Mecanismo por el cual la hipopotasemia reduce la secreción de insulina

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La hipopotasemia hiperpolariza las membranas aumentando la$K^+$gradiente, haciendo$\mathcal{E}_K$y consecuentemente$\mathcal{E}_m$más negativo. Esto hace que cualquier evento de señalización controlado por despolarización responda menos.

Es complicado, pero podemos entender el efecto mirando$K^+$solo

Buena atrapada. Sí, el video (y el diagrama) son incorrectos. La electrofisiología del páncreas$\beta$-cells es todavía un área de investigación activa. Sus libros de texto (p. ej., el Capítulo 9 de Costanzo, bajo la Regulación de la secreción de insulina ) le dirán que un aumento en la$\frac{[ATP]}{[ADP]}$relación cierra sensible a ATP$K^+$canales, lo que despolariza la membrana. Esto es, en gran parte, correcto, pero no completamente entendido , y no solo por la disminución de la$K^+$conductancia de la membrana. El trabajo adicional en los años posteriores a ese artículo vinculado respalda la importancia de un$Cl^-$gradiente y corriente de aniones, pero$K^+$la conductancia todavía está involucrada, y probablemente todavía sea la base del mecanismo a través del cual la hipopotasemia reduce la secreción de insulina.

El potencial de membrana está determinado por los gradientes de concentración y las permeabilidades de los iones.

El potencial de membrana del páncreas$\beta$La célula, al igual que la neurona, está determinada tanto por los gradientes de concentración como por las permeabilidades de la membrana a los iones. Estoy seguro de que el OP entiende esto, pero para el lector general, puede leer sobre este principio básico en cualquier libro de texto de neurociencia o fisiología. Puede calcular el potencial de membrana utilizando la ecuación de Goldman o la ecuación de conductancia de cuerda. Ambos son representaciones del mismo principio, pero creo que la ecuación de conductancia de acordes es más intuitiva. Simplificaremos para nuestros propósitos.

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

Aquí, para los iones i, j, k, ..., el potencial de membrana es igual a la suma de una serie de términos para cada ion, siendo cada término de ion un producto del potencial de equilibrio de ese ion ($\mathcal{E}_i$) y la parte de la conductancia total a través de la membrana que representa la conductancia de ese ion. La conductancia puede entenderse aproximadamente como permeabilidad. Más canales iónicos abiertos significan una mayor permeabilidad/conductancia a ese ion.

Los cambios a corto plazo en el potencial de membrana utilizados en la señalización se logran cambiando la conductancia de la membrana a iones específicos. Si el$\frac{g_i}{g_T}$aumenta para el ion i, el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio para el ion i.

El gradiente de concentración determina el potencial de equilibrio

Cada ion tiene un potencial de equilibrio, un potencial de membrana en el que la corriente neta de un ion a través de la membrana es 0. A partir de la ecuación de Nernst, podemos decir:

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

Aquí$[I]_{out}$es la concentración del ion fuera de la célula, y$[I]_{in}$es la concentración dentro de la célula. Hemos eliminado la constante de proporcionalidad porque, en condiciones fisiológicas, es constante, es diferente para el páncreas$\beta$-células (vs. neuronas), y no es relevante para nuestra discusión (ya que no vamos a hacer ningún cálculo con números reales. Si tiene mucho cuidado, notará que el término logarítmico tiene una concentración externa en la parte superior, la concentración interna en la parte inferior. Puede encontrar la ecuación de Nernst escrita con una constante de proporcionalidad negativa y con la concentración interna en la parte superior. Estos son equivalentes debido a cómo funcionan los registros.

Cambiar la conductancia, o permeabilidad, cambia el potencial de membrana

Cuando aumenta la conductancia de una membrana a un ion en particular, el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio para ese ion. Es por esto que en la neurona, por ejemplo, al aumentar la conductancia de la membrana del axón a$Na^+$provoca la despolarización . El potencial de equilibrio$\mathcal{E}_{Na}$, es positivo. El potencial de membrana en reposo es negativo. Mayor permeabilidad a$Na^+$acerca el potencial de membrana a$\mathcal{E}_Na$. Del mismo modo, el aumento de la conductancia de la membrana del axón a$K^+$(después de que la membrana se ha despolarizado) repolariza y luego hiperpolariza la membrana.$\mathcal{E}_K$es negativo (más negativo que el potencial de membrana en reposo). Mayor permeabilidad a$K^+$mueve el potencial de membrana más cerca de ese gran negativo$\mathcal{E}_K$.

