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Was ist „Kalziumleitfähigkeit“?

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Was ist die Bedeutung der Calciumleitfähigkeit in Ionenkanälen? Ich bin in folgendem Text darauf gestoßen:

Es wurde festgestellt, dass die µ- und δ-Opioidrezeptoren offene Kaliumkanäle, was zu einer Verringerung der Calciumleitfähigkeit führt (Simon, 2005).

Auch warum sollte das Öffnen eines Kaliumkanals die Kalziumleitfähigkeit reduzieren? Wie hängen sie zusammen ?

Referenz:

Simon, E.J. (2005). Opiate: Neurobiologie. In J. H. Lowinson, P. Ruiz, R. B. Millman & J. G. Langrod (Hrsg.), Substanzmissbrauch: ein umfassendes Lehrbuch (4. Aufl., S. xxiv, 1421 S.). Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins.


Die Leitfähigkeit ist die Umkehrung des Widerstands und misst, wie viel einer bestimmten Substanz durch einen Kanal fließt. In diesem Zusammenhang bedeutet es, wie viele Calciumionen in einem bestimmten Zeitraum in die Zelle gelangen.

Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten, wie Kaliumkanäle das Eindringen von Kalzium in die Zelle verhindern können.

1) Kaliumaufnahme durch Ionenkanäle verringert das Membranpotential und stellt es in seinen Ruhezustand zurück. Da viele Calciumkanäle spannungsabhängig sind, würde eine Verringerung des Membranpotentials sie schließen und die Calciumleitfähigkeit effektiv verringern.

2) Kaliumkanäle können an verschiedene Signalwege (z. B. G-Proteine) gekoppelt sein, die indirekt andere Calciumkanäle beeinflussen können.

Bei Opioidrezeptoren scheint dies der erste Mechanismus zu sein. Bei geöffneten Kaliumkanälen ist es weniger wahrscheinlich, dass das Neuron aktiviert wird, da es eine höhere Stimulation benötigt, um das Aktionspotential zu erreichen. Calciumkanäle öffnen sich in Neuronen hauptsächlich während Aktionspotentialereignissen (obwohl es andere Calciumkanäle geben kann, die sich unter anderen Bedingungen öffnen, d. h. als Reaktion auf Hormone oder Neuromodulatoren).


Neuronale Kalziumsignalisierung

In Neuronen spielt Calcium eine Doppelrolle als Ladungsträger und intrazellulärer Botenstoff. Calciumsignale regulieren verschiedene Entwicklungsprozesse und spielen eine Schlüsselrolle bei der Apoptose, der Freisetzung von Neurotransmittern und der Membranerregbarkeit. Wie kann ein allgegenwärtiger intrazellulärer Botenstoff so viele verschiedene lebenswichtige Prozesse parallel regulieren, aber auch unabhängig voneinander arbeiten? Die Antwort liegt in der Vielseitigkeit der Calcium-Signalisierungsmechanismen in Bezug auf Amplitude und räumlich-zeitliche Muster innerhalb eines Neurons. Hier beschreiben wir einige der Hauptfaktoren für die neuronale Kalziumsignalisierung.

Spannungsgesteuerte Calciumkanäle (VGCCs)

Spannungsgesteuerte Calciumkanäle sind die primären Mediatoren des depolarisationsinduzierten Calciumeintritts in Neuronen. Es gibt eine große Vielfalt an Calciumkanal-Subtypen aufgrund mehrerer Gene, die Calciumkanal-Untereinheiten codieren, alternativem Spleißen und Zusammenbau mit einer Vielzahl von zusätzlichen Calciumkanal-Untereinheiten. Dies ermöglicht es VGCCs, unterschiedliche Rollen in spezifischen neuronalen Subtypen und an bestimmten subzellulären Loci zu übernehmen.

Unter Ruhebedingungen liegen intrazelluläre Calciumkonzentrationen im Bereich von 100 nM aufgrund von Calcium-puffernden Molekülen und Sequestrierung in intrazelluläre Calciumspeicher. Die Öffnung von VGCCs führt zu einem Calciumeinstrom entlang des elektrochemischen Gradienten, was zu einer vorübergehenden, lokalisierten Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration in den hohen mikromolaren Bereich führt. Dies wiederum löst eine Vielzahl von kalziumabhängigen Prozessen aus, darunter die Gentranskription, die Freisetzung von Neurotransmittern, das Neuritenwachstum und die Aktivierung von kalziumabhängigen Enzymen wie der Calmodulin-abhängigen Proteinkinase II und Proteinkinase C.

Calciumfreisetzung aus internen Speichern

Die Calciumspeicherung ist eine der Funktionen, die üblicherweise dem endoplasmatischen Retikulum (ER) durch Calciumfreisetzungskanäle Inositoltrisphosphatrezeptoren (IP .) zugeschrieben werden3Rs) und Ryanodin-Rezeptoren (RyRs). Calciumsignale, die aus der Calciumfreisetzung aus internen Speichern resultieren, wurden in verschiedenen Arten von Neuronen in verschiedenen Entwicklungsstadien gefunden. Während IP3-vermittelte Calciumfreisetzung wird meist durch Neurotransmitter wie Glutamat (siehe unten) ausgelöst, RyRs können durch Erhöhungen der zytosolischen Calciumkonzentration aktiviert werden. Diese durch RyR vermittelte Calcium-induzierte Calciumfreisetzung kann zur Verstärkung des Calciumeinstroms beitragen, der durch das Feuern von Aktionspotentialen in Neuronen erzeugt wird. Beide IP 3Rs und RyRs werden zusammen mit anderen intrazellulären Faktoren durch Calcium selbst reguliert. Diese Abhängigkeit von Calcium etabliert eine Rückkopplungsschleife, die den Calciumeinstrom aus den internen Speichern in das Zytosol koordiniert. Im Fall von IP3Rs, Calciumeinstrom spielt eine wesentliche Rolle bei der Erzeugung von Calciumwellen in neokortikalen und anderen Neuronentypen.

NMDA-Rezeptoren

NMDA-Rezeptoren sind ionotrope Glutamatrezeptoren und vermitteln einen Großteil des postsynaptischen Calciumeinstroms in die dendritischen Dornen verschiedener neuronaler Zelltypen und im Cortex. Dieser Anstieg der spinalen Calciumkonzentration ist besonders wichtig für die langfristige Veränderung der synaptischen Stärke. NMDA-Rezeptorkanäle sind unspezifische Kationenkanäle, die für Natrium-, Kalium- und Calciumionen durchlässig sind.

Calciumdurchlässige AMPA-Rezeptoren

Calcium-permeable AMPA-Rezeptoren sind eine weitere Klasse von ionotropen Glutamat-Rezeptoren. Sie kommen in vielen Formen von Aspiny-GABAergen Neuronen vor und sind durch das Fehlen einer GluR2-Rezeptor-Untereinheit gekennzeichnet. GluR2-fehlende AMPA-Rezeptoren sind durchlässig für Natrium-, Calcium-, Kalium- und Zinkionen. Calcium-permeable AMPA-Rezeptoren haben eine hohe Leitfähigkeit als Reaktion auf tetanische Stimulation und ermöglichen es einzelnen Neuronen, unterschiedliche Arten von Reaktionen auf verschiedene synaptische Eingänge zu produzieren. Wichtig ist, dass die Anwesenheit von GluR2-haltigen (nativen AMPA-Rezeptoren) und GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren (calciumdurchlässige AMPA-Rezeptoren) nicht statisch ist, sondern stark reguliert wird, insbesondere als Reaktion auf neuronale Aktivität. Somit ist die Permeabilität von AMPA-Rezeptoren für Calcium innerhalb eines gegebenen Neurons dynamisch und kann daher zu synaptischen Plastizitätsmechanismen in Aspiny-Neuronen beitragen.

Der direkte Kalziumeintrag über AMPA-Rezeptoren kann den neuronalen Tod auslösen. Daher könnte die Divergenz der relativen Calciumpermeabilität von AMPA-Rezeptoren zwischen verschiedenen neuronalen Zelltypen eine wichtige Determinante der selektiven neuronalen Vulnerabilität sein.

Metabotrophe Glutamatrezeptoren (mGluRs)

mGluRs sind 7-Transmembran-G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die innerhalb des zentralen und peripheren Nervensystems weit verbreitet sind. Sie werden in Gruppe I, II und III mGluRs eingeteilt, werden zelltypspezifisch exprimiert und üben verschiedene physiologische Rollen aus. Die Rezeptorklassen unterscheiden sich in ihren nachgelagerten Signalmechanismen, beispielsweise ist mGluR1 an das Gq-Protein gekoppelt. In Expressionssystemen vermittelt der mGluR1-Subtyp dieser Gruppe sowohl einen Anstieg des intrazellulären Calciums als auch einen TRPC3-abhängigen Einwärtsstrom. Bei Aktivierung von mGluR1 vermittelt Phospholipase C die Bildung von IP3, das an Rezeptoren im ER bindet und die Calciumfreisetzung induziert. Im Gegensatz dazu induziert eine Aktivierung von nativem mGluR5 in Neuronen unterschiedliche zelluläre Effekte. In Hippocampus-Neuronen ruft mGluR5 eine intrazelluläre Calciumantwort mit einem einzigen Peak hervor, während es im Neocortex intrazelluläre Calciumoszillationen induziert.

Zusammenfassung

Die größte Herausforderung bei der Analyse der verschiedenen Quellen des neuronalen Kalziumsignals besteht darin, dass sie im Allgemeinen nicht einzeln aktiv sind, sondern überlappende Aktivitäten mit starken Wechselwirkungen aufweisen. Daher ist die Calcium-Bildgebung für die Entschlüsselung der spezifischen Signalmechanismen in Neuronen von unschätzbarem Wert.


Inhalt

Strukturell sind BK-Kanäle homolog zu spannungs- und ligandengesteuerten Kaliumkanälen, mit einem Spannungssensor und einer Pore als membranüberspannende Domäne und einer zytosolischen Domäne für die Bindung von intrazellulärem Calcium und Magnesium. [5] Jedes Monomer der kanalbildenden Alpha-Untereinheit ist das Produkt des KCNMA1-Gens (auch bekannt als Slo1). Die Slo1-Untereinheit hat drei strukturelle Hauptdomänen, jede mit einer eigenen Funktion: die Voltage Sensing Domain (VSD) misst das Membranpotential über die Membran, die zytosolische Domäne (erfasst die Calciumkonzentration, Ca²⁺-Ionen) und die Pore-Gate-Domäne (PGD .). ), das sich öffnet und schließt, um die Kaliumpermeation zu regulieren. Das Aktivierungsgate befindet sich in der PGD, die sich entweder auf der zytosolischen Seite von S6 oder dem Selektivitätsfilter befindet (Selektivität ist die Präferenz eines Kanals, ein bestimmtes Ion zu leiten). [5] Die Spannungssensordomäne und die porengesteuerte Domäne werden kollektiv als membranüberspannende Domänen bezeichnet und werden von den Transmembransegmenten S1-S4 bzw. S5-S6 gebildet. Innerhalb der S4-Helix enthält eine Reihe von positiv geladenen Resten, die als primärer Spannungssensor dienen. [6]

BK-Kanäle sind den spannungsgesteuerten K⁺-Kanälen ziemlich ähnlich, jedoch ist in BK-Kanälen nur ein positiv geladener Rest (Arg213) an der Spannungsmessung über die Membran beteiligt. [5] Ebenfalls einzigartig für BK-Kanäle ist ein zusätzliches S0-Segment, dieses Segment wird für die Modulation der β-Untereinheit benötigt. [7] [8] und Spannungsempfindlichkeit. [9]

Die zytosolische Domäne besteht aus zwei RCK-Domänen (Regulator der Kaliumleitfähigkeit), RCK1 und RCK2. Diese Domänen enthalten zwei Ca²&spplus;-Bindungsstellen mit hoher Affinität: eine in der RCK1-Domäne und die andere in einer als Ca²&spplus;-Schale bezeichneten Region, die aus einer Reihe von Asparaginsäure (Asp)-Resten besteht, die sich in der RCK2-Domäne befinden. Die Mg²⁺-Bindungsstelle befindet sich zwischen dem VSD und der zytosolischen Domäne, die gebildet wird durch: Asp-Reste innerhalb der S0-S1-Schleife, Asparagin-Reste am zytosolischen Ende von S2 und Glutamin-Reste in RCK1. [5] Bei der Bildung der Mg²⁺-Bindungsstelle stammen zwei Reste vom RCK1 einer Slo1-Untereinheit und die anderen beiden Reste vom VSD der benachbarten Untereinheit. Damit diese Reste das Mg²&spplus;-Ion koordinieren können, müssen die VSD und die zytosolische Domäne benachbarter Untereinheiten in unmittelbarer Nähe sein. [5] Modulatorische Beta-Untereinheiten (kodiert durch KCNMB1, KCNMB2, KCNMB3 oder KCNMB4) können mit dem tetrameren Kanal assoziieren. Es gibt vier Arten von β-Untereinheiten (β1-4), von denen jede unterschiedliche Expressionsmuster aufweist, die die Gating-Eigenschaften des BK-Kanals modifizieren. Die β1-Untereinheit ist hauptsächlich für die Expression der glatten Muskelzellen verantwortlich, sowohl die β2- als auch die β3-Untereinheit werden neuronal exprimiert, während β4 im Gehirn exprimiert wird. [5] Die VSD assoziiert mit der PID über drei Hauptinteraktionen:

  1. Physische Verbindung zwischen VSD und PGD über den S4-S5-Linker.
  2. Wechselwirkungen zwischen dem S4-S5-Linker und der zytosolischen Seite von S6.
  3. Wechselwirkungen zwischen S4 und S5 einer benachbarten Untereinheit.

