Iona Twaddell looks at the science

Iona Twaddell looks at the science of the waterborne disease cholera
There are an estimated 3–5 million cases of cholera, a disease caused by the bacterium Vibrio cholera, each year. It is passed on through drinking water that has been contaminated with faeces from someone infected with the bacteria. Cholera causes vomiting and diarrhoea, leading to severe dehydration.

What are ion channels?

Ion channels are membrane proteins that, when open, allow ions (charged atoms) to pass through them into or out of the cell. Several different things can open ion channels: some ion channels open because of changes in voltage, and others open because of a chemical (ligand) binding to them. In cholera, dehydration occurs because of chloride ion channels.

A type of chloride ion channel called the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) normally pumps chloride ions out of cells. In small intestine cells the CFTR channel is used to adjust water levels: a higher concentration of chloride ions outside the cell will cause water to leave by osmosis. Cholera disrupts this process.

How does cholera affect ion channels?

The cholera bacteria produce a toxin that is made of six protein subunits. The cholera toxin binds to receptors on cells in the wall of the small intestine and activates cyclic AMP (cyclic adenosine monophosphate, a messenger molecule), increasing the number of cyclic AMP molecules in the cell.

As CFTR channels are activated by cyclic AMP, the increased concentration of cyclic AMP causes the CFTR channels to open and stay open. They pump chloride ions (Cl-) out of the cell into the lumen (the inside of the small intestine tube). Sodium ions (Na+) are attracted to the negative chloride ions, so they also leave the cell.

With more ions in the lumen, the lumen has a lower water potential. This makes water leave the cells lining the lumen by osmosis, down the concentration gradient. The cells lose a lot of water, which causes severe dehydration, and the increased water in the small intestine causes watery diarrhoea and vomiting.

How do you treat cholera?

Oral rehydration therapy treats the dehydration caused by cholera. During severe diarrhoea, the body loses a lot of water and some essential ions. Patients are given oral rehydration solution, which contains mainly water along with some ions that the body might have lost through diarrhoea, such as potassium.

Oral rehydration solution also contains glucose. This provides energy and helps the sodium–glucose cotransporter protein, which absorbs sodium into the cell much better if glucose is also present. The glucose in the oral rehydration solution ensures that the protein will bring as much sodium as possible into the cell. Bringing more sodium into the cell reduces its water potential, causing water to re-enter the cell from the lumen by osmosis.

What do cholera and cystic fibrosis have in common?

The CFTR channel is also involved in cystic fibrosis (as you might have guessed from its name). However, in cystic fibrosis the CFTR proteins are ineffective and don’t open, leading to the opposite situation to that which occurs in cholera.

In cystic fibrosis, chloride ions build up in the cells instead of moving out through the channels, so water doesn’t move out by osmosis. This is a problem because in the cells most affected, the water is needed outside the cells to dilute mucus. This mucus lines the tubes of most systems, including the respiratory, digestive and reproductive systems. Without dilution, the mucus blocks these passageways and causes severe problems.

Cystic fibrosis is caused by a genetic mutation, and this mutation might actually protect against cholera. A cystic fibrosis mutation that causes an incorrectly shaped CFTR channel would reduce the effects of cholera because it would prevent so many chloride ions leaving the cell and building up in the lumen.

When was cholera discovered?

Cholera has an interesting history. Although humans have been getting cholera since the times of ancient Greece, the fact that cholera is caused by contaminated water wasn’t discovered until the 1850s when John Snow investigated a cholera epidemic in London.

Epidemiology is the study of the patterns of disease. John Snow was one of the first people to look at patterns of disease in the modern era – for this, he is known as the father of (modern) epidemiology.

In 1854 he mapped out where the people who got cholera lived, and he realised that they all lived clustered around a certain water pump: the Broad Street pump. Snow took the handle off the pump, which prevented people from using it, and the cholera outbreak stopped. It was later discovered that sewage had infected the pump, leading to the cholera cases. Snow’s systematic observation had helped uncover the cause of cholera, even before anyone knew about the bacteria involved.

Kết quả (Việt) 2:

Iona Twaddell nhìn khoa học về các bệnh tả bệnh đường nước
có khoảng 3-5 triệu trường hợp mắc tả, một căn bệnh gây ra bởi vi khuẩn Vibrio tả, mỗi năm. Nó được truyền qua nước uống đã bị ô nhiễm với phân từ một ai đó bị nhiễm vi khuẩn. Bệnh tả gây nôn mửa và tiêu chảy, dẫn đến tình trạng mất nước nghiêm trọng. Kênh ion là gì? Kênh Ion là các protein màng, khi mở cửa, cho phép các ion (nguyên tử tích điện) để đi qua chúng vào hoặc ra khỏi tế bào. Một số thứ khác nhau có thể mở các kênh ion: một số kênh ion mở vì những thay đổi trong điện áp, và những người khác mở vì một hóa chất (ligand) ràng buộc với họ. Trong bệnh tả, mất nước xảy ra bởi vì các kênh ion clorua. Một loại kênh ion clorua được gọi là điều độ dẫn nang màng xơ (CFTR) thường bơm ion clorua ra khỏi tế bào. Trong các tế bào ruột non kênh CFTR được sử dụng để điều chỉnh mực nước: một nồng độ cao của các ion clorua bên ngoài tế bào sẽ làm cho nước lại bằng cách thẩm thấu. Bệnh tả gây rối loạn quá trình này. Làm thế nào để tả ảnh hưởng đến các kênh ion? Các vi khuẩn tả ra độc tố, được làm từ sáu tiểu đơn vị protein. Độc tố dịch tả liên kết với thụ thể trên tế bào trong các bức tường của ruột non và kích hoạt AMP vòng (monophosphate adenosine theo chu kỳ, một phân tử truyền tin), tăng số lượng các phân tử AMP vòng trong tế bào. Là kênh CFTR được kích hoạt bởi cyclic AMP, các tăng nồng độ của cyclic AMP gây ra các kênh CFTR để mở và ở lại mở. Họ bơm ion clorua (Cl-) ra khỏi tế bào vào lòng ống (bên trong ống ruột non). Ion natri (Na +) được thu hút vào các ion clorua tiêu cực, do đó, họ cũng để lại các tế bào. Với các ion ở những lumen, lumen có một tiềm năng nước dưới. Điều này làm cho nước khỏi các tế bào lót lumen bằng cách thẩm thấu, giảm gradient nồng độ. Các tế bào mất rất nhiều nước, gây mất nước nghiêm trọng, và các nước tăng lên trong ruột non gây ra tiêu chảy và nôn mửa. Làm thế nào để bạn đối xử với bệnh tả? Liệu pháp bù nước đường uống đối xử với các tình trạng mất nước gây ra bởi bệnh tả. Trong thời gian bị tiêu chảy nặng, cơ thể mất nhiều nước và một số các ion thiết yếu. Bệnh nhân được đưa ra giải pháp bù nước đường uống, chứa chủ yếu là nước cùng với một số ion mà cơ thể có thể đã bị mất thông qua tiêu chảy, chẳng hạn như kali. Dung dịch bù nước uống cũng chứa glucose. Điều này cung cấp năng lượng và giúp các protein cotransporter natri-glucose, chất này hấp thụ natri vào tế bào tốt hơn nhiều nếu glucose cũng có mặt. Các glucose trong dung dịch bù nước đường uống đảm bảo rằng các protein sẽ mang lại nhiều natri có thể vào trong tế bào. Đưa natri nhiều hơn vào các tế bào làm giảm tiềm năng nước của nó, khiến nước nhập lại các tế bào từ các lumen bằng cách thẩm thấu. Những gì bệnh tả và bệnh xơ nang có điểm chung? Cũng Kênh CFTR liên quan đến xơ nang (như bạn có thể đoán từ tên của nó). Tuy nhiên, ở bệnh nhân xơ nang các protein CFTR là không hiệu quả và không mở, dẫn đến tình trạng ngược lại cho rằng đó xảy ra trong bệnh tả. Trong bệnh xơ nang, các ion clorua tích tụ trong tế bào thay vì di chuyển ra ngoài thông qua các kênh, do đó doesn nước 't di chuyển ra bằng cách thẩm thấu. Đây là một vấn đề bởi vì trong các tế bào bị ảnh hưởng nhất, các nước là cần thiết bên ngoài tế bào để làm loãng chất nhầy. Dòng chất nhầy này các ống của hầu hết hệ thống, bao gồm cả đường hô hấp, tiêu hóa và hệ thống sinh sản. Không pha loãng, các khối nhầy những lối đi và gây ra vấn đề nghiêm trọng. Xơ nang là do một đột biến di truyền, đột biến và điều này thực sự có thể bảo vệ chống lại bệnh tả. Một sự đột biến xơ nang gây ra một kênh CFTR hình không đúng cách sẽ làm giảm tác dụng của dịch tả vì nó sẽ ngăn chặn rất nhiều các ion clorua để lại các tế bào và xây dựng lên trong lòng. Khi được phát hiện bệnh tả? Bệnh tả có một lịch sử thú vị. Mặc dù con người đã được nhận dịch tả kể từ thời Hy Lạp cổ đại, thực tế là dịch tả là do nước bị ô nhiễm không được phát hiện cho đến năm 1850 khi John Snow điều tra một bệnh dịch tả ở London. Dịch tễ học là nghiên cứu về các mô hình của bệnh. John Tuyết là một trong những người đầu tiên nhìn vào mô hình của bệnh trong thời đại hiện đại - cho điều này, ông được biết đến như là cha đẻ của (hiện đại) dịch tễ học. Năm 1854, ông vạch ra nơi những người có bệnh tả sống, và anh nhận ra rằng tất cả họ sống quần tụ quanh một máy bơm nước nhất định: bơm Broad Street. Tuyết lấy tay ​​cầm ra khỏi máy bơm, trong đó ngăn chặn người sử dụng nó, và sự bùng phát dịch tả dừng lại. Sau đó nó được phát hiện ra rằng nước thải đã bị nhiễm các máy bơm, dẫn đến các trường hợp bệnh tả. Quan sát hệ thống của Snow đã giúp khám phá ra hành các nguyên nhân gây ra bệnh tả, thậm chí trước khi bất cứ ai biết về các vi khuẩn có liên quan.