de acest tip de receptor legat de enzime este receptorul tirozin kinazei (Figura 9.8). O kinază este o enzimă care transferă grupele fosfat de la ATP la o altă proteină. Receptorul tirozin kinazei transferă grupări de fosfat către moleculele de tirozină (reziduuri de tirozină). În primul rând, moleculele de semnalizare se leagă de domeniul extracelular a doi receptori tirozin kinazei din apropiere. Cei doi receptori vecini se leagă apoi împreună sau se dimerizează. Fosfații sunt apoi adăugați la reziduurile de tirozină din domeniul intracelular al receptorilor (fosforilare). Reziduurile fosforilate pot transmite apoi semnalul următorului mesager din citoplasmă.

Conexiune vizuală

HER2 este un receptor de tirozin kinaza. În 30% dintre cancerele de sân umane, HER2 este activat permanent, rezultând diviziunea celulară nereglementată. Lapatinib, un medicament folosit pentru a trata cancerul de sân, inhibă autofosforilarea receptorului tirozin kinazei HER2 (procesul prin care receptorul adaugă fosfați pe sine), reducând astfel creșterea tumorii cu 50 la sută. Pe lângă autofosforilare, care dintre următorii pași ar fi inhibați de Lapatinib?

  1. Legarea moleculei de semnalizare, dimerizarea și răspunsul celular în aval
  2. Dimerizarea și răspunsul celular în aval
  3. Răspunsul celular din aval
  4. Activitatea fosfatazei, dimerizarea și răspunsul celular în abur

Molecule de semnalizare

Produși prin semnalizarea celulelor și legarea ulterioară la receptorii din celulele țintă, liganzii acționează ca semnale chimice care călătoresc către celulele țintă pentru a coordona răspunsurile. Tipurile de molecule care servesc drept liganzi sunt incredibil de variate și variază de la proteine ​​mici la ioni mici precum calciul (Ca 2+ ).

Liganzi hidrofobi mici

Liganzii hidrofobi mici pot difuza direct prin membrana plasmatică și pot interacționa cu receptorii interni. Membrii importanți ai acestei clase de liganzi sunt hormonii steroizi. Steroizii sunt lipide care au un schelet de hidrocarburi cu patru inele fuzionate. Steroizi diferiți au grupuri funcționale diferite atașate la scheletul de carbon. Hormonii steroizi includ hormonul sexual feminin, estradiolul, care este un tip de estrogen, hormonul sexual masculin, testosteronul și colesterolul, care este o componentă structurală importantă a membranelor biologice și un precursor al hormonilor steroizi (Figura 9.9). Alți hormoni hidrofobi includ hormonii tiroidieni și vitamina D. Pentru a fi solubili în sânge, liganzii hidrofobi trebuie să se lege de proteinele purtătoare în timp ce sunt transportați prin fluxul sanguin.

Liganzi solubili în apă

Liganzii solubili în apă sunt polari și, prin urmare, nu pot trece prin membrana plasmatică fără ajutor uneori, sunt prea mari pentru a trece deloc prin membrană. În schimb, majoritatea liganzilor solubili în apă se leagă de domeniul extracelular al receptorilor de suprafață celulară. Acest grup de liganzi este destul de divers și include molecule mici, peptide și proteine.

Alți liganzi

Oxidul nitric (NO) este un gaz care acționează și ca un ligand. Este capabil să difuzeze direct prin membrana plasmatică, iar unul dintre rolurile sale este de a interacționa cu receptorii din mușchiul neted și de a induce relaxarea țesutului. NO are un timp de înjumătățire foarte scurt și, prin urmare, funcționează doar pe distanțe scurte. Nitroglicerina, un tratament pentru bolile de inimă, acționează prin declanșarea eliberării de NO, care determină dilatarea (extinderea) vaselor de sânge, restabilind astfel fluxul sanguin către inimă. NO a devenit mai cunoscut recent, deoarece calea pe care o afectează este vizată de medicamentele prescrise pentru disfuncția erectilă, cum ar fi Viagra (erecția implică dilatarea vaselor de sânge).


3 tipuri importante de transport activ (explicat prin diagramă)

În timpul difuziei (pasive sau facilitate), substanțele trec prin membrana plasmatică până când se atinge un fel de echilibru.

Echilibrul poate fi de varietate Gibbs-Donnan sau poate fi un simplu echilibru de concentrație. Ambele implică interacțiunea dintre concentrațiile de solut solubil din interiorul și din exteriorul celulei.

Celulele pot acumula, de asemenea, substanțe dizolvate în cantități mult peste cele așteptate de oricare dintre mecanismele de mai sus, dacă substanța dizolvată devine insolubilă odată ce a intrat în celulă, deoarece materialele insolubile nu contribuie la gradienții de concentrație.

Alternativ, odată în interiorul celulei, o substanță dizolvată poate intra pe o cale metabolică și poate fi modificată chimic, reducând astfel concentrația acelui dizolvat și permițând permeabilitatea suplimentară a substanței dizolvate.

În toate cazurile pe care le-am analizat până acum, trecerea substanței dizolvate prin membrană depinde de prezența unui gradient de concentrație, cu soluția deplasându-se în direcția gradientului.

Substanțele se pot deplasa, de asemenea, prin membrana plasmatică în interiorul sau în afara celulei împotriva unui gradient de concentrație. Acest lucru necesită cheltuirea de energie din partea celulei și se numește transport activ.

Transportul activ încetează atunci când celulele sunt:

(1) Răcit la temperaturi foarte scăzute (cum ar fi 2-4 °C),

(2) Tratat cu otrăvuri metabolice, cum ar fi cianura sau acidul iodoacetic, sau

(3) Privat de o sursă de energie.

Cele mai bine înțelese și mai exhaustiv studiate cazuri de transport activ sunt cele care implică mișcări ale ionilor de sodiu și potasiu prin membranele plasmatice ale eritrociilor, celulelor nervoase și celulelor Nitella și care au ca rezultat un gradient de concentrație ionică în membrana celulară. Mecanismul care stabilește și menține acești gradienți pare să fie practic similar în toate aceste celule și poate fi ilustrat cu eritrocitul.

1. Pompa de schimb Na + /K +:

Citoplasma eritrocitelor conține 0,150 M K + , în timp ce plasma sanguină din jur conține doar 0,005 M K + . În schimb, eritrocitul conține doar 0,030 M Na + iar plasma conține 0,144 M Na + . Prin urmare, gradienții de concentrație marcați de K și Na + există de-a lungul membranei celulare. Utilizarea izotopilor radioactivi de Na și K a stabilit în mod clar că acești ioni sunt permeabili la membrana eritroctiilor și se difuzează în mod constant prin ea.

Cu toate acestea, în ciuda acestei permeabilitati, gradienții de concentrație Na + și K + de-a lungul membranei sunt menținute. Gradienții sunt menținuți deoarece ionii de sodiu care difuzează în celulă din plasmă sub influența gradientului de concentrație sunt transportați din nou în exterior, iar ionii de potasiu care difuzează în afara celulei sunt înlocuiți de transportul interior al K + din plasmă.

Că aceste mișcări implică procese metabolice active este demonstrat clar atunci când temperatura unei probe de sânge este redusă de la 37 °C (temperatura normală a sângelui uman) la 4 °C, când se adaugă cianură în sânge sau când glucoza plasmatică este consumată în timpul metabolismului eritrocitar. nu este realimentată în proba de sânge. În aceste condiții, metabolismul celular este întrerupt și este urmat de difuzia către interior a Na + și difuzarea exterioară a K + până când concentrațiile ionice de pe ambele părți ale membranei eritrocitare sunt într-un echilibru pasiv.