BK-Kanäle werden durch eine Vielzahl von intra- und extrazellulären Faktoren assoziiert und moduliert, wie z. B. Hilfsuntereinheiten (β, γ), Slobs (slo bindendes Protein), Phosphorylierung, Membranspannung, chemische Liganden (Ca²⁺, Mg²⁺), PKC , Die BK-α-Untereinheiten bauen 1:1 mit vier verschiedenen Hilfstypen von β-Untereinheiten (β1, β2, β3 oder β4) zusammen. [10]

Es wurde festgestellt, dass der Transport zu und die Expression von BK-Kanälen in der Plasmamembran durch unterschiedliche Spleißmotive reguliert wird, die sich innerhalb der intrazellulären C-terminalen RCK-Domänen befinden. Insbesondere eine Spleißvariante, die diese Motive ausschließt, verhinderte die Zelloberflächenexpression von BK-Kanälen und legt nahe, dass ein solcher Mechanismus die Physiologie und Pathophysiologie beeinflusst. [10]

BK-Kanäle im Gefäßsystem werden durch körpereigene Wirkstoffe wie Angiotensin II (Ang II), hohe Glucose oder Arachidonsäure (AA) moduliert, die bei Diabetes durch oxidativen Stress (ROS) moduliert wird. [10]

Eine schwächere Spannungsempfindlichkeit ermöglicht es BK-Kanälen, in einem weiten Bereich von Membranpotentialen zu funktionieren. Dadurch wird sichergestellt, dass der Kanal seine physiologische Funktion richtig erfüllen kann. [11]

Die Hemmung der BK-Kanal-Aktivität durch Phosphorylierung von S695 durch Proteinkinase C (PKC) hängt von der Phosphorylierung von S1151 am C-Terminus der alpha-Kanal-Untereinheit ab. Für eine erfolgreiche Hemmung muss nur eine dieser Phosphorylierungen in der tetrameren Struktur auftreten. Proteinphosphatase 1 wirkt der Phosphorylierung von S695 entgegen. PKC verringert die Kanalöffnungswahrscheinlichkeit, indem die Kanalöffnungszeit verkürzt und der geschlossene Zustand des Kanals verlängert wird. PKC hat keinen Einfluss auf die Einzelkanalleitfähigkeit, die Spannungsabhängigkeit oder die Calciumempfindlichkeit von BK-Kanälen. [11]

BK-Kanäle werden durch die Bindung von Calcium- und Magnesiumionen synergistisch aktiviert, können aber auch spannungsabhängig aktiviert werden. [10] Ca²⁺-abhängige Aktivierung tritt auf, wenn intrazelluläres Ca²⁺ an zwei Bindungsstellen mit hoher Affinität bindet: eine befindet sich im C-Terminus der RCK2-Domäne (Ca²⁺-Schale) und die andere befindet sich in der RCK1-Domäne. [5] Die Bindungsstelle innerhalb der RCK1-Domäne hat eine etwas geringere Affinität für Calcium als die Ca²⁺-Schale, ist aber für einen größeren Anteil der Ca²⁺-Empfindlichkeit verantwortlich. [12] Spannung und Calcium aktivieren BK-Kanäle über zwei parallele Mechanismen, wobei die Spannungssensoren und die Ca²⁺-Bindungsstellen unabhängig voneinander an das Aktivierungsgate koppeln, mit Ausnahme einer schwachen Wechselwirkung zwischen den beiden Mechanismen. Die Ca²⁺-Schale beschleunigt die Aktivierungskinetik bei niedrigen Ca²⁺-Konzentrationen, während die RCK1-Stelle sowohl die Aktivierungs- als auch die Deaktivierungskinetik beeinflusst. [11] Ein Mechanismusmodell wurde ursprünglich von Monod, Wyman und Changeux vorgeschlagen, das als MWC-Modell bekannt ist. Das MWC-Modell für BK-Kanäle erklärt, dass eine Konformationsänderung des Aktivierungsgates bei der Kanalöffnung von einer Konformationsänderung der Ca²⁺-Bindungsstelle begleitet wird, was die Affinität der Ca²⁺-Bindung erhöht. [12]

Die Magnesium-abhängige Aktivierung von BK-Kanälen wird über eine Metallbindungsstelle mit geringer Affinität aktiviert, die unabhängig von der Ca²&spplus;-abhängigen Aktivierung ist. Der Mg²⁺-Sensor aktiviert BK-Kanäle, indem er die Aktivierungsspannung in einen negativeren Bereich verschiebt. Mg²⁺ aktiviert den Kanal nur, wenn die Spannungssensordomäne im aktivierten Zustand bleibt. Die zytosolische Schwanzdomäne (CTD) ist ein chemischer Sensor, der mehrere Bindungsstellen für verschiedene Liganden besitzt. Das CTD aktiviert den BK-Kanal, wenn es an intrazelluläres Mg²&spplus; gebunden wird, um eine Wechselwirkung mit der Spannungssensordomäne (VSD) zu ermöglichen. [11] Magnesium wird überwiegend von sechs Sauerstoffatomen aus den Seitenketten sauerstoffhaltiger Reste, Hauptketten-Carbonylgruppen in Proteinen oder Wassermolekülen koordiniert. [12] D99 am C-Terminus der S0-S1-Schleife und N172 in der S2-S3-Schleife enthalten Seitenkettensauerstoffe in der Spannungssensordomäne, die für die Mg²⁺-Bindung essentiell sind. Ähnlich wie das Ca²⁺-abhängige Aktivierungsmodell kann die Mg²⁺-abhängige Aktivierung auch durch ein allosterisches MCW-Gating-Modell beschrieben werden. Während Calcium den Kanal weitgehend unabhängig vom Spannungssensor aktiviert, aktiviert Magnesium den Kanal durch eine elektrostatische Wechselwirkung mit dem Spannungssensor. [12] Dies ist auch als Nudging-Modell bekannt, bei dem Magnesium den Kanal aktiviert, indem es den Spannungssensor über elektrostatische Wechselwirkungen drückt und die Wechselwirkungen zwischen Seitenketten in verschiedenen strukturellen Domänen umfasst. [5] Energie, die durch Spannung, Ca²⁺- und Mg²⁺-Bindung bereitgestellt wird, breitet sich zum Aktivierungsgate der BK-Kanäle aus, um die Ionenleitung durch die Pore zu initiieren. [5]

Mobilfunkebene Bearbeiten

BK-Kanäle helfen, sowohl das Feuern von Neuronen als auch die Freisetzung von Neurotransmittern zu regulieren. [13] Diese Modulation der synaptischen Übertragung und elektrischen Entladung auf zellulärer Ebene ist auf die Expression des BK-Kanals in Verbindung mit anderen Kalium-Calcium-Kanälen zurückzuführen. [10] Die Öffnung dieser Kanäle bewirkt einen Antrieb in Richtung des Kalium-Gleichgewichtspotentials und spielt somit eine Rolle bei der Beschleunigung der Repolarisation von Aktionspotentialen. [10] Dies würde effektiv eine schnellere Stimulation ermöglichen. [10] Es spielt auch eine Rolle bei der Gestaltung der allgemeinen Repolarisation von Zellen und damit nach der Hyperpolarisation (AHP) von Aktionspotentialen. [14] Die Rolle, die BK-Kanäle in der schnellen Phase der AHP spielen, wurde im Hippocampus ausführlich untersucht. [14] Es kann auch eine Rolle bei der Hemmung der Freisetzung von Neurotransmittern spielen. [15] Es gibt viele BK-Kanäle in Purkinje-Zellen im Kleinhirn, was ihre Rolle bei der motorischen Koordination und Funktion unterstreicht. [14] Darüber hinaus spielen BK-Kanäle eine Rolle bei der Modulation der Aktivität von Dendriten sowie von Astrozyten und Mikroglia. [15] Sie spielen nicht nur eine Rolle im ZNS (zentrales Nervensystem), sondern auch bei der Kontraktion der glatten Muskulatur, der Sekretion endokriner Zellen und der Zellproliferation. [13] Verschiedene γ-Untereinheiten sind während der frühen Gehirnentwicklung an der neuronalen Erregbarkeit beteiligt und in nicht erregbaren Zellen oft als treibende Kraft für Kalzium verantwortlich. [10] Daher können diese Untereinheiten Ziele für therapeutische Behandlungen als BK-Kanal-Aktivatoren sein. [10] Es gibt weitere Hinweise darauf, dass die Hemmung von BK-Kanälen den Kaliumausfluss verhindern und somit die Verwendung von ATP reduzieren würde, was in der Tat das Überleben von Neuronen in Umgebungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt ermöglicht. [10] BK-Kanäle können auch als neuronaler Schutz fungieren, etwa indem sie den Kalziumeintritt in die Zellen durch Methioninoxidation begrenzen. [10]

Orgelebene Bearbeiten

Auch beim Hören spielen BK-Kanäle eine Rolle. [14] Dies wurde gefunden, als die BK-ɑ-Untereinheit bei Mäusen ausgeschaltet wurde und ein fortschreitender Verlust von Cochlea-Haarzellen und damit ein Hörverlust beobachtet wurde. [14] BK-Kanäle sind nicht nur am Hören beteiligt, sondern auch am circadianen Rhythmus. Slo-bindende Proteine ​​(Slobs) können BK-Kanäle in Abhängigkeit von zirkadianen Rhythmen in Neuronen modulieren. [10] BK-Kanäle werden im suprachiasmatischen Kern (SCN) exprimiert, der die Pathophysiologie des Schlafs beeinflusst. [14] BK-Kanalöffner können auch eine protektive Wirkung auf das Herz-Kreislauf-System haben. [10] Bei einer niedrigen Calciumkonzentration haben BK-Kanäle einen größeren Einfluss auf den Gefäßtonus. [10] Darüber hinaus hat das Signalsystem der BK-Kanäle im kardiovaskulären System einen Einfluss auf die Funktion des koronaren Blutflusses. [10] Eine der Funktionen der β-Untereinheit im Gehirn umfasst die Hemmung der BK-Kanäle, was eine Verlangsamung der Kanaleigenschaften sowie die Fähigkeit zur Verhinderung von Anfällen im Schläfenlappen ermöglicht. [10]

Körperfunktionsebene Bearbeiten

Mutationen von BK-Kanälen, die zu einer geringeren Expression in der mRNA führen, treten häufiger bei Menschen auf, die geistig behindert (über Unterfunktion [15]), schizophren oder autistisch sind. [10] Darüber hinaus kann eine durch BK-Kanal-Mutationen verursachte erhöhte Repolarisation zu einer Abhängigkeit von der Alkoholinitiierung von Dyskinesien, Epilepsie oder paroxysmalen Bewegungsstörungen führen.[10] BK-Kanäle sind nicht nur in vielen zellulären Prozessen beim Erwachsenen wichtig, sondern auch entscheidend für die richtige Ernährung eines sich entwickelnden Fötus. [10] Somit kann Östrogen eine Zunahme der Dichte der BK-Kanäle in der Gebärmutter bewirken. [10] Es wurde jedoch eine erhöhte Expression von BK-Kanälen in Tumorzellen gefunden, und dies könnte die zukünftige Krebstherapie beeinflussen, was im Abschnitt Pharmakologie ausführlicher diskutiert wird. [10] BK-Kanäle sind im ganzen Körper allgegenwärtig und haben daher, wie diskutiert, einen großen und weitreichenden Einfluss auf den Körper als Ganzes und auf einer eher zellulären Ebene.

Mögliche Probleme Bearbeiten

Bei einem Mangel an BK-Kanälen treten mehrere Probleme auf. Die Folgen des fehlerhaften BK-Kanals können das Funktionieren einer Person in vielerlei Hinsicht beeinträchtigen, einige lebensbedrohlicher als andere. BK-Kanäle können durch exogene Schadstoffe und endogene Gasotransmitter Kohlenmonoxid, [16] [17] Stickoxid und Schwefelwasserstoff aktiviert werden. [18] Mutationen in Proteinen, die an BK-Kanälen beteiligt sind, oder Genen, die BK-Kanäle kodieren, sind an vielen Krankheiten beteiligt. Eine Fehlfunktion der BK-Kanäle kann sich bei vielen Erkrankungen wie Epilepsie, Krebs, Diabetes, Asthma und Bluthochdruck vermehren. [13] Insbesondere kann ein β1-Defekt den Blutdruck und die Salzwasserretention in der Niere erhöhen. [13] Es wurde festgestellt, dass sowohl Funktionsverlust als auch Funktionsgewinn-Mutationen an Erkrankungen wie Epilepsie und chronischen Schmerzen beteiligt sind. [15] Darüber hinaus hat eine Zunahme der BK-Kanal-Aktivierung durch Gain-of-Function-Mutanten und Amplifikation Verbindungen zu Epilepsie und Krebs. [13] Darüber hinaus spielen BK-Kanäle sowohl bei Tumoren als auch bei Krebserkrankungen eine Rolle. Bei bestimmten Krebsarten kann gBK, eine Variante des Ionenkanals namens Gliom-BK-Kanal, gefunden werden. [14] Es ist bekannt, dass BK-Kanäle in gewisser Weise die Teilung von Zellen während der Replikation beeinflussen, was, wenn sie nicht reguliert wird, zu Krebs und Tumoren führen kann. [14] Ein weiterer untersuchter Aspekt umfasst die Migration von Krebszellen und die Rolle, in der BK-Kanäle diese Migration erleichtern können, obwohl noch vieles unbekannt ist. [14] Ein weiterer Grund, warum das Verständnis des BK-Kanals wichtig ist, ist seine Rolle bei der Organtransplantation. Dies ist auf die Aktivierung von BK-Kanälen zurückzuführen, die die Repolarisation des Ruhemembranpotentials beeinflussen. [10] Daher ist das Verständnis für die Sicherheit einer effektiven Transplantation von entscheidender Bedeutung.

