Einführung
Ionenkanäle sind bemerkenswerte Proteine, die in der Lipid-Doppelschichtmembran sowohl von tierischen als auch pflanzlichen Zellen und ihren Organellen, wie Kern, endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Mitochondrien, Chloroplasten und Lysosomen, vorkommen.
Wenn wir das Wort „Ionenkanal“ googeln, tauchen innerhalb von 0,45 s etwa 80.000.000 Ergebnisse auf. Wissenschaftler haben seit Anfang des letzten Jahrhunderts an diesen erstaunlichen Transmembranproteinen gearbeitet, was zu drei Nobelpreisen in den Jahren 1963, 1991 und 2003 geführt hat.
Sir John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley erhielten 1963 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für ihre Entdeckungen über die ionischen Mechanismen, die an der Erregung und Hemmung in den peripheren und zentralen Teilen der Nervenzellmembran beteiligt sind. In ähnlicher Weise wiesen Erwin Neher und Bert Sakmann 1991 nach, dass Zellmembranen einzelne Ionenkanäle besitzen, durch die winzige Ströme fließen können, die groß genug sind, um die Kommunikation zwischen prä- und postsynaptischen Neuronen zu erzeugen, indem sie chemische oder mechanische Ereignisse in elektrische Signale umwandeln . Den Nobelpreis für Chemie 2003 teilten sich die beiden Wissenschaftler Agre und Roderick MacKinnon, die grundlegende Entdeckungen darüber gemacht haben, wie sich Wasser und Ionen durch Zellmembranen bewegen.
In diesem Buch gibt es neun sehr unterschiedliche und informative Kapitel, darunter dieses einführende Kapitel über die Bedeutung von Kationen und Anionen, die diese Ionenkanäle passieren.
Das erste Kapitel ist das Einführungskapitel, das einen kurzen Überblick über die anderen acht Kapitel in diesem Buch gibt, sowie die Vielfalt und Klassifizierung der Ionenkanäle, die Art und Anzahl der Gates für diese Ionenkanäle bespricht und ein wenig Licht auf Channellopathien wirft. Das zweite Kapitel befasst sich mit den spannungsabhängigen Natriumkanälen in der Arzneimittelforschung. Natriumkanäle sind die allerersten, die entdeckt wurden, als Hodgkin und Katz ihre Experimente an Axonen von Tintenfischen durchführten und zeigten, dass es kein Aktionspotential gibt, wenn keine Natriumionen in der extrazellulären Flüssigkeit vorhanden sind. In diesem Kapitel werden die genetische Evolution und die Verteilung der Subtypen dieser Superfamilie der spannungsabhängigen Natriumkanäle (Nav) vorgestellt, und es wird diskutiert, wie die Veränderungen in der Struktur ihre Funktionen verändern. Im dritten Kapitel wird die Modulation der Nav-Kanäle durch kleine und große Moleküle erörtert, zusammen mit einer Diskussion über die wichtigsten Herausforderungen für die Entdeckung von Medikamenten, die auf Nav-Kanäle abzielen. Das vierte Kapitel nimmt uns mit auf eine eindrucksvolle Reise darüber, wie die genetischen Mutationen Veränderungen in ihren Produktproteinen und daraus resultierende Störungen wie das Dravet-Syndrom mit sich bringen. Das SCN1A-Gen ist für diesen Zustand verantwortlich, und es gibt ein Wort der Warnung für die Ärzte, den Epilepsiepatienten mit dieser Mutation keine Natriumkanalblocker zu verschreiben, da das Medikament ihren Zustand verschlimmern würde. Im fünften Kapitel geht es um Kaliumkanäle: Es gibt viele verschiedene Typen von Kaliumkanälen (viel mehr als Natriumionenkanäle). In diesem Kapitel haben die Autoren die Rolle von zwei Gap-Junction-Proteinen – Connexine und Pannexine – bei der Aufrechterhaltung der Homöostase von Kalium-Ionen am Beispiel der Cochlea diskutiert. Eine Mutation im Gap Junction-Gen führt in 50% der Fälle zu prälingualer, rezessiver Taubheit. Die Autoren entwickelten eine neuartige Methode zur Früherkennung der genetischen Mutationen für die Innenohrstörung. Das sechste Kapitel befasst sich mit der Struktur und Funktion von L-Typ Kalziumkanälen und wie spannungsgesteuerte Kalziumkanäle (VGCCs) die elektrische