Introduction
Kanały jonowe są niezwykłymi białkami, obecnymi w dwuwarstwowej błonie lipidowej zarówno komórek zwierzęcych, jak i roślinnych oraz ich organellach, takich jak jądro, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, mitochondria, chloroplasty i lizosomy.
Kiedy wpisujemy w google słowo „kanał jonowy”, w ciągu 0,45 s pojawia się około 80 000 000 wyników. Naukowcy pracują nad tymi niesamowitymi białkami transmembranowymi od początku ubiegłego wieku, co zaowocowało trzema zestawami nagród Nobla w 1963, 1991 i 2003 roku.
Sir John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Fielding Huxley w 1963 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycia dotyczące mechanizmów jonowych zaangażowanych w pobudzenie i hamowanie w obwodowych i centralnych częściach błony komórki nerwowej. Podobnie Erwin Neher i Bert Sakmann w 1991 roku udowodnili, że błony komórkowe mają indywidualne kanały jonowe, przez które mogą przepływać drobne prądy, które są wystarczająco duże, aby generować komunikację między neuronami pre- i postsynaptycznymi poprzez przekształcanie zdarzeń chemicznych lub mechanicznych w sygnały elektryczne. Nagroda Nobla w dziedzinie chemii za rok 2003 została podzielona między dwóch naukowców Agre i Rodericka MacKinnon, którzy dokonali fundamentalnych odkryć dotyczących tego, jak woda i jony przemieszczają się przez błony komórkowe.
W tej książce mamy dziewięć bardzo różnorodnych i pouczających rozdziałów, w tym ten wprowadzający rozdział o znaczeniu zarówno kationów, jak i anionów przechodzących przez te kanały jonowe.
Pierwszy rozdział jest rozdziałem wprowadzającym, który krótko omawia pozostałe osiem rozdziałów zawartych w tej książce, jak również omawia różnorodność i klasyfikację kanałów jonowych, naturę i liczbę bramkowania dla tych kanałów jonowych wraz z rzuceniem światła na Channellopatie. Drugi rozdział dotyczy kanałów sodowych bramkowanych napięciem w odkrywaniu leków. Kanały sodowe zostały odkryte jako pierwsze, kiedy Hodgkin i Katz przeprowadzali eksperymenty na aksonach kałamarnicy, wykazując, że nie będzie potencjału czynnościowego, jeśli jony sodu nie będą obecne w płynie zewnątrzkomórkowym. W rozdziale tym przedstawiono ewolucję genetyczną i dystrybucję podtypów tej superrodziny napięciowo bramkowanych kanałów sodowych (Nav) oraz omówiono, w jaki sposób zmiany w strukturze zmieniają ich funkcje. W rozdziale trzecim omówiono modulację Nav przez małe i duże molekuły, wraz z dyskusją na temat głównych wyzwań w odkrywaniu leków ukierunkowanych na Nav. Rozdział czwarty zabiera nas w niezwykłą podróż po genach Nav, w której opisano jak mutacje genetyczne powodują zmiany w ich białkach produktowych, a w konsekwencji zaburzenia takie jak zespół Dravet. Za to schorzenie odpowiedzialny jest gen SCN1A, a lekarze przestrzegają, by nie przepisywać blokerów kanałów sodowych pacjentom z padaczką, u których występuje ta mutacja, ponieważ leki te pogorszą ich stan. Rozdział piąty dotyczy kanałów potasowych: istnieje wiele różnych typów kanałów potasowych (znacznie więcej niż kanałów sodowych). W tym rozdziale autorzy omówili rolę dwóch białek gap junction – koneksyn i paneksyn – w utrzymaniu homeostazy jonów potasu, na przykładzie ślimaka. Mutacja w genie gap junction powoduje w 50% przypadków przedniojęzykową, recesywną głuchotę. Autorzy opracowali nowatorską metodę wczesnego wykrywania mutacji genetycznych odpowiedzialnych za uszkodzenie ucha wewnętrznego. Szósty rozdział poświęcony jest strukturze i funkcji kanałów wapniowych typu L oraz temu, w jaki sposób