Warum verwenden menschliche Neuronen Natrium- und Kaliumionen, um den elektrochemischen Gradienten zu erzeugen, der zum Membranpotential führt? Warum nicht andere Ionen?

Der Grund für Natrium- und Kaliumionen liegt darin, dass dies bereits der Fall war, als sich Neuronen entwickelten.

Die Verwendung von Natrium- und Kaliumionen zur Schaffung eines zellulären Membranpotentials ist ein Mechanismus, der eine Milliarde Jahre zurückreicht und in nahezu allen eukaryotischen Zellen existiert, einschließlich Zellen aller Art in Fischen, Bäumen, Schnecken usw. Siehe: Membranpotential

Die Verwendung des Membranpotentials zur Erzeugung und Übertragung von Signalen ist für Neuronen ziemlich einzigartig, aber gilt für alle Neuronen, nicht nur für menschliche Neuronen. Dies zeigte sich wahrscheinlich vor 600 Millionen Jahren mit der Entwicklung der ersten Neuronen.

Warum diese besonderen Ionen?

Das Leben entwickelte sich aus dem Ozean, und Salz (Natriumchlorid und Kaliumchlorid) ist im Ozean vorherrschend, weshalb Meerwasser salzig ist.

Der Ozean hat 40x mehr Natriumionen als Kalium; daher ist die extrazelluläre Na + -Konzentration hoch (die nach außen zum Ozean gerichtete Seite); Die Zelle versucht, Natrium draußen zu halten.

Da Kalium im Ozean relativ seltener ist, ist es für die Zelle sinnvoller, Kalium in der Zelle zu binden.

Aus Wikipedia:

Diese Grundeinstellung mit Natrium auf der Außenseite und Kalium auf der Innenseite der Zellen wurde lange vor der Entwicklung multizellulärer Organismen etabliert.

Als Neuronen auf den Plan traten, wurde dieser Ausgangspunkt als Signalmechanismus genutzt, um erregbare Zellen zu erzeugen – Zellen, deren Membranpotentiale sich als Signalmechanismus verändern können.

verbunden
Wie hat sich das Gehirn seit Beginn des Lebens entwickelt?
Warum tragen Neuronen keine Signale in beide Richtungen?
Was sind die Grundlagen der Gehirnchemie?

Die Antwort auf Ihre erste Frage lautet: Weil Natrium und Kalium die am häufigsten vorkommenden einwertigen Mineralkationen in der Biosphäre der Erde sind. Kalium ist in den Erdkrusten und in den Schlämmen, in denen das erste einzellige Leben entstand, sehr reichlich vorhanden. Und Natrium ist in den Ozeanen der Erde, wo sich die ersten vielzelligen Lebensformen entwickelten, sehr zahlreich. Daher das hohe Natrium im Blut und das hohe Kalium in Zellen und Organellen.

Die Antwort auf Ihre zweite Frage: andere Ionen werden verwendet. Magnesium und Kalzium. Dies sind reichlich Mineralkationen, die zweiwertig sind. Die Exzitotoxizität von glutametergetischen Neuronen wird durch den elektrochemischen Kalziumgradienten in seiner Beziehung zum Magnesiumgradienten und zur Ionenpumpkapazität verursacht.

Warum werden Lithium und Beryllium NICHT verwendet? Zwei Gründe. Lithium hat zu viel sp2-Hybridisierung und bildet zu leicht Bindungen mit anderen Biomolekülen; Es ist nicht “locker” genug, um durch Ionenkanäle zu fließen, ohne zu kleben. Beryllium ist zufällig ziemlich selten und hat die gleichen sp2-Hybridisierungs- und Klebrigkeitsprobleme. Im Gegensatz zu reichlich Lithium ist seltenes Beryllium ziemlich toxisch für die metabolischen Systeme der Erde.

Wenn Sie eine ausführliche Diskussion dieses Themas möchten, lesen Sie “Die natürliche Auswahl der chemischen Elemente” von RJP Williams und JJR Frausto da Silva. Teil II ist besonders faszinierend.

Gute Jagd.

