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Tutorial MenueTransport und TransportmoleküleLerneinheit 1 von 3

Transportmoleküle

Ionenkanäle

Definition
Ionenkanäle sind Transmembranproteine, die meist selektive - für bestimmte Ionen durchlässige - Poren in der Membran ausbilden. Der Ionendurchfluss erfolgt dabei passiv entlang des elektrochemischen Gradienten und ist in der Regel diffusionskontrolliert. Die Durchlässigkeit der Ionenkanäle wird entweder durch das Membranpotenzial (spannungsgesteuerte Ionenkanäle), durch die Bindung von Liganden (ligandengesteuerte Ionenkanäle), durch mechanische Reize oder durch den Phosphorylierungszustand gesteuert.

Ionenkanäle sind Proteine, die in der Zellmembran nahezu aller Zellen zu finden sind. Wie winzige, empfindliche Verstärker sind sie maßgeblich beteiligt, wenn Sie beispielsweise diesen Text lesen, nebenbei Musik hören, die Maus bewegen oder das Gelesene in Ihrem Gedächtnis speichern. Die hydrophobe Lipid-Doppelschicht der Zellmembran ist für Ionen nahezu undurchdringlich. Um Ionen aus Zellen heraus oder in Zellen hinein zu bringen, werden deshalb spezielle Moleküle benötigt: Neben den Transportproteinen sind dies vor allem Ionenkanäle. In ihnen fließen die Ionen mit hohen Geschwindigkeiten, die fast an die von freier Diffusion heranreichen: Durch einen einzelnen Kanal bis zu 108 Ionen pro Sekunde!

Abb.1

Die Kanalproteine stellen jedoch nicht einfach starre Poren in der Membran dar. Trotz der hohen Geschwindigkeit des Ionendurchflusses besitzen sie eine erstaunliche Selektivität. Typischerweise lässt ein bestimmter Kanal nur eine oder wenige Sorten von Ionen hindurch, im allgemeinen sind das Na+, K+, Ca2+ oder Cl-. Viele Kalium-Kanäle sind beispielsweise etwa 10.000-fach durchlässiger für Kalium als für Natrium, obwohl sich die Ionenradien der beiden Ionen nur um ca. 0,04 nm unterscheiden. Darüber hinaus lassen sich die meisten Kanäle gezielt steuern: Sie öffnen und schließen sich als Antwort auf bestimmte Stimuli. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle reagieren auf Veränderungen des Membranpotenzials, ligandengesteuerte Ionenkanäle werden durch bestimmte Transmitter aktiviert und mechanosensitive Kanäle durch Druck oder Dehnung. Auch diese Steuerung läuft in der Regel extrem schnell ab. Ein Kanal-Molekül öffnet sich typischerweise in einem Bruchteil einer Millisekunde und bleibt in der Regel auch nur einige Millisekunden offen. Diese Eigenschaften prädestinieren Ionenkanäle für ihre Rolle bei der schnellen Übertragung von Signalen.

Die wichtige Rolle von Ionenkanälen bei vielfältigen Prozessen und ihre große Vielfalt und heterogene Verteilung führt auch zu einer großen Bandbreite von Krankheiten bei Defekten der Kanalproteine. Darüber hinaus sind Ionenkanäle oft ein Angriffsziel von Pharmaka oder Giftstoffen.

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