Celfysiologie Doelstellingen PDF

Preview

Summary

complete samenvatting en antwoorden op de doelstellingen uit de studieleiddraad van thema 1 tot en met 3 van celfysiologie. ...

Description

Celfysiologie Doelstellingen Celfysiologie THEMA 1

2

1.1 PASSIEVE DIFFUSIE EN HET ONTSTAAN VAN DE MEMBRAANPOTENTIAAL . 1.2 ACTIEF EN SECUNDAIR TRANSPORT. 1.3 REGELINGEN VAN IONENCONENTRATIES EN CELVOLUME, CEL PH REGELING EN EPITHELEN.

2 4 7

THEMA 2

17

2.1 A: ACTIEPOTENTIAAL – ZENUW EN SPIERCEL. 2.1 B: LOKALE ANESTHESIE. 2.2 ACTIEPOTENTIAAL – HARTSPIERCEL.

17 21 26

THEMA 3

29

3.1 A: CONTROLE VAN DE CELFUNCTIE EN RECEPTOREN (ALGEMEEN). 3.1 B: IONOTROPE EN METABOTROPE RECEPTOREN (G-PROTEÏNE GEKOPPELDE RECEPTOREN). 3.2 C: ENZYM-GEKOPPELDE EN INTRACELLULAIRE RECEPTOREN. 3.2: FARMACOLOGIE VAN GABAERGE EN GLUTAMATERGE NEUROTRANSMISSIE. 3.3: FARMACODYNAMIEK.

29 32 34 34 34

THEMA 4

34

4.1: NEUROMUSCULAIRE JUNCTIE. 4.2: NEURONEURALE SYNAPS.

34 34

THEMA 5

34

5.1: ORGANISATIE EN NEUROTRANSMITTERS IN HET AUTONOOM ZENUWSTELSEL. 5.2 A: CHOLINERGE FARMACOLOGIE. 5.2 B: ADRENERGE FARMACOLOGIE

34 34 34

THEMA 6

34

6.1: SPIERCONTRACTIE. 6.2 A: DE HARTSPIER. 6.2 B: DE GLADDE SPIERCEL

34 34 34

1

Thema 1 1.1 Passieve diffusie en het ontstaan van de membraanpotentiaal. 1. Eenvoudige beschrijving geven van de plasmamembraan van de biologische cel Opbouw: dubbele fosfolipidenlaag, eiwitten en sterolen Eigenschappen: semipermeabel voor ionen/ sommige organische moleculen. Doel: transport, signalering, adhesie, ankerpunten voor extracellulaire matrix en intracellulaire cytoskelet. 2. Kwalitatief aangeven hoe de membraanpotentiaal bij een cel tot stand komt. Er is concentratie verschil tussen intracellulair en extracellulair. Door diffusie vormt ionenstroom  elektrische spanning komt tot stand door wegtrekken van pos/neg lading. Zorgt voor verschil in concentratie gradiënt. Teken hangt af van totale invloed van gradiënt v.d. stoffen. Vm ~ concentratie gradiënt/ potentiaalverschil. Elektrochemische gradiënt uitwaarts = positief 3. Factoren rustmembraanpotentiaal (GHK)

Vm ~ Concentratiegradiënt/ permeabiliteit GHK is Vm voor meerdere ionen. 4. Betekenis Nernstpotentiaal m.b.t. passieve beweging van ionen door celmembraan definitie. In evenwichtssituatie is Vm bepaald door Ex (Vm= Ex)

 Elektrochemische potentiële energieverschil = chemische potentiële energieverschil + elektrische potentiële energieverschil  Δµx = RT*ln([X]i/[X]o) + zXF*(Ψi – Ψo)

(F= 96 485 C/mol, R = 8.314 J/Kmol)

Bij equilibrium is Δµx = 0  formule omvormen (Ψi – Ψo = Vm = Ex) 5. Factoren die Nernstpotentiaal bepalen. Concentratiegradiënt, Temperatuur.

