Oxidative Regulation spannungsgesteuerter Natriumkanäle

Kaßmann, Mario

Current through voltage-gated sodium (NaV) channels initiates action potentials and influences the duration of their plateau phase. Reactive oxygen species (ROS) may modify NaV channels and alter their function possibly leading to impairment of signal transduction or to apoptosis of cells. The drastically increased ROS concentration in extreme situations (stroke, cardiac infarction) and long-term effects of moderately increased ROS concentration (several chronical diseases, age) are critical. In this dissertation changes of sodium currents by oxidative stress were characterized. Recombinant ion channels were expressed in a heterologous system and functionally analyzed by the patch-clamp method. Molecular targets for the oxidation sensitivity were identified. At skeletal muscle sodium channels (NaV1.4) the oxidant chloramine-T caused irreversible loss of inactivation and irreversible reduction of peak current. With mutant channels of rNaV1.4, which have the less facile oxidizable leucine in the position of methionine, it has been shown that M1305 from the inactivation motif and the double methionine motif M1469/M1470 from the putative inactivation linker acceptor essentially influence the oxidation sensitivity of inactivation. By kinetic analyses it was acknowledged that several targets have to be oxidized to derive loss of rNaV1.4 inactivation. The reduction of peak current due to oxidant action was significantly higher in cardiac muscle channel NaV1.5 compared to skeletal muscle channel. The current loss is due to oxidative modification of a cysteine in domain 1 within the pore and structures in domain 2. Alterations of the voltage-dependence of inactivation and the reduction of single channel current and open probability were observed. The intense current loss in the cardiac sodium channel may be protective together with potassium channels and in securing energy metabolism, if the ATP production via the electron transport chain is inhibited by lack of oxygen.

Ströme durch spannungsgesteuerte Natriumkanäle (NaV-Kanäle) initiieren Aktionspotenziale und beeinflussen die Dauer von deren Plateauphase. Reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS) können NaV-Kanäle modifizieren und ihre Funktion beeinflussen, was zu Störungen der Erregungsleitung und zur Apoptose von Zellen führen kann. Kritisch ist die drastisch erhöhte ROS-Konzentration bei extremen Ereignissen (Schlaganfall, Herzinfarkt) und die Langzeitwirkung moderat erhöhter ROS-Konzentration (zahlreiche chronische Erkrankungen, Alter). In der vorliegenden Arbeit wurden Veränderungen der Natriumströme bei oxidativem Stress charakterisiert. Rekombinante Ionenkanäle wurden in einem heterologen System exprimiert und funktionell mit der Patch-Clamp-Methode analysiert. Molekulare Zielstellen für die Oxidationssensitivität wurden ermittelt. Bei Skelettmuskelnatriumkanälen (NaV1.4) führte das Oxidationsmittel Chloramin T zu irreversiblem Inaktivierungsverlust und irreversibler Reduktion des Spitzenstroms. Mit Mutanten, bei denen Methionin durch das weniger leicht oxidierbare Leucin ersetzt war, wurde gezeigt, dass bei rNaV1.4 M1305 aus dem Inaktivierungsmotiv und das dem Akzeptor zugerechnete Doppel-Methionin-Motiv M1469/M1470 wesentlichen Einfluss auf die Oxidationssensitivität der Inaktivierung haben. Kinetische Analysen bestätigten, dass für den Inaktivierungsverlust von rNaV1.4 mehrere Zielstellen oxidiert werden müssen. Der Herzmuskelkanal NaV1.5 war bezüglich des Spitzenstroms deutlich oxidationssensitiver als der Skelettmuskelkanal. Der Stromverlust geht auf die oxidative Modifikation eines Cysteins in Domäne 1 innerhalb der Pore sowie Strukturen in Domäne 2 zurück. Veränderungen bei der Spannungsabhängigkeit der Inaktivierung und die Verringerung von Einzelkanalstrom und Offenwahrscheinlichkeit traten auf. Der starke Stromverlust des Herzmuskelkanals könnte im Zusammenspiel mit Kaliumkanälen und bei der Sicherung des Energiehaushaltes bei Sauerstoffmangel protektiv wirken.

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Kaßmann, Mario: Oxidative Regulation spannungsgesteuerter Natriumkanäle. 2010.

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