zum Directory-modus

Calcium als Botenstoff

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle bilden je nach ihrer Ionenselektivität die Familien der Kalium-, Natrium- und Calcium-Kanäle; alle sind homolog aufgebaut.

Spannungsabhängige Na+-Kanäle wurden als erste Vertreter dieser Klasse aus dem elektrischen Organ des Zitterrochens (Torpedo) isoliert. Das ermöglichte die Sequenzierung des Gens und eine eingehende molekularbiologische Untersuchung der Kanal-Eigenschaften und der Struktur. Der Kanal besteht aus einem großen Protein, das ein Tandem von vier Domänen aus je sechs Transmembran-Helices darstellt. Die Pore mit dem so genannten Selektivitätsfilter wird aus den vier P-Schleifen gebildet. Na+ wird durch Depolarisation schnell aktiviert und inaktiviert von selbst innerhalb von Millisekunden.

Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle vermitteln meist biochemische Reaktionen auf einen elektrischen Reiz hin. Ca2+ ist ein wichtiger intrazellulärer Botenstoff. Beispiele hierfür sind die Muskelkontraktion, die exocytotische Freisetzung aus Vesikeln (z.B. bei der Neurosekretion oder an der Synapse) oder die Differenzierung von bestimmten Zelltypen auf einen depolarisierenden Reiz hin. Die Struktur ist der von Na+-Kanälen sehr ähnlich, die Aktivierungs- und Inaktivierungskinetik ist dagegen langsamer.

Spannungsabhängige K+-Kanäle bestehen aus Tetrameren von vier getrennten Protein-Untereinheiten, die den Domänen der obigen Kanäle vollständig homolog sind. Diese Familie zeichnet sich jedoch durch eine große funktionelle Vielfalt von spezialisierten Subtypen aus, die sich vor allem in ihrem gating-Verhalten unterscheiden. Am bekanntesten sind die Kanäle, die für die Repolarisation beim Aktionspotenzial verantwortlich sind. Sie werden mit einer gewissen Verzögerung durch Depolarisation aktiviert und inaktivieren etwas langsamer als Na-Kanäle.

Der Spannungssensor ist bei allen drei Familien gleich aufgebaut und funktioniert nach folgendem Prinzip: Die Membranspannung erzeugt ein elektrisches Feld über der Membran, das auf die darin befindlichen Ladungen eine anziehende oder abstoßende Kraft ausübt. Proteine besitzen aber aus energetischen Gründen (Löslichkeit) in der Regel keine geladenen Aminosäurereste in ihren Transmembran-Helices (diese befinden sich in einer hydrophoben Umgebung). Eine Ausnahme bilden die S4-Helices bei den spannungsgesteuerten Kanälen, die einige positiv geladene Aminosäuren (Arginin) enthalten. Die Änderung des elektrischen Feldes (d.h. des Membranpotenzials) führt zu einer schraubigen Bewegung dieses Proteinabschnitts und dadurch zum Öffnen und Schließen der Pore. Die endogene schnelle Inaktivierung der offenen Kanäle erfolgt durch eine N-terminale Domäne. Diese ist wie ein angeketteter Ball gefaltet und verschließt die Pore spannungsabhängig von innen.

Seite 2 von 5