2

6. De Nernstpotentiaal kunnen berekenen m.b.v. de gegeven uitdrukking hiervoor.

7. Aan de hand van de Nernstpotentiaal en een gegeven rustmembraanpotentiaal de richting van een ionenbeweging voorspellen (driving force) 8. Elektrochemische gradiënt voor een ion definiëren en berekenen. Δµx/(zx*F)= netto drijfkracht in volt  netto drijfkracht = Vm – Ex Wanneer positief (bij positief ion): ionenstroom uitwaarts (en omgekeerd) 9. Verschillende manieren waarop moleculen doorheen de celmembraan kunnen diffunderen en beschrijving waarop diffusiesnelheid wordt bepaald (wet van fick) o Ionenkanalen o Aquaporii o Gefaciliteerd transport (bv glucose) Diffusiesnelheid: De snelheid van de uitwisseling is recht evenredig met het concentratieverschil van de gebieden en bijgevolg de concentratiegradiënt. JX = PX*([X]o - [X]i) [mol/(cm² * s) (met JX de flux van X) (PX = permeabiliteit van X => houdt in: partitie coëfficiënt ofwel oplosbaarheid in lipide membraan, diffusie coëfficiënt ofwel hoe makkelijk X beweegt in het membraan zelf, membraan dikte) 10. Waarom diffusie van vet-oplosbare (niet-polaire) moleculen verschillend is van de diffusie van wateroplosbare (polaire moleculen). Celmembraan bestaat uit dubbele laag van fosfolipiden (hydrofoob binnenkant, hydrofiel buitenkant) waar hydrofiele stoffen (polaire moleculen) niet door kunnen. Deze polaire stoffen kunnen wel via ionenkanalen, aquaporii en gefaciliteerd transport diffunderen. Apolaire moleculen kunnen zich passief verdelen over het celmembraan.

3

11. Gefaciliteerd transport definiëren en kinetiek van dit transport verklaren. Dit is carrier mediated transport, transport van vb glucose die transport van een andere molecule of ion gebruikt om te diffunderen. Transporteiwitten die 1 substantie vervoeren met concentratiegradiënt mee:

Begin diffusie: concentratie verschil van carrier is groot dus veel secundair transport, daarna verzadigd de carrier en verminderd de diffusie van de substantie.

12. Kunnen aangeven hoe het exo- en endocytoseproces via capaciteitsveranderingen kan worden gevolgd. Vesikels (blaasjes) versmelten met de celmembraan tijdens exocytose. Hierdoor vergroot de celmembraanoppervlakte, en recht evenredig daarmee de capaciteit. Endocytose is analoog, maar omgekeerd.

1.2 Actief en secundair transport. 1. Verschillende soorten transport en transporteiwitten in biomembranen en hun werking. Passief:

4



Poriën: Altijd open  altijd een weg voor moleculen o Porines: in buitenste membraan van gram negatieve bacteriën en mitochondriën. (grote poriën) o Perforine: = proteïne, kan poriën maken in een cel. Wordt geproduceerd door T-lymfocyten en polymeriseren (reactie war kleine moleculen aaneenrijgen tot keten) binnenin de doelwit-cel een porie die 16 nm diameter is  ionen, water en andere kleine moleculen kunnen passief de cel uit stromen (zorgt dat de cel sterft). o Nucleaire poriëncomplex (NPC): Reguleert het verkeer in en uit de nucleus (buitendiameter = ~100nm). Beide actief als passief  actief: gebruikt ATP om grote moleculen te transporteren, passief: voor kleine moleculen) o Aquaporines: Juist groot genoeg voor watermoleculen.