În cazul celulelor roșii din sânge și al celulelor nervoase, transportul activ de Na + și K + pare a fi legat, adică mecanismul responsabil pentru transportul în exterior al Na + transportă simultan K + spre interior. S-a demonstrat că o enzimă izolată din membranele celulelor nervoase și despre care se crede că este implicată în transportul Na + și K + are două situsuri care leagă unul sau mai mulți dintre acești cationi. Se crede că enzima este o proteină integrală care se întinde pe stratul dublu lipidic.

Transportul activ al Na + și K + prin membranele celulelor nervoase și ale eritrocitelor necesită ATP, iar ATP nu poate fi înlocuit cu alți trifosfați nucleozidici, cum ar fi GTP, UTP și ITP. ATP este convertit în ADP în timpul transportului activ de către o ATPază stimulată de Na + și K + legată de membrană. Această enzimă și cea implicată în transportul Na + și K + pot fi una și aceeași. Membranele celulelor din multe alte țesuturi de mamifere par să posede o activitate similară a ATPazei.

Doi K + și trei Na + sunt transportați prin membrană pentru fiecare moleculă de ATP defosforilat. Se crede că transportul Na + și K + prin membrana plasmatică are loc în următoarele etape (vezi Fig. 15-40). Trei ioni de sodiu și o moleculă de ATP din interiorul celulei sunt legați de locuri specifice ale purtătorului enzimei, în timp ce doi ioni de potasiu sunt legați de un loc de pe aceeași enzimă orientat spre exteriorul celulei.

Legarea substraturilor are ca rezultat și este urmată de o modificare a structurii terțiare a moleculei purtătoare, astfel încât ionii de sodiu și potasiu legați sunt „translocați” prin membrană. Se presupune că la un moment dat în timpul acestui proces, ATP este divizat, eliberând ADP. Translocarea este urmată de o modificare a locurilor de legare astfel încât ionii de sodiu să fie „eliberați” în afara celulei, în timp ce ionii de potasiu sunt eliberați în interiorul celulei.

Odată ce ionii sunt eliberați, purtătorul suferă o altă modificare a structurii, amorsându-l pentru o altă rundă a ciclului de transport. Această etapă, numită “recuperare,” este însoțită de eliberarea de fosfat anorganic. Deși acest model este acceptat pe scară largă, s-a sugerat, de asemenea, că situsul enzimei care leagă Na + în interiorul celulei leagă K + oh la exterior după translocare, în timp ce situsul care leagă inițial K + la exterior leagă Na + pe interiorul după translocare. În acest mod, faza de recuperare ar avea ca rezultat o mișcare suplimentară a ionilor prin membrană și ar fi mai eficientă.

2. Cotransport:

Aminoacizii, zaharurile și alți metaboliți sunt, de asemenea, transportați activ prin membrana plasmatică în celulă. În multe celule, transportul acestor metaboliți este cuplat cu mișcările ionilor de sodiu, așa cum se arată în Figura 15-41. Pompa de schimb Na + 7K + creează un gradient de concentrație abrupt de-a lungul membranei plasmatice, favorizând difuzia Na + în interior.

Într-adevăr, pentru fiecare doi K + pompați în celulă, trei Na + sunt pompați afară. Proteinele purtătoare din membrane leagă atât Na +, cât și metabolitul, după care o modificare a structurii purtătorului aduce ambele substraturi în interiorul celulei, unde sunt eliberate. Eliberarea Na + intern este urmată de extrudarea sa activă înapoi prin membrană.

Ultimul eveniment este cuplat cu hidroliza ATP și are ca rezultat menținerea gradientului abrupt de Na +. Într-un fel, gradientul abrupt de Na + acționează ca forță motrice pentru transportul interior al metaboliților, iar mișcările simultane ale Na + împreună cu metaboliții în celulă constituie cotransport.

Deoarece pompa Na + /K + dependentă de ATP pompează trei Na + pentru fiecare două K +, se creează un gradient electric peste membrană. Din acest motiv, pompa de schimb Na + /K + se numește pompă electrogenă. Energia potențială a unei pompe electrogene este cuplată cu sinteza ATP în mitocondrii.

3. “Simple” Transport activ:

Trecerea unor substanțe prin membrane împotriva unui gradient de concentrație este unidirecțională, dar nu este cuplată cu mișcarea ionică, chiar dacă ATP este consumat în proces. O astfel de mișcare se numește transport activ simplu. Enzima purtătoare leagă ciclic substanța dizolvată la o suprafață a membranei și o eliberează pe cealaltă. Ciclul este însoțit la un moment dat de hidroliza ATP.


Materiale și metode

Animale experimentale

Exemplare de păstrăv curcubeu Oncorhynchus mykiss Walbaum 1792 de ambele sexe (interval de masă 197-774 g 420±130 g, medie ± s . d . lungime furculiță 27-42 cm 33,2 ± 3,5 cm, medie ± s . d . N=52) au fost obținute dintr-un incubator local (Umweltbundesamt, Berlin, Germania) și ținute în acvarii mari de sticlă timp de cel puțin 4 săptămâni înainte de experimentare. Apa din acvariu a fost menținută între 12 și 17°C, recirculată prin filtre biologice și suplimentată cu un flux constant de apă de la robinet, declorinată în coloane de cărbune activ. Animalele au fost hrănite zilnic cu peleți de păstrăv comercial 0,5% (g/g) și ținute la un regim fix zilnic de lumină de 11 h:1 h:11 h:1 h (lumină:tranziție:întuneric:tranziție). Animalele au fost transferate în laborator ușor anesteziate (25 mg l-1, 1:40000 g/v, ester etilic al acidului MS222,3-aminobenzoic neutralizat metan-sulfonat Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Deisenhofen, Germania) în apă termostatată aerată. Toate experimentele pe animale au fost efectuate în conformitate cu reglementările locale (G0294/96).

Proceduri

Pentru pregătirile chirurgicale, peștii au fost suspendați pe un suport de operare și branhiile au fost irigate cu apă de robinet recirculată, echilibrată cu aer, termostatată la 15°C. Anestezia profundă a fost indusă și menținută prin adăugarea a 60-80 mg l-1 MS222. Un cateter de polietilenă conic (PE60, diametru exterior = 1,2 mm, Portex, Hythe, Kent, Anglia), umplut cu soluție Ringer de păstrăv heparinizat (în mmol l -1 : NaCl 150, KCl 4,CaCl2 1,3, MgCI2 1,2, d (+)-glucoză 7,5, NaHCO3 5, heparină 125 i.u. ml -1), a fost introdus în DA printr-o tehnică Seldinger modificată, similară cu abordarea generală a lui Soivio et al. (1975), Holeton şi colab. (1983) și Waser și Heisler (2004). După implantarea cateterului, păstrăvii au fost transferați într-un acvariu și lăsați să se recupereze după intervenție chirurgicală timp de cel puțin 16 ore înainte de experimentare. În acvariu, peștii au fost ușor limitați în cilindri opaci scufundați, lăsând catetere liber accesibile pentru prelevarea de sânge.

Au fost prelevate probe de sânge de referință de la animale bine recuperate, conștiente și în repaus pentru determinarea pH-ului arterial și PO2 (BMS 3 Mk II, Radiometer, Copenhaga, Danemarca). Pentru experimentare, animalele au fost apoi anesteziate (MS222 60-80 mg l-1) și returnate la suportul de operare. Branhiile au fost irigate cu apă termostatată, bine aerată, care conținea anestezic, pe tot parcursul experimentului.Tensiunea arterială DA și ritmul cardiac (HR) au fost monitorizate continuu (P23AA, Statham, Hato Rey, Puerto Rico), pH-ul arterial și PO2 au fost determinate în mod repetat. În timpul experimentului, pH-ul arterial a fost menținut practic constant la 7,9 prin modificări ale presiunii parțiale a dioxidului de carbon (PCO2) a apei de irigare branhiale între 0,25 și 5 mmHg (0,033-0,67 kPa Mass Flow Controllers, MKS Instruments Deutschland GmbH, München, Germania).

