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Ionenkanäle: Einführung

Die Struktur des K+-Kanals KcsA: Paradigma eines ionenselektiven Kanalproteins

Die erste, lang erwartete Struktur eines Ionenkanals wurde 1998 in "Science" veröffentlicht. Der Gruppe um Roderick MacKinnon war es gelungen, genügend große Mengen des K+-Kanals aus Streptomyces lividans (KcsA) zu isolieren und daraus Proteinkristalle zu erzeugen, die sich durch Röntgenkristallographie untersuchen ließen (bei einer Auflösung von 3,2 Å; näheres zur Röntgenkristallographie findet sich hier).

Auf Fragen, die seit über 50 Jahren Forscher aus vielen Fachrichtungen beschäftigten, konnten damit endlich definitive Antworten gefunden werden. Insbesondere die Kombination von Selektivität und Schnelligkeit, die Ionenkanäle auszeichnet, war immer wieder ein Kernthema der Debatte. Schon früh wurden hypothetische Modellvorstellungen entwickelt (von denen einige, im heutigen Licht betrachtet, von erstaunlicher wissenschaftlicher Einsicht zeugen). Die Kombination von Elektrophysiologie und der später hinzukommenden Molekularbiologie schuf eine Unmenge von Daten, die ein immer genauer werdendes Bild der Funktionsweise von Ionenkanälen ermöglichte. Dennoch blieben viele Fragen offen, waren die Hinweise indirekter Natur.

Die Sequenz des bakteriellen KcsA-Kanals zeigt einen hohen Grad von Identität mit der von eukaryontischen K+ -Kanälen, auch wenn der bakterielle Kanal nur zwei transmembranäre Helices und die sogenannte P-Region enthält (die meisten K+-Kanäle enthalten typischerweise 6 TM-Helices in einer Untereinheit). Studien mit einem Skorpion-Toxin, das eukaryontische K+-Kanäle blockiert, zeigten ebenfalls, dass die Porenstruktur des bakteriellen Kanals auch in eukaryontischen Kanälen konserviert ist. Die Schlussfolgerungen, die sich aus den Untersuchungen von KcsA ziehen lassen, können damit als allgemeingültig für K+-Kanäle angesehen werden.

KcsA

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Abb.1
KcsA

Die generelle Architektur des Kanals, von der Seite (erste Einstellung) und von oben (extrazellulär; letzte Einstellung) gesehen. Das Kanalprotein besteht aus vier identischen Untereinheiten, die sich symmetrisch um die zentrale (Poren-)Achse versammeln.

Jede Untereinheit enthält eine äußere und eine innere transmembranäre Helix. Die beiden Helices sind durch eine längere Schleife (P-loop) verbunden, die einen wesentlichen Teil der im Zentrum des Homotetramers gelegenen Porenstruktur bildet. Ein Teil dieser Schleife hat ebenfalls eine helicale Konformation, die so genannte Poren-Helix.

Die inneren Helices sind zur Membransenkrechten ca. 25° geneigt und weisen einen leichten Knick auf, so dass sich die Untereinheiten wie die Blütenblätter einer Blume zum Extrazellulärraum hin öffnen. Die Autoren nennen dieses Motiv auch inverted teepee (umgedrehtes Zelt). Die vier Helices bilden vor allem auf der internen Seite der Membran direkte Kontakte untereinander aus, während im äußeren Teil die Poren-Helices dazwischen gepackt sind.

Der Selektivitätsfilter wird durch einen gerade mal fünf Aminosäure langen Abschnitt gebildet (TVGYG, der so genannten Signatursequenz von K+ -Kanälen; der Übersicht halber ist nur die Sequenz einer Untereinheit beschriftet). Er bildet die schmalste Stelle innerhalb der Pore.

Diese Einstellung zeigt zwei Kalium-Ionen in der Pore, die ihr Hydratwasser weitgehend abgestreift haben und nun unmittelbar vom Selektivitätsfilter umgeben sind. Das innere Ion fluktuiert in raschem Gleichgewicht zwischen zwei benachbarten Koordinationszentren. Zwischen den beiden K+-Ionen befindet sich ein Wasser-Molekül (dargestellt ist nur der Sauerstoff des Wassers). Es zeigt sich, dass nicht die Seitenketten der Aminosäuren Kontakte zu den Kalium-Ionen knüpfen, sondern die Carbonyl-Sauerstoffe des Peptid-Rückgrats. Bei einer Fahrt durch diesen Teil der Pore erkennt man, dass die Carbonyl-Sauerstoffe ringförmig die Kalium-Ionen koordinieren.

Zurück zur Gesamtansicht mit Andeutung der Van-der-Waals-Oberfläche und Schnitt durch das Kanalprotein (letzte Einstellung).

Hier sind alle sauren Aminosäuren (Asp, Glu) hervorgehoben. Sie sind vor allem in den beiden Poreneingängen lokalisiert und bewirken dadurch wahrscheinlich eine Erhöhung der lokalen Kationen-Konzentration bzw. eine Erniedrigung der Anionen-Konzentration an diesen Orten. Basische Aminosäuren sind hingegen nur in von der Pore abgewandten Bereichen zu finden.

PDB-Eintrag: 1BL8

Literatur

Doyle, D. A.; Morais-Cabral, J.; Pfuetzner, R. A.; Kuo, A.; Gulbis, J. M.; Cohen, S. L.; Chait , B. T.; MacKinnon, R. (1998): The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. In: Science. 280 , 69-77

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