Aktuelle Entwicklungen Bearbeiten

BK-Kanäle können als pharmakologische Ziele für die Behandlung verschiedener medizinischer Störungen verwendet werden, einschließlich Schlaganfall [19] und überaktiver Blase. [20] Es gab Versuche, synthetische Moleküle zu entwickeln, die auf BK-Kanäle abzielen, [21] jedoch haben sich ihre Bemühungen bisher als weitgehend wirkungslos erwiesen. Beispielsweise konnte BMS-204352, ein von Bristol-Myers Squibb entwickeltes Molekül, das klinische Ergebnis bei Schlaganfallpatienten im Vergleich zu Placebo nicht verbessern. [22] Der Agonist von BKCa-Kanälen, BMS-204352, hat jedoch einige Erfolge bei der Behandlung von Defiziten erzielt, die bei Fmr1-Knockout-Mäusen, einem Modell des Fragile-X-Syndroms, beobachtet wurden. [23] [24] BK-Kanäle wirken auch als Blocker bei Ischämie und sind ein Schwerpunkt bei der Untersuchung ihrer Verwendung als Therapie für Schlaganfall. [10]

Zukünftige Richtungen Bearbeiten

Es gibt viele Anwendungen für therapeutische Strategien mit BK-Kanälen. Es gibt Forschungen, die zeigen, dass eine Blockade von BK-Kanälen zu einer Erhöhung der Neurotransmitter-Freisetzung führt, was effektiv zukünftige therapeutische Möglichkeiten bei der Verbesserung der Kognition, der Verbesserung des Gedächtnisses und der Linderung von Depressionen anzeigt. [13] Eine Verhaltensreaktion auf Alkohol wird auch durch BK-Kanäle moduliert, [10] daher kann ein weiteres Verständnis dieser Beziehung die Behandlung von Patienten, die Alkoholiker sind, unterstützen. Oxidativer Stress auf BK-Kanäle kann zu den negativen Beeinträchtigungen der Blutdrucksenkung durch kardiovaskuläre Entspannung führen, die sowohl das Altern als auch die Krankheit haben. [10] Somit kann das Signalsystem an der Behandlung von Hypertonie und Atherosklerose beteiligt sein [10], indem es auf die ɑ-Untereinheit zielt, um diese schädlichen Wirkungen zu verhindern. Darüber hinaus ist die bekannte Rolle, die BK-Kanäle bei Krebs und Tumoren spielen können, begrenzt. Daher gibt es derzeit nicht viel Wissen über spezifische Aspekte von BK-Kanälen, die Tumoren und Krebs beeinflussen können. [14] Weitere Studien sind von entscheidender Bedeutung, da dies zu einer immensen Entwicklung bei der Behandlung von Krebs- und Tumorpatienten führen könnte. Es ist bekannt, dass Epilepsien auf Übererregbarkeit von Neuronen zurückzuführen sind, wobei BK-Kanäle einen großen Einfluss auf die Kontrolle der Übererregbarkeit haben. [4] Daher könnte das Verständnis die Behandlung von Epilepsie beeinflussen. Insgesamt sind BK-Kanäle ein Ziel für zukünftige pharmakologische Wirkstoffe, die für wohlwollende Behandlungen von Krankheiten verwendet werden können.


Membranpotential

Einführung

Eine erregbare Membran hat ein stabiles Potential, wenn kein Nettoionenstrom durch die Membran fließt. Zwei Faktoren bestimmen den Netto-Ionenfluss durch einen offenen Ionenkanal: das Membranpotential und die Unterschiede in den Ionenkonzentrationen zwischen den intrazellulären und extrazellulären Räumen. Da Zellen ein negatives intrazelluläres Potential haben, wird die elektrische Kraft dazu führen, dass positiv geladene Ionen (Kationen wie Natrium, Kalium und Calcium) in eine Zelle fließen. Daher werden elektrische Kräfte einen nach innen gerichteten Fluss von Natrium-, Kalium- und Calciumionen und einen nach außen gerichteten Fluss von Chloridionen lenken. Die Richtung der Ionenbewegung, die durch die „Konzentrationskraft“ erzeugt wird, hängt von den Konzentrationsunterschieden für das Ion zwischen den intrazellulären und extrazellulären Kompartimenten ab. Natrium-, Calcium- und Chloridionen weisen im Vergleich zu intrazellulären Konzentrationen höhere extrazelluläre Konzentrationen auf. Die intrazelluläre Kaliumkonzentration ist höher als die extrazelluläre Konzentration. Konzentrationskräfte lenken einen einwärts gerichteten Fluss von Natrium-, Calcium- und Chloridionen und einen auswärts gerichteten Fluss von Kaliumionen. Das Membranpotential, bei dem die elektrischen und Konzentrationskräfte für ein gegebenes Ion ausgeglichen sind, wird als Gleichgewichts- oder Nernst-Potential für ein gegebenes Ion bezeichnet. Beim Gleichgewichtspotential werden ein- und ausgehende Strombewegungen für ein bestimmtes Ion aufgrund des Ausgleichs der elektrischen und Konzentrationskräfte ausgeglichen. Für ein gegebenes Kation fließen bei Membranpotentialen, die im Vergleich zum Gleichgewichtspotential negativ sind, Ionen in die Zelle, und bei Membranpotentialen, die positiver als das Gleichgewichtspotential sind, fließt vom spezifischen Ion getragener Strom aus der Zelle. Die Richtung der Strombewegung für ein spezifisches Ion tendiert immer dazu, das Membranpotential wieder auf das Gleichgewichtspotential für dieses spezifische Ion zu bringen. Beispiele für ungefähre Gleichgewichtspotentiale für Ionen in der Skelettmuskulatur sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1 . Gleichgewichtspotentiale

IonGleichgewichtspotential (mV)
Natrium65
Kalium−105
Kalzium&gt100
Chlorid−95 (Ruhepotential)
Ruhepotential−95

Das Membranpotential stellt ein Gleichgewicht zwischen den Gleichgewichtspotentialen der Ionen dar, für die die Membran durchlässig ist. Je höher die Leitfähigkeit eines Ions ist, desto mehr beeinflusst dieses Ion das Membranpotential der Zelle. Die Hauptleitwerte, die für die Bildung des Ruhemembranpotentials verantwortlich sind, sind Chlorid, Kalium und Natrium. Die Chloridleitfähigkeit ist in den Skelettmuskelfasern groß, in denen sie durch die Chloridkanäle der Skelettmuskulatur vermittelt wird. Periphere Nervenfasern haben kleinere Chloridleitwerte. In der Skelettmuskulatur ist Chlorid die dominante Membranleitfähigkeit, die etwa 80 % der Ruhemembranleitfähigkeit ausmacht. Chloridkanäle in der Skelettmuskulatur sind insofern ungewöhnlich, als sie eher durch das Vorhandensein von Ionen an den intrazellulären und extrazellulären Öffnungen als durch das Membranpotential gesteuert werden. Der Kanal öffnet sich wahrscheinlich, wenn sich ein Chloridion präsentiert. Die einzigartigen Gating-Eigenschaften von Chloridkanälen führen dazu, dass die Chloridionen in Übereinstimmung mit dem Membranpotential über die Membran verteilt werden. Folglich legt die Chloridleitfähigkeit nicht das Membranpotential fest.

Stattdessen wirkt die Chloridleitfähigkeit als Bremse, um die Depolarisation der Membran zu erschweren. Daher hat die Chloridleitfähigkeit einen wichtigen stabilisierenden Einfluss auf das Membranpotential.

Das dominierende Ion bei der Einstellung des Ruhemembranpotentials ist Kalium. Die Kaliumleitfähigkeit macht ungefähr 20 % der Ruhemembranleitfähigkeit in der Skelettmuskulatur aus und macht den größten Teil der Ruheleitfähigkeit in Neuronen und Nervenfasern aus. Dies ist in erster Linie auf nicht angesteuerte Ionenkanäle zurückzuführen, die aus nach innen gerichteten Gleichrichter- und „Slow-Leak“-Kanälen bestehen. Einwärts gerichtete Gleichrichterkanäle sind für die Aufrechterhaltung des Membranpotentials in Abwesenheit eines elektrischen Erregungsstroms verantwortlich. Es sind die nicht gesteuerten Ionenkanäle, die für die Unterschiede in der elektrischen Reaktion verschiedener Zelltypen verantwortlich sind. Beispielsweise haben Neuronen, die nicht-gesteuerte Ionenkanäle für Kalium, Natrium und Chlorid enthalten, ein Ruhemembranpotential, das vom berechneten Nernst-Potential für K + abweicht (insbesondere bei niedrigen Konzentrationen), während Gliazellen, die nur für Kalium, haben ein Ruhemembranpotential, das dem berechneten Nernst-Potential für K + gut entspricht.

Die geringe Natriumleitfähigkeit im ruhenden Skelettmuskel oder der Nervenmembran führt dazu, dass das Ruhemembranpotential im Vergleich zum Gleichgewichtspotential für Kalium leicht positiv oder depolarisiert ist (Tabelle 2). Die spezifische Klasse von Kaliumkanälen, die das Ruhemembranpotential bestimmt, ist der nach innen gerichtete oder anomale Gleichrichter-Kaliumkanal. Die Calciumleitfähigkeit im Ruhezustand ist äußerst gering. Daher trägt Calcium nicht zum Ruhemembranpotential bei.

Tabelle 2 . Membranpotential unter verschiedenen Bedingungen

MembranzustandDominante MembranleitfähigkeitMembranpotential
RuhenK + Nahe am K + Gleichgewichtspotential, ca. −95 mV
Spitze des AktionspotentialsNein + Nahe am Na + -Gleichgewichtspotential, ca. 40 mV

Während eines Aktionspotentials öffnen sich Na + -Kanäle und die vorherrschende Membranleitfähigkeit ist die von Na + . Folglich ist das Membranpotential ungefähr das gleiche wie das Na + -Gleichgewichtspotential (Tabelle 2).


Andere Probleme

Leitwertbasierte Modelle für erregbare Zellen werden entwickelt, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, die zur Erzeugung von Aktionspotentialen, zum wiederholten Auslösen und Aufplatzen (d. h. oszillatorischen Mustern) usw. beitragen. Diese intrinsischen Eigenschaften wiederum beeinflussen das Verhalten in neuronalen Netzwerken.

Mit zunehmender Anzahl von Strömen in konduktanzbasierten Modellen wird es jedoch aufgrund der zunehmenden Anzahl von Differentialgleichungen schwieriger, die resultierende Modelldynamik zu verstehen und vorherzusagen. Das ursprüngliche Hodgkin-Huxley-Modell ist beispielsweise ein ODE-System 4. Ordnung. Es wurden Anstrengungen unternommen, nicht nur die qualitative Dynamik von konduktanzbasierten Modellen (z. B. FitzHugh-Nagumo-Modell) zu erfassen, sondern auch die Komplexität des Systems zu reduzieren (z. B. Kepler et al. 1992).

Mathematische Unterscheidungen in konduktanzbasierten Modellen mit dynamischen System- und Bifurkationsanalysen stehen zur Verfügung. Details sind in Izhikevich (2007) beschrieben.


Die dreidimensionale Struktur eines bakteriellen K + -Kanals zeigt, wie ein Ionenkanal funktionieren kann

Die bemerkenswerte Fähigkeit von Ionenkanälen, eine hervorragende Ionenselektivität mit einer hohen Leitfähigkeit zu kombinieren, hat Wissenschaftler lange Zeit verwirrt. K + -Leckkanäle zum Beispiel leiten K + 10.000-mal besser als Na + , dennoch sind die beiden Ionen strukturlose Kugeln mit ähnlichen Durchmessern (0,133 nm bzw. 0,095 nm). Eine einzelne Aminosäuresubstitution in der Pore eines K + -Kanals kann zu einem Verlust der Ionenselektivität und zum Zelltod führen. Die normale Selektivität kann nicht durch die Porengröße erklärt werden, da Na + kleiner als K + ist. Darüber hinaus ist die hohe Leitfähigkeit nicht mit den Kanälen kompatibel, die selektive K + -Bindungsstellen mit hoher Affinität aufweisen, da die Bindung von K + -Ionen an solche Stellen ihren Durchgang stark verlangsamen würde.

Das Rätsel wurde gelöst, als die Struktur von a bakterielles K + Kanalwurde durch Röntgenkristallographie bestimmt. Der Kanal besteht aus vier identischen Transmembran-Untereinheiten, die zusammen eine zentrale Pore durch die Membran bilden (Abbildung 11.23). Negativ geladene Aminosäuren sind am zytosolischen Eingang der Pore konzentriert und sollen Kationen anziehen und Anionen abstoßen, wodurch der Kanal kationenselektiv wird. Jede Untereinheit trägt zwei Transmembranhelices bei, die in der Membran nach außen geneigt sind und zusammen einen Kegel bilden, wobei ihr breites Ende der Außenseite der Zelle zugewandt ist, wo K + -Ionen den Kanal verlassen. Die Polypeptidkette, die die beiden Transmembranhelices verbindet, bildet eine kurze α-Helix (die Porenwendel) und eine entscheidende Schleife, die in den weiten Abschnitt des Kegels hineinragt, um den Selektivitätsfilter zu bilden. Die Selektivitätsschleifen der vier Untereinheiten bilden eine kurze, starre, enge Pore, die von den Carbonylsauerstoffatomen ihrer Polypeptidrückgrate ausgekleidet ist. Da die Selektivitätsschleifen aller bekannten K + -Kanäle ähnliche Aminosäuresequenzen aufweisen, ist es wahrscheinlich, dass sie eine sehr ähnliche Struktur bilden. Die Kristallstruktur zeigt zwei K + -Ionen in einer Reihe innerhalb des Selektivitätsfilters, getrennt durch etwa 8 Å. Es wird angenommen, dass die gegenseitige Abstoßung zwischen den beiden Ionen dazu beiträgt, sie durch die Pore in die extrazelluläre Flüssigkeit zu bewegen.

