Doc. dr. sc. med Dejan G. Čubrilo Katedra za biomedicinske nauke u sportu

1. Doc. dr. sc. med Dejan G. Čubrilo Katedra za biomedicinske nauke u sportu Fakultet za sport i turizam, Novi Sad • Primarna hipokalijemična periodična paraliza skeletnih mišića Džimi Stanić (JS) ima 16 godina i želi da se bavi atletikom (trčanjem na 100 i 200 m) i da ispuni nadu roditelja. Međutim, u poslednje vreme posle treninga odnosno šprinta, osećao je ekstremnu malaksalost, a noge kao da se oduzmu i postanu drvene. Uzimanjem hrane, posebno ugljenih hidrata, stanje se pogoršalo. Dešavalo se da neposredno posle uzimanja šećera, Džimi ne može da hoda, već mora da bude prenet na nosilima sa staze. Džimijevi roditelji su bili veoma zabrinuti i konsultovali su pedijatra i sportskog fiziologa. Pri rutinskom pregledu i laboratoriji, elektrolitni nalaz je bio normalan, uključujući i serumsku koncentraciju K+ jona (4,5 mmol/L). Međutim, pošto je sportski fiziolog posumnjao u K+ kao uzročnika problema, merenje K+ je ponovljeno odmah posle doziranog opterećenja tredmiltestom. Nađena vrednost koncentracije K+ u serumu bila je alarmantno niska (2,2 mmol/L). Konačno je postavljena dijagnoza ovog urođenog poremećaja: primarna hipokalijemična periodična paraliza.

2. Pitanja: Šta? Koji? ali i Kako? Zašto? Šta znate o normalnoj distribuciji K+ između intracelularne (ICT) i ekstracelularne (ECT) tečnosti? U kom odeljku životne sredine je K+ najviše lokalizovano? Kolika je koncentracija K+ u ICT i ECT? Koji glavni faktori (hormoni i lekovi) mogu narušiti distribuciju K+ između ICT i ECT? Kakva veza postoji između koncentracije K+ u serumu i membranskog potencijala ekscitabilnih ćelija (npr. nerava i skeletnih mišića)? Na koji način smanjenje koncentracije K+ u serumu menja mirovni membranski potencijal (MMP) skeletnih mišića? Dajte svoju pretpostavku i objašnjenje mehanizma malaksalosti skeletnih mišića pri smanjenju koncentracije K+ u serumu, odnosno ECT. Zašto se Džimijeva malaksalost javlja posle fizičkog vežbanja, odnosno sportskog treninga i zašto se ta malaksalost pogoršava (egzacerbira) posle uzimanja ugljenih hidrata? Kako i zašto će suplementacija K+ popraviti njegovo stanje? Primarna hiperkalijemija - periodična paraliza je takođe nasledni poremećaj koji se karakteriše inicijalnim periodom spontanih mišićnih kontrakcija (spazma) koji su praćeni prolongiranom malaksalošću mišića.

3. Odgovori, objašnjenja i otvorena diskusija sa STUDENTIMA • Većina K+ je lokalizovana u ICT, pa je K+ majoritetni intracelularni jon. Intracelularna (ICT) koncentracija K+ (oko 150 mmol/L) je oko 30 puta viša nego ekstracelularna (ECT) koncentracija K+ (4-5 mmol/L). Asimetrična distribucija K+ održava se sistemom Na+ - K+ ATPaze. Ova elektrogena pumpa je presudna u plazma membranama svih ćelija. • Više faktora, uključujući hormone i lekove, mogu poremetiti distribuciju K+ između ICT i ECT. Ta redistribucija naziva se POMAK K+ i označava pomak iz ECT u ICT, i obrnuto. Budući da je koncentracija K+ u ECT veoma mala (4-5 mmol/L), svaki pomak K+ može izazvati značajne promene u koncentraciji K+ u ECT, odnosno serumu.

