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Ionenkanäle: Einführung

Ionenkanäle: Struktur und Funktion

1998 wurde die erste dreidimensionale Struktur eines ionenselektiven Kanals aufgelöst. Es handelt sich dabei um einen bakteriellen K+-Kanal (KcsA). Die entscheidenden Sequenzbereiche sind allerdings in K+-Kanälen verschiedenster Species hoch konserviert und große Übereinstimmung besteht auch in Kanälen, die durch cyclische Nucleotide gesteuert werden. Sogar Na+- und Ca2+-Kanäle zeigen Ähnlichkeiten, was die Sequenzen des inneren Porenbereichs betrifft. Die Schlussfolgerungen, die sich aus den Untersuchungen von KcsA ziehen lassen, lassen sich deshalb allgemein als Strukturprinzipien für all diese Kationenkanäle ansehen:

Abb.1

Der Kanal - im Falle von KcsA - besteht aus einem Homotetramer, wobei jede Untereinheit zwei Transmembran- (TM-) Helices und eine Schleifenstruktur (P-Loop) mit einer kürzeren Helix (Porenhelix) enthält. Die äußere der beiden TM-Helices entspricht dem Segment S5, die innere dem Segment S6 in der Nomenklatur der klassischen spannungsgesteuerten Kationenkanäle, die jeweils sechs TM-Helices in einer Untereinheit bzw. in einer Domäne besitzen. Zwei Kalium-Ionen, die sich gerade im Selektivitätsfilter befinden, sind als violette Kugeln dargestellt. Das innere Ion fluktuiert zwischen zwei Koordinationsstellen hin und her.

Abb.2

Das Gerüst der Porenstruktur wird im Wesentlichen von den vier inneren Helices gebildet, die die Form eines auf dem Kopf stehenden Zeltes einnehmen (inverted teepee). Zwischen den äußeren Bereichen der Helices, die dem Extrazellulärraum zugewandt sind (im Bild oben) schieben sich die Porenhelices und im Zentrum liegt der Selektivitätsfilter, die engste Stelle der Pore.

Abb.3

Hier ist die Oberfläche des Kanalproteins gezeigt, eingefärbt entsprechend dem elektrostatischen Potenzial (rot=negativ, blau=positiv). Die dem Betrachter zugewandte Untereinheit wurde weggelassen. In den beiden Eingängen der Pore befinden sich saure Aminosäuren, was zu einer lokalen Anreicherung von Kationen führt. Die Kalium-Ionen im Innern der Pore sind eng vom Selektivitätsfilter umgeben, in direktem Kontakt mit Carbonyl-Sauerstoffen des Peptid-Rückgrats. Zwischen ihnen befindet sich ein Wasser-Molekül. Der Filter hat eine optimale Geometrie, so dass ein Kalium-Ion genau hineinpasst, ein Natrium-Ion hingegen zu klein wäre, um ausreichende Wechselwirkungen zu erfahren. Der Rest der Pore ist weiter und wird vorwiegend von inerten Aminosäuren ausgekleidet. Unterhalb des Selekivitätsfilters, der etwa 1,2 nm lang ist, befindet sich eine wassergefüllte Höhle, die es den Kalium-Ionen ermöglicht, ohne größere Energiebarrieren zu überwinden, in die Mitte der Membran zu gelangen. Auf ihrem Weg durch die Pore sind die Kalium-Ionen also auf weiten Strecken von Wasser umgeben, nur im Bereich des Selektivitätsfilters streifen sie ihre Hydrathülle weitgehend ab und gehen enge Wechselwirkungen mit dem Kanalprotein ein. Die zwei Kalium-Ionen im Filter in diesem kurzem Abstand stoßen einander elektrostatisch ab. Dadurch werden die starken Wechselwirkungen mit dem Kanalprotein an dieser Stelle überwunden und - trotz strenger Selektivität - die hohen Durchflussraten des Kanals ermöglicht. In der Kristallstruktur fand sich auch noch ein drittes Ion: im Zentrum der wassergefüllten Pore. Dass dieses Ion an diesem Platz verweilen kann (und trotz der fehlenden Protein-Interaktionen und der Abstoßung durch die anderen Ionen) nicht zurückgedrängt wird, führt man auf die Lage der Porenhelices zurück. Diese sind so orientiert, dass der Helix-Dipol mit seinem partiell-negativ geladenen Carboxy-Ende genau in Richtung des Höhlenzentrums deutet und dadurch ein dort vorhandenes Kation stabilisieren kann.

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