Ionenkanäle
Im Gegensatz zu Trägerproteinen bilden Kanalproteine einfach offene Poren in der Membran, so dass kleine Moleküle der entsprechenden Größe und Ladung frei durch die Lipiddoppelschicht gelangen können. Eine Gruppe von Kanalproteinen, die bereits diskutiert wurde, sind die Porine, die den freien Durchgang von Ionen und kleinen polaren Molekülen durch die äußeren Membranen von Bakterien ermöglichen (siehe Abbildung 12.8)., Kanalproteine ermöglichen auch den Durchgang von Molekülen zwischen Zellen, die an Spaltübergängen verbunden sind, was später im Kapitel diskutiert wird. Die Plasmamembranen vieler Zellen enthalten auch Wasserkanalproteine (Aquaporine), durch die Wassermoleküle die Membran viel schneller durchqueren können, als sie durch die Phospholipid-Doppelschicht diffundieren können. Die am besten charakterisierten Kanalproteine sind jedoch die Ionenkanäle, die den Durchgang von Ionen über Plasmamembranen vermitteln., Obwohl Ionenkanäle in den Membranen aller Zellen vorhanden sind, wurden sie besonders gut in Nerven und Muskeln untersucht, wo ihr reguliertes Öffnen und Schließen für die Übertragung elektrischer Signale verantwortlich ist.
Drei Eigenschaften von Ionenkanälen stehen im Mittelpunkt ihrer Funktion (Abbildung 12.18). Erstens ist der Transport durch Kanäle extrem schnell. Mehr als eine Million Ionen pro Sekunde fließen durch offene Kanäle—eine Strömungsrate, die ungefähr tausendmal größer ist als die Transportrate durch Trägerproteine., Zweitens sind Ionenkanäle hochselektiv, da enge Poren im Kanal den Durchgang zu Ionen der entsprechenden Größe und Ladung einschränken. Somit ermöglichen spezifische Kanalproteine den Durchgang von Na+, K+, Ca2+ und Cl – über die Membran. Drittens sind die meisten Ionenkanäle nicht dauerhaft geöffnet. Stattdessen wird das Öffnen von Ionenkanälen durch „Tore“ reguliert, die sich als Reaktion auf bestimmte Reize vorübergehend öffnen., Einige Kanäle (ligandengesteuerte Kanäle genannt) öffnen sich als Reaktion auf die Bindung von Neurotransmittern oder anderen Signalmolekülen; andere (spannungsgesteuerte Kanäle) öffnen sich als Reaktion auf Änderungen des elektrischen Potentials über die Plasmamembran.
Abbildung 12.18
Modell eines Ionen-Kanals. In der geschlossenen Konformation wird der Ionenfluss durch ein Tor blockiert. Durch das Öffnen des Tors können Ionen schnell durch den Kanal fließen. Der Kanal enthält eine schmale Pore, die den Durchgang auf Ionen der entsprechenden Größe beschränkt (mehr…,)
Die fundamentale Rolle von ionenkanälen bei der übertragung von elektrischen Impulsen wurde aufgeklärt durch eine Reihe von eleganten Experimenten berichtet von Alan Hodgkin und Andrew Huxley, 1952. Diese Forscher verwendeten die riesigen Nervenzellen des Tintenfisches als Modell. Die Axone dieser Riesenneuronen haben einen Durchmesser von etwa 1 mm, wodurch Elektroden eingeführt und die Veränderungen des Membranpotentials gemessen werden können, die während der Übertragung von Nervenimpulsen stattfinden., Mit diesem Ansatz zeigten Hodgkin und Huxley, dass diese Veränderungen des Membranpotentials aus dem geregelten Öffnen und Schließen von Na+ – und K+ – Kanälen in der Plasmamembran resultieren. Anschließend wurde es möglich, die Aktivität einzelner Ionenkanäle mit der 1976 von Erwin Neher und Bert Sakmann entwickelten Patch-Clamp-Technik zu untersuchen (Abbildung 12.19)., Bei diesem Verfahren wird eine Mikropipette mit einem Spitzendurchmesser von etwa 1 µm verwendet, um einen kleinen Membranfleck zu isolieren, wodurch der Ionenfluss durch einen einzelnen Kanal analysiert werden kann und die Präzision, mit der die Aktivitäten von Ionenkanälen untersucht werden können, stark erhöht wird.