Abbildung 11-23

Die Struktur eines bakteriellen K + -Kanals. (A) Nur zwei der vier identischen Untereinheiten sind gezeigt. Von der zytosolischen Seite öffnet sich die Pore zu einem Vestibül in der Mitte der Membran. Das Vestibül erleichtert den Transport, indem es die K + -Ionen (mehr. )

Der Aufbau des Selektivitätsfilters erklärt die hervorragende Ionenselektivität des Kanals. Damit ein K + -Ion in den Filter eintreten kann, muss es fast alle seiner gebundenen Wassermoleküle verlieren und stattdessen mit den Carbonylsauerstoffen, die den Selektivitätsfilter auskleiden, wechselwirken, die in genauem Abstand angeordnet sind, um ein K + -Ion aufzunehmen. Ein Na + -Ion hingegen kann nicht in den Filter eindringen, da die Carbonylsauerstoffe zu weit vom kleineren Na + -Ion entfernt sind, um den Energieaufwand für den für den Eintritt erforderlichen Verlust an Wassermolekülen zu kompensieren (Abbildung 11.24).

Abbildung 11-24

K + Spezifität des Selektivitätsfilters in einem K + Kanal. Die Zeichnung zeigt K + und Na + Ionen (A) im Vestibül und (B) im Selektivitätsfilter der Pore im Querschnitt gesehen. Im Vestibül werden die Ionen hydratisiert. Im Selektivitätsfilter (mehr. )

Strukturstudien des bakteriellen K + -Kanals haben gezeigt, wie sich diese Kanäle öffnen und schließen können. Die Schleifen, die den Selektivitätsfilter bilden, sind starr und ändern ihre Konformation nicht, wenn sich der Kanal öffnet oder schließt. Im Gegensatz dazu ordnen sich die inneren und äußeren Transmembranhelices, die den Rest der Pore auskleiden, beim Schließen des Kanals neu an, wodurch sich die Pore an ihrem zytosolischen Ende wie ein Diaphragma verengt (Abbildung 11.25). Obwohl sich die Pore nicht vollständig schließt, ist die verbleibende kleine Öffnung von hydrophoben Aminosäureseitenketten ausgekleidet, die den Eintritt von Ionen blockieren.

Abbildung 11-25

Ein Modell für das Gating eines bakteriellen K + -Kanals. Der Kanal wird im Querschnitt betrachtet. Um die geschlossene Konformation anzunehmen, ordnen sich die vier inneren Transmembranhelices, die die Pore auf der zytosolischen Seite des Selektivitätsfilters auskleiden (siehe Abbildung 11-22), um (mehr. )

Die Zellen, die Ionenkanäle am meisten nutzen, sind Neuronen. Bevor wir besprechen, wie sie dies tun, müssen wir kurz abschweifen, wie ein typisches Neuron organisiert ist.


SK-Kanäle regulieren Ruheeigenschaften und Signalzuverlässigkeit eines sich entwickelnden schnell spitzen Neurons

Eine zuverlässige und präzise Signalübertragung ist in Schaltkreisen des auditiven Hirnstamms unerlässlich, um das Timing mit einer Genauigkeit im Submillisekundenbereich zu kodieren. Globuläre buschige Zellen übertragen zuverlässig und getreu Spike-Signale an die Hauptneuronen des medialen Kerns des Trapezoidkörpers (MNTB) durch die riesige glutamaterge Synapse, den Kelch von Held. Somit arbeitet die MNTB als Relaiskern, der das zeitliche Muster des Hochfrequenzfeuerns beibehält. Unter Verwendung von Ganzzell-Patch-Clamp-Aufzeichnungen beobachteten wir eine K + -Leitfähigkeit, die durch Calcium-aktivierte Kaliumkanäle (SK) mit geringer Leitfähigkeit in den MNTB-Neuronen von Ratten beiderlei Geschlechts vermittelt wird. SK-Kanäle wurden durch intrazelluläre Ca 2+ -Funken aktiviert und vermittelten spontane vorübergehende Auswärtsströme in sich entwickelnden MNTB-Neuronen. SK-Kanäle wurden auch durch Ca 2+ -Einstrom durch spannungsgesteuerte Ca 2+ -Kanäle und synaptisch aktivierte NMDA-Rezeptoren aktiviert. Das Blockieren von SK-Kanälen mit Apamin depolarisierte das Ruhemembranpotential, reduzierte die Ruheleitfähigkeit und beeinflusste die Reaktionsfähigkeit von MNTB-Neuronen auf Signaleingänge. Darüber hinaus wurden SK-Kanäle durch Aktionspotentiale aktiviert und beeinflussten die Spitze nach Hyperpolarisation. Das Blockieren von SK-Kanälen unterbrach die Eins-zu-Eins-Signalübertragung von präsynaptischen Kelchen zu postsynaptischen MNTB-Neuronen und induzierte zusätzliche postsynaptische Aktionspotentiale als Reaktion auf präsynaptisches Feuern. Diese Daten zeigen, dass SK-Kanäle eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Ruheeigenschaften und der Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Signalübertragung von MNTB-Neuronen spielen.BEDEUTUNGSERKLÄRUNG In auditiven Hirnstammschaltungen ist eine zuverlässige und präzise Signalübertragung erforderlich, um die Schallquelle zu lokalisieren. Der Kelch der Held-Synapse im medialen Nucleus des Trapezoidkörpers (MNTB) bei Säugern spielt eine wichtige Rolle bei der Schalllokalisierung. Wir untersuchten die Kaliumkanäle, die die Zuverlässigkeit der Signalübertragung über die Kelchsynapse formen, und beobachteten eine Kaliumleitfähigkeit, die durch Calcium-aktivierte Kaliumkanäle (SK) mit geringer Leitfähigkeit in MNTB-Hauptneuronen der Ratte vermittelt wird. Wir fanden heraus, dass SK-Kanäle tonisch aktiviert werden und zu den Ruhemembraneigenschaften von MNTB-Neuronen beitragen. Interessanterweise werden SK-Kanäle durch Kalziumfunken und Kalziumeinstrom während Aktionspotentialen vorübergehend aktiviert und steuern die Eins-zu-Eins-Signalübertragung von präsynaptischen Kelchen zu postsynaptischen MNTB-Neuronen.

Schlüsselwörter: MNTB SK-Kanal Erregbarkeit Kaliumkanal Ruhemembranpotential Übertragungstreue.

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Figuren

SK kanalisiert STOCs. EIN…

SK kanalisiert STOCs. EIN , STOC-Aufnahmen in der Kontrolle und nach dem Bad…

Entwicklungsänderung von STOCs. EIN…

Entwicklungsänderung von STOCs. EIN , Repräsentative STOC-Aufzeichnungen in Ratten-MNTB-Neuronen…

Kalziumfunken aktivierten die vorübergehende…

Calciumfunken aktivierten den transienten SK-Strom. EIN , STOC-Aufnahmen im Griff…

Tonic SK Strom. EIN ,…

Tonic SK Strom. EIN , B , Depolarisierende Spannungsstufen (15 s) von…

Aktivierung des SK-Stroms. EIN…

Aktivierung des SK-Stroms. EIN , Eine langsame Spannungsrampe (5 mV/s) hervorgerufen…

Auswirkungen von SK-Kanälen auf…

Auswirkungen von SK-Kanälen auf die Ruhemembraneigenschaften von MNTB-Neuronen. EIN ,…

Auswirkungen von SK-Kanälen auf…

Auswirkungen von SK-Kanälen auf die Reaktionsfähigkeit. ANZEIGE , Spannungsantworten auf synaptische Wellenformen…

Aktivierung von SK-Kanälen durch…

Aktivierung von SK-Kanälen durch Ca 2+ -Einstrom durch NMDA-Rezeptoren. EIN ,…

Aktivierung von SK-Kanälen während…

Aktivierung von SK-Kanälen während des Aktionspotentials. EIN , Ein kurzer Spannungssprung…

SK-Kanal-Aktivierung war erforderlich für…

Für eine hochzuverlässige Signalübertragung war eine SK-Kanalaktivierung erforderlich. EIN , Repräsentative Spur…


Inhalt

Ein ausgewogenes Verhältnis von Magnesium ist für das Wohlbefinden aller Organismen von entscheidender Bedeutung. Magnesium ist ein relativ häufiges Ion in der Erdkruste und im Erdmantel und ist in der Hydrosphäre hoch bioverfügbar. Diese Verfügbarkeit in Kombination mit einer nützlichen und sehr ungewöhnlichen Chemie könnte zu seiner Verwendung in der Evolution als Ion für Signalübertragung, Enzymaktivierung und Katalyse geführt haben. Die ungewöhnliche Natur des ionischen Magnesiums hat jedoch auch zu einer großen Herausforderung bei der Verwendung des Ions in biologischen Systemen geführt. Biologische Membranen sind für Magnesium (und andere Ionen) undurchlässig, daher müssen Transportproteine ​​den Magnesiumfluss in und aus Zellen und intrazellulären Kompartimenten erleichtern.

Chlorophyll in Pflanzen wandelt Wasser in Sauerstoff als O . um2. Hämoglobin in Wirbeltieren transportiert Sauerstoff als O2 im Blut. Chlorophyll ist Hämoglobin sehr ähnlich, außer dass Magnesium im Zentrum des Chlorophyllmoleküls und Eisen im Zentrum des Hämoglobinmoleküls ist, mit anderen Variationen. [6] Dieser Prozess hält lebende Zellen auf der Erde am Leben und hält die CO .-Basiswerte aufrecht2 und O2 in der Atmosphäre.

Menschliche Gesundheit Bearbeiten

Eine unzureichende Magnesiumzufuhr verursacht häufig Muskelkrämpfe und wurde mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Bluthochdruck, Angststörungen, Migräne, Osteoporose und Hirninfarkt in Verbindung gebracht. [7] [8] Akuter Mangel (siehe Hypomagnesiämie) ist selten und tritt häufiger als Arzneimittelnebenwirkung (wie chronischer Alkohol- oder Diuretikumkonsum) auf als durch geringe Nahrungsaufnahme an sich, kann jedoch bei Personen auftreten, die intravenös ernährt werden für längere Zeiträume.

Das häufigste Symptom einer übermäßigen oralen Magnesiumaufnahme ist Durchfall. Nahrungsergänzungsmittel auf Basis von Aminosäurechelaten (wie Glycinat, Lysinat etc.) werden vom Verdauungssystem viel besser vertragen und haben nicht die Nebenwirkungen der älteren verwendeten Verbindungen, während Nahrungsergänzungsmittel mit verzögerter Freisetzung das Auftreten von Durchfall verhindern. [ Zitat benötigt ] Da die Nieren des erwachsenen Menschen überschüssiges Magnesium effizient ausscheiden, ist eine orale Magnesiumvergiftung bei Erwachsenen mit normaler Nierenfunktion sehr selten. Säuglinge, die selbst im gesunden Zustand eine geringere Fähigkeit haben, überschüssiges Magnesium auszuscheiden, sollten keine Magnesiumpräparate erhalten, außer unter ärztlicher Aufsicht.

Pharmazeutische Präparate mit Magnesium werden zur Behandlung von Erkrankungen wie Magnesiummangel und Hypomagnesiämie sowie Eklampsie verwendet. [9] Solche Präparate liegen bei parenteraler Gabe meist in Form von Magnesiumsulfat oder -chlorid vor. Magnesium wird vom Körper mit angemessener Effizienz (30 % bis 40 %) aus jedem löslichen Magnesiumsalz wie Chlorid oder Citrat aufgenommen. Magnesium wird in ähnlicher Weise aus Bittersalz absorbiert, obwohl das Sulfat in diesen Salzen bei höheren Dosen ihre abführende Wirkung verstärkt. Die Magnesiumaufnahme aus den unlöslichen Oxid- und Hydroxidsalzen (Magnesiamilch) ist unregelmäßig und von geringerer Effizienz, da sie von der Neutralisation und Lösung des Salzes durch die Magensäure abhängt, die möglicherweise nicht vollständig ist (und normalerweise nicht) ist .