Kanalen: alternerend open/ dicht (bijna enkel ionen).  componenten: poort, 1 of meer sensoren (responderen op veranderingen in Vm, liganden en second messenger systemen die op cytoplastische deel van membraanproteïnen reageren  reguleren transitie tss open en dicht), Selectiviteitsfilter (bepaalt de klasse of bepaaldheid van ionen  kation/anion, resp. Na+, Ca2+, etc.), open-kanaalporie (weg door membraan).

o Na+-kanalen: ΔµX = sterk negatief (meestal cel inwaarts). Fysiologisch gebruik: transmissie van informatie in zenuwcellen  verhoging van de conductantie, waardoor Vm ongeveer de waarde van ENa zal aannemen en informatie kan doorgegeven worden (depolarisatie). o K+-kanalen: ΔµX = dicht bij nul of positief (cel uitwaarts of in evenwicht). Rol in generen van rustpotentiaal aan binnenkant van het membraan (negatief), ofwel kunnen ze actiepotentialen termineren. o Ca2+-kanalen: ΔµX = sterk negatief (cel inwaarts). Rol in transmembraan signalering voor exciteerbare en non-exciteerbare cellen en ook de generatie van een actiepotentiaal in sommige exciteerbare cellen. o H+-kanalen: meestal cel-inwaarts. In normale omstandigheden (negatieve ΔµX) vaak gesloten. Activatie bij depolarisatie of verzuring van cytoplasma (= wanneer ΔµX uitwaartse beweging favoriseert). o Anion kanalen: vaak niet gekoppeld Cl- / HCO3- transport. Cl-  ΔµX vrij negatief. In bepaalde epithelia met de Cl--kanalen op de basolaterale membraan, speelt de passieve beweging van Cl- een rol in de transepitheliale beweging van Cl- van het lumen naar het bloed.  Carriers: o Solute carriers (SLC) (gefacilieerde diffusie): carriers die koppelen aan elektronen transportketens of geen ATP hydrolyseren. Kan voor een molecule enkel afwaarts werken (met concentratiegradiënt mee). Elke carrier heeft een limiet op de snelheid waarmee deze kan diffunderen. vmax wordt bereikt wanneer de carriers volgeladen zijn met molecule X voor de influx.

Hierin kan v vervangen worden door de flux J. Hoe lager Km (Michaëlis constante) is hoe groter de affiniteit (neiging om te binden) zal zijn van de transporter. voorbeelden: GLUT1 (glucose transporter), UT (urea transporter familie), OCT (organische kation transporters familie). Actief: (aantal transporters en meestal pompen) a. Na-K pomp (NKA  3 Na+ uit// 2 K+ in per molec ATP): Op het plasmamembraan en heeft een α en β subunit. α is de katalytische subunit (grootste) en medieert actief transport; β is essentieel voor de juiste aanhechting en memraantargeting van de pomp. 2 hoofdzakelijke conformaties:  E1: Bindingsplaatsen voor de ionen zijn naar de binnenkant gericht.  E2: Bindingsplaatsen voor de ionen zijn naar de buitenkant gericht. 5

Cardiale glycosides blokken de pomp.

b. Ca2+ pomp  PMCA  1 H+ voor 1 Ca2+ per molec ATP: gelegen op het plasmamembraan.  SERCAs  2 H+ voor 2 Ca2+ per molec ATP: gelegen op sarcoplasmatisch/ endoplasmatisch reticulum. c. H-K pomp (HKA  2 H+ uit voor 2 K+ in per molec ATP): gelegen op pariëtale cellen van de maagklier. Bevat een α en β subunit die elk meerde conformaties hebben (α ondergaat fosforylatie door E1 E2 intermediairen tijdens de katalytische cyclus) 13. Verschil tussen passief en actief transport + verschil tussen primair en secundair transport. Passief: moleculen bewegen met de elektrochemische gradiënt mee en er wordt geen extra energie verbruikt. Bv: H2O en aminozuren transport doorheen membraan, beweging van glucose mbv carrier eiwit. Actief: tegen EC gradiënt in mbv pompen. Deze hebben energie nodig.  

Primair: gebruiken een bruikbare energieverandering (zoals ATP) om het component tegen zijn EC gradiënt in te transporteren. Secundair: Drijfkracht wordt geleverd door de opwaartse beweging van het component (tegen gradiënt) te koppelen aan een neerwaartse beweging van 1 of meer componenten waarvoor een geschikt EC potentiaalverschil bestaat (gebruiken dus een primair transport).