4. Najvažniji faktori koji uzrokuju pomak K+ u ćeliju (iz ECT u ICT) su insulin, betaadrenergički agonisti (npr. adrenalin, noradrenalin) i alkalemija (alkaloza >pH). Glavni faktori koji uzrokuju pomak K+ iz ćelije (ICT u ECT) su nedostatak insulina, betaadrenergički antagonisti, fizičko vežbanje, hipeposmolalnost, liza ćelija i acidemija (acidoza<pH). Dakle, insulin može dovesti do hipokalijemije, a mišićni rad (fizičko vežbanje) do lokalne, tranzitorne hiperkalijemije. ATPsenzitivni kalijumovi (KATP) kanali su veoma važni, jer verovatnoća da oni budu otvoreni zavisi od metaboličkog stanja ćelije. KATP kanali su zatvoreni kada je visok odnos ATP/ADP, a otvoreni kao odgovor na smanjenje ATP i povećanje ADP stepena. Ova aktivnost KATP kanala predstavlja snažni kontrolni mehanizam celularne ekscitabilnosti. Funkcionalna uloga KATP kanala može se najbolje razumeti na primeru beta ćelija pankreasa, gde ovi kanali povezuju stepen glukoze u krvi sa sekrecijom insulina. Zapamtite da su KATP kanali beta ćelija esencijalni senzori promene koncentracije glukoze u krvi. Analogno tome, KATP kanali neurona, posebno u hipotalamusu, su uključeni u neuroendokrinoj kontroli homeostaze glukoze. Aktivacija KATP kanala dovodi do hiperpolarizacije i smanjenja ekscitabilnosti ćelije.

5. 3. U miru (tj. između akcionih potencijala), membrana nerva i mišića je veoma propustljiva za K+. Postoji i veliki koncentracioni gradijent K+ kroz ćelijsku membranu (nastalo radom Na+- K+ ATPaza) i tendencija K+ da difunduje iz ćelije. Taj difuzioni, odnosno ekvilibrijum potencijal K+ (izračunat Nernstovom jednačinom za dati koncentracioni gradijent K+) je blizu MMP. Dakle, svaka promena K+ koncentracije dovodi i do promene ekvilibrijum potencijala za K+, odnosno membranskog mirovnog potencijala (MMP). Što je manja koncentracija K+ u serumu, to je veći koncentracioni gradijent K+ sa jedne i druge strane membrane i veća negativnost (hiperpolarizacija) K+ ekvilibrijum potencijala. Ako je veća negativnost K+ ekvilibrijum potencijala, veća je i negativnost MMP. 4. Kako i zašto smanjena koncentracija K+ u serumu dovodi do hiperpolarizacije, odnosno veće negativnosti MMP skeletnih mišića? Manja koncentracija K+ u serumu, veći koncentracioni gradijent K+ sa unutrašnje i spoljne strane ćelijske membrane i veći, odnosno negativniji ekvilibrijum potencijal K+. Budući da je konduktivnost za K+ u miru skeletnih mišića veoma visoka, MMP će pratiti porast negativnosti ekvilibrijum potencijala K+.

