Een schematische voorstelling van calciumkanaaltjes
Het is misschien vervelend om steeds maar weer te herhalen en het leven heeft er natuurlijk vele honderden miljoenen jaren de tijd voor gekregen, maar dat hele systeem dat we leven noemen, zit toch knap ingewikkeld en vernuftig in elkaar. Elektriciteit is voor cellen een bruikbaar fenomeen. Zo zitten in de celwanden minieme calcium- en natriumkanaaltjes die elektrische stroompjes creëren, die een belangrijke rol spelen bij vele bioprocessen, zoals bij de werking, van het hart, de hersens en de hormoonproductie. Onderzoekers van de universiteit van Washington zijn er achter gekomen hoe de calciumkanaaltjes efficiënt en secuur calciuminonen laten passeren in een warboel van geladen deeltjes die ook nog eens veel op calciumionen lijken, zoals natriumionen.
Zo zijn hartspiercellen omringd door een vloeistof, waarin natriumionen zeventig keer vaker voorkomen dan calciumionen. Beide ionen zijn bijna even groot, maar toch laten de calciumkanaaltjes alleen calciumionen door met een verbazingwekkende snelheid van miljoenen ionen per seconde. “Hoe calciumkanaaltjes dat fundamentele biofysische probleem hebben opgelost”, zegt William Catterall, pionier op het gebied van ionkanalen, “is al heel lang onderwerp van onderzoek in de celfysiologie.” Het antwoord op die vraag is van belang uit zowel wetenschappelijk als medisch oogpunt. Calciumkanaaltjes zijn, bijvoorbeeld, vaak een ‘doelwit’ van medicijnen, zoals die voor epilepsie of hoge bloeddruk.
De calcium- en natriumkanaaltjes hebben zich ontwikkeld uit de natriumkanaaltjes bij bacteriën en behielden in grote trekken hun structuur. De onderzoekers slaagden er in van bacteriële natriumkanaaltjes calciumkanaaltjes te maken door drie mutatiestappen (de kanaaltjes zijn opgebouwd uit 274 aminozuren; in feite is zo’n kanaaltje een eiwit). “We dachten als we de juiste stukken op de juiste plaatsen zetten, we de selectiviteit konden veranderen van natriumspecifiek naar calciumspecifiek”, zegt Catterall. “Gelukkig werkte het en we kregen calciumkanaaltjes met alle fysiologische eigenschappen.” De onderzoekers gebruikten röntgenkristallografische en elektrofysiologische technieken om er achter te komen hoe het kanaaltje er uit ziet en hoe het werkt.
Zo zagen ze hoe het calciumspecifieke filter is gebouwd en konden ze de weg volgen die calciumionen via het kanaaltje afleggen. Die selectie gebeurt via drie (bindings)stappen. De eerste binding, aan het begin van het kanaaltje, is om de bokken (natrium) van de schapen (calcium) te scheiden. Bij de tweede bindingsstap wordt elk calciumion afzonderlijk steeds weer door een ion van buiten van zijn plek gestoten. De derde stap is de laatste poortwachter, die de calciumionen toelaat tot de cel.
Het trio bindingsplaatsen zorgt voor een snelle doorvoer. De stroom gaat een kant op (de cel in), omdat de concentratie calciumionen buiten de cel veel groter is dan binnen. Catterall: “Die miljoenen ionen die daar per seconde door stromen, wekken een elektrisch stroompje op van 15 picoAmpère (pico is 1 biljoenste; as), genoeg voor een elektrisch signaal in de cel. ” Het onderzoek werd uitgevoerd aan een bacterieel ionkanaal, omdat ionkanalen van zoogdiercellen te groot en te ingewikkeld zijn om als model te gebruiken en de structuur te doorgronden. Kennelijk gaan Catherall en zijn mede-onderzoekers er van uit dat wat voor bacteriële ionkanalen geldt, ook voor ionkanalen van zoogdiercellen geldt. Met de opgedane kennis kunnen andere onderzoekers, bijvoorbeeld op het gebied van hersenonderzoek, hartfysiologie en celbiologie, dan weer verder. “Dit kan ook betekenis hebben voor de ontwikkeling van medicijnen die de ionkanalen als doelwit hebben”, zegt Catterall. “Dat kan, bijvoorbeeld, leiden tot medicijnen met minder bijeffecten.”
Bron: Eurekalert