Cotransporters: o Na+/Glucose:  Gelegen aan apicale membraan van cellen die de proximale tubuli en dunne darm omringen. o Na+-gedreven cotransporter voor organische oplossingen:  Structureel verschillend van Na+/Glucose maar functioneel gelijk.  Gelegen in de proximale tubuli van de dunne darm. + o Na /HCO3:  Zuur-base cotransporter  Gelegen in de basolaterale membranen van bepaalde epitheelcellen. 6

o Na+/K+/Cl-:  Gebruikt gradiënt van Na+ om Cl- en K+ aan over te brengen.  Gelegen in veel non-epitheelcellen en in de basolaterale membraan van bepaalde epitheelcellen.  Kation-gekoppeld Cl- transport + o Na /Cl-:  Gelegen in de apicale membraan van het vroege distale tubulus van de nier.  Kan geblokkeerd worden door thiazide diuretica.  Kation-gekoppeld Cl- transport. o K+/Cl-:  Zorgt voor transport voor K+ en Cl- uit de cel  Kation-gekoppeld Cl- transport. + o H -gedreven cotransporter:  Gradiënt celinwaarts.  Gebruikt voor de opname van kleine peptides (in de renale proximale tubuli en dunne darm), lactaat (kan zoal binnen als buiten gaan), pyruvaat, andere monocarboxylaten, ijzerionen en andere divalente metaalionen. Antiporters: o Na+/Ca2+ (NCX): 3 natrium voor 1 calcium (Na+ met Na+-gradiënt mee) o Na+/H+ (NHE): 1 H+ voor 1 Na+ (9 verschillende NHEs)  Gelegen in bijna cel van het lichaam. vb: NHE1 voor regeling pH en celvolume, NHE3 speelt rol van secretie van zuur en opname van Na+ absorptie. + o Na -gedreven Cl-/HCO3 (NDCBE): 1 Na+ en 2 HCO3- voor 1 Cl Regeling pH  Elektroneutraal o Cl -HCO3- (AE  anion exchanger): 1 Cl- voor 1 HCO3 Betrokken bij het zuur-base transport.  Gelegen in bijna elke cel van het lichaam  AE1  transport HCO3 in een RBC in de long/ uit RBC in periferaal weefsel.  AE2/3  Cl- drijft uitdrijving van HCO3-  zuurteregeling pH. 14. Constant houden van ionenconcentraties: Door de Natrium-Kalium pomp worden 3 natriums naar buiten geduwt en worden 2 kaliums opgenomen  nettoflux is naar buiten  extracellulaire kant van het membraan blijft pos tov het intracellulaire deel.

1.3 Regelingen van ionenconentraties en celvolume, cel pH regeling en epithelen. 7

1. Verschillende vloeistof compartimenten van het lichaam a. Intracellulaire vloeistof (ICF) b. Extracellulaire vloeistof (ECF)  Bloedplasma  Interstitiële vloeistof  Transcellulaire vloeistof

15. Samenstelling van de lichaamsvloeistoffen en volume berekening. [Bij een 70-kg Man is +/- 42L TBW (60% van70kg)] c. ICF (60%/25L van TBW): Veel K en proteïnen, weinig Na /Cl /glucose. d. ECF (40%/17L van TBW): Veel Na /Cl /glucose en weinig K /proteïnen.  Bloedplasma: 20%/3L van ECF  Interstitiële vloeistof: 75%/13L van ECF  Transcellulaire vloeistof: 5%/1L van ECF +

+

+

-

-

+

16. Termen osmolar(l)iteit en toniciteit. Osmose: Proces op basis van diffusie waarbij een vloeistof met opgeloste deeltjes door een semipermeabel membraan vloeit en enkel de vloeistof doorlaat (de stof tegenhoud). d.w.z.  osmotisch werkzame deeltjes zijn de niet-permeabele deeltjes zoals bv. Na+ die de water moleculen door het semipermeabel membraan trekken. e. (totale) osmolariteit: passief transport van lage osmotische concentratie naar hoge osmotische concentratie (hoge H2O conc naar lage H2O conc). i. Osmotische concentratie is de totale concentratie opgeloste deeltjes in een oplossing (osmotische concentratie penetrerende + nietpenetrerende deeltjes) ii. Totale osmolariteit = som van de osmotische concentratie van elk deeltje. iii. Osmotische concentratie = C X (Molaire concentratie) + #deeltjes gevormd tijdens dissociatie (bv: glucose=1, NaCl~2, KCl~2, MgCl2~3). iv. Plasmatische osmolariteit ~ 290 mOsm/L f. Toniciteit (effectieve osmolariteit): i. Osmotische niet-penetrerende deeltjes.