6. 5. Da bi se odgovorilo na pitanje zašto je Džimi osećao jaku malaksalost, potrebno je dobro razumeti sve događaje koji su odgovorni za pomak K+ promene MMP i AP, kao i dejstvo insulina i transport glukoze u skeletnim mišićima. Akcioni potencijal (AP) u skeletnom mišiću je veoma brz (traje oko 1ms) i sastoji se od ushodnog dela - depolarizacije, koju prati repolarizacija. MMP iznosi oko -70 mV u nervu, a između -80 i -90 mV i mišićnom tkivu. U miru je ćelijska membrana oko 100 puta propustljivija za K+ nego za Na+, zbog čega je MMP daleko od ekvilibrijum potencijala za Na+ (+65 mV), dok je veoma blizu ekvilibrijum potencijalu za K+ (-85 mV). AP je iniciran ulaznom strujom (ulazom pozitivnih jona u miocit), pa dolazi do blage depolarizacije membrane miocita. Kada se membrana miocita depolarizuje do pragovnog potencijala (oko -60 mV), otvaraju se voltažno zavisni brzi Na+ kanali. Rezultat toga je porast konduktivnosti Na+ (gNa+), koja je čak veća od konduktanse K+. Ovaj brz porast propustljivosti membrane Na+ proizvodi ulaznu Na+ struju i dalju depolarizaciju membranskog potencijala prema ekvilibrijum potencijalu za Na+, čime se konstituiše uzlazna kriva AP. Uzlazna kriva se smenjuje repolarizacijom do mirovnog membranskog potencijala. Uzrok repolarizacije su dva nešto sporija događaja: a) zatvaranje inaktiviranih Na+ kanala, i b) povećanje K+ konduktanse, čime se vraća membranski potencijal prema K+ ekvilibrijum potencijalu. Konačno, koristeći ovaj fiziološki koncept i put u rešavanju problema, može se objasniti Džimijevo stanje i slabost skeletnih mišića (periodična paraliza) usled hipokalijemije. Smanjenje koncentracije K+ u krvi dovodi do povećanja negativnosti kako K+ ekvilibrijum potencijala tako i MMP. Zbog hiperpolarizacije, ekscitabilnost miocita je manja i otežano je okidanje AP. Bez AP ne mogu se kontrahovati Džimijevi skeletni mišići, i zbog toga on oseća slabost mišića do paralize.

7. 6. Zašto se Džimijeve periodične paralize javljaju posle napornog treninga i zašto se stanje pogoršava (egzacerbira) pri uzimanju ugljenih hidrata. Poznato je da pri fizičkom vežbanju dolazi do pomaka K+ iz ICT u ECT. To može takođe dovesti do tranzitnog lokalnog povećanja koncentracije K+ u ECT (što je jedan od faktora koji dovodi do povećanja protoka krvi kroz mišić pri vežbanju). Posle vežbanja normalno dolazi do reakumulacije K+ u ćelije skeletnog mišića. Međutim, s obzirom na Džimijev urođeni poremećaj, ova reakumulacija K+ je preteranai dovodi do hipokalijemije. Ingestija UH dovodi do egzacerbacije mišićne slabosti, jer glukoza stimuliše sekreciju insulina koji uzrokuje ulazak K+ u ćeliju i dovodi do hipokalijemije. Veličina olakšane difuzije glukoze može se povećati u skeletnim mišićima i srcu 10 do 20 puta dejstvom insulina. Glukoza se transportuje kroz ćelijske membrane uz pomoć proteinskih transportera glukoze (nosača - glut 1-7). U masnom tkivu, srcu i skeletnim mišićima zastupljen je Glut 4, koji je veoma osetljiv na insulin. Ukratko, uzimanjem UH dolazi do povećane koncentracije glukoze, što je stimulus za povećano lučenje insulina, a ovaj hormon povećava ulazak glukoze i K+ u ćelije. Glukoza - stimulacijom olakšane difuzije (Glut 4), a K+- stimulacijom Na+-K+ ATPazne pumpe.

8. JETRA Deponovana glukoza kao GLIKOGEN Adipozno tkivo Sinteza MASTI Skeletni mišići Sinteza PROTEINA GLUKOZA Insulin Aminokiseline Masne kiseline NALAZ U KRVI Glukoza  Aminokiseline  Masne kiseline  Insulin redukuje koncentraciju glukoze u krvi stimulacijom ulaska glukoze u mišiće i masno tkivo (Glut 4), kao i inhibicijom formiranja i oslobađanja glukoze iz jetre. Insulin (vidi sliku) redukuje stepen glukoze u krvi, jer stimuliše ulazak glukoze (Glut 4) u ćelije skeletnih mišića i masnog tkiva. Pored toga, insulin stimuliše intracelularnu konverziju glukoze u glikogen jetre, kao i glukoneogenezu. Insulin, takođe, smanjuje nivo masnih kiselina i aminokiselina u krvi, jer povećava deponovanje masnih kiselina u adipoznom tkivu inhibicijom njihovog oslobađanja i razlaganja, odnosno stimulacijom preuzimanja aminokiselina i sinteze proteina u mišićnim ćelijama. Isto tako, insulin sprečava povećanje koncentracije K+ u krvi, stimulacijom većeg preuzimanja ovog jona od strane tkiva kroz stimulaciju Na+-K+-ATPazne pumpe. Insulin ispoljava ove metaboličke efekte stimulacijom svojih tirozin kinaza receptora u membrani ćelije i inicijacijom signalne kaskade dovodi do fosforilizacije proteina.