Magnesiumorotat kann als adjuvante Therapie bei Patienten mit optimaler Behandlung einer schweren kongestiven Herzinsuffizienz eingesetzt werden, um die Überlebensrate zu erhöhen und die klinischen Symptome und die Lebensqualität der Patienten zu verbessern. [10]

Nervenleitung Bearbeiten

Magnesium kann die Muskelentspannung durch direkte Wirkung auf die Zellmembranen beeinflussen. Mg 2+ -Ionen schließen bestimmte Arten von Calciumkanälen, die positiv geladene Calciumionen in Neuronen leiten. Bei einem Überschuss an Magnesium werden mehr Kanäle blockiert und die Aktivität der Nervenzellen nimmt ab. [11] [12]

Bluthochdruck Bearbeiten

Intravenöses Magnesiumsulfat wird zur Behandlung von Präeklampsie verwendet. [13] Für andere als schwangerschaftsbedingte Hypertonie kam eine Metaanalyse von 22 klinischen Studien mit Dosisbereichen von 120 bis 973 mg/Tag und einer mittleren Dosis von 410 mg zu dem Schluss, dass eine Magnesiumergänzung eine kleine, aber statistisch signifikante Wirkung hatte, nämlich die systolischer Blutdruck um 3–4 mm Hg und diastolischer Blutdruck um 2–3 mm Hg. Die Wirkung war größer, wenn die Dosis mehr als 370 mg/Tag betrug. [14]

Diabetes und Glukosetoleranz Bearbeiten

Eine höhere Aufnahme von Magnesium über die Nahrung entspricht einer geringeren Diabetesinzidenz. [15] Bei Menschen mit Diabetes oder einem hohen Diabetesrisiko senkt eine Magnesiumergänzung den Nüchternglukosewert. [16]

Das US Institute of Medicine (IOM) hat 1997 den Estimated Average Requirements (EARs) und Recommended Dietary Allowances (RDAs) für Magnesium aktualisiert. Liegen keine ausreichenden Informationen zur Festlegung von EARs und RDAs vor, wird stattdessen eine Schätzung mit der Bezeichnung Adequate Intake (AI) verwendet . Die aktuellen EAR-Werte für Magnesium für Frauen und Männer ab 31 Jahren betragen 265 mg/Tag bzw. 350 mg/Tag. Die RDAs sind 320 und 420 mg/Tag. RDAs sind höher als EARs, um Beträge zu ermitteln, die Personen mit einem überdurchschnittlichen Bedarf abdecken. Die empfohlene Tagesdosis für die Schwangerschaft beträgt 350 bis 400 mg/Tag, abhängig vom Alter der Frau. Die RDA für die Stillzeit liegt aus dem gleichen Grund im Bereich von 310 bis 360 mg/Tag. Für Kinder im Alter von 1–13 Jahren steigt die RDA mit dem Alter von 65 auf 200 mg/Tag. In Bezug auf die Sicherheit legt die IOM auch tolerierbare obere Aufnahmemengen (ULs) für Vitamine und Mineralstoffe fest, wenn der Nachweis ausreichend ist. Bei Magnesium liegt der UL bei 350 mg/Tag. Der UL ist spezifisch für Magnesium, das als Nahrungsergänzungsmittel konsumiert wird, da zu viel Magnesium auf einmal zu Durchfall führen kann. Die UL gilt nicht für Magnesium aus Nahrungsmitteln. Zusammen werden die EARs, RDAs und ULs als dietary Reference Intakes bezeichnet. [17]

Referenz-Tagesaufnahme von Magnesium [18]
Alter Männlich Weiblich Schwangerschaft Stillzeit
Geburt bis 6 Monate 30 mg* 30 mg*
7–12 Monate 75 mg* 75 mg*
1-3 Jahre 80 mg 80 mg
4–8 Jahre 130 mg 130 mg
9–13 Jahre 240 mg 240 mg
14–18 Jahre 410 mg 360 mg 400 mg 360 mg
19–30 Jahre 400 mg 310 mg 350 mg 310 mg
31–50 Jahre 420 mg 320 mg 360 mg 320 mg
51+ Jahre 420 mg 320 mg

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bezeichnet die kollektiven Informationen als Ernährungsreferenzwerte, mit Population Reference Intake (PRI) anstelle von RDA und Average Requirement anstelle von EAR. AI und UL haben dasselbe wie in den Vereinigten Staaten definiert. Für Frauen und Männer ab 18 Jahren werden die AIs auf 300 bzw. 350 mg/Tag festgelegt. AIs für Schwangerschaft und Stillzeit sind ebenfalls 300 mg/Tag. Bei Kindern im Alter von 1 bis 17 Jahren steigen die AIs mit dem Alter von 170 auf 250 mg/Tag an. Diese AIs sind niedriger als die US-RDAs. [19] Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit überprüfte dieselbe Sicherheitsfrage und legte ihren UL auf 250 mg/Tag fest – niedriger als der US-Wert. [20] Der Magnesium-UL ist insofern einzigartig, als er niedriger ist als einige der RDAs. Sie gilt nur für die Aufnahme über einen pharmakologischen Wirkstoff oder Nahrungsergänzungsmittel und schließt die Aufnahme über Nahrung und Wasser nicht ein.

Für die Kennzeichnung von Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln in den USA wird die Menge in einer Portion als Prozentsatz des Tageswertes (%DV) ausgedrückt. Für die Magnesiumkennzeichnung lag der Tageswert zu 100 % bei 400 mg, wurde jedoch zum 27. Mai 2016 auf 420 mg revidiert, um ihn mit der RDA in Einklang zu bringen. [21] [22] Die Einhaltung der aktualisierten Kennzeichnungsvorschriften war bis zum 1. Januar 2020 für Hersteller mit einem jährlichen Lebensmittelumsatz von 10 Millionen US-Dollar oder mehr und bis zum 1. Januar 2021 für Hersteller mit einem jährlichen Lebensmittelumsatz von weniger als 10 Millionen US-Dollar erforderlich. [23] [24] [25] In den ersten sechs Monaten nach dem Erfüllungsdatum 1. Januar 2020 plant die FDA, mit den Herstellern zusammenzuarbeiten, um die neuen Anforderungen an die Nährwertkennzeichnung zu erfüllen, und wird sich während dieser Zeit nicht auf Durchsetzungsmaßnahmen in Bezug auf diese Anforderungen konzentrieren Zeit. [23] Eine Tabelle mit den alten und neuen täglichen Werten für Erwachsene finden Sie unter Reference Daily Intake.

Grünes Gemüse wie Spinat liefert Magnesium aufgrund der Fülle an Chlorophyllmolekülen, die das Ion enthalten. Nüsse (insbesondere Paranüsse, Cashewnüsse und Mandeln), Samen (z. B. Kürbiskerne), dunkle Schokolade, geröstete Sojabohnen, Kleie und einige Vollkornprodukte sind ebenfalls gute Magnesiumquellen. [26]

Obwohl viele Lebensmittel Magnesium enthalten, ist es normalerweise in geringen Mengen enthalten. Wie bei den meisten Nährstoffen ist es unwahrscheinlich, dass der tägliche Magnesiumbedarf mit einer Portion eines einzelnen Lebensmittels gedeckt wird. Der Verzehr einer großen Auswahl an Obst, Gemüse und Getreide hilft dabei, eine ausreichende Magnesiumzufuhr sicherzustellen. [ Zitat benötigt ]

Da sich Magnesium leicht in Wasser auflöst, sind raffinierte Lebensmittel, die oft in Wasser verarbeitet oder gekocht und getrocknet werden, im Allgemeinen schlechte Nährstoffquellen. Vollkornbrot hat beispielsweise doppelt so viel Magnesium wie Weißbrot, weil bei der Verarbeitung von Weißmehl die magnesiumreichen Keime und Kleie entfernt werden. Die Tabelle der Nahrungsquellen von Magnesium schlägt viele Nahrungsquellen für Magnesium vor. [ Zitat benötigt ]

"hartes" Wasser kann auch Magnesium liefern, aber "weiches" Wasser enthält weniger Ionen. Ernährungsumfragen bewerten die Magnesiumaufnahme aus dem Wasser nicht, was dazu führen kann, dass die Gesamtmagnesiumaufnahme und ihre Variabilität unterschätzt werden.

Zu viel Magnesium kann es dem Körper erschweren, Kalzium aufzunehmen. [ Zitat benötigt ] Zu wenig Magnesium kann wie oben beschrieben zu einer Hypomagnesiämie mit unregelmäßigem Herzschlag, Bluthochdruck (ein Zeichen beim Menschen, aber nicht bei einigen Versuchstieren wie Nagetieren), Schlaflosigkeit und Muskelkrämpfen (Faszikulationen) führen. Es wird jedoch angenommen, dass, wie bereits erwähnt, Symptome eines Magnesiummangels aufgrund eines reinen Nahrungsmangels selten auftreten.

Im Folgenden sind einige Lebensmittel und deren Menge an Magnesium aufgeführt: [27]

    Samen, keine Schalen (1/4 Tasse) = 303 mg, (1/4 Tasse) = 162 mg [28] Mehl (1/2 Tasse) = 151 mg (1/4 Tasse) = 125 mg
  • Haferkleie, roh (1/2 Tasse) = 110 mg
  • Kakaopulver (1/4 Tasse) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 Tasse) = 99 mg (1/4 Tasse) = 89 mg
  • Vollkornmehl (1/2 Tasse) = 83 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 79 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 75 mg, 70% Kakao (1 oz) = 73 mg, fest (1/ 2 Tasse) = 73 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 60 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 59 mg (2 Esslöffel) = 50 mg (1/4 Tasse) = 46 mg, geschält (1/4 .) Tasse) = 41 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 39 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 37 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 36 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 32 mg ( 1 EL) = 32 mg, fettfrei (1 Tasse) = 27 mg, Espresso (1 oz) = 24 mg (1 Scheibe) = 23 mg

Bei Tieren wurde gezeigt, dass unterschiedliche Zelltypen unterschiedliche Magnesiumkonzentrationen aufrechterhalten. [29] [30] [31] [32] Es scheint wahrscheinlich, dass das gleiche für Pflanzen gilt. [33] [34] Dies legt nahe, dass verschiedene Zelltypen den Ein- und Ausfluss von Magnesium auf unterschiedliche Weise basierend auf ihren einzigartigen metabolischen Bedürfnissen regulieren können. Die interstitiellen und systemischen Konzentrationen von freiem Magnesium müssen durch die kombinierten Prozesse der Pufferung (Bindung von Ionen an Proteine ​​und andere Moleküle) und Dämpfung (der Transport von Ionen in Speicher- oder extrazelluläre Räume) sorgfältig aufrechterhalten werden [35] .

In Pflanzen und neuerdings auch in Tieren wurde Magnesium als wichtiges Signalion erkannt, das viele biochemische Reaktionen sowohl aktiviert als auch vermittelt. Das beste Beispiel dafür ist vielleicht die Regulation der Kohlenstofffixierung in Chloroplasten im Calvin-Zyklus. [36] [37]

Magnesium ist für die Zellfunktion sehr wichtig. Ein Mangel des Nährstoffs verursacht eine Erkrankung des betroffenen Organismus. Bei einzelligen Organismen wie Bakterien und Hefen manifestiert sich ein niedriger Magnesiumspiegel in stark reduzierten Wachstumsraten. In Knockout-Bakterienstämmen mit Magnesiumtransport werden gesunde Raten nur bei Exposition gegenüber sehr hohen externen Konzentrationen des Ions aufrechterhalten. [38] [39] Auch bei Hefen führt ein mitochondrialer Magnesiummangel zu Erkrankungen. [40]

Pflanzen mit Magnesiummangel zeigen Stressreaktionen. Die ersten beobachtbaren Anzeichen sowohl für Magnesiummangel als auch für Überbelichtung bei Pflanzen ist eine Abnahme der Photosyntheserate. Dies liegt an der zentralen Position des Mg 2+ -Ions im Chlorophyllmolekül. Die späteren Auswirkungen eines Magnesiummangels auf Pflanzen sind eine signifikante Verringerung des Wachstums und der Fortpflanzungsfähigkeit. [4] Magnesium kann auch für Pflanzen giftig sein, obwohl dies normalerweise nur bei Trockenheit auftritt. [41] [42]

Bei Tieren tritt Magnesiummangel (Hypomagnesiämie) auf, wenn die Verfügbarkeit von Magnesium in der Umwelt gering ist. Bei Wiederkäuern, die besonders anfällig für die Verfügbarkeit von Magnesium in Weidegräsern sind, wird der Zustand als „Grastetanie“ bezeichnet. Hypomagnesiämie wird durch einen Gleichgewichtsverlust aufgrund von Muskelschwäche identifiziert. [43] Eine Reihe von genetisch bedingten Hypomagnesiämie-Erkrankungen wurden auch beim Menschen identifiziert. [44] [45] [46] [47]

Eine Überexposition gegenüber Magnesium kann für einzelne Zellen toxisch sein, obwohl diese Effekte experimentell schwer nachzuweisen waren. [ Zitat benötigt ] Hypermagnesiämie, ein Überschuss an Magnesium im Blut, wird normalerweise durch den Verlust der Nierenfunktion verursacht. Gesunde Tiere scheiden schnell überschüssiges Magnesium mit Urin und Stuhl aus. [48] ​​Magnesium im Urin wird genannt Magnesurie. Charakteristische Konzentrationen von Magnesium in Modellorganismen sind: in E coli 30–100 mM (gebunden), 0,01–1 mM (frei), in knospender Hefe 50 mM, in Säugerzellen 10 mM (gebunden), 0,5 mM (frei) und in Blutplasma 1 mM. [49]

Mg 2+ ist das vierthäufigste Metallion in Zellen (pro Mol) und das häufigste freie zweiwertige Kation – daher ist es tief und intrinsisch in den Zellstoffwechsel verwoben. Tatsächlich treten Mg 2+ -abhängige Enzyme in praktisch jedem Stoffwechselweg auf: Eine spezifische Bindung von Mg 2+ an biologische Membranen wird häufig beobachtet, Mg 2+ wird auch als Signalmolekül verwendet und ein Großteil der Nukleinsäurebiochemie benötigt Mg 2+ . einschließlich aller Reaktionen, die eine Freisetzung von Energie aus ATP erfordern. [50] [51] [37] In Nukleotiden wird die Tripel-Phosphat-Einheit der Verbindung bei allen enzymatischen Prozessen ausnahmslos durch Assoziation mit Mg 2+ stabilisiert.

