5 Regulation der intrazellulären Anionenkonzentration
Die Chloridregulation hängt von der Koordination mehrerer Prozesse ab (Abb. 2). Bestimmte Chlorid-Leckkanäle sollen die intrazelluläre Chloridkonzentration verringern, indem sie als Einwegventile fungieren. Diese Idee geht auf die Beobachtung zurück, dass Chloridkanäle wie ClC-2 (Gen clcn2) für Chlorid, das aus der Zelle austritt, durchlässiger sind als für Chlorid, das in die Zelle eintritt.35 Unabhängig von dieser unterschiedlichen Durchlässigkeit, die als Gleichrichtung bezeichnet wird, hängt die Richtung des Chloridflusses immer noch von der treibenden Chloridkraft ab. Das bedeutet, dass Chlorid selten, wenn überhaupt, die Möglichkeit hat, die Zelle über ClC-2 zu verlassen, da die treibende Kraft des Chlorids fast immer in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Da das „Ventil“ nicht perfekt ist, lassen die ClC-2-Kanäle Chlorid in die Zelle eindringen.36
Das Versagen der Kanäle, Chlorid aus der Zelle herauszulassen, unterstreicht die Notwendigkeit verschiedener Ionentransportmechanismen, die Chlorid gegen seinen Gradienten bewegen können.37 Cotransporter oder Symporter bewegen zwei oder mehr Ionenspezies in derselben Richtung durch die Zellmembran; Chlorid kann sich gegen seinen Gradienten bewegen, indem es ein anderes Ion, das sich seinen Gradienten hinunter bewegt, huckepack nimmt. Austauscher oder Antiporter bewirken praktisch dasselbe, indem sie die Bewegung von Ionenarten, die in entgegengesetzter Richtung durch die Membran fließen, koppeln. Der wichtigste Chloridexpressor in Neuronen ist der Kalium-Chlorid-Kotransporter 2 (KCC2) (Gen slc12a5). KCC2 lässt Chlorid im Huckepack mit Kalium-Ionen, die ihren Gradienten hinunter und aus der Zelle heraus fließen. Der Prozess ist aufgrund der 1:1-Stöchiometrie von Chlorid und Kalium elektroneutral. Der Prozess ist insofern nicht aktiv, als er nicht direkt die Hydrolyse von ATP beinhaltet (und daher nicht als Pumpen bezeichnet werden sollte); stattdessen ist der Prozess sekundär aktiv, da KCC2 auf den Kaliumgradienten angewiesen ist, der von der Natrium-Kalium-ATPase aufrechterhalten wird, die Kalium in die Zelle pumpt.
Der Natrium-Kalium-Chlorid-Kotransporter 1 oder NKCC1 (Gen slc12a2) ist ein weiterer wichtiger Faktor für die neuronale Chlorid-Homöostase. NKCC1 macht sich den Natriumgradienten zunutze, um Kalium und Chlorid in die Zelle zu transportieren, was zu einer hohen intrazellulären Chloridkonzentration führt. Dies ist natürlich das Gegenteil davon, wie KCC2 das Chlorid beeinflusst. Die relative Expression von NKCC1 und KCC2 bestimmt also die intrazelluläre Chloridkonzentration, ungeachtet der Auswirkungen der Chloridbelastung durch verschiedene Chloridkanäle, einschließlich aktivierter GABAA- und Glycin-Kanäle. Es sind mehrere Punkte zu beachten. Erstens wird NKCC1 früh in der Entwicklung stark exprimiert, während KCC2 nur schwach exprimiert wird, aber es findet ein Entwicklungswechsel statt, der im Erwachsenenalter zu einem umgekehrten Muster führt.38,39 Im Rückenmarkshorn der Ratte scheint Eanion seinen reifen Wert etwa zwei Wochen nach der Geburt zu erreichen,40 aber die volle Chloridextrusionskapazität wird erst drei bis vier Wochen nach der Geburt erreicht41; mit anderen Worten, die Chloridbelastung überwältigt die KCC2-vermittelte Chloridextrusion in jungen Neuronen leichter. Zweitens findet der Entwicklungswechsel nicht in primären afferenten Neuronen statt, was bedeutet, dass die NKCC1-Spiegel hoch bleiben, was zu hohen intrazellulären Chloridkonzentrationen in diesen Zellen führt.42,43 Drittens werden NKCC1 und KCC2 nicht einmal innerhalb eines einzigen Neurons gleichmäßig exprimiert, was zu hohen intrazellulären Chloridkonzentrationen in einem Kompartiment (z. B. dem Anfangssegment des Axons) und niedrigen intrazellulären Chloridkonzentrationen in anderen Kompartimenten (z. B. dem Soma und den Dendriten) führen kann.44,45 Und schließlich kann die normale adulte KCC2-Expression pathologisch verändert sein (Abschnitt 8).