Der aktive Transport verwendet die Hydrolyse von ATP, um 3 Natriumionen aus der Membran zu entfernen, die das Axon des Neurons bildet, während 2 Kaliumionen zurückgelassen werden, wodurch eine hohe Konzentration an Natriumionen und eine positive Nettoladung außerhalb der Zelle erzeugt werden. Dies ist das Ruhepotential, bei dem die Ladungsdifferenz und die erhöhte Konzentration einen Grenzwert erreichen.

Eine elektrische Entladung, die einen Wert aufweist, der größer als ein Schwellenpotential ist, bewirkt, dass sich Ionenkanäle öffnen, was einen Einstrom von Natriumionen und einen Ausfluss von Kaliumionen erzeugt, Unterschiede in den Konzentrationen und Bewegungsraten der Ionen erzeugen jedoch eine Inversion der Ruhepotentialladung. Dies ist Aktionspotential: Die Membran wird als depolarisiert bezeichnet.

Das Aktionspotential ist das Signal für ein weiteres Aktionspotential entlang des Axons.

Ein aktiver Transport von Ionen in der gerade depolarisierten Membran ist erforderlich, um das Ruhepotential wiederherzustellen.

McGraw-Hill macht ein paar nette Animationen:

Natrium-Kalium-Pumpe: Wie funktioniert die Natrium-Kalium-Pumpe?

Aktionspotential: Der Nervenimpuls

Das ist eine gute Frage, und keine, die wahrscheinlich eine definitive Antwort hat. Um darüber zu spekulieren, würde ich vermuten, dass es sich auf den vorgeschlagenen Ursprung des Lebens im Meer bezieht. Es gibt eine interessante Tatsache, dass die extrazelluläre Flüssigkeitszusammensetzung vieler Landtiere dem Meerwasser sehr ähnlich ist, nur verdünnter. Einige wirbellose Wassertiere haben tatsächlich extrazelluläre Flüssigkeit, die genau die Zusammensetzung von Meerwasser ist.

Also im Falle von Natrium (Na) und Kalium (K):

Ungefähres Meerwasser: Na = 469 MilliOsmol / L (mOsm / L) und K = etwa 10 mOsm / L

Ungefähre extrazelluläre Flüssigkeit: Na = 145 mOsm / L und K = etwa 4,5 mOsm / L

Ziemlich anders, oder? Aber schauen wir uns die prozentuale Gesamtionenkonzentration an, die Na und K jeweils ausmachen:

Meerwasser: Na = 46% und K = 2,5%

Extrazelluläre Flüssigkeit: Na = 53% und K = 3,5% …

Übrigens sind Natrium und Chlorid die am häufigsten vorkommenden Ionen sowohl im Meerwasser als auch in der extrazellulären Flüssigkeit. Kalium ist in Meerwasser und extrazellulärer Flüssigkeit relativ niedrig, in einigen Zellen jedoch ziemlich hoch.

Ich weiß, dass dies alles ziemlich anekdotisch ist, aber die Idee wäre, dass bestimmte hochkonservierte Enzyme wie die Na / K-ATPase-Pumpe, Mitglieder der Natriumkanal-Familie usw. sich in einer flüssigen Umgebung entwickelten, die diese Ionenzusammensetzungsanteile aufwies. Terrestrische Organismen entwickelten sich mit diesen Strukturen in ihrer zellulären “Werkzeugkiste” und mussten homöostatische Bedingungen aufrechterhalten, die sie unterstützen. Das ist ein Schlüsselmerkmal der Evolutionstheorie, nichts entsteht ex nihilo (aus dem Nichts), es baut auf früheren Strukturen auf durch Abstieg mit Modifikation.

Das letzte, was zu beachten ist, ist, dass alle Zellen Membranpotentiale haben, die Schwingungen erfahren. Wir nennen es Aktionspotential, wenn die Dynamik relativ dramatisch ist und in einer quantifizierbaren Aktion wie synaptischer Übertragung oder Muskelkontraktion gipfelt. Die Ionen, die zu Depolarisation und Repolarisation führen, sind stark von der Kanal / Pumpen-Expression und den Aktivitäten für eine gegebene Zelle abhängig.