Morfometria retinei

Pentru a evalua distanțele de difuzie retiniană, un glob ocular din fiecare dintre cele trei păstrăvi a fost enucleat și secționat orizontal în jurul limbului. După îndepărtarea lentilelor, cupele oculare au fost fixate prin expunere la 2,5% glutaraldehidă în soluție Ringer timp de câteva zile și deshidratate pentru fiecare câteva zile în trei băi succesive de 80% etanol. După încorporarea în parafină, ochii au fost înjumătățiți după secțiunea mediană. Doar câteva felii de 6 μm fiecare au fost tăiate din interfața de înjumătățire, asigurând tăieturi perpendiculare ale retinei. Analiza microscopică a grosimii stratului individual, precum și a grosimii totale a retinei a fost efectuată în numeroase locuri care acoperă întregul arc retinian. Contracția țesutului datorată înglobării parafinei a fost corectată prin împărțirea printr-un factor de 0,74 (Weibel, 1979).

Microelectrozi de oxigen: construcție, calibrare și caracteristici

Polarografic O2 microelectrozi pentru determinarea intraoculară PO2 au fost construite urmând abordarea generală a lui Whalen și colab. (1967) și Linsenmeier și Yancey (1987). Capilare de borosilicat cu un singur butoi (GC100-10, Clark Electrochemical, Pangbourne, Reading, Marea Britanie) au fost trase la diametre fine de vârf (<5 μm Model P-97, Sutter Instruments, Novato, CA/SUA). O bară subțire de aliaj cu punct de topire scăzut (47,2°C Whalen și colab., 1967) a fost introdusă în capilarul tras și încălzită ușor până la topit complet. Aliajul fluid a fost împins spre vârful electrodului sub control microscopic, având grijă să lase o adâncitură fără metal în vârful capilarului de sticlă. Grosul oferă o rezistență la difuzie, reducând foarte mult O2 consumul și diminuarea semnalelor de curent parasite induse de agitare (Schneiderman și Goldstick, 1978). Electrodul metalic încastrat a fost conectat printr-un fir de cupru lipit (fixat în deschiderea capilară din spate prin rășină de legătură rapidă) la o sursă de alimentare pentru placarea electrolitică. Un strat subțire de aur a fost galvanizat pe suprafața metalică din locașul capilar după umplerea completă a vârfului cu soluția de placare (200 mmol l -1 citrat de amoniu cu 5%K[Au(CN)2], pH 6,3) prin aplicarea a 1,5 V timp de aproximativ 10-30 min între plumbul electrodului și un electrod secundar de platină în soluția de placare. După placare, electrozii au fost înmuiați în apă deionizată timp de cel puțin 24 de ore și depozitați uscat înainte de utilizare, fiecare electrod a fost verificat microscopic și unele specimene selectate arbitrar din fiecare lot de producție au fost testate electronic. Rezultați PO2 microelectrozii au fost caracterizați fizic ca având diametre de vârf mai mici de 5 μm și o adâncitură medie de 77±20 μm (media ± s. d., N=42).

După stabilirea unei polarograme individuale (curent vs tensiune), microelectrozii au fost polarizați în intervalul de platou al relației (de obicei la aproximativ -800 mV). Semnalele de curent foarte scăzut (în intervalul fA până la pA) au fost convertite în semnale de tensiune utilizând etape speciale de cap, încorporând circuite electronice personalizate pe baza amplificatoarelor operaționale cu curent de polarizare scăzut (OPA128JM, Burr Brown, Darmstadt, Germania). Firele de argint acoperite cu teflon (Gi 1106, 0,37/0,45 mm Advent ResearchMaterials, Eynsham Oxon, Anglia, Marea Britanie), clorurate la vârful expus, au servit drept electrozi de referință. Lanțurile de electrozi au fost calibrate la temperatura experimentală (15°C) în soluție salină izotonă (0,9% NaCl) sau soluție Ringer de păstrăv, echilibrată cu gaze cunoscute. PO2valori cuprinse între 0 și 760 mmHg (gaze de 101 kPa furnizate de pompele de amestec de gaz de precizie Tip 1 M 303/a-F, Wösthoff GmbH, Bochum, Germania).

Calibrarea intersectării zero și a sensibilității a fost efectuată pentru fiecare electrod individual imediat înainte de experimentare. Sensibilitatea senzorului placat cu aur a fost în medie de 173±82 fA mmHg -1 (medie ± s. d., N=78). Linearitatea în intervalul de PO2 de la 0 la 760 mmHg (0-101 kPa) a fost 0,99987 (s. d.=0,00023, N=15) în ceea ce privește coeficientul mediu de corelație. În urma expunerii repetate la țesuturi, electrozii au prezentat o ușoară scădere a sensibilității, probabil din cauza mascarii unei părți a suprafeței metalului catalitic prin contaminarea cu proteine ​​sau nucleotide. Liniaritatea și curentul de intersectare zero, totuși, au rămas în esență neafectate în timpul niciunui experiment. Nu a existat nicio degradare a calității analitice în timpul funcționării pe termen lung pe durata de viață a acestuia PO2 microelectrozii au fost limitați doar de distrugerea fizică a vârfului în timpul experimentării.

The PO2 Senzorul a fost insensibil la modificările metabolice și respiratorii ale pH-ului de la 5,8 la 8,8. Așa cum era de așteptat, semnalul curent a fost sensibil la schimbările de temperatură, crescând cu aproximativ 1% per °C (interval 10-35 °C), deși nu chiar atât de mult decât a raportat pentru alte O polarografice.2 senzori (Gnaiger și Forstner, 1983). Deoarece puterea ionică este un modulator al sensibilității electrodului (determinată ca -0,05 mmHg per 1 mmol l -1 de tărie ionică, interval 75-1200 mmol l -1), electrozii au fost calibrați exclusiv în soluții asemănătoare fluidului extracelular al păstrăvului. Calibrările și verificările au fost în general efectuate la temperatura experimentală de 15°C.

Presiunea hidrostatică intraoculară

Introducerea de electrozi în ochi în scopul de PO2 măsurarea poate perturba regimul presiunii intraoculare (PIO), efectuând modificări locale ale perfuziei și astfel PO2. Această posibilitate a fost verificată prin măsurarea directă a IOP în timpul determinării intraoculare PO2. După inducerea anesteziei așa cum este descris mai sus, camera anterioară a ochiului a fost perforată cu un ac hipodermic de 0,4 mm. PIO a fost înregistrată cu ajutorul unui traductor de presiune (P230b, Statham, Hato Rey, Puerto Rico) conectat la hipodermic prin intermediulTuburi PE (Portex, Hythe, Kent, Anglia, Marea Britanie), având grijă să umpleți complet calea de presiune cu fluid fiziologic. După citirea IOP timp de 15 minute, sunt necesare pregătiri suplimentare pentru determinarea intraoculară PO2 (vezi mai jos) au fost efectuate pentru a corela direct eventualele modificări ale oculare PO2 cu impact asupra IOP şi viceversa.

