Twee recente artikelen van Keck Graduate Institute (KGI), professor James Sterling en Shenda Baker, President en COO bij Synedgen, beschrijven hoe ionen interageren met de glycanen van het slijmvliesoppervlak om de gezondheid te verzekeren.

Het belang van ionen, of elektrolyten, in de menselijke gezondheid is algemeen bekend, maar de exacte rol die deze ionen spelen in de biologie is ingewikkelder dan eerder werd gedacht. Complexe suikers bekend als glycanen, die de oppervlakken van cellen en slijmvliesoppervlakken bedekken, behoren tot de meest negatief geladen moleculen in de biologie. In onze neus, keel, ogen, longen, en maag-darmkanaal, deze oppervlakken spelen een belangrijke rol bij de bescherming van het lichaam tegen de invasie van pathogenen en blootstelling aan de omgeving.

Het artikel "A Continuum Model of Mucosa with Glycan-Ion Pairing, " werd op 15 januari gepubliceerd in het tijdschrift Macromoleculaire theorie en simulaties .

"De rol van ionenparing op celoppervlakken heeft belangrijke implicaties voor de medicijnafgifte, dus werken we samen met KGI-assistent-professor Kiana Aran om de mucosale medicijnafgifte te verbeteren, "Zegt Sterling. "Evenzo, de interactie van toxines met cellen wordt onderzocht met KGI-assistent-professor Mikhail Martchenko in het werk van zijn laboratorium aan porievormende peptiden."

Terwijl positieve en negatieve ladingen door elkaar worden aangetrokken, twee verschillende ionen (zeg, natrium en kalium) met dezelfde lading niet op dezelfde manier interageren met hetzelfde negatieve ion, en de aard van deze verschillen wordt lyotropie genoemd.

"Een belangrijke implicatie van deze subtiele verschillen is dat glycanen op unieke manieren interageren met elk type ion, ", zegt Sterling. "Specifieke verschillen in de manier waarop ionen paren met tegenionen kunnen grote veranderingen veroorzaken in zowel de elektrische potentiaal als de dikte van de beschermende laag op cellen die de aanhechting en invasie van pathogenen voorkomen. Er bestaat een complexe interactie tussen aantrekking en afstoting als de ladingen in reactie op elkaar bewegen, zowel positief als negatief. Verrassend genoeg, de oppervlaktestructuren kunnen heel verschillend zijn voor verschillende ionen, zelfs als hetzelfde aantal ionen aanwezig is."

Op slijmvliesoppervlakken, zoals de longen, het slijm bestaat uit negatief geladen polyelektrolyten, mucinen genaamd, die erg gevoelig zijn voor veranderingen in ionen. Bij patiënten met cystische fibrose, bijvoorbeeld, het genetische defect in het CFTR-gen vermindert het ionentransport, waardoor het slijm dik en stroperig wordt. Baker en Sterling beschrijven hoe de dikte van de mucosale laag en zijn elektrische potentiaal worden gewijzigd door veranderingen in het iontype (carboxylaten of sulfaten op de mucinen).

"Het begrip van hoe elk type ion de structuur beïnvloedt, elektrisch potentieel, en het vloeistofgedrag van de luchtweg-oppervlaktelagen in de long heeft directe implicaties voor het ontwerpen van medicijndoelen die het longgedrag beïnvloeden, " merkt Bakker op.

Het artikel overweegt ioneninteracties en elektrische potentialen in een verscheidenheid aan biologisch belangrijke hydrogels en celoppervlakken, en bevat specifieke ion-ion-interacties voor elk type ionenpaar. Dit werk volgt op een publicatie uit 2017 door Drs. Baker en Sterling in Colloïde en interface wetenschapscommunicatie , getiteld "Elektro-lyotroop evenwicht en het nut van dissociatieconstanten van ionenparen, "het vaststellen van de haalbaarheid van deze modellen voor de bepaling van de biohydrogelstructuur.

Professor Sterling presenteerde ook aspecten van dit werk tijdens KGI's 13e jaarlijkse onderzoeksretraite op 12 januari. Zijn presentatie kan worden bekeken via de volgende link:Partitioning and Pairing in Biology.