Ionenkanäle und Gradient

Struktur

Ionenkanäle sind Proteine, die fest in die Phospholipid-Doppelschicht der Zellmembran eingebaut sind (Transmembranproteine). Sie bestehen aus mehreren Untereinheiten, die sich zu einer Pore und zusätzlichen regulatorischen oder strukturgebenden Strukturen zusammenfügen. Die Anzahl dieser Untereinheiten variiert je nach Art des Ionenkanals.

Funktion

Ionenkanäle erfüllen die folgenden Hauptfunktionen:

1. Erleichterung des Ionentransports: Aufgrund ihrer Struktur und Eigenschaften verhindert die Phospholipid-Doppelschicht der Zellmembran den Durchgang geladener Moleküle. Ionenkanäle ermöglichen es den Ionen, sie passiv und ohne Energieverbrauch zu durchqueren. Sobald die Pore geöffnet ist, diffundieren die Ionen entlang ihres elektrochemischen Gradienten mit einer beeindruckenden Geschwindigkeit von bis zu 10 Millionen Ionen pro Sekunde.
2. Selektivität: Ionenkanäle sind üblicherweise sehr selektiv, so dass nur bestimmte Ionen sie passieren können.
3. Aktivierung als Reaktion auf Reize: Im geschlossenen Zustand wird der Durchtritt von Ionen verhindert. Als Reaktion auf verschiedene Reize, die elektrischer, chemischer oder mechanischer Art sein können, wird die Struktur des Kanals jedoch verändert, was zur Öffnung der Pore führt und den Ionen den Durchgang ermöglicht. Eine Ausnahme dieses Aktivierungs-und Deaktivierungsmusters bilden die Leckkanäle, die ständig geöffnet sind.

Ionenselektivität

Die Bewegung von Ionen durch Ionenkanäle erfolgt ohne Energieaufwand und wird ausschließlich durch den elektrochemischen Gradienten gesteuert, der den Netto-Ionenfluss durch die Zellmembran bestimmt. Eine zentrale Frage in der Wissenschaft ist, wie Ionenkanäle dabei eine präzise Selektivität erreichen. Aktuelle Forschungen legen nahe, dass dies durch eine Kombination aus Ionengröße, elektrischer Ladung und spezifischen Wechselwirkungen mit der Kanalstruktur ermöglicht wird:

1. Ionengröße und elektrische Ladung: Ionen variieren in Größe und elektrischer Ladung und ziehen unterschiedlich viele Wassermoleküle um sich herum an. Na+ ist beispielsweise kleiner als K+ und trägt aufgrund seiner geringeren Größe eine größere elektrische Ladung. Folglich ist jedes Na+-Ion von mehr Wassermolekülen umgeben und bildet im Vergleich zu K+ eine größere Hydrathülle.
2. Begrenzung der Porengröße: Die Pore des Ionenkanals ist zu klein, um Ionen aufzunehmen, die von einer Hydrathülle aus Wassermolekülen umgeben sind. Daher müssen die Ionen Moleküle abwerfen, um die Pore zu passieren, ein Prozess, der Energie erfordert.
3. Elektrische Ladung der Pore: Die Auskleidung der Pore ist geladen, was einen selektiven Durchgang von Anionen bzw. Kationen ermöglicht.

Im Falle der Na+-Kanäle enthalten bestimmte Bereiche innerhalb der Pore Aminosäuren, wie Asparaginsäure (Asp) und Glutaminsäure (Glu), die eine negative elektrische Ladung tragen, dieNa+-Ionen anzieht. Durch diese Anziehungskraft erhalten die Ionen die nötige Energie, um einige der sie umgebenden Wassermoleküle abzuwerfen und ihre Hydrathülle so zu verringern, dass sie effektiv ihren elektrochemischen Gradienten hinunter diffundieren und die Pore des Kanals passieren können. Aufgrund seines größeren Durchmessers kann sich Kalium diesen negativ geladenen Bereichen der Pore nicht nahe genug nähern, um von diesem Mechanismus zu profitieren, so dass K+ die Na+-Kanäle nicht durchqueren kann.

Umgekehrt haben die Poren von K+-Kanälen Bereiche mit Carbonyl- und Hydroxylsauerstoffatomen, die ein schwaches elektrisches Feld aufweisen. In diesen Bereichen können K+-Ionen interagieren und die umgebenden Wassermoleküle freisetzen, so dass K+-Ionen diese Kanäle passieren können. Die in diesen Bereichen vorhandene Energie reicht wiederum nicht aus, damit Na+-Ionen ihre Wassermoleküle freisetzen und den Kanal durchqueren können

Steuerung

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Ionenkanäle ist der dynamische Zustand ihrer Poren. Sie besitzen die Fähigkeit, ihre Proteinstruktur so zu verändern, dass der Durchgang geöffnet oder geschlossen werden kann. Der Übergang von einem geöffneten in einen geschlossenen Zustand und umgekehrt wird als Steuerung oder Gating bezeichnet.

Es gibt drei grundlegende Modelle, die die Konformationsänderung von Ionenkanälen beim Gating beschreiben. Einige Kanäle nutzen dabei eine Kombination dieser Mechanismen, um verschiedene stabile Zustände ihrer Proteinstruktur zu erreichen

1. Beim ersten Modell findet die Veränderung der Struktur innerhalb einer bestimmten Region des Kanallumens statt. Während der Steuerung unterliegt nur die Struktur innerhalb dieses spezifischen Gebiets Veränderungen, um das Lumen zu öffnen oder zu schließen.
2. Im zweiten Modell beinhaltet der Übergang von einer funktionellen Struktur zu anderen Veränderungen im gesamten Lumen und nicht nur in einer bestimmten Region.
3. Das dritte Modell beschreibt einen Mechanismus, bei dem keine Veränderungen im Lumen selbst stattfinden.

Die strukturellen Veränderungen, die Ionenkanäle durchlaufen, sind mit bestimmten Funktionen verbunden, die wie folgt kategorisiert werden

• Aktiviert: In diesem Zustand können die Ionen den Kanal passieren.
• Deaktiviert: Im deaktivierten Zustand werden keine Ionen durch den Kanal geleitet. Durch bestimmte Reize kann er jedoch wieder aktiviert werden.
• Dauerhaft deaktiviert oder inaktiviert: Wenn sich Ionenkanäle im inaktivierten Zustand befinden, lassen sie keine Ionen passieren, können aber auch nicht aktiviert werden, selbst wenn sie Reizen ausgesetzt werden.

Arten von Ionenkanälen

Die Funktionszustände von Ionenkanälen werden durch spezifische Reize gesteuert, die Konformationsänderungen auslösen und den Übergang zwischen geöffnetem und geschlossenem Zustand ermöglichen. Je nach Aktivierungsmuster und Art des Reizes lassen sie sich in verschiedene Typen einteilen.