Natriumkanal

Als Natriumkanäle werden in der Physiologie und Zellbiologie Ionenkanäle bezeichnet, die eine spezifische und mehr oder weniger selektive Leitfähigkeit für Natrium-Ionen aufweisen.

Spannungsaktivierter Natriumkanal
Bezeichner
Gen-Name(n)	SCN1A, SCN2A, SCN3A, SCN4A, SCN5A, SCN7A, SCN8A, SCN9A, SCN10A, SCN11A
Transporter-Klassifikation
TCDB	1.A.1.10.1
Bezeichnung	Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

nicht-spannungsaktivierter Natriumkanal
Bezeichner
Gen-Name(n)	SCNN1A, SCNN1B, SCNN1D, SCNN1G
Transporter-Klassifikation
TCDB	1.A.6.1.1
Bezeichnung	Epitheliale Natriumkanäle
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon	Wirbeltiere

Wie andere Ionenkanäle können Natriumkanäle spannungsaktiviert oder nicht spannungsaktiviert sein.

Spannungsaktivierte Natriumkanäle

Spannungsaktivierte Natriumkanäle finden sich in Nervengewebe, dem Herzmuskel und den Zellen des quergestreiften Skelettmuskels. Ein Fehlfunktion spielt bei Krankheiten wie der Epilepsie, Herzrhythmusstörungen (insbesondere dem Brugada-Syndrom) und dem Reizdarmsyndrom eine wichtige Rolle. Auch sind sie bei der Schmerzausbreitung beteiligt.

Derzeit sind neun verschiedene Subtypen spannungsaktivierter Natriumkanäle bekannt. Der gebräuchlichen Nomenklatur entsprechend werden sie als Na_v1.1 bis Na_v1.9 bezeichnet. Der Index v steht für voltage-activated (dt. ‚spannungsaktiviert‘), die erste Ziffer kennzeichnet die Genfamilie (bisher nur eine bekannt), die zweite Ziffer steht für ein bekanntes Gen (zurzeit 1 bis 9, angeordnet in der Reihenfolge ihrer Entdeckung).

Besonders dicht sind spannungsaktivierte Natriumkanäle in elektrisch erregbaren Zellen exprimiert. Dort ist ihre Aktivierung verantwortlich für die Erzeugung von Aktionspotentialen. Unter physiologischen Bedingungen ist die elektrochemische Triebkraft für Natrium-Ionen so gerichtet, dass durch geöffnete Natriumkanäle Natrium-Ionen aus dem Extrazellularraum in die Zelle einströmen, etwa 10.000 pro ms pro Kanal. Die gleichzeitige Öffnung vieler spannungsaktivierter Natriumkanäle bei Erreichen der Potentialschwelle verstärkt durch den resultierenden Einwärtsstrom die Depolarisation, was zum schnellen Anstieg des Membranpotentials („Aufstrich“ genannt) führt. Dies ist ein Beispiel für eine positive Rückkopplungsschleife. Der spannungsabhängige Natriumkanal verfügt über eine Inaktivierungsdomäne (sog. ball-and-chain-Mechanismus), die nach der Öffnung des Natriumkanals und dem Durchtritt von Natrium-Ionen diesen zeitlich versetzt (1–2 ms) in einen inaktiven Zustand überführt, in dem keine weiteren Natrium-Ionen durchtreten können. Die spannungsabhängige Domäne des Natriumkanals wird wiederum geschlossen und nach weiteren 2–5 ms öffnet auch die Inaktivierungsdomäne, wodurch der Kanal wieder in den closed-resting Zustand überführt wird, in dem er durch elektrische Reize erregbar ist. Natrium-basierte Aktionspotentiale dauern nur wenige Millisekunden, während Ca⁺⁺-basierte Aktionspotentiale >100 Millisekunden benötigen.

Blocker (Inhibitoren) des spannungsaktivierten Natriumkanals, die von extrazellulär wirken, sind paralysierende Nervengifte, wie das Alkaloid Tetrodotoxin. Intrazelluläre Blocker sind in der Regel Medikamente. Hervorzuheben sind das Lokalanästhetikum Lidocain, das Antiepileptikum Phenytoin und Klasse 1 Antiarrhythmika für das Herz.

Chemische Substanzen, die den Kanal geöffnet halten (Na-Kanal-Opener), sind u. a. das Alkaloid Aconitin oder Pestizide, die zur Gruppe der Pyrethroide zählen.

