Az ioncsatornák: biológiai háttér

A biológia, mint önálló tudományág csupán a XIX. században jelent meg. A biológiai tudományok a természetrajzi és korai orvostudományi tanokból alakultak ki, melyek egészen az ókori görög Galenusig és Arisztotelészig vezethetők vissza. A XIX. század közepén tudósok definiálták a sejt fogalmát, amelyet az élet „legkisebb önálló egységeként” tartottak számon. A sejtet határoló lipid kettősréteg, azon túl, hogy definiálja a sejt határait, védi azt a külső behatásoktól, és mechanikai stabilitást biztosít neki [38]. A középen elhelyezkedő hidrofób réteg révén az ionokra és na-gyobb poláros molekulákra ez a lipid kettősréteg nem áteresztő. Ahhoz, hogy élő sejtről beszélhessünk, szükség van a sejt és környezete kölcsönhatására: információ-cserére, anyagtranszportra.

A XX. század elejére a biológusok egy csoportja előbb feltételezte, majd ké-sőbb bizonyította is, hogy a sejtek falában valamiféle pórusoknak, lyukaknak kell lenniük, amiken különböző anyagok – víz, ionok – szabadon áramolhatnak, mert ez szükségszerű a sejtek és környezetük közötti anyagcseréhez. Wilhelm Ostwald – aki kutatásával azt bizonyította, hogy az élő szövetben létrejövő elektromos jelekért (in-gerekért) a sejtek membránjain oda-vissza áramló ionok felelősek – munkájáért No-bel-díjban részesült. A XX. század közepére jutott el a tudomány az ioncsatornák megismeréséhez, és szelektivitásuk felfedezéséhez, amikor az idegsejtek ingerületét és ingerület-vezetését vizsgálták [38]. Ez az áttörés új távlatokat nyitott az orvostu-domány és egyben a biológia fejlődésében.

Az olyan részecskék transzportjára, amelyeket a lipidréteg nem ereszt át, a természet úgynevezett membránfehérjéket alkotott. Ezek a lipid kettősrétegen keresz-tültüremkedő óriásmolekulák felelősek sok más funkció mellett a különböző fizioló-giailag fontos szervetlen ionok (mint például a Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-) sejtmembránon keresztül való transzportjáért.

A sejtmembrán tömegének mintegy felét a membránfehérjék teszik ki (4.1.1. ábra), melyeket több szempont szerint is lehet csoportosítani. Aktív vagy

passzív transzportról beszélhetünk attól függően, hogy az adott komponens továbbí-tása annak elektrokémiai gradiense mentén, vagy azzal szemben történik.

4.1.1. ábra

Egy membrán (egyebek mellett) a lipid kettősrétegből és a membránfehérjékből áll [38].

Aktív transzport során kémiai vagy fényenergia, illetve egy másik komponens passzív transzportjának felhasználásával történik a továbbítás (4.1.2. ábra), míg passzív transzport esetén – ide tartoznak az ioncsatornák is – a membrán két oldala között az adott komponensre vonatkozó koncentrációgradiens, illetve – ionok eseté-ben – a koncentráció- és potenciálkülönbség együttes hatására mozognak a részecs-kék. Ezt a jelenséget az elektrodiffúzió és a Nernst-Planck egyenlet írja le (lásd ké-sőbb).

4.1.2. ábra A transzport fajtái [38].

Az ioncsatornáknak két nagyon fontos tulajdonságát említhetjük meg. Az egyik, hogy erősen szelektívek, vagyis csak egyfajta ionra nézve permeábilisak, míg a többi ionra nézve inkább nem; egész pontosan a csatorna azt az iont, amelyre sze-lektív, nagyobb valószínűséggel engedi át, mint a többit.

Szelektivitásról természetesen csak nyitott csatorna esetében van értelme be-szélni, és ez az ioncsatornák másik alapvető jellemzője: nyitott vagy zárt állapotban lehetnek, mégpedig szabályozott módon. A nyitott illetve zárt állapot a fehérje kétfé-le konformációját jekétfé-lenti. A membrán nyugalmi állapotában a kétfé-legtöbb csatorna zárt állapotban tartózkodik. Ahhoz, hogy a csatorna kinyisson, valamilyen inger szüksé-ges. Léteznek ligandum-vezérelt és vezérelt ioncsatornák. A feszültség-vezérelt ioncsatorna egy elektromos ingerület, az akciós potenciál – amely nem más, mint a membránpotenciál hirtelen megváltozása – hatására nyit. A ligandum-vezérelt ioncsatorna akkor nyílik, ha valamilyen „hírvivő” részecske kötődik a kötőhelyéhez.

Az ioncsatornáknak rendkívül fontos szerepük van az élet folyamataiban, mint például az ingerület-vezetés, az érzékelés, az izom-összehúzódás illetve a sejt-kommunikáció. Számos élettanilag fontos anyag hatásmechanizmusát vizsgálták, hogyan befolyásolja az ioncsatorna működése a szervezet működését. Néhány példa az ioncsatornák szerepére az élő szervezetben:

A nátriumcsatornák az ingerületek idegrostokon való továbbításakor játsza-nak nélkülözhetetlen szerepet. A sejtmembrán adott részére elektromos inger érkezik, ezáltal az ott lévő nátriumcsatornák kinyitnak. Mivel a sejten kívül sokkal nagyobb a nátrium-koncentráció, egy a sejt belsejébe mutató elektrokémiai gradiens érvényesül, ami egy nagy nátrium-fluxust eredményez. Ez az áram megváltoztatja viszont a nát-rium-koncentrációt a csatorna mellett, és ezzel együtt a membránpotenciált is. A po-tenciálváltozás pedig nyitja a következő nátriumcsatornákat. Ezzel a ciklusos folya-mattal halad az ingerület gyengítetlenül az idegrost mentén. Az ehhez szükséges energiát úgynevezett Na⁺-K⁺ pumpák által fenntartott koncentráció gradiens biztosít-ja kémiai energia (ATP) felhasználásával.