Intraretiniană PO2: in vivo determinare

După inducerea anesteziei așa cum este descris mai sus, corneea și irisul au fost perforate ventro-lateral chiar în interiorul limbului, folosind un ac hipodermic cu diametrul de 1,5 mm. Acul a fost înlocuit cu un ghidaj pentru PO2 electrod realizat din tub din oțel inoxidabil cu diametrul de 1,5 mm, care a rămas pe loc pe tot parcursul experimentului. PO2 microelectrozii au fost introduși prin tubul de ghidare și avansați cu vârful aproape de retină, cu verificare vizuală a poziției printr-un microscop operator binocular (Carl Zeiss, Jena, Germania) în combinație cu o lentilă oftalmoscopică (Super Pupil XL, 132 dpt, Lentila de biomicroscopie JH0987, Volk Optical Inc., Mentor, Ohio, SUA). Electrozii au fost avansați înspre și în retină și poziționați reproductibil (0,1 μm), folosind un micromanipulator cu 3 axe acţionat de motor treptat (HS 6, Märzhäuser, Wetzlar, Germania) în combinație cu o unitate electronică digitală programabilă (N. Heisler). şi H. Slama, nepublicată). Un fir de argint clorurat (vezi mai sus) introdus în mușchiul dorsal din spatele capului a servit drept referință pentru PO2microelectrozi.

Profiluri ale PO2 au fost înregistrate în intervalul polului posterior al globului ocular, ușor anterior discului optic. După introducerea electrodului în ochi chiar deasupra retinei (la 800 μm s -1 ), electrodul a fost introdus treptat în retină în pași preprogramați de 25 până la 100 μm (la 3200 μm s -1 mărimea pasului depindea de măsura a modificării precedente în PO2), așteptând de fiecare dată citiri stabile ale curentului electrodului până la PO2 citirile s-au echilibrat în timpul avansării ulterioare. Se presupunea că vârful ajunsese sau trecuse apoi de membrana lui Bruch. Electrodul a fost apoi retras treptat, aplicând inversul profilului de avansare și revenirea PO2 profilul a fost înregistrat.

Intraretiniană PO2: in vitro experimente

Enuclearea ochilor

După stabilirea pH-ului normal și PO2 în specimenele anesteziate corespunzător (vezi mai sus), conjunctiva a fost tăiată și îndepărtată din ochi. Acoperirea oaselor și a masei musculare din sectoarele ventrale și temporale ale orbitei, precum și mușchii ochiului au fost tăiate și îndepărtate complet. După expunerea cu grijă a nervului optic, precum și a arterei și venei oftalmice prin îndepărtarea țesutului adipos suspendat, două ligaturi pentru utilizare ulterioară au fost înfiletate sub artera oftalmică, proximal la intrarea în orbită și distal direct la cupa oculară.

După introducerea unui suport de suspendare personalizat sub cupa oculară, un cateter preformat atașat de suport a fost introdus rapid în artera oftalmică pentru a alimenta ochiul, iar ligaturile au fost strânse în jurul cateterului/artei, precum și în jurul arterei tăiate la punctul de intrare orbital. Perfuzia ochiului cu eritrocite de păstrăv (globule roșii, eritrocite) suspendarea a început imediat după, limitând ischemia ochiului la mai puțin de 60 s. După secţionarea nervului optic şi a venei oftalmice, ochiul a fost îndepărtat de pe orbită. În timpul perfuziei, suprafața ochiului a fost menținută hidratată prin irigare cu apă termostatată la 15°C.

Perfuzie

Ochii izolați au fost perfuzați cu suspensii de eritrocite (vezi mai jos), mai degrabă decât cu sânge plin, pentru a evita orice efecte directe sau indirecte ale catecolaminelor și ale altor factori umorali asupra eliberării de O.2 de la purtător (Hb). Suspensiile au fost furnizate arterei oftalmice printr-o pompă peristaltică (Tip IP-4, Ismatec, Wertheim-Mondfeld, Germania) la debitul de 180 μl min -1, determinat anterior in vivo în artera pseudobranșială aferentă (Waser și Heisler, 2004). O capcană cu bule în miniatură în calea de intrare imediat înaintea ochiului a servit pentru eliminarea bulelor de gaz din perfuzat. Ocluziile vasculare în capilarele oculare de către micro-cheaguri și agregări celulare au fost prevenite prin trecerea perfuzatului printr-un filtru cu ochiuri de 40 μm (Polyester 07-40/25, Bückmann, Mönchengladbach, Germania Suport de plasă: Swinnex 13 mm, Millipore, Eschborn, Germania) . Presiunea de perfuzie a fost monitorizată de un traductor conectat în T la cateterul care duce în artera oftalmică (P23AA, Statham, Hato Rey, Puerto Rico).

Prepararea suspensiilor eritrocitare

Sângele de păstrăv acumulat de la mai multe persoane și sânge uman (sânge de transfuzie uman furnizat de Charité, Berlin, Germania) a fost centrifugat, plasma și globulele albe din sânge au fost îndepărtate și eritrocitele au fost spălate de trei ori în soluție Ringer de păstrăv (în mmol l -1: NaCl 146,6). , KCI4, CaCI2 1,3, MgCI2 1,2, d (+)-glucoză 7,5, NaHCO3 5,4, piruvat de sodiu 3, polivinilpirolidonă 0,5% (g/v), heparină 50 i.u. ml-1), înainte de a fi resuspendat și depozitat peste noapte la 4°C. Procedura de spălare (3x) a fost repetată dimineața următoare înainte de resuspendare la hematocritul nominal (Hct) utilizat în timpul experimentării (0,20). Suspensiile rezultate au fost condiționate pentru experiment prin echilibrare de cel puțin 45 de minute la 15°C în baloane rotative de sticlă cu fund rotund de 100 ml (Farhi, 1965) cu gazul experimental de 0,27% CO2 în aer[PCO2: 2,0 mmHg (0,27 kPa), PO2: 156,2 mmHg (20,8 kPa)] preparat de pompele de amestec de gaz Wösthoff. Transferul de glucoză în celule a fost facilitat prin adăugarea a 10 ul-1 insulină (Insuman Rapid, Hoechst Marion Roussel, Bad Soden, Germania Pelster şi colab., 1989).

Perfuze

Pentru o evaluare a rolului efectului Root pentru O completă2alimentarea retinei păstrăvului, ochii au fost perfuzați cu două specii diferite de globule roșii: celulele de păstrăv, având un efect pronunțat de rădăcină și astfel capabile de O masivă.2 eliberarea în solubilitate fizică la acidificare, iar eritrocitele umane lipsite de orice efect al O2 eliberare la acidificare la mare PO2. Au fost utilizate următoarele perfuzate. „Tr”, eritrocite de păstrăv în păstrăv Ringer, pH aproximativ 7,48 (începutul intervalului abrupt al curbei efectului rădăcină), saturație Hb ridicată (~91%, efect de rădăcină mai puțin de 15% „H”, eritrocite umane în păstrăv Ringer, pH aproximativ 7,16, saturație Hb ridicată (100%), fără efect de rădăcină.

Ca referință pentru oxigenarea completă a Hb (saturație 100%, efect rădăcină 0%), a fost preparată și echilibrată concomitent o suspensie de control a eritrocitelor de păstrăv în Ringer de păstrăv ('TrC', pH>8).

Determinarea intraoculară PO2

Pregătiri inițiale pentru determinarea intraoculară PO2 au fost identice cu cele descrise mai sus (in vivo condiţii). Pentru ochii izolați, totuși, suportul pentru ochi suspendat din metal a servit drept referință pentru PO2 microelectrod. Lecturi de referință ale PO2 au fost dobândite întotdeauna în timpul perfuziei cu suspensii RBC de păstrăv (Tr pH aproximativ 7,48 vezi mai sus). PO2 microelectrozii au fost avansați în retină până când PO2 a atins un nivel maxim. Electrodul a fost apoi lăsat pe poziție pentru restul experimentului, timp în care răspunsul a intrat PO2 a fost înregistrată în timpul perfuziei alternante cu suspensii de păstrăv și eritrocite umane. În câteva ocazii, ochii au fost, de asemenea, spălați cu soluție Ringer de păstrăv.