Chlorophyll Bearbeiten

In photosynthetischen Organismen hat Mg 2+ die zusätzliche wichtige Rolle, das koordinierende Ion im Chlorophyllmolekül zu sein. Diese Rolle wurde von Richard Willstätter entdeckt, der 1915 den Nobelpreis für Chemie für die Reinigung und Struktur der Chlorophyllbindung mit Kohlenstoff der sechsten Zahl erhielt

Enzyme Bearbeiten

Die Chemie des Mg 2+ -Ions, wie sie auf Enzyme angewendet wird, nutzt die gesamte Bandbreite der ungewöhnlichen Reaktionschemie dieses Ions, um eine Reihe von Funktionen zu erfüllen. [50] [52] [53] [54] Mg 2+ interagiert mit Substraten, Enzymen und gelegentlich mit beiden (Mg 2+ kann Teil des aktiven Zentrums sein). Im Allgemeinen interagiert Mg 2+ mit Substraten durch Innensphärenkoordination, stabilisiert Anionen oder reaktive Zwischenstufen, einschließlich der Bindung an ATP und Aktivierung des Moleküls für nukleophilen Angriff. Bei der Wechselwirkung mit Enzymen und anderen Proteinen kann Mg 2+ unter Verwendung der Innen- oder Außensphärenkoordination binden, um entweder die Konformation des Enzyms zu ändern oder an der Chemie der katalytischen Reaktion teilzunehmen. Da Mg 2+ während der Ligandenbindung nur selten vollständig dehydratisiert wird, kann in jedem Fall ein mit dem Mg 2+ assoziiertes Wassermolekül wichtiger sein als das Ion selbst. Die Lewis-Acidität von Mg 2+ (pKein 11.4) wird verwendet, um sowohl Hydrolyse- als auch Kondensationsreaktionen zu ermöglichen (die häufigsten sind Phosphatester-Hydrolyse und Phosphoryl-Transfer), die ansonsten pH-Werte erfordern würden, die stark von physiologischen Werten entfernt sind.

Wesentliche Rolle in der biologischen Aktivität von ATP Edit

ATP (Adenosintriphosphat), die Hauptenergiequelle der Zellen, muss an ein Magnesiumion gebunden sein, um biologisch aktiv zu sein. Was als ATP bezeichnet wird, ist oft tatsächlich Mg-ATP. [5]

Nukleinsäuren Bearbeiten

Nukleinsäuren haben einen wichtigen Bereich von Wechselwirkungen mit Mg 2+ . Die Bindung von Mg 2+ an DNA und RNA stabilisiert die Struktur dies kann an der erhöhten Schmelztemperatur beobachtet werden (Tm) von doppelsträngiger DNA in Gegenwart von Mg 2+ . [50] Darüber hinaus enthalten Ribosomen große Mengen an Mg 2+ und die bereitgestellte Stabilisierung ist für die Komplexierung dieses Riboproteins unerlässlich. [55] Eine große Zahl von Enzymen, die an der Biochemie von Nukleinsäuren beteiligt sind, binden Mg 2+ für die Aktivität, wobei das Ion sowohl zur Aktivierung als auch zur Katalyse verwendet wird. Schließlich ist die Autokatalyse vieler Ribozyme (Enzyme, die nur RNA enthalten) Mg 2+-abhängig (z. B. die selbstspleißenden Introns der Hefe-Mitochondriengruppe II [56] ).

Magnesiumionen können bei der Aufrechterhaltung der Positionsintegrität von eng geclusterten Phosphatgruppen entscheidend sein. Diese Cluster erscheinen in zahlreichen und unterschiedlichen Teilen des Zellkerns und des Zytoplasmas. Beispielsweise binden hexahydratisierte Mg 2+ -Ionen in der tiefen großen Furche und an der äußeren Mündung von Nukleinsäureduplexen der A-Form. [57]

Zellmembranen und Wände Bearbeiten

Biologische Zellmembranen und Zellwände sind polyanionische Oberflächen. Dies hat wichtige Auswirkungen auf den Transport von Ionen, insbesondere weil gezeigt wurde, dass unterschiedliche Membranen bevorzugt unterschiedliche Ionen binden. [50] Sowohl Mg 2+ als auch Ca 2+ stabilisieren regelmäßig Membranen durch die Vernetzung von carboxylierten und phosphorylierten Kopfgruppen von Lipiden. Die Hüllmembran von E coli es wurde auch gezeigt, dass es Na + , K + , Mn 2+ und Fe 3+ bindet. Der Transport von Ionen hängt sowohl vom Konzentrationsgradienten des Ions als auch vom elektrischen Potential (ΔΨ) über die Membran ab, das durch die Ladung auf der Membranoberfläche beeinflusst wird. Zum Beispiel wurde die spezifische Bindung von Mg 2+ an die Chloroplastenhülle mit einem Verlust der Photosyntheseeffizienz durch die Blockierung der K + -Aufnahme und die anschließende Ansäuerung des Chloroplastenstromas in Verbindung gebracht. [36]

Proteine ​​Bearbeiten

Das Mg 2+ -Ion neigt dazu, nur schwach an Proteine ​​zu binden (Kein ≤ 10 5 [50] ) und dies kann von der Zelle ausgenutzt werden, um die enzymatische Aktivität durch Veränderungen der lokalen Konzentration von Mg 2+ ein- und auszuschalten. Obwohl die Konzentration an freiem zytoplasmatischem Mg 2+ in der Größenordnung von 1 mmol/L liegt, beträgt der Gesamtgehalt an Mg 2+ in tierischen Zellen 30 mmol/L [58] und in Pflanzen wurde der Gehalt an endodermalen Blattzellen bei Werten . gemessen bis zu 100 mmol/L (Stelzer et al., 1990), von denen ein Großteil in Lagerfächern gepuffert wird.Die zytoplasmatische Konzentration von freiem Mg 2+ wird durch Bindung an Chelatoren (z. B. ATP), aber auch, was noch wichtiger ist, durch Lagerung von Mg 2+ in intrazellulären Kompartimenten gepuffert. Der Transport von Mg 2+ zwischen intrazellulären Kompartimenten kann ein wichtiger Teil der Regulierung der Enzymaktivität sein. Für den Transport des Ions durch biologische Membranen muss auch die Wechselwirkung von Mg 2+ mit Proteinen berücksichtigt werden.

Mangan Bearbeiten

In biologischen Systemen ist nur Mangan (Mn 2+ ) ohne weiteres in der Lage, Mg 2+ zu ersetzen, jedoch nur unter begrenzten Umständen. Mn 2+ ist in Bezug auf seine chemischen Eigenschaften, einschließlich der inneren und äußeren Hüllenkomplexierung, Mg 2+ sehr ähnlich. Mn 2+ bindet effektiv ATP und ermöglicht die Hydrolyse des Energiemoleküls durch die meisten ATPasen. Mn 2+ kann auch Mg 2+ als aktivierendes Ion für eine Reihe von Mg 2+ -abhängigen Enzymen ersetzen, obwohl normalerweise ein Teil der Enzymaktivität verloren geht. [50] Manchmal variieren solche Enzym-Metall-Präferenzen zwischen eng verwandten Spezies: Beispielsweise ist das Enzym der reversen Transkriptase von Lentiviren wie HIV, SIV und FIV typischerweise von Mg 2+ abhängig, während das analoge Enzym für andere Retroviren Mn 2+ bevorzugt.

Bedeutung bei der Arzneimittelbindung Bearbeiten

Ein Artikel [59], der die strukturellen Grundlagen der Interaktionen zwischen klinisch relevanten Antibiotika und dem 50S-Ribosom untersuchte, erschien im Oktober 2001 in Nature. Eine hochauflösende Röntgenkristallographie ergab, dass diese Antibiotika nur mit der 23S-rRNA einer ribosomalen Untereinheit assoziieren und keine Wechselwirkungen werden mit dem Proteinanteil einer Untereinheit gebildet. Der Artikel betont, dass die Ergebnisse "die Bedeutung von mutmaßlichen Mg 2+ -Ionen für die Bindung einiger Medikamente" zeigen.

Nach radioaktiven Isotopen Bearbeiten

Die Verwendung radioaktiver Tracer-Elemente in Ionenaufnahme-Assays ermöglicht die Berechnung von km, Ki und Vmax und bestimmt die anfängliche Änderung des Ionengehalts der Zellen. 28 Mg zerfällt durch die Emission eines hochenergetischen Beta- oder Gamma-Teilchens, das mit einem Szintillationszähler gemessen werden kann. Allerdings beträgt die radioaktive Halbwertszeit von 28 Mg, dem stabilsten der radioaktiven Magnesiumisotope, nur 21 Stunden. Dies schränkt die Experimente mit dem Nuklid stark ein. Außerdem hat seit 1990 keine Anlage routinemäßig 28 Mg produziert, und der Preis pro mCi wird jetzt auf etwa 30.000 US-Dollar prognostiziert. [60] Die chemische Natur von Mg 2+ ist so beschaffen, dass sie von wenigen anderen Kationen stark angenähert wird. [61] Co 2+ , Mn 2+ und Ni 2+ wurden jedoch erfolgreich verwendet, um die Eigenschaften von Mg 2+ in einigen Enzymreaktionen nachzuahmen, und radioaktive Formen dieser Elemente wurden erfolgreich in Studien zum Kationentransport eingesetzt. Die Schwierigkeit bei der Verwendung eines Metallionen-Ersatzes bei der Untersuchung der Enzymfunktion besteht darin, dass die Beziehung zwischen den Enzymaktivitäten mit dem Ersatzion im Vergleich zum Original sehr schwer festzustellen ist. [61]

Durch fluoreszierende Indikatoren Bearbeiten

Eine Reihe von Chelatoren zweiwertiger Kationen haben unterschiedliche Fluoreszenzspektren im gebundenen und ungebundenen Zustand. [62] Chelatoren für Ca 2+ sind gut etabliert, haben eine hohe Affinität zum Kation und eine geringe Interferenz durch andere Ionen. Mg 2+ Chelatoren hinken hinterher und der wichtigste Fluoreszenzfarbstoff für Mg 2+ (mag-fura 2 [63] ) hat tatsächlich eine höhere Affinität für Ca 2+ . [64] Dies schränkt die Anwendung dieses Farbstoffs auf Zelltypen ein, bei denen der Ruhegehalt von Ca 2+ <. 1 μM beträgt und variiert nicht mit den experimentellen Bedingungen, unter denen Mg 2+ gemessen werden soll. Kürzlich Otten et al. (2001) haben Arbeiten zu einer neuen Klasse von Verbindungen beschrieben, die sich als nützlicher erweisen könnten und signifikant bessere Bindungsaffinitäten für Mg 2+ aufweisen. [65] Die Verwendung der Fluoreszenzfarbstoffe beschränkt sich auf die Messung des freien Mg 2+ . Wenn die Ionenkonzentration durch die Zelle durch Chelatbildung oder Abtransport in subzelluläre Kompartimente gepuffert wird, ergibt die gemessene Aufnahmerate nur Minimalwerte von km und Vmax.

Durch Elektrophysiologie Bearbeiten

Erstens können ionenspezifische Mikroelektroden verwendet werden, um die interne Konzentration freier Ionen von Zellen und Organellen zu messen. Die Hauptvorteile bestehen darin, dass die Zellen über relativ lange Zeiträume abgelesen werden können und dass den Zellen im Gegensatz zu Farbstoffen nur sehr wenig zusätzliche Ionenpufferkapazität hinzugefügt wird. [66]

Zweitens ermöglicht die Technik der Zwei-Elektroden-Spannungsklemme die direkte Messung des Ionenflusses durch die Membran einer Zelle. [67] Die Membran wird auf einem elektrischen Potential gehalten und der Ansprechstrom gemessen. Alle die Membran passierenden Ionen tragen zum gemessenen Strom bei.

Drittens verwendet die Patch-Clamp-Technik isolierte Abschnitte einer natürlichen oder künstlichen Membran in ähnlicher Weise wie die Voltage-Clamp-Technik, jedoch ohne die sekundären Wirkungen eines zellulären Systems. Unter idealen Bedingungen kann der Leitwert einzelner Kanäle quantifiziert werden. Diese Methodik liefert die direkteste Messung der Wirkung von Ionenkanälen. [67]

Durch Absorptionsspektroskopie Bearbeiten

Die Flammen-Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) bestimmt den Gesamtmagnesiumgehalt einer biologischen Probe. [62] Bei dieser Methode müssen destruktive biologische Proben in konzentrierten Säuren zerlegt werden, um ein Verstopfen der Feinzerstäuberapparatur zu vermeiden. Darüber hinaus besteht die einzige Einschränkung darin, dass Proben in einem Volumen von ca. 2 mL und in einem Konzentrationsbereich von 0,1 – 0,4 μmol/L für eine optimale Genauigkeit vorliegen müssen. Da diese Technik nicht zwischen bereits in der Zelle vorhandenem und während des Experiments aufgenommenem Mg 2+ unterscheiden kann, kann nur der nicht aufgenommene Gehalt quantifiziert werden.

Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) unter Verwendung entweder der Massenspektrometrie (MS) oder Atomemissionsspektroskopie (AES) Modifikationen ermöglicht auch die Bestimmung des Gesamtionengehalts von biologischen Proben. [68] Diese Techniken sind empfindlicher als Flammen-AAS und können die Mengen mehrerer Ionen gleichzeitig messen. Allerdings sind sie auch deutlich teurer.

