Η σημασία της σχέσης Na+ και K+ στη λειτουργία του οργανισμού Σπύρος Μιχαήλ Νεφρολόγος

Δυναμικό των κυτταρικών μεμβρανών Δυναμικό ηρεμίας Δυναμικό ενεργείας Νευρικές ώσεις Μυική συστολή Έκκριση ορμονών Διαβαθμιζόμενα (graded) δυναμικά

Δυναμικό ηρεμίας (Vrest) Διεγειρόμενα κύτταρα Νευρικά -70 mV Μυικά -90 mV Μη διεγειρόμενα κύτταρα Επιθηλιακά -53 mV Ερυθρά αιμοσφαίρια -8,4 mV Ινοβλάστες -(20-30) mV Λιποκύτταρα -58 mV

Εγκατάσταση του Vrest Παράγοντες Ασύμμετρη κατανομή των ιόντων εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης Η παρουσία στη μεμβράνη καναλιών με εκλεκτικότητα στη μεταφορά ιόντων

Δυναμικό ισορροπίας του Nerst (VEq)   Σε συνθήκες ηλεκτροχημικής ισορροπίας     R: σταθερά αερίων, Τ: απόλυτη θερμοκρασία, F: σταθερά του Faraday, V: το δυναμικό, Z: σθένος ιόντος

Εξίσωση Goldman - Hadkin - Katz   Σχέση διαπερατότητας των ιόντων Pk: PΝa: Pcl= 1:0,05:0,45

Σημασία του Vrest Δημιουργία του δυναμικού ενεργείας Νευρικές ώσεις Μυική συστολή Έκκριση ορμονών Διαμεμβρανική μεταφορά ουσιών διαμέσου δευτερογενώς ενεργών πρωτεϊνικών μεταφορέων Γλυκόζη, αμινοξέα κ.ά Ρύθμιση ενδοκυττάριας ωσμωτικότητας Όγκος κυττάρων

Ο ρόλος του Vrest στη δημιουργία του δυναμικού ενεργείας Εκπόλωση του Vm Vrest (-70 Vm) → Ουδός (-50 Vm) Ενεργοποίηση των καναλιών μεταφοράς ιόντων που εξαρτώνται από το δυναμικό* Στη τιμή του ουδού (-50 Vm) Απενεργοποίηση καναλιών Επανενεργοποίηση καναλιών Σε τιμές πιο αρνητικές του ουδού Η επιστροφή του Vm σε τιμές Vrest είναι κρίσιμη για την συνέχιση της επαναλειτουργίας των καναλιών Υπερκαλιαιμία * Κανάλια Na+

Διατήρηση του Vrest  

Na+ - Κ+ - ATPase  

Na+ - Κ+ - ATPase

Αντλία, ένζυμο, υποδοχέας Na+ - Κ+ - ATPase Αντλία, ένζυμο, υποδοχέας Διατήρηση του Vrest Διαμεμβρανική μεταφορά ουσιών Γλυκόζη, αμινοξέα κ.ά Ρύθμιση όγκου κυττάρων Μετάδοση (διαβίβαση) σημάτων* Συμμετοχή στη ρύθμιση της νευρικής δραστηριότητας Παρεγκεφαλιδικοί νευρώνες του Purkinge Επεξεργασία πληροφοριών * Συνδεόμενα με την ουαμπαΐνη, φωσφορυλίωση της τυροσίνης

Ρύθμιση της Na+ - Κ+ - ATPase Ενδογενείς και εξωγενείς παράγοντες Αύξηση δραστικότητας cAMP Θυροξίνη, αλδοστερόνη, ινσουλίνη Αύξηση της εξωκυττάριας [Κ+] και της ενδοκυττάριας [Na+] Μείωση δραστικότητας Ενδογενή καρδιοτονωτικά στεροειδή, ουαμπαΐνη Καρδιακές γλυκοσίδες Μείωση της εξωκυττάριας [Κ+]