Abbildung 12.19
Die patch-clamp-Technik. Ein kleines Stück Membran ist in der Spitze einer Mikropipette isoliert. Stimuli können dann innerhalb der Pipette aufgebracht werden, so dass das Verhalten des eingeschlossenen Kanals gemessen werden kann. (Adaptiert von E. Neher und B. Sakmann, 1992. (Mehr.,..)
Der Fluss von Ionen durch Membrankanäle ist abhängig von der Etablierung von Ionengradienten über die Plasmamembran. Alle Zellen, einschließlich Nerven und Muskeln, enthalten Ionenpumpen (im nächsten Abschnitt diskutiert), die Energie aus der ATP-Hydrolyse nutzen, um Ionen aktiv über die Plasmamembran zu transportieren. Infolgedessen unterscheidet sich die ionische Zusammensetzung des Zytoplasmas wesentlich von der von extrazellulären Flüssigkeiten (Tabelle 12.1). Zum Beispiel wird Na+ aktiv aus Zellen gepumpt, während K+ eingepumpt wird., Im Tintenfischaxon ist daher die Konzentration von Na+ in extrazellulären Flüssigkeiten etwa 10-mal höher als in der Zelle, während die Konzentration von K+ im Zytosol ungefähr 20-mal höher ist als im umgebenden Medium.
Tabelle 12.1
Extrazelluläre und intrazelluläre Ionenkonzentrationen.
Da Ionen elektrisch geladen sind, führt ihr Transport zur Bildung eines elektrischen Gradienten über die Plasmamembran., Bei ruhenden Tintenfisch-Axonen liegt ein elektrisches Potential von etwa 60 mV über der Plasmamembran, wobei die Innenseite der Zelle nach außen negativ ist (Abbildung 12.20). Dieses elektrische Potential entsteht sowohl durch Ionenpumpen als auch durch den Fluss von Ionen durch Kanäle, die in der ruhenden Zellplasmamembran offen sind. Die Plasmamembran ruhender Tintenfisch-Axone enthält offene K+ – Kanäle, so dass sie für K+ durchlässiger ist als für Na+ oder andere Ionen. Folglich leistet der Fluss von K+ den größten Beitrag zum Ruhememembranpotential.,
Abbildung 12.20
Ionenverläufe und Ruhememembranpotential des Riesenkalmar-Axons. Es werden nur die Konzentrationen von Na+ und K+ gezeigt, da dies die Ionen sind, die bei der Übertragung von Nervenimpulsen wirken. Na+ wird aus der Zelle gepumpt, während K+ eingepumpt wird, (mehr…)
Wie in Kapitel 10 beschrieben, wird der Ionenfluss über eine Membran sowohl von den Konzentrations-als auch von den Spannungskomponenten eines elektrochemischen Gradienten angetrieben., Zum Beispiel treibt die 20-fach höhere Konzentration von K+ innerhalb des Tintenfisch-Axons im Vergleich zur extrazellulären Flüssigkeit den Fluss von K+ aus der Zelle an. Da K+ jedoch positiv geladen ist, erzeugt dieser Ausfluss von K+ aus der Zelle ein elektrisches Potential über die Membran, wobei das Innere der Zelle negativ geladen wird. Dieses Membranpotential widersetzt sich dem anhaltenden Fluss von K+ aus der Zelle, und das System nähert sich dem Gleichgewichtszustand, in dem das Membranpotential den K+ – Konzentrationsgradienten ausgleicht.,
Quantitativ ist die Beziehung zwischen Ionenkonzentration und Membranpotential durch die Nernst-Gleichung gegeben:
wobei V das Gleichgewichtspotential in Volt ist, R die Gaskonstante ist, T die absolute Temperatur ist, z die Ladung des Ions ist, F die Faraday-Konstante ist und Co und Ci die Konzentrationen des Ions außerhalb bzw. innerhalb der Zelle sind. Ein Gleichgewichtspotential existiert separat für jedes Ion, und das Membranpotential wird durch den Fluss aller Ionen bestimmt, die die Plasmamembran kreuzen., Da ruhende Tintenfisch-Axone jedoch für K+ durchlässiger sind als für Na+ oder andere Ionen (einschließlich Cl-), liegt das Ruhememembranpotential (-60 mV) nahe an dem durch die intrazellulären und extrazellulären K+ – Konzentrationen bestimmten Gleichgewichtspotential (-75 mV).