Nicht-spannungsaktivierte Natriumkanäle

Ein Beispiel für einen nichtspannungsaktivierten Natriumkanal ist der epitheliale Natriumkanal (epithelial Na channel, ENaC). Er ist beispielsweise im Sammelrohr und in den proximalen Tubuluszellen der Niere verantwortlich für die Rückresorption von Natrium-Ionen aus dem Primärharn. Pharmakologische Hemmstoffe des ENaC werden als Diuretika therapeutisch zur Ausschwemmung von Ödemen und zur Behandlung der arteriellen Hypertonie eingesetzt. Da sie nicht zu einer vermehrten Kaliumausscheidung führen, werden solche Diuretika auch als „kaliumsparende“ Diuretika bezeichnet.

Der Prototyp für einen Liganden gesteuerten Natriumkanal ist der Nikotinische Acetylcholinrezeptor, der im zentralen und peripheren Nervensystem vorkommt, besonders an der Neuromuskulären Endplatte. Der Kanal erlaubt es Na⁺ Ionen entlang des elektrochemischen Gradienten in die Zelle zu gelangen, nachdem Acetylcholin an den Rezeptor andockt. Sobald genügend Kanäle gleichzeitig öffnen, depolarisiert sich die postsynaptische Membran und generiert ein Aktionspotential.