Εξωκυττάριος όγκος υγρών, αγγειακός τόνος και υπέρταση Εξωκυττάριος όγκος υγρών, αγγειακός τόνος και υπέρταση Οξεία αύξηση όγκου πλάσματος Αύξηση BP (↑CO) Διατήρηση αυξημένου όγκου πλάσματος* (4-5 ημέρες) ↓CO Παραμονή ↑ BP Πλειονότητα των ασθενών με υπέρταση Φυσιολογική CO, ↑ TPR Αυτορρύθμιση ολόκληρου του κυκλοφορικού συστήματος *Am J Physiol Regul Integr Physiol 2006

Ενδογενής αναστολέας της Na+ - Κ+ - ATPase Μείωση λειτουργικότητας αντλίας →Εκπόλωση λείου μυικού κυττάρου αγγείων →Ενεργοποίηση εισόδου Ca2+ στα κύτταρα →Αγγειοσύσπαση* Na+ - Ca2+ - αντιμεταφορέας Νορμοτασικά και υπερτασικά άτομα Συσχέτιση κυκλοφορούντος αναστολέα της Na+ - Κ+ - ATPase και της BP** Ουαμπαΐνη*** *παροδικά **Nature 1982 ***Proc Natl Acad sci 1991

Ουαμπαΐνη Αναστολέας της Na+-Κ+-ATPase Φλοιός επινεφριδίων, εγκέφαλος Καρδιοτονωτική, αγγειοσυσπαστική δράση Φλοιός επινεφριδίων, εγκέφαλος Αυξημένα επίπεδα Στο 40% των ασθενών με μη ρυθμιζόμενη ιδ. ΑΥ Πρωτοπαθής υπεραλδοστερoνισμός Υπερέκκριση ACTH, Docasalt AY, ↓ νεφρική μάζα Σε πειραματόζωα ευαίσθητα στο αλάτι Διέγερση της σύνθεσης και έκκρισης Υψηλή διαιτητική πρόσληψη Na+, ACTH

Κεντρικός ρόλος της α2 ισομορφής της Na+-Κ+-ATPase στην παθοφυσιολογία της αλατοεξαρτώμενης υπέρτασης

Πειραματικά δεδομένα Χορήγηση μικρών δόσεων ουαμπαΐνης* Απομονωμένα τμήματα μεσεντερίου αρτηρίας ↑ [Ca 2+], ↑μυογενούς τόνου χωρίς μεταβολή με αποκλεισμό των α αδρενεργικών υποδοχέων Ετερόζυγα ποντίκια με μετάλλαξη είτε στην α1 ή την α2 ισομορφή** Παρόμοια αποτελέσματα Μετάλλαξη στην α2 ισομορφή ↑ ΒP Πειραματόζωα με υπερέκφραση της α2 ισομορφής ↓BP Πειραματόζωα με ανθεκτική στην ουαμπαΐνη μετάλλαξη της α2 ισομορφής Όχι υπέρταση με ουαμπαΐνη ή ACTH *J Physiol 2005 **Ann Rev Physiol 2010

Κατακράτηση Na+, ελλείμματα Κ+ και υπέρταση

Ιδιοπαθής Υπέρταση Διέγερση Na+-Η+ αντιμεταφορέα και της Na+-Κ+-ATPase Περίσσεια αλδοστερόνης Διέγερση Na+-Cl ˉ συμμεταφορέα και Na+-Κ+-ATPase στα άπω σωληνάρια Κατακράτηση Na+ Δίαιτα υψηλής περιεκτικότητας σε Na+ Αύξηση αποβολής Κ+ Έκκριση digitalis like παράγοντα Αύξηση έκφρασης Na+-Κ+ -ATPase στους νεφρούς Ν Engl J Med 2007

Ελλείμματα Καλίου Νεφροί* Διέγερση της έκφρασης και της δραστηριότητας της Na+ - Κ+ - ATPase Κατακράτηση Na+ Λεία μυικά κύτταρα αρτηριών και αρτηριολίων* Ανασταλτική δράση στη Na+-Κ+-ATPase ↑[Na+]ᵢ και ↓ [Κ+]ᵢ Διέγερση Na+-Ca2+ αντιμεταφορέα Αναστολή καναλιών Κ+ Εκπόλωση κυτταρικών μεμβρανών ↓Vm - ↑ Na+ Ca2+ αντιμεταφορέα *Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2005