Die chemischen und biochemischen Eigenschaften von Mg 2+ stellen das Zellsystem beim Transport des Ions durch biologische Membranen vor eine große Herausforderung. Das Dogma des Ionentransports besagt, dass der Transporter das Ion erkennt und dann nach und nach das Hydratationswasser entfernt, indem das meiste oder das gesamte Wasser an einer selektiven Pore entfernt wird, bevor das Ion auf der anderen Seite der Membran freigesetzt wird. [69] Aufgrund der Eigenschaften von Mg 2+ , der großen Volumenänderung vom hydratisierten zum bloßen Ion, der hohen Hydratationsenergie und der sehr geringen Ligandenaustauschgeschwindigkeit in der inneren Koordinationssphäre sind diese Schritte wahrscheinlich schwieriger als bei den meisten anderen Ionen. Bisher konnte nur das ZntA-Protein von Paramecium als Mg 2+ -Kanal nachgewiesen werden. [70] Die Mechanismen des Mg 2+ -Transports durch die verbleibenden Proteine ​​beginnen mit der Aufklärung der ersten dreidimensionalen Struktur eines Mg 2+ -Transportkomplexes im Jahr 2004. [71]

Die Hydratationshülle des Mg 2+ -Ions hat eine sehr fest gebundene innere Hülle aus sechs Wassermolekülen und eine relativ fest gebundene zweite Hülle mit 12–14 Wassermolekülen (Markham et al., 2002). Somit wird angenommen, dass die Erkennung des Mg 2+ -Ions einen Mechanismus erfordert, um anfänglich mit der Hydratationshülle von Mg 2+ zu interagieren, gefolgt von einer direkten Erkennung/Bindung des Ions an das Protein. [60] Aufgrund der Stärke der Inner-Sphere-Komplexierung zwischen Mg 2+ und einem beliebigen Liganden könnten mehrere gleichzeitige Wechselwirkungen mit dem Transportprotein auf dieser Ebene das Ion in der Transportpore signifikant verzögern. Daher ist es möglich, dass ein Großteil des Hydratationswassers während des Transports zurückgehalten wird, was die schwächere (aber immer noch spezifische) Außensphärenkoordination ermöglicht.

Trotz der mechanistischen Schwierigkeit muss Mg 2+ durch Membranen transportiert werden, und es wurde eine große Anzahl von Mg 2+ -Flüssen durch Membranen aus einer Vielzahl von Systemen beschrieben. [72] Allerdings wurde nur eine kleine Auswahl von Mg 2+ -Transportern auf molekularer Ebene charakterisiert.

Liganden-Ionenkanal-Blockade Bearbeiten

Magnesiumionen (Mg 2+ ) sind in der Zellbiologie normalerweise in fast allen Sinnen den Ca 2+ -Ionen entgegengesetzt, da sie ebenfalls zweiwertig sind, aber eine größere Elektronegativität aufweisen und somit eine größere Anziehungskraft auf Wassermoleküle ausüben, wodurch der Durchgang durch den Kanal verhindert wird (obwohl das Magnesium selbst ist kleiner). Somit blockieren Mg 2+ -Ionen Ca 2+ -Kanäle wie (NMDA-Kanäle) und es wurde gezeigt, dass sie Gap-Junction-Kanäle beeinflussen, die elektrische Synapsen bilden.

Die vorherigen Abschnitte haben sich ausführlich mit den chemischen und biochemischen Aspekten von Mg 2+ und seinem Transport durch Zellmembranen befasst. Dieser Abschnitt wird dieses Wissen auf Aspekte der Physiologie ganzer Pflanzen anwenden, um zu zeigen, wie diese Prozesse mit der größeren und komplexeren Umgebung des vielzelligen Organismus interagieren.

Ernährungsanforderungen und Wechselwirkungen Bearbeiten

Mg 2+ ist essentiell für das Pflanzenwachstum und kommt in höheren Pflanzen in Mengen in der Größenordnung von 80 µmol g -1 Trockengewicht vor. [4] Die Mengen an Mg 2+ variieren in verschiedenen Teilen der Pflanze und hängen vom Ernährungszustand ab. In Zeiten des Überflusses kann überschüssiges Mg 2+ in Gefäßzellen gespeichert werden (Stelzer® et al., 1990 [34] und in Hungerzeiten wird Mg 2+ in vielen Pflanzen von älteren zu neueren Blättern umverteilt. [4] [73]

Mg 2+ wird über die Wurzeln in die Pflanzen aufgenommen. Interaktionen mit anderen Kationen in der Rhizosphäre können einen signifikanten Einfluss auf die Aufnahme des Ions haben. (Kurvits und Kirkby, 1980 [74] kommen überall vor, von den Wurzelhaaren bis zu den Zellen, die sich fast in der Mitte der Wurzel befinden (nur durch den Caspar-Streifen begrenzt) Pflanzenzellwände und -membranen tragen eine große Anzahl negativer Ladungen, und die Wechselwirkungen von Kationen mit diesen Ladungen sind der Schlüssel zur Aufnahme von Kationen durch Wurzelzellen, was einen lokalen Konzentrationseffekt ermöglicht.[75] Mg 2+ bindet relativ schwach an diese Ladungen und kann durch andere Kationen verdrängt werden, was die Aufnahme behindert und einen Mangel in der Pflanze verursacht.

Innerhalb einzelner Pflanzenzellen ist der Mg 2+ -Bedarf weitgehend gleich wie für das gesamte zelluläre Leben Mg 2+ wird zur Stabilisierung von Membranen verwendet, ist für die Verwertung von ATP von entscheidender Bedeutung, ist in großem Umfang an der Nukleinsäure-Biochemie beteiligt und ist ein Cofaktor für viele Enzyme (einschließlich des Ribosoms). Außerdem ist Mg 2+ das koordinierende Ion im Chlorophyllmolekül. Es ist die intrazelluläre Kompartimentierung von Mg 2+ in Pflanzenzellen, die zu zusätzlicher Komplexität führt. Vier Kompartimente innerhalb der Pflanzenzelle haben Wechselwirkungen mit Mg 2+ berichtet. Anfänglich dringt Mg 2+ in das Zytoplasma ein (durch ein noch nicht identifiziertes System), aber die Konzentrationen von freiem Mg 2+ in diesem Kompartiment werden bei relativ niedrigen Konzentrationen (≈2 mmol/L) streng reguliert, und so wird überschüssiges Mg 2 + wird entweder schnell exportiert oder im zweiten intrazellulären Kompartiment, der Vakuole, gespeichert. [76] Der Bedarf an Mg 2+ in Mitochondrien wurde in Hefe nachgewiesen [77] und es scheint sehr wahrscheinlich, dass dies auch für Pflanzen gilt. Die Chloroplasten benötigen auch erhebliche Mengen an internem Mg 2+ und niedrige Konzentrationen an zytoplasmatischem Mg 2+ . [78] [79] Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass auch die anderen subzellulären Organellen (z. B. Golgi, endoplasmatisches Retikulum usw.) Mg 2+ benötigen.

Verteilung von Magnesiumionen innerhalb der Pflanze Bearbeiten

Im zytoplasmatischen Raum von Wurzelzellen wird Mg 2+ zusammen mit den anderen Kationen wahrscheinlich radial in die Stele und das Gefäßgewebe transportiert. [80] Aus den das Xylem umgebenden Zellen werden die Ionen freigesetzt oder in das Xylem gepumpt und durch die Pflanze nach oben getragen. Im Fall von Mg 2+ , das sowohl im Xylem als auch im Phloem hochmobil ist, [81] werden die Ionen in einem kontinuierlichen Erneuerungszyklus an die Spitze der Pflanze und wieder nach unten transportiert. Daher ist die Aufnahme und Freisetzung aus vaskulären Zellen wahrscheinlich ein Schlüsselteil der Mg 2+ -Homöostase der ganzen Pflanze. Abbildung 1 zeigt, wie wenige Prozesse mit ihren molekularen Mechanismen verbunden sind (nur die vakuoläre Aufnahme wurde mit einem Transportprotein, AtMHX, in Verbindung gebracht).

Das Diagramm zeigt eine schematische Darstellung einer Pflanze und der mutmaßlichen Prozesse des Mg 2+ -Transports an Wurzel und Blatt, wo Mg 2+ geladen und aus den Gefäßgeweben entladen wird. [4] Mg 2+ wird in den Wurzelzellwandraum (1) aufgenommen und interagiert mit den negativen Ladungen der Zellwände und Membranen. Mg 2+ kann sofort in die Zellen aufgenommen werden (symplastischer Weg) oder bis zur Caspar-Bande (4) wandern, bevor es von den Zellen absorbiert wird (apoplastischer Weg 2). Die Konzentration von Mg 2+ in den Wurzelzellen wird wahrscheinlich durch die Lagerung in Wurzelzellvakuolen gepuffert (3). Beachten Sie, dass Zellen in der Wurzelspitze keine Vakuolen enthalten. Im Zytoplasma der Wurzelzelle angekommen, wandert Mg 2+ durch Plasmodesmen zum Zentrum der Wurzel, wo es in das Xylem (5) geladen wird, um es in die oberen Teile der Pflanze zu transportieren. Wenn das Mg 2+ die Blätter erreicht, wird es aus dem Xylem in Zellen entladen (6) und erneut in Vakuolen gepuffert (7). Ob das Zyklieren von Mg 2+ in das Phloem über allgemeine Zellen im Blatt (8) oder direkt vom Xylem zum Phloem über Transferzellen (9) erfolgt, ist unbekannt. Mg 2+ kann im Phloemsaft zu den Wurzeln zurückkehren.

Wenn ein Mg 2+ -Ion von einer Zelle aufgenommen wurde, die es für Stoffwechselprozesse benötigt, wird allgemein angenommen, dass das Ion in dieser Zelle so lange verbleibt, wie die Zelle aktiv ist. [4] In Gefäßzellen ist dies in Zeiten des Überflusses nicht immer der Fall, Mg 2+ wird in der Vakuole gespeichert, nimmt nicht an den täglichen Stoffwechselprozessen der Zelle teil (Stelzer et al., 1990) und wird bei Bedarf freigegeben. Aber für die meisten Zellen ist es der Tod durch Alterung oder Verletzung, der Mg 2+ und viele der anderen ionischen Bestandteile freisetzt und sie in gesunde Teile der Pflanze recycelt. Wenn Mg 2+ in der Umwelt limitierend ist, können einige Arten außerdem Mg 2+ aus älteren Geweben mobilisieren. [73] Diese Prozesse beinhalten die Freisetzung von Mg 2+ aus seinem gebundenen und gespeicherten Zustand und seinen Rücktransport in das Gefäßgewebe, wo es an den Rest der Pflanze verteilt werden kann. In Zeiten des Wachstums und der Entwicklung wird Mg 2+ auch innerhalb der Pflanze remobilisiert, da sich Quellen- und Senkenbeziehungen ändern. [4]

Die Homöostase von Mg 2+ innerhalb einzelner Pflanzenzellen wird durch Prozesse aufrechterhalten, die an der Plasmamembran und an der Vakuolenmembran ablaufen (siehe Abbildung 2). Die wichtigste Triebkraft für die Translokation von Ionen in Pflanzenzellen ist ΔpH. [82] H + -ATPasen pumpen H + -Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten, um die pH-Differenz aufrechtzuerhalten, die für den Transport anderer Ionen und Moleküle genutzt werden kann. H + -Ionen werden aus dem Zytoplasma in den Extrazellulärraum oder in die Vakuole gepumpt. Der Eintritt von Mg 2+ in Zellen kann über einen von zwei Wegen erfolgen, über Kanäle, die das ΔΨ (negative Innenseite) durch diese Membran verwenden, oder durch Symport mit H + -Ionen. Um das Mg 2+ -Ion in die Vakuole zu transportieren, ist ein Mg 2+ /H + -Antiport-Transporter (wie AtMHX) erforderlich. Die H + -ATPasen sind für ihre Aktivität von Mg 2+ (gebunden an ATP) abhängig, so dass Mg 2+ benötigt wird, um seine eigene Homöostase aufrechtzuerhalten.

Ein Schema einer Pflanzenzelle ist gezeigt, einschließlich der vier Hauptkompartimente, von denen derzeit erkannt wird, dass sie mit Mg 2+ interagieren. H + -ATPasen halten einen konstanten ΔpH über die Plasmamembran und die Vakuolenmembran aufrecht. Mg 2+ wird mit der Energie von ΔpH (in A. thaliana von AtMHX). Der Transport von Mg 2+ in Zellen kann entweder den negativen ΔΨ- oder den -pH-Wert verwenden. Der Transport von Mg 2+ in die Mitochondrien verwendet wahrscheinlich ΔΨ wie in den Mitochondrien der Hefe, und es ist wahrscheinlich, dass Chloroplasten Mg 2+ durch ein ähnliches System aufnehmen. Der Mechanismus und die molekulare Grundlage für die Freisetzung von Mg 2+ aus Vakuolen und aus der Zelle sind nicht bekannt. Ebenso sind die lichtregulierten Mg 2+ -Konzentrationsänderungen in Chloroplasten nicht vollständig verstanden, erfordern jedoch den Transport von H + -Ionen durch die Thylakoidmembran.

Magnesium, Chloroplasten und Photosynthese Bearbeiten

Mg 2+ ist das koordinierende Metallion im Chlorophyllmolekül, und in Pflanzen, in denen das Ion in hohem Maße vorhanden ist, sind etwa 6% des gesamten Mg 2+ an Chlorophyll gebunden. [4] [83] [84] Die Thylakoid-Stapelung wird durch Mg 2+ stabilisiert und ist wichtig für die Effizienz der Photosynthese, da Phasenübergänge auftreten können. [85]

Mg 2+ wird wahrscheinlich am stärksten während der lichtinduzierten Entwicklung von Proplastid zu Chloroplast bzw. Etioplast zu Chloroplast in Chloroplasten aufgenommen. Zu diesen Zeiten benötigt die Synthese von Chlorophyll und die Biogenese der Thylakoid-Membranstapel unbedingt das zweiwertige Kation. [86] [87]

Ob Mg 2+ nach dieser anfänglichen Entwicklungsphase in und aus Chloroplasten wandern kann, war Gegenstand mehrerer widersprüchlicher Berichte. Deshaies et al. (1984) fanden heraus, dass Mg 2+ in isolierte Chloroplasten junger Erbsenpflanzen ein- und auswanderte, [88] aber Gupta und Berkowitz (1989) konnten das Ergebnis nicht mit älteren Spinat-Chloroplasten reproduzieren. [89] Deshaies et al. hatten in ihrer Arbeit festgestellt, dass ältere Erbsen-Chloroplasten weniger signifikante Veränderungen des Mg 2+ -Gehalts zeigten als diejenigen, die für ihre Schlussfolgerungen verwendet wurden. Der relative Anteil an unreifen Chloroplasten in den Präparaten kann diese Beobachtungen erklären.