kanały wapniowe bramkowane napięciem (VGCCs) zarządzają elektryczną sygnalizacją komórek poprzez umożliwienie selektywnej dyfuzji jonów wapnia w odpowiedzi na zmiany potencjału błony komórkowej. Spośród różnych VGCCs, długotrwałe kanały wapniowe typu L (LTCCs) ulegają ekspresji w wielu komórkach, takich jak mięśnie szkieletowe, miocyty komorowe, mięśnie gładkie oraz komórki dendrytyczne i stanowią najliczniejszą rodzinę VGCCs. Ich szeroka ekspresja i znacząca rola w różnorodnych procesach komórkowych sprawiły, że kanały te stały się głównym celem rozwoju leków. Siódmy rozdział poświęcony jest regulacji bólu przez kanały wapniowe. W rozdziale tym autorzy przedstawiają szeroką gamę dowodów klinicznych, biochemicznych, biofizycznych, farmakologicznych i genetycznych wskazujących na kanały wapniowe jako kluczowych graczy w stanach bólowych. Głównym celem tego rozdziału jest przedstawienie przeglądu różnych klas kanałów wapniowych i ich zmian w modulowaniu odczuwania bólu w stanach ostrych i przewlekłych. Rozdział ósmy poświęcony jest kanałom jonowym TRP (transient receptor potential), od ich rozmieszczenia po budowę. Nadrodzina kanałów jonowych TRP jest szeroko rozpowszechniona od tkanek neuronalnych do nieneuronalnych, pełni±c rolę sensorów komórkowych. Podjednostki TRP mog± tworzyć zarówno kanały homomeryczne, jak i heteromeryczne, które występuj± w tej samej podrodzinie lub w różnych podrodzinach i różnicuj± funkcje kanałów TRP. W rozdziale dziewiątym omówiono rodzaje kanałów anionowych i chlorkowych występujących w mitochondriach. Istnieje wiele typów kanałów chlorkowych obecnych w mitochondriach, ale dwa typy s± najbardziej interesuj±ce, tj. kanał obecny w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, odpowiedzialny za oscylacje potencjału błonowego oraz wewn±trzkomórkowy kanał chlorkowy (CLIC) zlokalizowany w błonie mitochondrialnej serca. Te kanały anionowe są bardzo ważne zarówno w warunkach zdrowia, jak i choroby. Kanały te są ważne dla regulacji PH i ROS wraz z synchronizacją potencjału błony mitochondrialnej.
Na kolejnych stronach Rozdziału 1, będziemy przyglądać się roli bramkowania w kanałach jonowych dla utrzymania normalnej fizjologii i jak każda z tych zmian w bramkowaniu skutkuje kanałopatiami.
Przed pójściem dalej, chcielibyśmy uznać rzeźbę zwaną narodzinami idei. Jest to wysoka na 1,5 m figurka kanału potasowego KcsA, wykonana z drutów i dmuchanego szkła, przedstawiająca światło kanału. Statuetka ta została zamówiona u Juliana Voss-Andreae przez laureata Nagrody Nobla Rodericka Mackinnona.
Istnieją trzy główne typy kanałów jonowych, tj. bramkowane napięciem, bramkowane ligandami zewnątrzkomórkowymi oraz bramkowane ligandami wewnątrzkomórkowymi, a także dwie grupy różnych kanałów jonowych. Te kanały jonowe są odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów pomiędzy nerwami i innymi typami komórek aktywnych elektrycznie poprzez synapsy i połączenia szczelinowe. Zmiany w potencjale elektrycznym neuronów presynaptycznych inicjują uwalnianie neurotransmiterów z pęcherzyków w szczelinie synaptycznej. Te substancje chemiczne przemieszczają się w kierunku komórek postsynaptycznych na drodze dyfuzji i zajmują specyficzne dla nich miejsca receptorowe na błonach oraz generują potencjał elektryczny poprzez otwarcie kanałów jonowych. Usunięcie neurotransmiterów z kanału synaptycznego jest niezbędne, aby uniknąć wpływu na pobliskie komórki. Sygnalizacja komórkowa przez neuroprzekaźniki jest o wiele bardziej adaptacyjna i wszechstronna w porównaniu do połączeń szczelinowych.