Signalisierung von Zellen steuern, indem sie die selektive Diffusion von Kalziumionen als Reaktion auf die Änderungen des zellulären Membranpotentials ermöglichen. Unter den verschiedenen VGCCs werden die langlebigen oder L-Typ-Calciumkanäle (LTCCs) in einer Vielzahl von Zellen, wie z. B. Skelettmuskeln, ventrikulären Myozyten, glatten Muskeln und dendritischen Zellen, bevorzugt exprimiert und bilden die größte Familie der VGCCs. Ihr breites Expressionsmuster und ihre bedeutende Rolle bei diversen zellulären Ereignissen haben diese Kanäle zu den wichtigsten Zielen für die Medikamentenentwicklung gemacht. Im siebten Kapitel geht es um die Regulation von Schmerz durch Kalziumkanäle. In diesem Kapitel präsentieren die Autoren eine Vielzahl von klinischen, biochemischen, biophysikalischen, pharmakologischen und genetischen Beweisen, die auf die Kalzium-permeablen Kanäle als Schlüsselakteure bei Schmerzzuständen hinweisen. Das primäre Ziel dieses Kapitels ist es, einen Überblick über die verschiedenen Klassen von Kalzium-permeablen Kanälen zu geben und wie sie sich verändern, um das Schmerzempfinden in akuten und chronischen Zuständen zu modulieren. Das achte Kapitel befasst sich mit den Transient-Receptor-Potential (TRP)-Ionenkanälen, von ihrer Verbreitung bis zu ihrem Aufbau. Die TRP-Ionenkanal-Superfamilie ist von neuronalen bis hin zu nicht-neuronalen Geweben weit verbreitet und dient als zelluläre Sensoren. TRP-Untereinheiten können sowohl homomere als auch heteromere Kanäle bilden, die entweder in der gleichen Unterfamilie oder in den verschiedenen Unterfamilien vorkommen und die Funktionen der TRP-Kanäle diversifizieren. Im neunten Kapitel werden die Typen von anionischen und Chloridkanälen in den Mitochondrien besprochen. Es gibt viele Arten von Chloridkanälen in den Mitochondrien, aber zwei Typen sind von großem Interesse, nämlich einer, der in der inneren Mitochondrienmembran vorhanden ist und für die Oszillationen des Membranpotentials verantwortlich ist, und der intrazelluläre Chlorid-Ionenkanal (CLIC), der in den kardialen Mitochondrienmembranen lokalisiert ist. Diese Anionenkanäle sind sowohl im gesunden als auch im kranken Zustand sehr wichtig. Diese Kanäle sind wichtig für die Regulierung von PH und ROS zusammen mit der Synchronisation des mitochondrialen Membranpotentials.
In den folgenden Seiten von Kapitel 1 werden wir die Rolle des Gatings in Ionenkanälen für die Aufrechterhaltung der normalen Physiologie betrachten und wie jede dieser Veränderungen im Gating zu den Kanalopathien führt.
Bevor wir weitergehen, möchten wir die Skulptur, die die Geburt einer Idee genannt wird, würdigen. Es handelt sich um eine 1,5 m hohe Figur des KcsA-Kaliumkanals, die aus Drähten und geblasenem Glas besteht und das Lumen des Kanals darstellt. Diese Statue wurde von Nobelpreisträger Roderick Mackinnon bei Julian Voss-Andreae in Auftrag gegeben.
Es gibt drei Haupttypen von Ionenkanälen, nämlich spannungsgesteuerte, extrazelluläre ligandengesteuerte und intrazelluläre ligandengesteuerte sowie zwei Gruppen von verschiedenen Ionenkanälen. Diese Ionenkanäle sind für die Übertragung von Signalen zwischen Nerven und anderen Arten von elektrisch aktiven Zellen über Synapsen und Gap Junctions verantwortlich. Änderungen des elektrischen Potenzials präsynaptischer Neuronen initiieren die Freisetzung von Neurotransmittern aus den Vesikeln im synaptischen Spalt. Diese Chemikalien bewegen sich durch Diffusion zu den postsynaptischen Zellen und besetzen ihre spezifischen Rezeptorstellen auf den Membranen und erzeugen das elektrische Potenzial durch die Öffnung von Ionenkanälen . Die Entfernung von Neurotransmittern aus dem synaptischen Spalt ist essentiell, um eine Wirkung auf die benachbarten Zellen zu vermeiden. Die Zellsignalisierung durch Neurotransmitter ist im Vergleich zu den Gap Junctions weitaus anpassungsfähiger und vielseitiger.