Determinarea efectului Root in vitro

Relația dintre modificările pH-ului extracelular și eliberarea de O asociată Hb2 în dizolvare fizică a fost determinată în suspensii eritrocitare identice cu cele utilizate pentru experimentele de perfuzie. Probele individuale din același preparat de suspensie de eritrocite au fost ajustate la pH în intervalul 6,0-8,5, fie prin modificări ale PCO2 din gazul de echilibrare, în plasmă[HCO3 - ], sau prin adăugarea a câte 200 μl de HCl din concentrația necesară. Gaze cu specificate PCO2 (0,033% până la 7,13%) au fost produse prin amestecarea aerului cu CO2 de la pompele de amestec de gaz Wösthoff.

Seria 1: relația dintre pH și O total2concentrație constantă (înaltă) PO2

Unde X = pH, i = pH în punctul de inflexiune, s =panta, max = O maxima2 conținut și min = O minimă2conţinut.

Seria 2: cota de PO2 la acidificarea anaerobă

Suspensii de eritrocite umane și de păstrăv, preparate cu Ringer de păstrăv care conține 20 sau 24 mmol l -1 [HCO3 - ], respectiv, au fost ajustate la concentrația de tetramer Hb ([Hb4]) de 0,5 mmol l -1 (Hct aprox. 0,10) și echilibrat cu un gaz de PCO2=2,2 ​​mmHg (0,29 kPA) şi PO2 de aproximativ 150 mmHg (20 kPa), rezultând un pH iniţial de aproximativ 8,2. Un Hct mai mic (ajustarea [Hb] pentru o precizie mai mare) decât cel utilizat pentru mediile de perfuzie a fost ales pentru a limita PO2 la mai puțin de 1 atm după acidificare. pH-ul inițial al probelor individuale a fost redus în condiții anaerobe prin adăugarea la fiecare a 100 mmol l -1 acid acetic gradat în volum de la 0-160 μl g -1 suspensie RBC. După amestecarea timp de 30 s cu o sferă metalică închisă, PO2 şi s-a determinat pH-ul probelor acidificate.

Achizitia si analiza datelor

Datele au fost înregistrate pe un PC standard compatibil IBM cu o placă convertor analog/digital (DAS 1602, Keithley Instruments Inc., Taunton, MA, SUA), folosind module de rulare personalizate Test Point (TestPoint 3.0, Capital Equipment Corporation, Billerica, Ma). , STATELE UNITE ALE AMERICII). Datele au fost analizate folosind SigmaPlot 4.01, SigmaStat 2.03 (SPSS Software, München, Germania), „R” (www.r-project.org) și StarOffice 5.2 (Sun Microsystems, Berlin, Germania). Datele sunt prezentate ca medie ± abatere standard ( s . d .) nivelurile de semnificație statistică au fost determinate de Student's t-test, dacă nu este specificat altfel.


Supermodele subterane

Thomas J. Park și Rochelle Buffenstein
1 iunie 2012

CORBIS, FRANS LANTING

Întunecată, umedă și clocotită de creaturi cu dinți de sabie, în formă de cârnați, lumea șobolanului aluniță gol african este un habitat ostil. În anii 1980, oamenii de știință au făcut descoperirea remarcabilă că șobolanii alunițe goi trăiesc ca termitele cu o singură regină de reproducție dominantă și zeci de adulți care nu se reproduc, care nu își părăsesc niciodată colonia natală. Dar bizareria se oprește aici. Șobolanii aluniței goi, spre deosebire de alte mamifere, tolerează temperaturi variabile ale corpului, atribuite lipsei unui strat izolator de blană. Pielea lor roz este lipsită de păr, cu excepția șuvițelor rare, asemănătoare mustăților, care traversează corpul pentru a forma o matrice senzorială sensibilă care îi ajută să navigheze în întuneric. Atât pielea goală a șobolanului aluniță, cât și tractul respirator superior sunt complet insensibile la iritanții chimici precum acizii și capsaicina, ingredientul picant din ardeiul iute. Cel mai surprinzător este că pot supraviețui perioadelor de privare de oxigen care ar provoca leziuni ireversibile ale creierului.

Ipotezele actuale pentru existența acestei suite de trăsături neobișnuite se centrează în jurul trăsăturilor la fel de neobișnuite ale stilului de viață al șobolanului aluniță gol. (Vezi ilustrația de la pagina 33.) Sobolanii alunițe goi trăiesc în grupuri mari de familii în vizuini subterane elaborate. Deși sunt protejați de fluctuațiile mari de temperatură, precum și de prădători și agenți patogeni, ei trebuie să se confrunte cu niveluri scăzute de oxigen și niveluri ridicate de dioxid de carbon, datorită numărului mare de indivizi - de obicei 100 până la 300 - care trăiesc și respiră în spații apropiate în condiții slabe. conditii ventilate. Ecologia și structura socială neobișnuită a șobolanului aluniță gol fac din acesta un sistem interesant pentru înțelegerea evoluției și specializării, iar detaliile mecanismelor moleculare care stau la baza sănătății neobișnuit de bună a șobolanului aluniță oferă perspective asupra bolii umane.

Fara oxigen? Nici o problemă!

Majoritatea creierelor mamiferelor, inclusiv cele ale oamenilor, încep să sufere leziuni după doar 3-4 minute de privare de oxigen. Acest lucru se datorează faptului că țesutul creierului nu stochează multă energie și este nevoie de un aport constant de oxigen pentru a genera mai mult. Prin urmare, atunci când aprovizionarea cu oxigen a creierului este redusă sau blocată, celulele creierului rămân fără energie și apar rapid deteriorarea. Aceasta este o preocupare majoră pentru victimele atacurilor de cord și accidentelor vasculare cerebrale, în care alimentarea cu sânge a creierului este întreruptă. Pe de altă parte, țesutul cerebral al șobolanilor goi, rămâne funcțional fără aport de oxigen pentru mai mult de trei ori mai mult decât țesutul cerebral al șoarecilor de laborator. Și când nivelul de oxigen este restabilit, țesutul creierului de la șobolani-aluniță goi își revine adesea complet, chiar și după câteva minute de inactivitate.[1. J. Larson, T.J. Park, „Toleranța extremă la hipoxie a creierului de șobolan aluniță gol”, NeuroRaport, 20:1634-37, 2009.]

Această abilitate remarcabilă provine, fără îndoială, din provocarea cu care se confruntă toate animalele subterane: niveluri scăzute de oxigen din cauza schimbului slab de aer cu suprafața. Epuizarea oxigenului este și mai pronunțată pentru șobolanii alunițe goi, deoarece aceștia trăiesc în grupuri mari, cu mulți indivizi împărțind aceeași sursă slabă de aer, iar schimbul de gaze este limitat la difuzie sau la turbulența aerului cauzată de animalele care se deplasează în tuneluri. Deci, cum supraviețuiesc șobolanii alunițe în astfel de condiții de sufocare?

Șobolanii alunițe goi prezintă mai multe adaptări fiziologice pentru supraviețuirea într-un mediu cu oxigen scăzut. Hemoglobina din celulele lor roșii din sânge are o afinitate mai mare pentru oxigen decât cea a celorlalte mamifere, ceea ce înseamnă că sângele lor este mai bine să capteze puțin oxigen. De asemenea, au un număr mai mare de globule roșii pe unitate de volum. În plus, rata lor metabolică specifică masei este de numai aproximativ 70% cea a altor rozătoare, așa că folosesc oxigenul într-un ritm mai lent. Dar când vine vorba de creier, șobolanii alunițe goi se protejează împrumutând o strategie folosită de creierul sugarilor.