Literatur

• T. M. Jessell, E. R. Kandel, J. H. Schwartz: Principles of Neural Science. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2000, ISBN 0-8385-7701-6, S. 154–169.
• Bertil Hillel: Ion Channels of Excitable Membranes. 3. Auflage. Sinauer, Sunderland, Mass 2001, ISBN 0-87893-321-2, S. 73–77.
• F. H. Yu, W. A. Catterall: Overview of the voltage-gated sodium channel family. In: Genome Biol. 4 (3), 2003, S. 207. doi:10.1186/gb-2003-4-3-207. PMC 153452 (freier Volltext). PMID 12620097.
• L. L. Isom: Sodium channel beta subunits: anything but auxiliary. In: Neuroscientist. 7 (1), 2001, S. 42–54. doi:10.1177/107385840100700108. PMID 11486343.
• W. A. Catterall, A. L. Goldin, S. G. Waxman: International Union of Pharmacology. XLVII. Nomenclature and structure-function relationships of voltage-gated sodium channels. In: Pharmacol Rev. 57 (4), 2005, S. 397–409. doi:10.1124/pr.57.4.4. PMID 16382098.
• C. Lossin: SCN1A infobase. abgerufen am 30. Oktober 2009. compilation of genetic variations in the SCN1A gene that alter the expression or function of Nav1.1
• A. Beyder, A. Mazzone, P. R. Strege, D. J. Tester, Y. A. Saito, C. E. Bernard, F. T. Enders, W. E. Ek, P. T. Schmidt, A. Dlugosz, G. Lindberg, P. Karling, B. Ohlsson, M. Gazouli, G. Nardone, R. Cuomo, P. Usai-Satta, F. Galeazzi, M. Neri, P. Portincasa, M. Bellini, G. Barbara, M. Camilleri, G. R. Locke, N. J. Talley, M. D’Amato, M. J. Ackerman, G. Farrugia: Loss-of-Function of the Voltage-Gated Sodium Channel NaV1.5 (Channelopathies) in Patients With Irritable Bowel Syndrome. In: Gastroenterology. doi:10.1053/j.gastro.2014.02.054.
• G. Vargas-Alarcon, E. Alvarez-Leon, J. M. Fragoso u. a.: A SCN9A gene-encoded dorsal root ganglia sodium channel polymorphism associated with severe fibromyalgia. In: BMC Musculoskelet Disord. 13, 2012, S. 23. doi:10.1186/1471-2474-13-23. PMC 3310736 (freier Volltext). PMID 22348792.
• W. A. Catterall: From ionic currents to molecular mechanisms: the structure and function of voltage-gated sodium channels. In: Neuron. 26 (1), April 2000, S. 13–25. doi:10.1016/S0896-6273(00)81133-2. PMID 10798388.
• L. L. Isom, K. S. De Jongh, D. E. Patton, B. F. Reber, J. Offord, H. Charbonneau, K. Walsh, A. L. Goldin, W. A. Catterall: Primary structure and functional expression of the beta 1 subunit of the rat brain sodium channel. In: Science. 256 (5058), Mai 1992, S. 839–842. PMID 1375395.
• J. D. Malhotra, K. Kazen-Gillespie, M. Hortsch, L. L. Isom: Sodium channel beta subunits mediate homophilic cell adhesion and recruit ankyrin to points of cell-cell contact. In: J. Biol. Chem. 275 (15), April 2000, S. 11383–11388. doi:10.1074/jbc.275.15.11383. PMID 10753953.
• J. D. Malhotra, M. C. Koopmann, K. A. Kazen-Gillespie, N. Fettman, M. Hortsch, L. L. Isom: Structural requirements for interaction of sodium channel beta 1 subunits with ankyrin. In: J. Biol. Chem. 277 (29), Juli 2002, S. 26681–26688. doi:10.1074/jbc.M202354200. PMID 11997395.
• A. R. Cantrell, W. A. Catterall: Neuromodulation of Na+ channels: an unexpected form of cellular plasticity. In: Nat. Rev. Neurosci. 2 (6), Juni 2001, S. 397–407. doi:10.1038/35077553. PMID 11389473.
• L. L. Isom: Sodium channel beta subunits: anything but auxiliary. In: Neuroscientist. 7 (1), Februar 2001, S. 42–54. doi:10.1177/107385840100700108. PMID 11486343.
• B. S. Shah, A. M. Rush, S. Liu, L. Tyrrell, J. A. Black, S. D. Dib-Hajj, S. G. Waxman: Contactin associates with sodium channel Nav1.3 in native tissues and increases channel density at the cell surface. In: J. Neurosci. 24 (33), August 2004, S. 7387–7399. doi:10.1523/JNEUROSCI.0322-04.2004. PMID 15317864.
• E. K. Wittmack, A. M. Rush, M. J. Craner, M. Goldfarb, S. G. Waxman, S. D. Dib-Hajj: Fibroblast growth factor homologous factor 2B: association with Nav1.6 and selective colocalization at nodes of Ranvier of dorsal root axons. In: J. Neurosci. 24 (30), Juli 2004, S. 6765–6775. doi:10.1523/JNEUROSCI.1628-04.2004. PMID 15282281.
• A. M. Rush, E. K. Wittmack, L. Tyrrell, J. A. Black, S. D. Dib-Hajj, S. G. Waxman: Differential modulation of sodium channel Na(v)1.6 by two members of the fibroblast growth factor homologous factor 2 subfamily. In: Eur. J. Neurosci. 23 (10), Mai 2006, S. 2551–2562. doi:10.1111/j.1460-9568.2006.04789.x. PMID 16817858.
• K. Kazarinova-Noyes, J. D. Malhotra, D. P. McEwen, L. N. Mattei, E. O. Berglund, B. Ranscht, S. R. Levinson, M. Schachner, P. Shrager, L. L. Isom, Z. C. Xiao: Contactin associates with Na+ channels and increases their functional expression. In: J. Neurosci. 21 (19), Oktober 2001, S. 7517–7525. PMID 11567041.
• J. Srinivasan, M. Schachner, W. A. Catterall: Interaction of voltage-gated sodium channels with the extracellular matrix molecules tenascin-C and tenascin-R. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95 (26), Dezember 1998, S. 15753–15757. doi:10.1073/pnas.95.26.15753. PMC 28116 (freier Volltext). PMID 9861042.
• D. Y. Kim, L. A. Ingano, B. W. Carey, W. H. Pettingell, D. M. Kovacs: Presenilin/gamma-secretase-mediated cleavage of the voltage-gated sodium channel beta2-subunit regulates cell adhesion and migration. In: J. Biol. Chem. 280 (24), Juni 2005, S. 23251–23261. doi:10.1074/jbc.M412938200. PMID 15833746.
• C. F. Ratcliffe, R. E. Westenbroek, R. Curtis, W. A. Catterall: Sodium channel beta1 and beta3 subunits associate with neurofascin through their extracellular immunoglobulin-like domain. In: J. Cell Biol. 154 (2), Juli 2001, S. 427–434. doi:10.1083/jcb.200102086. PMC 2150779 (freier Volltext). PMID 11470829.
• F. Grolleau, M. Stankiewicz, L. Birinyi-Strachan, X. H. Wang, G. M. Nicholson, M. Pelhate, B. Lapied: Electrophysiological analysis of the neurotoxic action of a funnel-web spider toxin, delta-atracotoxin-HV1a, on insect voltage-gated Na+ channels. In: J. Exp. Biol. 204 (Pt 4), 2001, S. 711–721. PMID 11171353.
• L. D. Possani, B. Becerril, M. Delepierre, J. Tytgat: Scorpion toxins specific for Na+-channels. In: Eur. J. Biochem. 264 (2), September 1999, S. 287–300. doi:10.1046/j.1432-1327.1999.00625.x. PMID 10491073.
• Christopher A. Ahern et al.,The hitchhiker’s guide to the voltage-gated sodium channel galaxy J. Gen. Physiol. (2015) 147 ( 1) S. 1–24 doi:10.1085/jgp.201511492