8

17. Voorspellen hoe het volume van cellen verandert als ze ondergedompeld worden in oplossingen met membraan penetrerende en niet-penetrerende deeltjes.

Sit 1: volumes zijn gelijk maar molariteit (molaire concentratie) is bij A lager dan bij B  osmose van laag naar hoog. Sit 2: passief transport van H2O naar B  volume B ↑ Sit 3: extra druk nodig om volumes gelijk te krijgen. A. Initiële toestand.

9

B. Onderdompelen in oplossing 1,5 L van 145 mM NaCl in H2O  ECF zwelt 1,5 liter  Osmolariteit veranderd niet want Osm. van zoutoplossing: 145mM * 2 (deeltjes gevormd tijdens dissociatie) = 290 mOsm  dus B is finale toestand en osmolariteit veranderd niet.  Osmolariteit veranderd niet dus geen watertransport dus geen verandering in volume.

C.   

Onderdompelen in 1,5 pure H2O V veranderd: 17 L nr 18,5 #milliosmolen blijft constant: 4930 milliosmolen. 4930/18,5 = 266,486 mOsm

a. Osmolariteit moet constant blijven.  Transport van lage naar hoge osmolariteit of hoge H2O conc naar lage H2O conc.  Naar evenwicht: ECF en ICF = 280 mOsm  ECF krimpt met 0.9 L  4930/17,6 = 7250/25,9 = 280 mOsm

D. Toevoegen van 217,5 millimol pure NaCl.  #milliosmolen: 217,5 millimol * 2 deeltjes = 435 milliosmolen 10

 Totale #milliosmolen = 4930 + 435 = 5365 milliosmolen  Verhouding osmotisch actieve deeltjes / niet-actieve deeltjes veranderd  Osmolariteit = 5365 milliosmolen/ 17 L = 315,5 mOsm

a. Osmolariteit moet in evenwicht zijn  5365/(17+x)=7250/(25-x) (x=0,86 L ~ 0,9 L)  Osmolariteit= 5365/(17+0.86) ~ 300mOsm  Water verplaatsing van ICF naar ECF (~0,9 L)

18. Verschil hyper/iso/hypo – tonisch/osmotisch. Oplossing van 100 mM NaCl en 200 mM urea.  osmolariteit = 2*100 + 200 = 400 mOsm/L  hyper-osmotisch  toniciteit = 2*100 = 200 mOsm  hypotoon Oplossing van 125 mM NaCl en 50 mM urea.  osmolariteit = 2*125 + 50 = 300 mOsm/L  iso-osmotisch  toniciteit = 2*125 = 250 mOsm  hypotoon Oplossing van 0,9% NaCl.  iso-osmotisch  isotoon

11

Extreem hypotonisch zorgt voor lysis (uiteenspatten) 19. Donnan-evenwicht. A. Begin-omstandigheid  enkel chloor in ECF B. Chloor begint zich passief te verdelen door transport van NaCl tot de Nernstpotentiaal van Na+ en Cl- gelijk zijn (ENa=ECl).

Te wijten aan: -

Aanwezigheid negatief geladen eiwitten (Y-150) Niet permeabele macromoleculen

Verhoogt hydrostatische druk met stijve wanden.