Wenn Nervenimpulse (Aktionspotentiale) entlang von Axonen wandern, depolarisiert sich die Membran (Abbildung 12.21). Das Membranpotential ändert sich in weniger als einer Millisekunde von -60 mV auf ungefähr +30 mV, danach wird es wieder negativ und kehrt zu seinem Ruhewert zurück., Diese Änderungen resultieren aus dem schnellen sequentiellen Öffnen und Schließen von spannungsgesteuerten Na+ – und K+ – Kanälen. Relativ kleine anfängliche Änderungen des Membranpotentials (von -60 bis etwa -40 mV) führen zur schnellen Öffnung von Na+ – Kanälen. Dadurch kann Na+ in die Zelle fließen, angetrieben sowohl durch ihren Konzentrationsgradienten als auch durch das Membranpotential. Der plötzliche Eintritt von Na+ führt zu einer großen Veränderung des Membranpotentials, die auf fast +30 mV ansteigt und sich dem Na+ – Gleichgewichtspotential von ungefähr +50 mV nähert., Zu diesem Zeitpunkt werden die Na+ – Kanäle inaktiviert und spannungsgesteuerte K+-Kanäle geöffnet, wodurch die Permeabilität der Membran auf K+wesentlich erhöht wird. K+ fließt dann schnell aus der Zelle heraus, angetrieben sowohl durch das Membranpotential als auch durch den K+ – Konzentrationsgradienten, was zu einer schnellen Abnahme des Membranpotentials auf etwa -75 mV (das K+ – Gleichgewichtspotential) führt. Die spannungsgesteuerten K+ – Kanäle werden dann inaktiviert und das Membranpotential kehrt auf seinen Ruhepegel von -60 mV zurück, der durch den Fluss von K+ und anderen Ionen durch die Kanäle bestimmt wird, die in unstimulierten Zellen offen bleiben.,
Abbildung 12.21
Membranpotential und Ionenkanäle während eines Aktionspotentials. (A) Veränderungen des Membranpotentials an einem Punkt auf einem Tintenfisch-Riesenaxon nach einem Stimulus. ENa und EK sind die Gleichgewichtspotentiale für Na+ bzw. (B) Das Membranpotential (mehr…)
Durch die Depolarisation benachbarter Regionen der Plasmamembran können Aktionspotentiale als elektrische Signale die Länge der Nervenzellenaxone zurücklegen, was zu einer schnellen Übertragung von Nervenimpulsen über große Entfernungen führt., Zum Beispiel können die Axone menschlicher Motoneuronen mehr als einen Meter lang sein. Die Ankunft von Aktionspotentialen am Endpunkt der meisten Neuronen signalisiert dann die Freisetzung von Neurotransmittern wie Acetylcholin, die Signale zwischen Zellen in einer Synapse übertragen (Abbildung 12.22). Neurotransmitter, die aus präsynaptischen Zellen freigesetzt werden, binden an Rezeptoren auf den Membranen postsynaptischer Zellen, wo sie Liganden-gated-Ionenkanäle öffnen. Einer der am besten charakterisierten dieser Kanäle ist der Acetylcholinrezeptor von Muskelzellen., Die Bindung von Acetylcholin öffnet einen Kanal, der sowohl für Na+ als auch für K+durchlässig ist. Dies ermöglicht den schnellen Zustrom von Na+, der die Muskelzellmembran depolarisiert und ein Aktionspotential auslöst. Das Aktionspotential führt dann zur Öffnung spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle, was zu einer Zunahme des intrazellulären Ca2+ führt, das eine Kontraktion signalisiert (siehe Abbildung 11.25).