Der Stoffwechselzustand der Chloroplasten ändert sich zwischen Tag und Nacht erheblich. Tagsüber erntet der Chloroplast aktiv die Energie des Lichts und wandelt sie in chemische Energie um. Die Aktivierung der beteiligten Stoffwechselwege erfolgt durch die Veränderung der chemischen Natur des Stromas bei Zugabe von Licht. H + wird aus dem Stroma (sowohl in das Zytoplasma als auch in das Lumen) gepumpt, was zu einem alkalischen pH-Wert führt. [90] [91] Mg 2+ (zusammen mit K + ) wird in einem Elektroneutralisationsprozess aus dem Lumen in das Stroma freigesetzt, um den Fluss von H + auszugleichen. [92] [93] [94] [95] Schließlich werden Thiolgruppen an Enzymen durch eine Änderung des Redoxzustands des Stromas reduziert. [96] Beispiele für Enzyme, die als Reaktion auf diese Veränderungen aktiviert werden, sind Fructose-1,6-Bisphosphatase, Sedoheptulose-Bisphosphatase und Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase. [4] [53] [96] Wenn diese Enzyme während der Dunkelperiode aktiv wären, würde ein verschwenderischer Kreislauf von Produkten und Substraten auftreten.

Zwei Hauptklassen von Enzymen, die während der Lichtphase mit Mg 2+ im Stroma interagieren, können identifiziert werden. [53] Erstens interagieren Enzyme im glykolytischen Stoffwechselweg am häufigsten mit zwei Atomen von Mg 2+ . Das erste Atom ist ein allosterischer Modulator der Enzymaktivität, während das zweite Teil des aktiven Zentrums ist und direkt an der katalytischen Reaktion beteiligt ist. Die zweite Klasse von Enzymen umfasst diejenigen, bei denen Mg 2+ mit Nukleotiddi- und -triphosphaten (ADP und ATP) komplexiert ist, und die chemische Veränderung beinhaltet einen Phosphoryltransfer.Mg 2+ kann in diesen Enzymen auch eine strukturerhaltende Rolle spielen (z. B. Enolase).

Magnesiumstress Bearbeiten

Pflanzenstressreaktionen können bei Pflanzen beobachtet werden, die mit Mg 2+ unter- oder überversorgt sind. Die ersten beobachtbaren Anzeichen von Mg 2+ -Stress bei Pflanzen sowohl für Hunger als auch für Toxizität ist eine Verringerung der Photosyntheserate, die aufgrund der starken Beziehungen zwischen Mg 2+ und Chloroplasten/Chlorophyll vermutet wird. Bei Kiefern sinkt die Photosyntheseleistung der Nadeln bereits vor dem sichtbaren Auftreten von Vergilbungen und nekrotischen Flecken deutlich. [73] Bei Mg 2+ -Mangel umfassen die berichteten sekundären Wirkungen Kohlenhydrat-Immobilität, Verlust der RNA-Transkription und Verlust der Proteinsynthese. [97] Aufgrund der Mobilität von Mg 2+ innerhalb der Pflanze kann der Mangelphänotyp jedoch nur in den älteren Pflanzenteilen vorhanden sein. Bei Pinus radiata zum Beispiel, der an Mg 2+ verhungert ist, ist eines der frühesten Erkennungszeichen die Chlorose in den Nadeln an den unteren Ästen des Baumes. Dies liegt daran, dass Mg 2+ aus diesen Geweben gewonnen und zu wachsenden (grünen) Nadeln höher im Baum bewegt wurde. [73]

Ein Mg 2+ -Defizit kann durch das Fehlen des Ions im Medium (Boden) verursacht werden, kommt aber häufiger durch eine Hemmung seiner Aufnahme. [4] Mg 2+ bindet recht schwach an die negativ geladenen Gruppen in den Wurzelzellwänden, so dass Überschüsse an anderen Kationen wie K + , NH4 + , Ca 2+ und Mn 2+ können alle die Aufnahme behindern. (Kurvits und Kirkby, 1980 [74] In sauren Böden ist Al 3+ ein besonders starker Inhibitor der Mg 2+ -Aufnahme. [98] [99] Die Hemmung durch Al 3+ und Mn 2+ sind schwerwiegender, als durch einfache Verdrängung erklärt werden kann, daher ist es möglich, dass diese Ionen direkt an das Mg 2+ -Aufnahmesystem binden.[4] In Bakterien und Hefe hat eine solche Bindung durch Mn 2+ Stressreaktionen in der Pflanze entwickeln sich, wenn zelluläre Prozesse aufgrund eines Mangels an Mg 2+ zum Stillstand kommen (z An Chlorophyll gebundenes Mg 2+ wurde zu 50 % festgestellt [100] Vermutlich hat dieses Ungleichgewicht nachteilige Auswirkungen auf andere zelluläre Prozesse.

Mg 2+ -Toxizitätsstress ist schwieriger zu entwickeln. Wenn Mg 2+ reichlich vorhanden ist, nehmen die Pflanzen im Allgemeinen das Ion auf und speichern es (Stelzer et al., 1990). Wenn jedoch Trockenheit folgt, können die Ionenkonzentrationen innerhalb der Zelle dramatisch ansteigen. Hohe zytoplasmatische Mg 2+ -Konzentrationen blockieren einen K + -Kanal in der inneren Hüllmembran des Chloroplasten, was wiederum die Entfernung von H + -Ionen aus dem Chloroplastenstroma hemmt. Dies führt zu einer Ansäuerung des Stromas, die Schlüsselenzyme bei der Kohlenstofffixierung inaktiviert, was alles zur Produktion von freien Sauerstoffradikalen im Chloroplasten führt, die dann oxidative Schäden verursachen. [101]


Was ist „Kalziumleitfähigkeit“? - Biologie

Ein interkalierte Scheibe ist eine wellenförmige Doppelmembran, die benachbarte Zellen in Herzmuskelfasern trennt. Interkaliert Bandscheiben unterstützen die synchronisierte Kontraktion des Herzgewebes. Sie können durch einen Längsschnitt des Gewebes leicht visualisiert werden.
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Aspekte des Themas interkaliert-Rabatt werden an folgenden Stellen in Britannica besprochen. Assorted References Herz-Kreislauf-System (im Herz-Kreislauf-System (Anatomie): Herzwand) . Zellvolumen nehmen Mitochondrien etwa 25 Prozent ein und liefern die notwendige Energie für die Kontraktion. Zur Erleichterung der Energie- und Kalziumleitfähigkeit im Herzmuskel.
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Schlüsselwörter: interkaliert Scheiben • kindlin-2 • Kardiomyopathie • Integrin. Und so kam es dass der interkaliert Scheiben Sicherstellen der ordnungsgemäßen Funktion des Herzens mit effizienten .
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Die interkaliert Rabatt des erwachsenen Herzmuskels besteht aus drei Hauptknoten. Dies deutet darauf hin, dass die interkaliert Rabatt wurde mit Cadherinprotein in gesättigt.
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Was ist „Kalziumleitfähigkeit“? - Biologie

Synaptische Plastizität ist die Stärkung oder Schwächung von Synapsen im Laufe der Zeit als Reaktion auf eine Zunahme oder Abnahme ihrer Aktivität. Die plastische Veränderung resultiert auch aus der Veränderung der Anzahl der Rezeptoren, die sich an einer Synapse befinden. Synaptische Plastizität ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis und ermöglicht ein flexibles, funktionierendes Nervensystem. Die synaptische Plastizität kann entweder kurzfristig (synaptische Verstärkung oder synaptische Depression) oder langfristig sein. Insbesondere zwei Prozesse, die Langzeitpotenzierung (LTP) und die Langzeitdepression (LTD), sind wichtige Formen der synaptischen Plastizität, die in Synapsen im Hippocampus auftreten: einer Hirnregion, die an der Speicherung von Erinnerungen beteiligt ist.

Langzeitpotenzierung und Depression: Der Kalziumeintritt durch postsynaptische NMDA-Rezeptoren kann zwei verschiedene Formen der synaptischen Plastizität auslösen: Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD). LTP entsteht, wenn eine einzelne Synapse wiederholt stimuliert wird. Diese Stimulation verursacht eine Calcium- und CaMKII-abhängige zelluläre Kaskade, die zum Einbau weiterer AMPA-Rezeptoren in die postsynaptische Membran führt. Wenn Glutamat das nächste Mal aus der präsynaptischen Zelle freigesetzt wird, bindet es sowohl an NMDA als auch an die neu eingefügten AMPA-Rezeptoren und depolarisiert so die Membran effizienter. LTD tritt auf, wenn wenige Glutamatmoleküle an einer Synapse an NMDA-Rezeptoren binden (aufgrund einer niedrigen Feuerrate des präsynaptischen Neurons). Das Calcium, das durch die NMDA-Rezeptoren fließt, initiiert eine andere Calcineurin- und Proteinphosphatase-1-abhängige Kaskade, die zur Endozytose von AMPA-Rezeptoren führt. Dadurch reagiert das postsynaptische Neuron weniger auf Glutamat, das aus dem präsynaptischen Neuron freigesetzt wird.

Kurzfristige synaptische Verbesserung und Depression

Kurzfristige synaptische Plastizität wirkt auf einer Zeitskala von mehreren zehn Millisekunden bis einigen Minuten. Eine kurzfristige synaptische Verstärkung resultiert aus mehr synaptischen Terminals, die als Reaktion auf präsynaptische Aktionspotentiale Transmitter freisetzen. Synapsen verstärken sich für kurze Zeit entweder aufgrund einer Zunahme der Größe des leicht freisetzbaren Pools von verpackten Sendern oder einer Zunahme der Menge an verpackten Sendern, die als Reaktion auf jedes Aktionspotential freigesetzt werden. Die Erschöpfung dieser leicht freisetzbaren Vesikel verursacht eine synaptische Ermüdung. Eine kurzfristige synaptische Depression kann auch durch postsynaptische Prozesse und durch Feedback-Aktivierung präsynaptischer Rezeptoren entstehen.

Langzeitpotenzierung (LTP)

Die Langzeitpotenzierung (LTP) ist eine anhaltende Stärkung einer synaptischen Verbindung, die Minuten oder Stunden dauern kann. LTP basiert auf dem hebbanischen Prinzip: “Zellen, die zusammen feuern, verdrahten sich. ” Es gibt verschiedene Mechanismen, von denen keiner vollständig verstanden ist, hinter der synaptischen Verstärkung, die bei LTP beobachtet wird.

Ein bekannter Mechanismus beinhaltet eine Art postsynaptischer Glutamatrezeptor: NMDA (N-Methyl-D-Aspartat)-Rezeptoren. Diese Rezeptoren werden normalerweise durch Magnesiumionen blockiert. Wenn das postsynaptische Neuron jedoch durch mehrere präsynaptische Eingänge in schneller Folge (entweder von einem Neuron oder mehreren Neuronen) depolarisiert wird, werden die Magnesiumionen herausgedrückt und Ca 2+ -Ionen gelangen in die postsynaptische Zelle. Als nächstes initiieren Ca 2+ -Ionen, die in die Zelle eindringen, eine Signalkaskade, die bewirkt, dass ein anderer Typ von Glutamatrezeptoren, AMPA (α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure)-Rezeptoren, in die postsynaptische Membran eingefügt wird . Aktivierte AMPA-Rezeptoren ermöglichen es positiven Ionen, in die Zelle einzudringen.

Wenn Glutamat das nächste Mal von der präsynaptischen Membran freigesetzt wird, wird es daher eine größere exzitatorische Wirkung (EPSP) auf die postsynaptische Zelle haben, da die Bindung von Glutamat an diese AMPA-Rezeptoren mehr positive Ionen in die Zelle ermöglicht. Das Einfügen zusätzlicher AMPA-Rezeptoren stärkt die Synapse, so dass das postsynaptische Neuron eher als Reaktion auf die Freisetzung präsynaptischer Neurotransmitter feuert. Einige Medikamente kooptieren den LTP-Pfad, diese synaptische Stärkung kann zu einer Sucht führen.

Langzeitdepression (LTD)

Langzeitdepression (LTD) ist im Wesentlichen das Gegenteil von LTP: Es ist eine langfristige Schwächung einer synaptischen Verbindung. Ein Mechanismus, von dem bekannt ist, dass er LTD verursacht, umfasst auch AMPA-Rezeptoren. In dieser Situation initiiert Calcium, das durch NMDA-Rezeptoren eindringt, eine andere Signalkaskade, die zur Entfernung von AMPA-Rezeptoren aus der postsynaptischen Membran führt. Mit der Abnahme der AMPA-Rezeptoren in der Membran reagiert das postsynaptische Neuron weniger auf das vom präsynaptischen Neuron freigesetzte Glutamat. Obwohl es kontraintuitiv erscheinen mag, kann LTD für das Lernen und das Gedächtnis genauso wichtig sein wie LTP. Die Schwächung und Beschneidung ungenutzter Synapsen kürzt unwichtige Verbindungen und lässt nur die hervorstechenden Verbindungen durch langfristige Potenzierung gestärkt.