12

20. Je kan de mechanismen die aangesproken worden wanneer een cel zwelt of krimpt, in acute en chronische omstandigheden toelichten. Wanneer een cel een externe invloed krijgt dat zwelling of krimping als gevolg kan helpen doet de Na+/K+ pomp osmotisch werk om dit tegen te werken. (tegenwerking Donnan krachten)

-

Respons cel krimping (regulatory volume increase of RVI) o Extracellulaire osmolariteit stijging  hypertone ECF (hypertoon: veel niet penetrerende deeltjes dus weinig water in ECF) o Hypertone ECF trekt water uit de cel  cel krimpt

RVI: activatie NHE1 (Na+ /H+ exchanger type 1) met als gevolg activatie van Cl-/HCO3- exchanger (CHE) (H2O en CO2 passief binnen cel en bindt tot H2CO3 maar is onstabiel en splitst in HCO3en H+ die dus gelijk uit de cel moeten). Of de NKCC1 isoform van de Na+ /K+/Cl- symporter. Resultaat is stijging Na+ en Cl- intracellulair  ICF wordt hypertonischer (verhoging osmolariteit) waardoor er water in de cel komt en het volume normaliseert.

-

13

Respons cel zwelling (regulatory volume increase of RVD) o Extracellulaire osmolariteit daling  hypotone ECF (hypotoon: veel penetrerende deeltjes dus veel water in ECF) o Hypotone ECF pompt water in de cel  cel zwelt

RVD: activatie Cl-- en K+-kanalen want hun elektrochemische gradiënt zijn naar buiten gericht. Daarnaast kan de Cl-/K+ symporter geactiveerd worden. Resultaat is stijging K+ en Cl- extracellulair  ICF wordt hypotonischer (verlaging osmolariteit) waardoor er water uit de cel gaat en het volume normaliseert.

21.

pH van de intra/extracellulaire matrix a. pHextracellulair : 7.4 b. pHintracellulair : 6.8

22. Oorsprong zuurproductie in het lichaam en de manieren waarop het lichaam die verwijdert. a. De Na+/H+ uitwisselaar wordt als een prototype zuur buitentreder (=extruder) gebruikt. Dit is een transporter die de intracellulaire pH wilt verhogen en dus zuur verwijderd uit de cel. b. De Cl-/HCO3- uitwisselaar brengt base uit de cel waardoor de intracellulaire matrix zuurder wordt.

23. Weten hoe de cel reageert tegen een zuur- of baseoverbelasting en je kan de invloed van de extracellulaire pH op de werking van de transporters toelichten. a. Bij een acute zuur lading (overload) moet is de passieve uitstroom van H+ niet genoeg om de pHi te reguleren dus moet deze wat de HCO3- exchanger binnenbrengt ook buiten krijgen. Daarnaast inhibeert een lage pHi de HCO3- exchanger. b. Bij een acute base lading (overload) is het een omgekeerd effect Hormonen, groeifactoren, oncogenen, cel volume, en de pHo kunnen allemaal de transporters moduleren die nodig zijn voor de pH-regulatie. Vooral de pHo is hier belangrijk 14

in, want als deze laag is wordt het herstel vertraagd. Een hoge pHo is dan beter om sneller een hogere pHi te bereiken. c. De pHo heeft ook een effect: ii. Hoge pHo (basisch) zorgt dat de Na+/H+ -exchanger makkelijker werkt (H+ wordt makkelijker opgenomen in basisch milieu) iii. Lage pHo (zurig) zorgt dat de Cl-/HCO3- -exchanger makkelijker werkt (HCO3- wordt makkelijker opgenomen in zurig milieu) 24. Functie, structuur en de samenstellende componenten van een epitheel: Structuur: Een epitheel is een ononderbroken reep van cellen die aan elkaar vasthangen door junctionele complexen (werken als selectief semipermeabele barrière). Apicaal membraan = brush border = mucosaal membraan (muceus) = luminaal (in of via een holte in een buis (ader-slagader) of een hol orgaan) membraan Basolateraal membraan = serosaal membraan (sereus) = peritubulair membraan (peritubulair is secundair of capillairen die een tubulus omvatten)

Functie: secretie, absorptie, transport tussen de epitheelcellen (meestal actief) en transport tussen intra en extracellulaire matrix.  Absorptie/secreti...