9. 7. Suplementacija K+ obezbeđuje više K+ u ECT, kao protivtežu većeg ulaska K+ u miocit posle fizičkog vežbanja. Kada doktor shvati fiziološku bazu Džimijevog problema, a to je veliki pomak K+ u ćeliju posle sportskog treninga, onda je problem rešiv, jer ako nema rešenja, nema ni problema. Davanjem kalijuma može se preventivno sprečiti smanjenje koncentracije K+ u serumu, odnosno hipokalijemija posle fizičkog opterećenja. 8. Posle opisane hipokalijemične paralize, opisan je još jedan urođeni poremećaj nazvan primarna hiperkalijemična periodična paraliza, koja dovodi do slabosti skeletnih mišića. Međutim, ovoj slabosti prethode spazmi mišića. Kroz ovaj primer želim da zapazite od kolike je važnosti čuvanje homeostaze K+ i kako se svi događaji mogu objasniti kroz događaje akcionog potencijala mišića. Kako objasniti hiperaktivnost, odnosno inicijalne spazme u osoba sa hiperkalijemijom? Pri povećanoj koncentraciji K+, u serumu dolazi do smanjenja negativnosti K+ ekvilibrijum potencijala, što znači da se MMP približava pragovnom potencijalu okidanja, pa je dovoljna mala ulazna struja da dovede do AP.

10. Nešto je teže razumeti zašto je inicijalna faza hiperaktivnosti mišića (spazam) praćena prolongiranom slabošću skeletnih mišića. Ako je membranski potencijal redukovan do kritičnog nivoa, tj. pragovnog potencijala (oko -60 mV), dolazi do generisanja AP, ali se ne nastavlja spontano okidanje AP. Odgovor leži u ponašanju regulacijskih vrata (m i h) Na+ kanala, a vrata zatvaraju ekstracelularnu stranu Na+ kanala, a i vrata intracelularnu stranu Na+ kanala. Aktivaciona vrata (a vrata) Na+ kanala se otvaraju u odgovoru na depolarizaciju. Ova vrata su odgovorna za strmi, uzlazni deo i vrh šiljkaAP. Da bi Na+ mogao da difunduje kroz svoj kanal, moraju se otvoriti i m i h vrata. Međutim, inaktivaciona vrata (h vrata) Na+ kanala se zatvaraju u odgovoru na depolarizaciju, ali znatno sporije nego što se aktivaciona vrata otvaraju. Prema tome, u odgovoru na prolongiranu depolarizaciju, kao što je to slučaj u hiperkalijemiji, inaktivaciona vrata (h vrata) Na+ kanala se zatvaraju i ostaju zatvorena. Kada su inaktivaciona vrata (h) zatvorena, Na+ kanali su zatvoreni, bez obzira na poziciju aktivacionih vrata (m). Za nastanak uzlaznog dela i šiljka akcionog potencijala (AP) moraju biti otvorena i m i h vrata Na+ kanala. Ako su inaktivaciona vrata zatvorena, ne može doći do okidanja AP, pa samim tim ni do kontrakcije mišića. To je razlog slabosti mišića. (Za bliža objašnjenja konsultuj poglavlje 10). Nadam se da je sada znatno jasnija pojava spazma, slabosti i periodičnih paraliza u osoba sa hiperkalijemijom.