Ομοιοστασία Na+-Κ+ και αγγειοδιαστολή

Ιδιοπαθής υπέρταση Εξαρτώμενη από το ενδοθήλιο αγγειοδιαστολή Κατακράτηση Na+ Μείωση σύνθεσης ΝΟ Αύξηση μεθυλοαργινίνης Πλούσια σε Κ+ δίαιτα και ↑ [Κ+] Αγγειοδιαστολή – Υπερπόλωση ενθοθηλιακών κυττάρων Διέγερση Na+-Κ+-ATPase και καναλιών Κ+ Θειαζίδες* Μείωση TPR – Μεταβολές στην ιονική σύνθεση του αρτηριακού τοιχώματος *Hypertension 1998

Na+, Κ+ εγκεφαλονωτιαίου υγρού και υπέρταση Έγχυση υπέρτονου διαλύματος NaCl στο ΕΝΥ ↑ BP Έγχυση KCl στο ΕΝΥ ↓ BP Ενδοκοιλιακή έγχυση αλδοστερόνης ↓ [Κ+] του ΕΝΥ Υπέρταση Ενδοκοιλιακή έγχυση αλδοστερόνης και Κ+ ή προρενόνης Όχι υπέρταση Σπιρονολακτόνη Δράση στην εξωκ. [Κ+] στον εγκέφαλο Μηχανισμοί Μεταβολές στη δραστικότητα της Na+-Κ+-ATPase και άξονα RAA ↓Ευαισθησίας, τασεοϋποδοχέων Ελλείμματα [Κ+]

Na+ - Κ+ - ATPase και καρδιακή λειτουργία Φυσιολογικό μυοκάρδιο Συγκέντρωση Na+-Κ+-ATPase: 700 pmol/g Διατατική μυοκαρδοπάθεια Μείωση 40% Καρδιακή ανεπάρκεια Μείωση 26 - 32% κυρίως των α1, α3, β1 ισομορφών Μείωση των α1, α2 ισομορφών στο δεξιό κόλπο Σημαντική συσχέτιση μεταξύ κλάσματος εξωθήσεως της αριστεράς κοιλίας και της συγκέντρωσης της Na+-Κ+-ATPase * Basic Res Cardiol 1992

Ομοιοστασία Na+, Κ+ και Na+-Κ+-ATPase στην καρδιά Μέγιστο ημισείας ενεργοποίησης Δ[Na+]: 8 - 22 mM Εξωκυττάρια: Κ+ Μέγιστο ημίσειας ενεργοποίησης [Κ+]: 1-2 mM Κορεσμός κατά 70% στις φυσιολογικές συγκεντρώσεις των 4 mM Am J Physiol 2009

Αύξηση της ενδοκυττάριας [Na+] Διέγερση της Na+-Κ+-ATPase Μείωση εξόδου Ca2+ και Η+ από τα κύτταρα Αρρυθμίες Επιδείνωση καρδιακής λειτουργίας *Circulation 1999 28

Καρδιοχειρουργικές επεμβάσεις Ομοιοστασία Κ+ Long QT σύνδρομο Μειωμένη δραστηριότητα της Na+-Κ+-ATPase Μετάλλαξη στην αγκυρίνη β Αιφνίδιος θάνατος σε πειραματόζωα κατά τη διάρκεια της άσκησης Μεταλλάξεις στα γονίδια των καναλιών Κ+ Αρρυθμίες και αιφνίδιος θάνατος κατά τη διάρκεια άσκησης και ελλειμάτων καλίου Καρδιοχειρουργικές επεμβάσεις Αύξηση δραστηριότητας της Na+-Κ+-ATPase σε βιοψίες μυοκαρδίου και διαταραχές στην ομοιοστασία του Κ+ Αύξηση κινδύνου κολπικής μαρμαρυγής* *Cardiology 2009

