5 Regeling van Intracellulaire Anionconcentraties
Chlorideregulatie hangt af van de coördinatie van verschillende processen (Fig. 2). Van bepaalde chloride-lekkanalen is gesuggereerd dat zij de intracellulaire chlorideconcentratie verlagen door als eenrichtingskleppen te fungeren. Dit idee komt voort uit de observatie dat chloridekanalen zoals ClC-2 (gen clcn2) meer doorlaatbaar zijn voor chloride dat de cel verlaat dan voor chloride dat de cel binnenkomt.35 Ongeacht deze differentiële doorlaatbaarheid, die rectificatie wordt genoemd, hangt de richting van de chloride flux nog steeds af van de chloride drijvende kracht. Dit betekent dat chloride zelden of nooit de kans zal krijgen om via ClC-2 de cel te verlaten, omdat de chloride-stuwende kracht bijna altijd in de tegenovergestelde richting is. Omdat de “klep” onvolmaakt is, laten ClC-2 kanalen in feite chloride de cel in lekken.36
Het falen van kanalen om chloride de cel uit te laten, benadrukt de behoefte aan verschillende ionentransportmechanismen die chloride tegen de gradiënt in kunnen verplaatsen.37 Cotransporters, of symporters, verplaatsen twee of meer ionensoorten in dezelfde richting over het celmembraan; chloride kan tegen de gradiënt in bewegen door mee te liften op een ander ion dat tegen de gradiënt in beweegt. Wisselaars, of antiporters, doen in feite hetzelfde, maar door de beweging van ionensoorten die in tegengestelde richtingen over het membraan stromen te koppelen. De belangrijkste chloride-uitwisselaar in neuronen is de kalium-chloride cotransporter 2 (KCC2) (gen slc12a5). KCC2 laat chloride meeliften met kaliumionen die langs hun gradiënt naar beneden stromen en de cel verlaten. Het proces is electroneutraal vanwege de 1:1 stoichiometrie van chloride en kalium. Het proces is niet actief omdat het niet direct gepaard gaat met hydrolyse van ATP (en daarom mag het niet als pompen worden aangeduid); in plaats daarvan is het proces secundair actief omdat KCC2 afhankelijk is van de kaliumgradiënt die in stand wordt gehouden door de natrium-kalium ATPase, die kalium in de cel pompt.
De natrium-kalium-chloride-cotransporter 1 of NKCC1 (gen slc12a2) levert een andere belangrijke bijdrage aan de neuronale chloridehomeostase. NKCC1 gebruikt de natriumgradiënt om kalium en chloride in de cel te brengen, wat leidt tot een hoge intracellulaire chlorideconcentratie. Dit is natuurlijk het tegenovergestelde van hoe KCC2 chloride beïnvloedt. De relatieve expressie van NKCC1 en KCC2 dicteert dus de intracellulaire chlorideconcentratie, niettegenstaande de effecten van chloridebelasting via diverse chloridekanalen, waaronder geactiveerde GABAA- en glycinekanalen. Verschillende punten dienen te worden opgemerkt. Ten eerste komt NKCC1 al vroeg in de ontwikkeling sterk tot expressie, terwijl KCC2 slechts zwak tot expressie komt, maar er vindt een ontwikkelingsverschuiving plaats die leidt tot het omgekeerde patroon op volwassen leeftijd.38,39 In de ruggenmerghoorn van de rat lijkt Eanion zijn volwassen waarde rond 2 weken na de geboorte te bereiken,40 maar de volledige chloride-extrusiecapaciteit wordt pas 3-4 weken na de geboorte bereikt41; met andere woorden, chloridebelastingen overweldigen gemakkelijker KCC2-gemedieerde chloride-extrusie in jonge neuronen. Ten tweede vindt de ontwikkelingsschakelaar niet plaats in primaire afferente neuronen, wat betekent dat NKCC1 niveaus hoog blijven, wat resulteert in hoge intracellulaire chlorideconcentraties in deze cellen.42,43 Ten derde komen NKCC1 en KCC2 niet uniform tot expressie binnen zelfs maar één enkel neuron, wat kan leiden tot hoge intracellulaire chlorideconcentraties in één compartiment (zoals het beginsegment van de axon) en lage intracellulaire chlorideconcentraties in andere compartimenten (zoals het soma en de dendrieten).44,45 En ten slotte kunnen de normale volwassen niveaus van KCC2 expressie pathologisch worden gewijzigd (paragraaf 8).
Enige vermelding moet worden gemaakt over de wijze waarop elektrofysiologische opnamen worden uitgevoerd, omdat dit (opzettelijk of onopzettelijk) kan leiden tot veranderingen in de intracellulaire chlorideconcentratie. Bij de patch clamp-techniek voor hele cellen wordt het celmembraan gescheurd om elektrische toegang tot de cel te krijgen na afdichting van de patchpipet op het celmembraan; bijgevolg wordt het cytosol gedialyseerd met de pipetoplossing. De pipetoplossing wordt vaak ontworpen om een chlorideconcentratie benaderen van de natuurlijke intracellulaire niveau hebben, maar soms is het opzettelijk een hoge chlorideconcentratie om de chloride drijvende kracht (bijvoorbeeld om de detectie van kleine remmende postsynaptische stromen) te verhogen. Beide benaderingen zijn aanvaardbaar, afhankelijk van de vraag die wordt gesteld. Maar in beide gevallen, dialyse van de cel betekent dat intracellulaire chloride effectief wordt geklemd op of nabij het chloride niveau in de pipetoplossing, die uiteraard niet geschikt voor het meten van de natuurlijke chloride niveau in de cel. Dit probleem kan worden opgelost met behulp van de geperforeerde patch techniek.46 Dat gezegd hebbende, dialyse van de cel kan worden gebruikt om extrusie capaciteit testen door te bepalen of de intracellulaire chlorideconcentratie evenwicht met de pipet concentratie of als de cel erin slaagt om een lager niveau als gevolg van de extrusie mechanismen.47,48 Bovendien, in spanningsklem, membraanpotentiaal abrupt wordt gewijzigd en gehouden op willekeurig gekozen waarden, wat kan leiden tot zeer onnatuurlijk chloride drijvende krachten. Zoals uitgelegd door Ratté en Prescott,36 dergelijke experimentele details moeten zorgvuldig worden overwogen om verkeerde interpretaties te voorkomen.
Zoals reeds vermeld, bicarbonaat stroomt uit door geactiveerde GABAA en glycine receptoren. De kans dat bicarbonaat efflux extracellulaire accumulatie veroorzaakt is gering gezien de relatief onbeperkte diffusie van bicarbonaat in de extracellulaire ruimte, maar bicarbonaat efflux kan intracellulaire bicarbonaatniveaus uitputten en een daling van de pH veroorzaken.49 Dit gebeurt echter meestal niet onder normale omstandigheden, omdat intracellulair bicarbonaat wordt aangevuld door de omzetting van kooldioxide en water in bicarbonaat en protonen door het enzym koolzuuranhydrase; als gas diffundeert kooldioxide vrij door het celmembraan. Intracellulair bicarbonaat kan worden uitgeput (en de uitscheiding ervan dus worden beperkt) door blokkade van koolzuuranhydrase door acetazolamide,32 dat in feite pijnstillende effecten kan hebben (hoofdstuk 9). De regulering van de pH impliceert andere chemische reacties en transportmechanismen, en bicarbonaat zelf kan over het celmembraan worden getransporteerd in ruil voor chloride.50