Se știe că mamiferele sugari, inclusiv oamenii, sunt mult mai tolerante la lipsa de oxigen decât tinerii mai în vârstă sau adulții. Se dovedește că calciul este un factor cheie în această toleranță. În mod normal, ionii de calciu din celulele creierului nostru joacă roluri vitale, inclusiv de a ajuta la formarea amintirilor. Dar este un echilibru delicat: cantitățile mici de calciu sunt esențiale pentru funcționarea creierului, dar prea mult calciu face ca lucrurile să se destrame. Când celulele nervoase sunt lipsite de oxigen, ele nu mai au energia necesară pentru a regla intrarea calciului, rezultând un aflux de prea mult calciu, care otrăvește celulele. Aceasta este cauza principală a morții neuronale în timpul privării de oxigen.

În ultimul deceniu, cercetătorii au descoperit că creierul adulților și al sugarilor exprimă diferite canale de calciu în membranele lor celulare. Canalele de calciu la sugari se închid de fapt în timpul lipsei de oxigen, protejând celulele creierului de supradozajul de calciu în uter, unde copilul primește mult mai puțin oxigen. După ce copilul se naște, totuși, oxigenul este din belșug, iar aceste canale sunt în mare parte înlocuite cu unele care se deschid ca răspuns la privarea de oxigen, ducând adesea la moartea celulelor.

Studii recente pe șobolani-aluniță goi arată că această specie păstrează canalele de calciu în stil sugar până la vârsta adultă.[2. B.L. Peterson și colab., „Creierul de șobolan aluniță gol al adulților păstrează subunitatea receptorului NMDA GluN2D asociată cu toleranța la hipoxie la mamiferele neonatale.” Neurosci Lett, 506:342-45, 2012.] În consecință, tehnicile de imagistică cu calciu arată că privarea de oxigen duce la o intrare mult mai mică de calciu în celulele creierului de șobolani-aluniță goi adulți, comparativ cu alte mamifere adulte.[3. B.L. Peterson și colab., „Răspunsul neuronal tocit al calciului la hipoxie în hipocampul de șobolan aluniță gol”, Plus unu, 7:e31568, 2012.] Aceste descoperiri sugerează o nouă strategie care poate ajuta victimele umane ale atacului de cord și accidentului vascular cerebral: creșterea numărului de canale de calciu în stil sugar din creier. Celulele creierului oamenilor adulți au deja unele dintre aceste canale, doar că nu sunt suficiente pentru a le proteja în timpul privării de oxigen. Dacă un medicament este conceput pentru a regla rapid producția de canale tip sugar în creierul victimelor atacului de cord și accidentului vascular cerebral, ar putea oferi o protecție valoroasă într-o perioadă în care un aport constant de sânge bogat în oxigen nu ajunge la creier.

Săpat viața subterană

Șobolani alunițe goi (Heterocephalus glaber) sunt rozătoare întâlnite în regiunile tropicale fierbinți ale Cornului Africii. Când a descris pentru prima dată un șobolan aluniță gol în 1842, celebrul naturalist german Eduard Rüppell a bănuit că a întâlnit un exemplar bolnav - pentru că animalul nu avea blană și dinți proeminenti permanent. Abia după ce au fost colectate mai multe exemplare, a devenit evident că aspectul lor ciudat, descris diferit ca asemănător cu cârnații cu dinți de sabie sau cu morsele miniaturale, era normal.

Șobolanii cârtiță goi trăiesc într-un labirint de tuneluri subterane care se pot extinde mai mult de o milă în lungime și până la 8 picioare adâncime sub suprafața solului. Vizuinile lor conțin atât camere de cuib, îngrijite de animale lucrătoare sterile, cât și mai multe toalete, pe care animalele le folosesc religios pentru a evita contaminarea spațiului lor de locuit. Pentru a localiza rădăcinile, tuberculii și bulbii mici asemănător cepei pe care îi mănâncă, șobolanii alunițe trebuie să sape prin sol, extinzându-și tunelurile folosind dinții lor incisivi ca o daltă, în continuă creștere. Ocazional fac o deschidere către lumea exterioară pentru a arunca pământul excavat la suprafață, unde formează mici movile în formă de vulcan - singurele semne supraterane ale vastelor colonii de dedesubt. Având în vedere această existență strict subterană, nu este surprinzător că șobolanii alunițe goi au dezvoltat un set de caracteristici foarte potrivite vieții în vizuini întunecate și umede.

Nu simt durere

Pe lângă faptul că se confruntă cu nivelurile scăzute de oxigen, trăirea în vizuini subterane aglomerate înseamnă, de asemenea, că șobolanii goi trebuie să se confrunte cu dioxid de carbon ridicat (CO).2) concentraţii. Spre deosebire de concentrația tipică atmosferică de CO2 de aproximativ 0,03 la sută, CO2 nivelurile din tunelurile de șobolan aluniță goale sunt mai aproape de 2 la sută, atingând posibil concentrații de 5 la sută sau mai mult în camerele lor de cuib. Niveluri ridicate de CO2 poate fi dureros pentru ochi și nas din cauza formării de acid pe suprafața acelor țesuturi - asemănător cu senzația de eructare prin nas după ce ai băut o băutură carbogazoasă - dar șobolanii alunițe sunt complet insensibili la acest fenomen. Pielea și tractul respirator superior ale șobolanilor-alunițe goi sunt, de asemenea, insensibile la alți iritanți, inclusiv alți acizi, amoniac și capsaicina. Din punct de vedere comportamental, animalele nu prezintă semne de iritare sau disconfort atunci când o soluție de capsaicină este aplicată pe nări, în timp ce șoarecii își freacă nasul energic după o astfel de expunere. Spre deosebire de șobolani și șoareci, șobolanii goi nu reușesc să evite vaporii puternici de amoniac. Când sunt plasați într-o arenă cu bureți care sunt saturati cu amoniac sau apă, șobolanii cârtiță petrec la fel de mult timp în imediata apropiere a amoniacului ca și a apei. De asemenea, animalele nu prezintă nici un răspuns la capsaicina sau soluția salină acidă (cum ar fi sucul de lămâie) injectate în pielea piciorului, în timp ce aceiași iritanți provoacă frecare și zgâriere la locul injectării la oameni și lins puternic la șobolani și șoareci.

Experimente recente au arătat că fibrele nervoase numite fibre C, care răspund în mod normal la niveluri ridicate de CO2și alți iritanti chimici, sunt mult mai puțin sensibili la șobolanii alunițe goi decât la alte mamifere. Aceste fibre au un diametru mic și eliberează neuropeptide - în special Substanța P și peptida legată de gena calcitoninei - pe ținte din sistemul nervos central pentru a transmite o senzație de usturime sau de arsură. Important este că aceleași fibre C care răspund la acid și capsaicină sunt responsabile pentru durerea pe care oamenii o experimentează la câteva minute, ore sau chiar zile după o rănire.

În mod surprinzător, studiile fiziologice au dezvăluit că fibrele C de șobolan aluniță goale care le inervează ochii, nasul și pielea răspund la capsaicină, dar că nervii nu produc neuropeptidele eliberate de obicei din cauza unui defect în promotorii genei asociate cu transmiterea durerii. celule nervoase. În timp ce animalele exprimă neuropeptidele în alte părți ale corpului, cum ar fi creierul și intestinele, lipsa acestor neuropeptide din fibrele C acționează pentru a „deconecta” fibrele de la sistemul nervos central, prevenind senzațiile de durere și iritație. Desigur, atunci când cercetătorii au introdus una dintre neuropeptidele lipsă, Substanța P, în fibrele C ale picioarelor goale de șobolan aluniță folosind terapia genică, animalele au lins la locul injectării în mod similar cu șobolanii și șoarecii.[4. T.J. Park și colab., „Insensibilitate selectivă la durere inflamatorie la șobolanul aluniță gol african (Heterocephalus glaber),” PLoS Biol, 6:e13, 2008.]