A kalciumionok a dupla töltésük miatt jó „hírvivő” részecskék. Ha tehát egy ingerület érkezik a sejt egy részére, ahol kalcium-csatornák helyezkednek el, ezek nyitnak, és kalciumionokat engednek be a sejtbe. A sejten belül a kalciumok további folyamatokat indukálnak. Az idegvégződések végén például neurotranszmitter mole-kulák felszabadulását váltják ki, amelyek aztán a másik sejtvégződésen más ioncsa-tornák – általában nátrium-csaioncsa-tornák – kinyílását okozzák. Nátriumionok áramolnak be a sejtbe, és egy akciós potenciál (idegimpulzus) megindulását indukálják. Így te-hát az elektromos jel kémiai jellé alakul, majd vissza elektromos jellé. Ennek a fo-lyamatnak létfontosságú szerepe van a memória kialakulásában. A nátrium-csatornák

ilyen szerepe minden idegvégződésen megtalálható, például a látósejtekben, hallósej-tekben, stb.

Az ezen dolgozatban vizsgált, L-típusú kalciumcsatorna az izomsejtek külső membránjában található. Ha az izmok mozgatását előíró idegimpulzus érkezik, ezek kinyitnak, és kalciumionok áramolnak a sejtbe. Az L-típusú kalciumcsatorna nagyon szelektív, és a rajta keresztüláramló kalciumionok mennyisége nem elegendő, hogy aktiválják az izomsejteket. Szükség van tehát egy másodlagos folyamatra, amely elegendő kalciumion felszabadulását okozza. Az izomsejten belüli táralóhelyeken (szarkoplazmikus retikulumban) kalciumionok tárolódnak. Ennek a falában szintén kalcium-csatornák helyezkednek el, a Ryanodin receptorok, amit Gillespie és munka-társai vizsgáltak [39; 40]. Az L-típusú kalciumcsatorna aktiválása a Ryanodin recep-torok kinyílását okozza. Ezek kevésbé szelektív, de nagyobb átmérőjű pórussal ren-delkező kalciumcsatornák, így nagy mennyiségű kalcium felszabadulását tudják biz-tosítani a szarkoplazmikus retikulumból. Ezek a kalciumionok kötődnek az úgyneve-zett Myosin molekula kötőhelyén, és izomkontrakciót okoznak. Megjegyezzük, hogy az L-típusú és a Ryanodin kalciumcsatorna közötti csatolás eltérően működik a szív-izomsejtekben és a vázszív-izomsejtekben.

A sejtek közötti kommunikáció megértése és befolyásolása széles területet ölel fel az orvostudományban is. A legtöbb fájdalomcsillapító ioncsatornák blokkolá-sával akadályozza meg a fájdalomérzet agyba jutását. A vírusok és bakteriális fertő-zések tünetei elleni harcban is részt vesznek. Ezen felül a különböző genetikai és kialakult betegségek – mint a migrén, diabétesz vagy az epilepszia – diagnosztizálá-sában is fontos szerepet játszanak.

Ezek a fehérjék úgynevezett  -hélix kötegek formájában járják keresztül a membránt egy olyan hidrofil pórust kialakítva, amelyen keresztül az ionok transz-portja megvalósulhat. Egy fehérjemolekula szerkezetét az őt felépítő aminosavak sorrendje határozza meg. Az aminosav szekvencia visszafejthető, de nehéz meghatá-rozni azt a háromdimenziós szerkezetet, amelybe ez a lánc feltekeredik. Számolni azért nem lehet, mivel túl nagy ez a molekula, mérése pedig azért nehéz, mivel nehéz kristályosítani a fehérjét, mert speciális környezetben található.

A KcsA bakteriális feszültségvezérelt káliumcsatorna (4.1.3a. és 4.1.3b. ábra) azon kevesek közé tartozik, melynek szerkezetét MacKinnon és mun-katársai röntgendiffrakciós mérésekkel vizsgálták, és kutatásaik eredményeképpen megkapták a 2003. évi kémiai Nobel-díjat [41].

4.1.3a. ábra 4.1.3b. ábra

MacKinnon és munkatársai KcsA bakteriális feszültségvezérelt káliumcsatornájának szerkezeti ábrája [41].

Úgy vélik, hogy a kalcium- és a nátriumcsatornák szerkezete ehhez nagyon hasonló, a fő különbség, hogy míg a káliumcsatornánál a négy hélix négy különálló fehérjéhez tartozik, addig a nátrium- és kalciumcsatornáknál azok egy fehérje alegy-ségei. A másik lényeges – és a mi kutatásaink szempontjából a legfontosabb – kü-lönbség egy, a póruson belüli szűk térrész, az úgynevezett szelektív szűrő szerkeze-tében rejlik, amely a szelektivitásért felelős (az F-fel jelölt rész a 4.1.3b. ábrán). Mi-vel ez a modellezés fontos részét képezi, a szelektív szűrőről részletesen is írunk a 4.4 fejezetben.

4.2. Az L-típusú kalcium-csatornára vonatkozó kísérleti