Na+ - Κ+ - ATPase και νευρικό σύστημα Ρύθμιση του όγκου των κυττάρων Μεταβίβαση σημάτων και πλαστικότητα νευρικών συνάψεων ATPase και εμμύελοι νευράξονες

Νευρικά σήματα και Na+-Κ+-ATPase Νευρομεταβιβαστές Τροποποίηση της δραστικότητας της Na+-Κ+-ATPase Έκφραση, φωσφορυλίωση, ενδοκ. [Ca2+] Νορεπινεφρίνη Διέγερση της Na+-Κ+-ATPase* Ρύθμιση ενεργειακού μεταβολισμού του εγκεφάλου Ρύθμιση της φάσης REM του ύπνου Στεροειδείς ορμόνες Αλδοστερόνη ↑ μετεγγραφή α1, β υπομονάδων Στόχος εξαρτησιογόνων φαρμάκων Μορφίνη, αιθανόλη α-αδρενεργικοί υποδοχείς Neurology 2011

Na+-Κ+-ATPase και γλουταμινική διαβίβαση Πρόσληψη γλουταμινικού από τα αστροκύτταρα Ρύθμιση μετάδοσης σημάτων Πρόληψη βλάβης από συσσώρευση γλουταμινικού

Σχέση μεταφορέων γλουταμινικού και Na+ - Κ+ - ATPase Συνάψεις αστροκυττάρων στη παρεγκεφαλίδα, στον ιππόκαμπο και στο φλοιό του εγκεφάλου Κοινή έκφραση α2 υπομονάδας και GLT-1 και CLAST Εμβρυϊκά αστροκύτταρα ανθρώπου Έκθεση σε αυξημένη συγκέντρωση γλουταμινικού Αύξηση έκφρασης GLAST και γ - υπομονάδος Αύξηση πρόσληψης γλουταμινικού και της δράστικ. της Na+ - Κ+ - ATPase Ρύθμιση της δραστικότητας των μεταφορέων και της έκφρασης και του turnover των υποδοχέων του γλουταμινικού J Neurosci 2009

Na+-Κ+-ATPase - Μεταβίβαση σημάτων και πλαστικότητα νευρικών συνάψεων Υποδοχέας στη μεταβίβαση σημάτων Συμπλέγματα με τους υποδοχείς του αυξητικού παράγοντα και του 1,4,5, τριφωσφορικού υποδοχέα της ινοσιτόλης Ρύθμιση ενδοκυττάριων οδών διαβίβασης Ρύθμιση [Ca2+] Ενεργοποίηση πρωτεϊνικής κινάσης Ανάπτυξη δενδριτών στα κύτταρα του φλοιού α3 υπομονάδα - Υποδοχέας της αγκρίνης Ρύθμιση της έκφρασης και της εντόπισης των μετασυναπτικών υποδοχέων στις νευρικές συνάψεις Proc Natl Acad Sci USA 2009

Na+-Κ+-ATPase και εμμύελοι νευράξονες Έκφραση α1, α3, β1 υπομονάδων Μεταξύ των κόμβων του αξονολείμματος Εξαρτώμενα από το Vm κανάλια Na+ Συσσώρευση στους κόμβους Ranvier Επαναλαμβανόμενες πυροδοτήσεις των νεύρων Ενεργοποίηση της Na+-Κ+-ATPase Ταχεία επαναπόλωση Φυσιολογική αγωγιμότητα του δυναμικού ενέργειας Νeurol 1993

Δυσλειτουργία της Na+-Κ+-ATPase και παθολογικές καταστάσεις στο ΚΝΣ Καταστάσεις ενεργειακής ανεπάρκειας Βλάβη νευρικών και νευρογλοιακών κυττάρων Επιληψία Συγγενής ημιπληγική ημικρανία τύπου 2 Ταχείας έναρξης δυστονικός παρκινσονισμός Πολλαπλή σκλήρυνση Alzheimer Ψυχιατρικές διαταραχές

