Naszym naturalnym komputerem jest mózg, połączony z narządami gęstą siecią „kabli” – układem nerwowym. Prąd płynący tym biologicznym okablowaniem to impulsy elektryczne biegnące przez neurony, czyli komórki nerwowe. Sygnały przekazywane są dalej przez synapsy – punkty styku neuronów między sobą oraz z mięśniami i gruczołami. Do tego potrzebne są neuroprzekaźniki – chemiczne „listy”, które jeden neuron wysyła, a drugi odczytuje dzięki wyspecjalizowanym receptorom w swojej błonie.
Gdy neuroprzekaźnik przyłączy się do receptora, ten zmienia kształt i otwiera kanał jonowy – coś w rodzaju mikroskopijnej furtki w błonie neuronu. Receptor z otwartą furtką nazywamy receptorem w stanie otwartym. Przez tę furtkę wpadają do środka jony, czyli naładowane cząsteczki (np. sodu czy wapnia). Ich napływ zmienia ładunek elektryczny wewnątrz neuronu i właśnie to wywołuje impuls, który biegnie dalej do kolejnej komórki. Bez neuroprzekaźnika furtka się nie otworzy, jony nie przepłyną – a sygnał po prostu się zatrzyma. Efekt? Mięsień nie dostanie polecenia i np. nie udaje się poruszyć nogą.
Dobrym przykładem jest glutaminian, który możecie kojarzyć z etykiet zupek instant – to główny pobudzający neuroprzekaźnik w mózgu. Działa jak przycisk „start” – uruchamia większość procesów nerwowych, od uczenia się i pamięci, przez kontrolę ruchów, aż po szybkie reagowanie na bodźce. Gdy glutaminian wiąże się z odpowiednimi receptorami (np. AMPA czy NMDA), komórka nerwowa dostaje sygnał: „działaj!”.
Inny – acetylocholina – odpowiada m.in. za pamięć, koncentrację i pracę mięśni. To właśnie te naturalne receptory (receptory nikotynowe acetylocholiny, nAChR) potrafi oszukać nikotyna z papierosów – działa jak fałszywy klucz, który również pasuje do zamka i uruchamia ten sam mechanizm.
Dotychczasowa (nie)wiedza
Przez wiele lat sądzono, że otwieranie się kanałów w receptorach jonotropowych (odpowiadających za najszybsze reakcje w układzie nerwowym) przebiega w sposób losowy, zgodnie z tzw. modelami Markowa. Uważano też, że od chwili, gdy neuroprzekaźnik zwiąże się z receptorem, do faktycznego otwarcia kanału mija pewien czas.
Te założenia poddał weryfikacji prof. Krzysztof Meissner z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z dr hab. Ewą Nurowską z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego.
– Symulacje komputerowe na poziomie atomowym pokazały, że receptory bardzo szybko zmieniają swoją konformację (kształt), a tego nie potrafią wyjaśnić obecne modele Markowa opisujące działanie receptorów jonotropowych. To właśnie sprzeczność między wynikami symulacji a tymi modelami, skłoniła nas do pytania o ich poprawność i możliwość zastąpienia lepszym modelem – wyjaśniają swoją motywację badacze.
Świeże spojrzenie matematycznym okiem
Naukowcy z UW i WUM zaproponowali alternatywny model działania receptorów, posługując się przykładem receptora nikotynowego, który m.in. pośredniczy w przekazywaniu sygnałów między neuronem a mięśniem.
– W naszym modelu podważyliśmy dotychczasowe założenie dotyczące receptora w stanie otwartym, że bloker nie może działać bezpośrednio w miejscu wiązania agonisty, i założyliśmy, że jest wręcz przeciwnie – bloker utrudnia agoniście utrzymanie receptora w stanie otwartym właśnie w miejscu wiązania. Model ten, w odróżnieniu do modeli Markowa, wiąże wyprowadzonymi ściśle wzorami czasy otwarć kanałów jonowych z mikroskopowymi parametrami receptora, co może pomóc w ilościowej ocenie zarówno diagnostyki jak i terapii chorób związanych z działaniem receptorów jonotropowych. – tłumaczy prof. Meissner.
Co ważne, nowy model nie tylko podaje precyzyjne wzory matematyczne opisujące działanie receptora. Odsłania też zależności, których wcześniej nie dostrzegano – jak dokładnie czas otwarcia kanału jonowego wiąże się z właściwościami samego receptora.
W praktyce oznacza to, że badacze zyskali narzędzie, które pozwala przewidywać zachowanie receptorów nie tylko teoretycznie, ale też porównywać je z realnymi pomiarami w laboratorium. A zgodność modelu z danymi eksperymentalnymi okazała się wyjątkowo wysoka – to dowód, że opis trafia w sedno tego, co dzieje się w komórkach nerwowych.
Padaczka, alzheimer, parkinson…
Każdy nowy szczegół wiedzy o układzie nerwowym może być bezcenny. Receptory jonotropowe odpowiadają za błyskawiczne przekazywanie sygnałów w mózgu i mięśniach, a ich zaburzenia stoją za wieloma poważnymi schorzeniami. Gdy receptory te działają nieprawidłowo, może to prowadzić do napadów padaczkowych, osłabienia mięśni oraz uszkodzenia komórek nerwowych w chorobach Alzheimera i Parkinsona.
Nowy model pozwala nie tylko lepiej zrozumieć, co dzieje się na poziomie pojedynczych receptorów, ale też otwiera drogę do praktycznych zastosowań. Dzięki precyzyjnemu opisowi działania receptorów można myśleć o projektowaniu leków, które będą działały celniej – zamiast „na oślep” blokować czy pobudzać całe układy. To perspektywa ważna nie tylko dla terapii chorób neurodegeneracyjnych, ale i dla badań nad uzależnieniami, skoro właśnie receptor nikotynowy posłużył jako poligon doświadczalny.
Innymi słowy: równania i symulacje fizyków mogą w przyszłości przełożyć się na konkretne rozwiązania w medycynie. A to oznacza, że matematyka – pozornie odległa od biologii – staje się sprzymierzeńcem w walce z jednymi z najpoważniejszych chorób cywilizacyjnych.