Insensibilitatea la soluția salină acidă pare să fie mediată de un mecanism diferit. Spre deosebire de răspunsul lor la capsaicină, fibrele C la șobolanii alunițe goi nu răspund complet la soluția salină acidă. Un studiu recent a arătat că insensibilitatea la acid implică canale de sodiu dependente de tensiune, care sunt necesare pentru a propaga semnale de-a lungul fibrelor nervoase.[5. E.S. Smith și colab., „Baza moleculară a insensibilității la acid la șobolanul aluniță gol african”, Ştiinţă, 334:1557-60, 2011.] La șobolanii alunițe goi, aceste canale au o mutație care îi face să se închidă în condiții acide.

Fibrele C de șobolan aluniță gol au, de asemenea, un model neobișnuit de conectivitate în măduva spinării. Aproape jumătate dintre celulele din cornul dorsal profund al măduvei spinării primesc conexiuni directe de la fibrele C, în timp ce la alte specii, majoritatea fibrelor C se termină în cornul dorsal superficial, la marginea exterioară a măduvei spinării. Semnificația acestui tipar de conexiune neobișnuit nu este clară, dar sugerează că orice semnale sunt transmise de la fibrele C ar putea să nu urmeze căile obișnuite de durere și iritație odată ce ajung la măduva spinării.

În mod interesant, șobolanii alunițe goi răspund în mod normal la ciupirea și încălzirea doar durerea mediată de fibra C a fost atenuată la aceste animale. O mai bună înțelegere a modului în care acest tip de procesare a durerii este modificată la șobolanii alunițe goi ar putea avea implicații semnificative pentru tratamentul durerii cronice la oameni, cum ar fi durerea post-chirurgicală, articulară și musculară și inflamatorie.

Cancer schmancer

Spre deosebire de șoareci, care dezvoltă în mod foarte frecvent tumori, nu s-a descoperit niciodată că șobolanii nu au cancer în mod natural. Mai mult decât atât, supunerea șobolanilor-aluniță la radiații ionizante nu induce prea multe leziuni ADN, așa cum s-a văzut la alte animale, și nici nu are ca rezultat tumori, chiar și 5 ani mai târziu. Încercările de a transforma celulele de șobolan aluniță goale în cancer prin injectarea de oncogene au eșuat, de asemenea, în timp ce metode similare folosind celule umane, de șoarece și chiar de bovine au ca rezultat conversia în celule foarte agresive și invazive care formează cancer.[6. S. Liang și colab., „Rezistența la tumorigeneză experimentală în celulele unui mamifer cu viață lungă, șobolanul aluniță gol (Heterocephalus glaber),” Celulă îmbătrânită, 9:626-35, 2010.] În loc să înceapă să prolifereze într-o manieră necontrolată, celulele de șobolan aluniță goale transformate încetează imediat să se divizeze, deși nu mor.[7. K.N. Lewis și colab., „Rezistența la stres la șobolanul aluniță gol: elementele esențiale”, Gerontologie, în presă, doi:10.1159/000335966, 2012.] În mod similar, celulele de șobolan aluniță goale tratate cu o toxină sau pur și simplu găzduite în condiții suboptime încetează imediat divizarea până când condițiile se îmbunătățesc.

Acest lucru i-a determinat pe unii oameni de știință să sugereze că celulele de șobolan aluniță goale sunt claustrofobe în cultură și încetează să se divizeze de îndată ce ating alte celule și că această inhibare a contactului este un mecanism de rezistență la cancer. Cu toate acestea, mai multe laboratoare diferite au arătat acum că celulele de șobolan aluniță goale cresc la densități chiar mai mari decât celulele de șoarece în condiții optime și nu evită contactul celular în aceste circumstanțe. Mai degrabă, a devenit din ce în ce mai clar că țesuturile de șobolan aluniță goale sunt mai capabile să recunoască celulele anormale, să le neutralizeze proprietățile tumorigene și să-și repare ADN-ul. În cazul în care aceasta eșuează, celulele sunt introduse în căi programate de moarte celulară.

Genomul secvențial recent al aluniței-șobolani goale a oferit o serie de noi perspective asupra motivului pentru care șobolanii-aluniță goi par a fi impermeabili la cancer.[8. E.B. Kim și colab., „Secvențierea genomului dezvăluie perspective asupra fiziologiei și longevității șobolanului aluniță gol”, Natură, 479:223-27, 2011.] Multe dintre genele implicate în reglarea proliferării celulare sunt selectate pozitiv sau au secvențe unice care par să ducă la sănătatea neobișnuită a șobolanului aluniță gol. În mod similar, multe familii de gene din genomul aluniță-șobolan sunt implicate în procesele de reparare și detoxifiere a ADN-ului, iar expresia acestor gene rămâne neschimbată pe măsură ce animalele îmbătrânesc. Având în vedere că cancerul este unul dintre cei mai mari contributori la mortalitatea la oamenii în vârstă, întreținerea genomică susținută și invulnerabilitatea simultană la cancer pot contribui în mod substanțial la longevitatea excepțională a șobolanilor goi.

Șobolanii alunițe goi au, de asemenea, mai multe mecanisme pentru a asigura controlul calității proteinelor și homeostazia. Proteinele lor par a fi foarte rezistente la factorii de stres, cum ar fi temperaturile ridicate și ureea, iar celulele animalelor sunt deosebit de eficiente în îndepărtarea proteinelor și organelelor deteriorate prin sistemul ubiquitin-proteazom și autofagie. Într-adevăr, proteazomii de șobolan aluniță gol sunt atât mai abundenți și prezintă o eficiență mai mare în degradarea proteinelor deteriorate de stres în țesutul hepatic decât proteazomii din țesuturile hepatice ale șoarecilor de laborator.[9. K.A. Rodriguez și colab., „Compoziția modificată a ansamblurilor proteazomului hepatic contribuie la creșterea activității proteazomului la șobolanul gol, cu viață excepțională”, Plus unu, 7:e35890, 2012.] În mod similar, autofagia apare cu o rată de două ori mai mare în celulele de șobolan aluniță goale decât în ​​cele ale șoarecelui. În mod colectiv, aceste procese îmbunătățite de curățare intracelulară pot contribui la menținerea mai bună a unui proteom de înaltă calitate și pot ajuta celulele șobolanului gol să reziste deteriorării în fața toxinelor celulare, cum ar fi metalele grele sau agenții care dăunează direct ADN-ului. Sunt necesare concentrații mult mai mari ale acestor toxine pentru a ucide celulele de șobolan aluniță goale decât sunt necesare pentru a ucide celulele de șoarece supuse tratamentului experimental identic.

Mereu tineri

Deși șobolanii alunițe goi sunt de dimensiunea unui șoarece, cântărind doar aproximativ 35–65 de grame, în captivitate aceste rozătoare trăiesc de 9 ori mai mult. Cu o durată de viață maximă înregistrată de 32 de ani, sunt cele mai longevive rozătoare cunoscute. 10 Și, în mod remarcabil, par a fi capabili să mențină o sănătate bună pentru cea mai mare parte a vieții lor. La o vârstă echivalentă cu o vârstă umană de 92 de ani, șobolanii alunițe goi prezintă niveluri neschimbate de activitate și rata metabolică, precum și masă musculară susținută, masă grasă, densitate osoasă, sănătate cardiacă și număr de neuroni. Aceste indicii clare ale îmbătrânirii fiziologice atenuate și întârziate sunt, de asemenea, însoțite de menținerea calității proteinelor și a nivelurilor de expresie genetică.