Καταστάσεις ενεργειακής ανεπάρκειας Υποξία, ισχαιμία, υπογλυκαιμία Ανεπάρκεια οξειδωτικού μεταβολισμού μιτοχονδρίων και παραγωγής ATP Μείωση δραστικότητας Na+-Κ+-ATPase Αδυναμία διατήρησης διαμεμβρανικής διαφοράς Na+-Κ+ Κατάρρευση Vm Μείωση δραστηριότητας υποδοχέων γλουταμινικού Οίδημα κυττάρων - Ενδοκυττάρια συσσώρευση Ca2+ Physiology 2009

Επιληψία Υπό φυσιολογικές συνθήκες Επαναλαμβανόμενες νευρικές πυροδοτήσεις Συσσώρευση Κ+ Υψηλή εξωκυττάρια [Κ+] Διέγερση της Na+-Κ+-ATPase Απομάκρυνση Κ+

Επιληψία Μείωση της προκαλούμενης από το Κ+ ενεργοποίησης της Na+-Κ+-ATPase Πειραματικά μοντέλα επιληψίας Στα νευρογλοιακά κύτταρα στις εστίες των σπασμών Ασθενείς με ανθιστάμενη στη θεραπεία επιληψία του κροταφικού λοβού Σε περιοχές του νεοφλοιού Αποφωσφορυλίωση της α1 υπομονάδας στα αστροκύτταρα Σε πειραματικά μοντέλα επιληψίας Μεταλλάξεις της α3 υπομονάδας Υπερδιεγερσιμότητα, εστιακοί και γενικευμένοι σπασμοί Int J Biomed 2014

Συγγενής ημιπληγική ημικρανία τύπου 2 και σποραδική ημιπληγική ημικρανία Μεταλλάξεις του γονιδίου ATP1A2 στο χρωμόσωμα 1q23 Ανεπάρκεια της α2 υπομονάδας Μείωση λειτουργικότητας Na+-Κ+-ATPase Μειωμένη μετακίνηση Κ+ και γλουταμινικού διαμέσου των συναπτικών σχισμών Αύξηση της τάσης για εκπόλωση στο φλοιό Επιταχυνόμενη καταστολή Int J Biomed 2014

Ταχείας έναρξης δυστονικός παρκινσονισμός Σπάνια κινητική διαταραχή Αυτοσωματικός επικρατούν χαρακτήρας Μετάλλαξη ATPAI3 γονίδιο Κωδικοποιεί την α3 υπομονάδα 9 διαφορετικές μεταλλάξεις Διαμεμβρανικές περιοχές σύνδεσης με τα κατιόντα Μειωμένη συγγένεια με το Na+ Ποικιλομορφία φαινοτύπου Neurology 2011

Πολλαπλή σκλήρυνση Εκφύλιση νευραξόνων Οξείες βλάβες - Δυσλειτουργία μιτοχονδρίων Μείωση λειτουργικότητας Na+-Κ+-ATPase Αύξηση ενδοαξονικής [Na+] Αντιστροφή αντιμεταφοράς Na+-Ca2+, συσσώρευση Ca2+ Χρόνιες βλάβες πολλαπλής σκλήρυνσης Μειωμένος αριθμός ενεργών αντλιών Brain 2009

Συμπεράσματα Δυναμικό ηρεμίας κυτταρικών μεμβρανών Ενδοκυττάριες και εξωκυττάριες συγκεντρώσεις Na+-Κ+ Φυσιολογική λειτουργία των διεγειρόμενων κυττάρων Διαμεμβρανική μεταφορά ουσιών στα κύτταρα Ρύθμιση όγκου κυττάρων Διατηρείται δια μέσου της φυσιολογικής λειτουργίας της Na+-Κ+-ATPase

Συμπεράσματα Διαταραχές στη λειτουργία της Na+-Κ+-ATPase Αδυναμία διατήρησης του Vrest Διαταραχές στη φυσιολογική λειτουργία των διεγειρόμενων κυττάρων Νευρικές ώσεις, μυική συστολή, έκκριση ορμονών Αναστολή λειτουργίας της Na+-Κ+-ATPase Ασύμβατη με τη ζωή