Abbildung 12.22
Signalisierung durch Neurotransmitter-Freisetzung bei einer Synapse., Die Ankunft eines Nervenimpulses am Endpunkt des Neurons signalisiert die Fusion von synaptischen Vesikeln mit der Plasmamembran, was zur Freisetzung von Neurotransmittern aus der präsynaptischen Zelle in (mehr…)
Der Acetylcholinrezeptor, der in den 1970er Jahren zunächst aus dem elektrischen Organ der Torpedostrahlen isoliert wurde, ist der Prototyp liganden-gatteter Kanäle. Der Rezeptor besteht aus fünf Untereinheiten, die als Zylinder in der Membran angeordnet sind (Abbildung 12.23). In seinem geschlossenen Zustand wird angenommen, dass die Kanalpore durch die Seitenketten hydrophober Aminosäuren blockiert wird., Die Bindung von Acetylcholin induziert eine Konformationsänderung im Rezeptor, so dass sich diese hydrophoben Seitenketten aus dem Kanal verschieben und eine Pore öffnen, die den Durchgang positiv geladener Ionen, einschließlich Na+ und K+, ermöglicht. Der Kanal bleibt jedoch für negativ geladene Ionen wie Cl-undurchlässig, da er von negativ geladenen Aminosäuren ausgekleidet ist.
Abbildung 12.23
Modell des Acetylcholinrezeptors. Der Rezeptor besteht aus fünf Untereinheiten, die um eine zentrale Pore angeordnet sind., Die Bindung von Acetylcholin an eine Stelle im extrazellulären Bereich des Rezeptors induziert allosterische Veränderungen, die das Kanaltor öffnen. Der Kanal (mehr…)
Durch die spannungsabhängigen Kanäle Na+ und K+ wird eine höhere Ionenselektivität angezeigt. Na + – Kanäle sind für Na+ mehr als zehnmal durchlässiger als für K+, während K+ – Kanäle für K+ mehr als tausendmal durchlässiger sind als für Na+. Die Selektivität des Na+ – Kanals kann zumindest teilweise anhand einer schmalen Pore erklärt werden, die als Größenfilter fungiert. Der Ionenradius von Na+ (0.,95 Å) kleiner als die von K+ (1,33 Å), und es wird angenommen, dass die Na+ – Kanalpore schmal genug ist, um den Durchgang von K+ oder größeren Ionen zu stören (Abbildung 12.24).
Abbildung 12.24
– Ionen-Selektivität von Na+ – Kanälen. Eine schmale Pore ermöglicht den Durchgang von Na+, das an ein einzelnes Wassermolekül gebunden ist, stört jedoch den Durchgang von K+ oder größeren Ionen.
K + – Kanäle haben ebenfalls enge Poren, die den Durchgang größerer Ionen verhindern., Da Na+ jedoch einen kleineren Ionenradius hat, berücksichtigt dies nicht die selektive Permeabilität dieser Kanäle zu K+. Die Selektivität des K+ – Kanals basiert auf einem anderen Mechanismus, der 1998 mit der Bestimmung der dreidimensionalen Struktur eines K+-Kanals durch Röntgenkristallographie aufgeklärt wurde (Abbildung 12.25). Die Kanalpore enthält einen schmalen Selektivitätsfilter, der mit Carbonylsauerstoffatomen (C=O) aus dem Polypeptid-Rückgrat ausgekleidet ist., Wenn ein K+ – Ion in den Selektivitätsfilter eintritt, verdrängen Wechselwirkungen mit diesen Carbonyloxygenen die Wassermoleküle, an die K+ gebunden ist, so dass dehydriertes K+ die Pore passieren kann. Im Gegensatz dazu ist ein dehydriertes Na+ zu klein, um mit diesen Carbonyloxygenen im Selektivitätsfilter zu interagieren, der starr offen gehalten wird. Folglich bleibt Na+ an Wassermoleküle in einem hydratisierten Komplex gebunden, der zu groß ist, um den Kanal zu passieren.
