Ionenkanalbiologie

Ionenkanal, Protein, das von praktisch allen lebenden Zellen exprimiert wird und einen Weg für geladene Ionen aus gelösten Salzen, einschließlich Natrium-, Kalium-, Calcium- und Chloridionen, schafft, um durch die ansonsten undurchlässige Lipidzellmembran zu gelangen. Der Betrieb von Zellen im Nervensystem, die Kontraktion des Herzens und des Skelettmuskels sowie die Sekretion in der Bauchspeicheldrüse sind Beispiele für physiologische Prozesse, die Ionenkanäle erfordern. Darüber hinaus sind Ionenkanäle in den Membranen intrazellulärer Organellen wichtig für die Regulierung der zytoplasmatischen Calciumkonzentration und die Ansäuerung spezifischer subzellulärer Kompartimente (z. B. Lysosomen).

Zelle: Membrankanäle

Biophysiker, die den durch Zellmembranen fließenden elektrischen Strom messen, haben festgestellt, dass Zellmembranen im Allgemeinen einen weitaus größeren Wert haben

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Evolution und Selektivität

Ionen fließen passiv durch Kanäle in Richtung Gleichgewicht. Diese Bewegung kann durch elektrische (Spannung) oder chemische (Konzentration) Gradienten angetrieben werden. Die Fähigkeit, den Ionenfluss infolge der Entwicklung von Ionenkanälen zu verändern, könnte einen evolutionären Vorteil gebracht haben, indem es einzelligen Organismen ermöglicht wurde, ihr Volumen angesichts von Umweltveränderungen zu regulieren. Durch die anschließende Evolution haben Ionenkanäle eine wesentliche Rolle bei der Zellsekretion und der elektrischen Signalübertragung gespielt.

Die meisten Ionenkanäle sind gated - das heißt, sie öffnen und schließen sich entweder spontan oder als Reaktion auf einen bestimmten Stimulus, wie die Bindung eines kleinen Moleküls an das Kanalprotein (ligandengesteuerte Ionenkanäle) oder eine Spannungsänderung über der Membran Dies wird durch geladene Segmente des Kanalproteins (spannungsgesteuerte Ionenkanäle) erfasst. Darüber hinaus sind die meisten Ionenkanäle selektiv und lassen nur bestimmte Ionen durch. Einige Kanäle leiten nur einen Ionentyp (z. B. Kalium), während andere Kanäle eine relative Selektivität aufweisen - beispielsweise indem sie positiv geladene Kationen passieren lassen, während negativ geladene Anionen ausgeschlossen werden. Zellen in höheren Organismen können mehr als 100 verschiedene Arten von Ionenkanälen mit jeweils unterschiedlicher Selektivität und unterschiedlichen Gate-Eigenschaften exprimieren.

Funktion und Struktur

Der Fluss geladener Ionen durch offene Kanäle stellt einen elektrischen Strom dar, der die Spannung über der Membran durch Ändern der Ladungsverteilung ändert. In erregbaren Zellen liegen spannungsgesteuerte Kanäle, die einen vorübergehenden Einstrom positiver Ionen (z. B. Natrium- und Calciumionen) ermöglichen, kurzen Depolarisationen der Membran zugrunde, die als Aktionspotentiale bekannt sind. Aktionspotentiale können schnell über große Entfernungen übertragen werden, was eine Koordination und ein genaues Timing der physiologischen Ergebnisse ermöglicht. In fast allen Fällen lösen Aktionspotentiale nachgeschaltete physiologische Effekte wie Sekretion oder Muskelkontraktion aus, indem sie spannungsgesteuerte calciumselektive Ionenkanäle öffnen und die intrazelluläre Calciumkonzentration erhöhen.

Die Aminosäuresequenzen vieler verschiedener Ionenkanalproteine ​​wurden bestimmt, und in einigen Fällen ist auch die Röntgenkristallstruktur des Kanals bekannt. Aufgrund ihrer Struktur kann die Mehrzahl der Ionenkanäle in sechs oder sieben Superfamilien eingeteilt werden. Für kaliumselektive Kanäle, die zu den am besten charakterisierten Ionenkanälen gehören, bilden vier homologe Transmembranuntereinheiten einen Tunnel, der als leitende Pore bekannt ist und einen polaren Weg durch die unpolare Lipidmembran bietet. Andere Kanaltypen erfordern entweder drei oder fünf homologe Untereinheiten, um die zentrale leitende Pore zu erzeugen. In Lösung werden Ionen durch polarisierte Wassermoleküle in der Umgebung stabilisiert. Enge, hochselektive Ionenkanäle ahmen die Wasserumgebung nach, indem sie die leitende Pore mit polarisierten Carbonylsauerstoffatomen auskleiden. Weniger selektive Kanäle bilden Poren mit einem Durchmesser, der groß genug ist, dass Ionen und Wassermoleküle zusammen passieren können.

Toxine und Krankheiten

Viele natürliche Toxine zielen auf Ionenkanäle ab. Beispiele hierfür sind der spannungsgesteuerte Natriumkanalblocker Tetrodotoxin, der von Bakterien produziert wird, die in Puffern (Blowfish) und mehreren anderen Organismen vorkommen; der irreversible nikotinische Acetylcholinrezeptor-Antagonist Alpha-Bungarotoxin aus dem Gift von Schlangen der Gattung Bungarus (Kraits); und pflanzliche Alkaloide wie Strychnin und D-Tubocurarin, die die Aktivierung von Ionenkanälen hemmen, die von den Neurotransmittern Glycin bzw. Acetylcholin geöffnet werden. Darüber hinaus wirkt eine große Anzahl von Therapeutika, einschließlich Lokalanästhetika, Benzodiazepinen und Sulfonylharnstoffderivaten, direkt oder indirekt, um die Ionenkanalaktivität zu modulieren.

Vererbte Mutationen in Ionenkanalgenen und in Genen, die Proteine ​​codieren, die die Ionenkanalaktivität regulieren, sind an einer Reihe von Krankheiten beteiligt, darunter Ataxie (Unfähigkeit, freiwillige Muskelbewegungen zu koordinieren), Diabetes mellitus, bestimmte Arten von Epilepsie und Herzrhythmusstörungen (Unregelmäßigkeiten) im Herzschlag). Beispielsweise liegen einigen Formen des Long-QT-Syndroms genetische Variationen in natriumselektiven und kaliumselektiven Kanälen oder in den zugehörigen regulatorischen Untereinheiten zugrunde. Dieses Syndrom ist durch eine Verlängerung des Depolarisationszeitverlaufs der Aktionspotentiale der Herzmuskelzellen gekennzeichnet, die zu tödlichen Arrhythmien führen kann. Darüber hinaus liegen Mutationen in Adenosintriphosphat (ATP) -empfindlichen Kaliumkanälen, die die Insulinsekretion aus Zellen in der Bauchspeicheldrüse steuern, einigen Formen von Diabetes mellitus zugrunde.