Zellen in Nerven und Muskeln kommunizieren im Organismus über elektrische Signale miteinander, die durch das gezielte Öffnen und Schließen von Ionenkanälen entstehen. Kieler Wissenschaftler haben jetzt einen neuartigen Mechanismus entdeckt, der es bestimmten Ionenkanälen erlaubt, auf Änderung der Membranspannung zu reagieren, ohne ein solches geladenes Proteinsegment zu besitzen.

Kiel – Zellen in Nerven und Muskeln kommunizieren im Organismus über elektrische Signale miteinander, die durch das gezielte Öffnen und Schließen von Ionenkanälen entstehen. Ionenkanäle sind Poren in der Zellmembrane, durch die elektrisch geladene Teilchen (Ionen) durch die Zellmembran transportiert werden. Dafür notwendig ist ein elektrisch geladener Proteinabschnitt, der den Kanal öffnet oder schließt, wenn sich die Spannung in der Zellmembran verändert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Physiologischen Institut der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben jetzt einen neuartigen Mechanismus entdeckt, der es bestimmten Ionenkanälen erlaubt, auf Änderung der Membranspannung zu reagieren, ohne ein solches geladenes Proteinsegment zu besitzen.

Die Fähigkeit von Ionenkanälen, auf Veränderung der Membranspannung zu reagieren, ist schon seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt. Alle bekannten spannungsregulierten Ionenkanäle verfügen dazu über einen Abschnitt im Protein, der durch das Vorhandensein von positiv geladenen Aminosäuren elektrisch geladen ist und sich bewegt, sobald sich die Membranspannung ändert. Durch die Bewegung des Proteinsegments öffnet oder schließt sich die Pore und die Ionen können durch die Zellmembran strömen. Ein schnelles Öffnen und Schließen von spannungsgesteuerten Ionenkanälen ist die Grundvoraussetzung, damit Nervenzellen Informationen untereinander austauschen können und Vorgänge wie Denken, Bewegungen oder der Herzschlag möglich werden. „Bislang nahm man an, die molekularen Grundlagen für solche Vorgänge bis ins Detail verstanden zu haben“, sagt Professor Thomas Baukrowitz, Direktor am Physiologischen Institut der CAU. „Die Entdeckung dieses neuen Schaltmechanismus in Ionenkanälen war deshalb für uns überraschend.“

Von der Schmerzwahrnehmung, der Steuerung der Atmung bis zur Hormon-Sekretion

Die Forscherinnen und Forscher in seiner Abteilung konnten zeigen, dass im engsten Teil der Kanalpore, auf den das elektrische Feld stark fokussiert ist, Kaliumionen beschleunigt werden, wodurch eine Art Ventilklappe in den Kanälen aufgestoßen wird. Dieser Ventilklappenmechanismus ist deshalb stark spannungsabhängig, da nur die Bewegung von Kaliumionen, die aus der Zelle herausströmen, die Ventilklappe öffnet. Strömen Kaliumionen allerdings in die andere Richtung, also von außen in Zellen hinein, schließt sich die Ventilklappe, vergleichbar mit einem Rückschlagventil in Wasserleitungen. „Diese Art von Öffnungsmechanismus ist für Ionenkanäle neuartig und von physiologischer Relevanz, denn die ventilklappenartigen Ionenkanäle bilden eine der großen Familien von Kaliumkanälen im menschlichen Genom, deren Mitglieder in vielen elektrisch erregbaren Zellen, wie Nerven- und Herzmuskelzellen vorkommen“, erklärt Baukrowitz. „Solche Ionenkanäle sind an zahlreichen Vorgängen wie der Wahrnehmung von Schmerz und Temperatur, der Steuerung der Atmung oder der Sekretion von Hormonen beteiligt“. Wesentliche Ergebnisse dieser Studie haben die beiden Erstautoren Marcus Schewe und Ehsan Nehmatian-Ardestan im Rahmen ihrer Doktorarbeit erlangt.

Originalpublikation: Marcus Schewe, Ehsan Nematian-Ardestani, Han Sun, Marianne Musinszki, Sönke Cordeiro, Giovanna Bucci, Bert L. de Groot, Stephen J. Tucker, Markus Rapedius and Thomas Baukrowitz (2016) A Non-canonical Voltage-Sensing Mechanism Controls Gating in K2P K+ Channels; Cell 164, 1–13

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