Unii dintre cei mai bătrâni șobolani alunițe goi (>26 de ani echivalent cu oamenii >105 ani) încep să prezinte semne de pierdere musculară, osteoartrită și disfuncție cardiacă, demonstrând că, în cele din urmă, șobolanii aluniță îmbătrânesc ca și alte animale. Într-un fel, ele întârzie debutul îmbătrânirii și comprimă perioada de declin într-o mică parte din durata lor totală de viață. Aceste constatări ale unei sănătăți bune susținute sunt surprinzătoare, având în vedere că șobolanul aluniță gol este o excepție de la multe dintre teoriile actuale despre motivul pentru care îmbătrânim. De exemplu, teoria stresului oxidativ larg acceptată a îmbătrânirii atribuie scăderea treptată a funcției daunelor cauzate de radicalii liberi sau speciile reactive de oxigen formate ca un produs secundar inevitabil al respirației oxigenului. În același mod în care oxigenul provoacă ruginirea metalului atunci când este expus la elemente, membranele celulare, proteinele și ADN-ul sunt deteriorate de gaz, iar această daune acumulate, așa spune teoria, provoacă funcționarea defectuoasă a sistemelor fiziologice. Cu toate acestea, șobolanii aluniței goi în captivitate prezintă niveluri foarte ridicate de daune oxidative la o vârstă fragedă, totuși funcția celulară nu este afectată, iar animalele sunt capabile să tolereze aceste niveluri ridicate de daune oxidative pentru mai mult de 20 de ani.

O altă teorie a îmbătrânirii presupune că lungimea telomerilor unui organism, ADN-ul repetitiv care acoperă capetele cromozomilor, este un biomarker al îmbătrânirii și se va corela cu durata de viață a speciilor. Dar, în comparație cu șoarecele de laborator cu viață mult mai scurtă, șobolanul aluniță gol are relativ mic de statura telomerii — asemănători ca lungime cu cei ai oamenilor, de fapt. Alternativ, nivelurile celulare ale telomerazei, o enzimă transcriptază inversă care extinde telomerii, se pot corela cu longevitatea speciilor. Dar, în timp ce activitatea telomerazei a fost măsurată în celulele pielii alunițe-șobolan în cultură, este în general foarte scăzută și este limitată la acele țesuturi care se reproduc activ, cum ar fi testiculele, splina și pielea. Astfel, lungimea telomerilor sau întreținerea este puțin probabil să explice longevitatea excepțională a șobolanului aluniță gol.

În mod clar, studiile care implică acest animal cu aspect bizar, dar fascinant, au evidențiat multe fațete cheie ale biologiei lor neobișnuite, care sunt direct relevante pentru cercetarea biomedicală. Într-adevăr, aceste studii au furnizat informații esențiale cu privire la modul în care funcționează creierul și modul în care animalele răspund la lipsa de oxigen și de lumină, precum și cum am putea învăța să încetinim îmbătrânirea, să prevenim cancerul și să atenuăm durerea inflamatorie și efectele nocive. care apar atunci când livrarea de oxigen este afectată. Va fi interesant să faci parte din cercetarea continuă asupra acestor creaturi incredibile, care este probabil să dezvăluie noi ținte de medicamente pentru o varietate de afecțiuni umane.

Thomas Park este profesor de științe biologice și neuroștiințe la Universitatea Illinois din Chicago. Rochelle Buffenstein este profesor de fiziologie la Institutul Barshop pentru Studii de Longevitate și Îmbătrânire și Centrul de Științe ale Sănătății de la Universitatea din Texas din San Antonio, Texas.


ADN mitocondrial (ADNmt)

Mitocondria umană conține 5&ndash10 molecule identice, circulare de ADN. Fiecare constă din 16.569 de perechi de baze care transportă informațiile pentru 37 de gene care codifică:

  • 2 molecule diferite de ARN ribozomal (ARNr)
  • 22 de molecule diferite de transfer ARN (ARNt) (cel puțin unul pentru fiecare aminoacid)
  • 13 proteine

The ARNr și ARNt moleculele sunt folosite în mașinile care sintetizează cele 13 proteine.

  • 7 subunități care alcătuiesc mitocondrialul NADH dehidrogenaza (complexul I)
  • citocromul b, o subunitate a citocromului c reductazei (complexul III)
  • 3 subunități de citocrom c oxidaza (complexul IV)
  • 2 subunități de ATP sintetaza (complexul V)

Fiecare dintre aceste complexe proteice necesită, de asemenea, subunități care sunt codificate de gene nucleare, sintetizate în citosol și importate din citosol în mitocondrie. Genele nucleare codifică, de asemenea

Alte 1.000 de proteine ​​care trebuie importate în mitocondrie. [Mai mult]

Mutațiile din ADNmt provoacă boli umane.

Deși multe organe diferite pot fi afectate, tulburările ale mușchilor și ale creierului sunt cele mai frecvente. Poate că acest lucru reflectă cererea mare de energie a ambelor organe. (Deși reprezintă doar

2% din greutatea corpului nostru, creierul consumă

20% din energia produsă atunci când suntem în repaus.)

Unele dintre aceste tulburări sunt moștenite în linia germinativă. În marea majoritate a cazurilor, gena mutantă este primită de la mamă, deoarece doar foarte rar mitocondriile din spermatozoizi supraviețuiesc în ovulul fecundat.

Alte tulburări sunt somatice, adică mutația are loc în țesuturile somatice ale individului. Aceste tulburări pot fi cauzate nu numai de mutații ale ADNmt, ci și de mutații ale 228. nuclear gene care au fost, de asemenea, implicate în bolile mitocondriale umane. Aceste din urmă mutații pot fi moștenite atât de la tată, cât și de la mamă.

Exemplu: intoleranță la efort

O serie de oameni care suferă de mușchi care se obosesc ușor se dovedesc a avea o mutație la nivelul lor citocromul b gena. În mod curios, doar mitocondriile din mușchii lor au mutația ADNmt din celelalte țesuturi ale lor este normală. Probabil, foarte devreme în dezvoltarea lor embrionară, a avut loc o mutație într-o genă a citocromului b în mitocondria unei celule destinate să-și producă mușchii.

Severitatea bolilor mitocondriale variază foarte mult. Motivul pentru aceasta este probabil amestecarea extinsă a ADN-ului mutant și ADN-ului normal în mitocondrii, pe măsură ce acestea fuzionează unul cu celălalt. Se numește un amestec al ambelor heteroplasmie. Cu cât raportul dintre mutant și normal este mai mare, cu atât severitatea bolii este mai mare. De fapt, doar din întâmplare, celulele pot ajunge uneori cu toate mitocondriile lor purtând genomuri mutante și o afecțiune numită homoplasmie (un fenomen care seamănă cu deriva genetică).

Tehnici de înlocuire mitocondrială

Mutații la unele 228 nuclear genele au fost, de asemenea, implicate în bolile mitocondriale umane, dar tehnicile de înlocuire mitocondrială nu vor putea ajuta cu acestea.

De ce mitocondriile au propriul lor genom?

Multe dintre caracteristicile sistemului genetic mitocondrial seamănă cu cele găsite în bacterii. Acest lucru a consolidat teoria conform căreia mitocondriile sunt descendenții evolutivi ai unei bacterii care a stabilit un endosimbiotic relația cu strămoșii celulelor eucariote la începutul istoriei vieții pe pământ. Cu toate acestea, multe dintre genele necesare pentru funcția mitocondrială s-au mutat de atunci în genomul nuclear.

Secvențierea recentă a genomului complet al alfa-proteobacterii endosimbiotice Rickettsia prowazekii a dezvăluit o serie de gene strâns legate de cele găsite în mitocondrii. Acest lucru sugerează o ascendență comună.