Abbildung 12.25
Selektivität der K+Kanäle., Der K+ – Kanal enthält einen schmalen Selektivitätsfilter, der mit Carbonylsauerstoffatomen (C=O) ausgekleidet ist. Die Pore ist gerade breit genug, um den Durchgang von dehydriertem K+ zu ermöglichen, aus dem alle assoziierten Wassermoleküle verdrängt wurden (mehr…)
Spannungsabhängige Na+ -, K+ – und Ca2+ – Kanäle gehören zu einer großen Familie verwandter Proteine (Abbildung 12.26). Zum Beispiel hat die Genomsequenz von C. elegans fast 200 Gene offenbart, die für Ionenkanäle kodieren, die vermutlich benötigt werden, um verschiedene Rollen bei der Zellsignalisierung zu spielen., K+ – Kanäle bestehen aus vier identischen Untereinheiten, die jeweils entweder zwei oder sechs Transmembran-α-helices. Na+ – und Ca2+ – Kanäle bestehen aus einer einzigen Polypeptidkette, aber jedes Polypeptid enthält vier wiederholte Domänen, die den K+ – Kanal-Untereinheiten entsprechen. Spannungsgating wird durch eine der Transmembran-α-Helices vermittelt, die mehrere positiv geladene Aminosäuren enthält. Die Membrandepolarisation induziert die Bewegung dieser positiven Ladungen zur Außenseite der Zelle, verschiebt die Position dieses Transmembransegments und öffnet den Kanal., Die schnelle Inaktivierung von Na+ – und K+ – Kanälen während der Ausbreitung von Aktionspotentialen wird dann durch zytoplasmatische Teile der Polypeptidkette vermittelt, die an die zytoplasmatische Mündung der Kanalpore binden und einen weiteren Ionenfluss verhindern (Abbildung 12.27).
Abbildung 12.26
Strukturen spannungsgesteuerter Kationenkanäle. Die Kanäle K+, Na+ und Ca2+ gehören zu einer Familie verwandter Proteine. Der K+ – Kanal wird aus der Assoziation von vier identischen Untereinheiten gebildet, von denen eine gezeigt wird. Die Na+ – Kanal besteht aus einem einzigen Polypeptid (mehr…,)
Abbildung 12.27
die Inaktivierung von K+ – und Na+ – Kanäle. Nach spannungsgesteuerter Öffnung werden die K+ – und Na+ – Kanäle durch die Bindung von zytoplasmatischen Teilen der Polypeptidketten an die Pore schnell inaktiviert. Für den K+ – Kanal wird die Inaktivierung durch eine Kugel-und-kette vermittelt (mehr…)
Eine Vielzahl von Ionenkanälen (einschließlich Ca2+ – und Cl-Kanäle) reagieren auf verschiedene Neurotransmitter oder öffnen und schließen mit unterschiedlicher Kinetik nach Membrandepolarisation., Die konzertierten Aktionen dieser mehreren Kanäle sind für die Komplexität der Signalübertragung im Nervensystem verantwortlich. Darüber hinaus sind, wie im nächsten Kapitel besprochen, die Rollen der Ionenkanäle nicht auf die elektrisch erregbaren Zellen von Nerven und Muskeln beschränkt; Sie spielen auch eine wichtige Rolle bei der Signalisierung in anderen Zelltypen. Das geregelte Öffnen und Schließen von Ionenkanälen bietet den Zellen somit einen empfindlichen und vielseitigen Mechanismus, um auf eine Vielzahl von Umweltreizen zu reagieren.