El aumento de la permeabilidad del páncreas$\beta$-células a$K^+$hiperpolariza la membrana

Estoy usando ejemplos de la neurona porque aquí es típicamente donde estos conceptos se enseñan más a fondo, pero intentemos aplicar nuestra comprensión al páncreas.$\beta$-celúla. Las concentraciones, permeabilidades y potenciales de membrana son un poco diferentes, pero no tanto. Potencial de membrana en reposo para un$\beta$-celda es de aproximadamente -60mV. Umbral potencial para$Ca^{++}$liberación (que conduce a la secreción de insulina) está entre -50 y -40 mV. (Consulte mis artículos vinculados anteriores). no tengo un numero exacto$\mathcal{E}_K$, el potencial de equilibrio de$K^+$en$\beta$-células, pero es más negativo que el potencial de membrana en reposo de esa célula. Sabemos esto porque (como se demuestra en los estudios vinculados), el OP es correcto, aumentando la conductancia de la membrana a$K^+$provoca una red$K^+$la corriente sale de la célula, en lugar de entrar, moviendo el potencial de membrana a un estado más negativo (hiperpolarizando la membrana), similar a lo que vemos en las neuronas.

Disminución de la permeabilidad del páncreas$\beta$-células a$K^+$DESPOLARIZA la membrana

Como se discutió en Constanzo Capítulo 9, ATP sensible$K^+$Los canales se cierran (no se abren) en respuesta a un aumento en la$\frac{[ATP]}{[ADP]}$relación. Esto disminuye la$K^+$conductancia de la membrana, lo que permite que el potencial de membrana se acerque a otros potenciales de equilibrio (p. ej.,$\mathcal{E}_{Na}$, que es positivo). Con$\mathcal{E}_K$, que es más negativo que el potencial de membrana anterior, contribuyendo menos, el potencial de membrana se vuelve menos negativo o se despolariza.

Puedes usar un razonamiento menos matemático para averiguar qué sucede cuando el$K^+$la conductancia también disminuye. cerrar un$K^+$canal y los iones positivos que se habrían movido fuera de la célula permanecen dentro de la célula, haciendo que el potencial de membrana sea menos negativo, despolarizando la membrana. Esto es efectivamente lo mismo que traer iones positivos dentro de la célula.

Cuando la membrana se despolariza,$Ca^{++}$se libera, lo que provoca la secreción de insulina.

Hipopotasemia

En la hipopotasemia, las concentraciones externas de$K^+$disminuir. Esto tiene un efecto sobre el potencial de equilibrio,$\mathcal{E}_K$. De la ecuación de Nernst anterior, podemos observar el término logarítmico para ver cómo$\mathcal{E}_K$cambia cuando$[K^+]_{out}$disminuye La fracción$\frac{[K^+]_{out}}{[K^+]_{in}}$es menos de 1 en todas las células humanas (hay más$K^+$dentro de la celda que fuera), por lo que el término de registro será log (un número entre 0 y 1). Puedes resolver esto usando una calculadora, pero en este dominio (0-1), el logaritmo es negativo. Es más grande y negativo cuanto más te acercas a 0, más pequeño (pero aún negativo), cuanto más te acercas a 1. Si este comportamiento no te resulta familiar, te animo a que lo explores con una calculadora.

Si disminuye el numerador en el término logarítmico ($log_{10} \frac{out}{in}$), como lo hacemos en la hipopotasemia, se obtiene un número negativo mayor. Esto no cambia la dirección neta del flujo o la corriente para$K^+$en los niveles que se producen en la célula. Todavía está neto.$\mathcal{E}_K$es más negativo de lo que sería de otro modo, entonces, ¿por qué no disminuye la conductancia/permeabilidad al cerrar el ATP sensible?$K^+$los canales hacen lo mismo y despolarizan la membrana?

Cierre ATP sensible$K^+$canales en el marco de la hipopotasemia causa despolarización, pero no lo suficiente. Tienes que volver a la conductancia de cuerda o la ecuación de Goldman y considerar el efecto de$\mathcal{E}_K$en el potencial de membrana antes del ATP sensible$K^+$los canales están cerrados. con algo mas negativo$\mathcal{E}_K$, el término de conductancia de cuerda$\frac{g_{K}}{g_T} \mathcal{E}_K$es más negativo, y el total$\mathcal{E}_m$es más negativo. La hipopotasemia global hiperpolariza efectivamente la membrana, no solo en el páncreas$\beta$-celular, pero en todas partes. Este es un principio importante para comprender las consecuencias de la hipopotasemia, no solo en la secreción de insulina, sino en todos los entornos. Por regla general, las membranas excitables son lentas en la hipopotasemia (excepto las fibras de Purkinje). Por eso, por ejemplo, provoca debilidad muscular.