Es muss erwähnt werden, wie elektrophysiologische Ableitungen durchgeführt werden, da dies (absichtlich oder unabsichtlich) zu Veränderungen der intrazellulären Chloridkonzentration führen kann. Bei der Ganzzell-Patch-Clamp-Technik wird die Zellmembran aufgerissen, um einen elektrischen Zugang zur Zelle zu erhalten, nachdem die Patch-Pipette mit der Zellmembran versiegelt wurde; folglich wird das Zytosol mit der Pipettenlösung dialysiert. Die Pipettierlösung wird oft so konzipiert, dass sie eine Chloridkonzentration aufweist, die dem natürlichen intrazellulären Niveau nahe kommt, manchmal hat sie aber auch absichtlich eine hohe Chloridkonzentration, um die Chloridantriebskraft zu erhöhen (z. B. um den Nachweis kleiner hemmender postsynaptischer Ströme zu erleichtern). Beide Ansätze sind je nach Fragestellung akzeptabel. In beiden Fällen bedeutet die Dialyse der Zelle jedoch, dass das intrazelluläre Chlorid effektiv auf oder nahe dem Chloridspiegel in der Pipettenlösung gehalten wird, was für die Messung des natürlichen Chloridspiegels in der Zelle natürlich nicht geeignet ist. Dieses Problem kann durch die Verwendung der Lochpflastertechnik gelöst werden.46 Abgesehen davon kann die Dialyse der Zelle verwendet werden, um die Extrusionskapazität zu testen, indem festgestellt wird, ob die intrazelluläre Chloridkonzentration mit der Pipettenkonzentration im Gleichgewicht ist oder ob die Zelle aufgrund ihrer Extrusionsmechanismen einen niedrigeren Wert aufrechterhalten kann.47,48 Außerdem wird das Membranpotenzial bei der Spannungsklemmung abrupt verändert und auf willkürlich gewählten Werten gehalten, was zu sehr unnatürlichen Chloridantriebskräften führen kann. Wie von Ratté und Prescott erläutert,36 müssen solche experimentellen Details sorgfältig berücksichtigt werden, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.
Wie bereits erwähnt, fließt Bikarbonat durch aktivierte GABAA- und Glycinrezeptoren aus. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Bicarbonat-Efflux zu einer extrazellulären Akkumulation führt, ist angesichts der relativ ungehinderten Diffusion von Bicarbonat im Extrazellulärraum gering, aber der Bicarbonat-Efflux kann den intrazellulären Bicarbonatspiegel senken und einen pH-Abfall verursachen.49 Unter normalen Bedingungen tritt dies jedoch in der Regel nicht auf, da intrazelluläres Bikarbonat durch die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Bikarbonat und Protonen durch das Enzym Kohlensäureanhydrase wieder aufgefüllt wird; als Gas diffundiert Kohlendioxid frei durch die Zellmembran. Intrazelluläres Bikarbonat kann durch die Blockade der Karbonatanhydrase durch Acetazolamid32 , das in der Tat schmerzlindernde Wirkungen haben kann (Abschnitt 9), abgebaut (und damit der Ausfluss eingeschränkt) werden. An der Regulierung des pH-Werts sind weitere chemische Reaktionen und Transportmechanismen beteiligt, und Bicarbonat selbst kann im Austausch gegen Chlorid durch die Zellmembran geschleust werden.50