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Ionenkanäle

Da der Durchtritt von polaren Ionen durch eine unpolare Lipidmembran energetisch sehr unguenstig ist, muss der Durchtritt von Ionen durch die Membran von Kanalproteinen geregelt werden.

Ionenkanäle sind Transmembranroteine, die durch eine enge Stelle im Inneren als ein Selektivistätsfilter wirken. An dieser Stelle kann das Ion dann durch die Bindung an eine Aminosäure einen Teil seiner Hydrathülle durch eine AS-Bindung ersetzen. Da dies energetisch günstig ist, wird der Durchlass begünstigt - allerdings nur dann, wenn das für die Bindung vorgesehene Ion bindet. D.h. durch Grösse der Pore und Spezifität der Bindung wird eine Filterfunktion geschafffen.

Charakteristisch für einen Ionenkanal ist die Leitfähigkeit, die Siemens ( $\frac{1}{Ohm}$ ) angegeben wird. Wenn die Ionen den Kanal in einer Richtung leichter passieren, dann spricht man von einem gleichrichtenden Kanal.

Praktisch alle Kanäle wechseln zwischen mehreren Konformationen in Abhängigkeit von:

Spannungabhängig: Dadurch, dass eine ladungstragende Region in den Kanal rein oder raus bewegt wird, verändert dieser seine Konformation und öffnet oder schliesst sich.
Lingandenabhängig: Durch die Bindung des Liganden entsteht eine Energie, die zur Öffnung des Kanals führt.
Mechanisch: Durch die kinetische Energie der Dehnung, die auf das Cytoskelett übertragen wird, öffnet sich der Kanal.
Phosphorylierung: Durch Phosphorylierung einr Aminosäure wird die Konformation des Kanals direkt beeinflusst.

Refraktärzustände können ebenfalls auf unterschiedliche Art und Weise erzeugt werden: Nämlich spannungsabhängig, calciumabhängig oder durch eine Dephosphorylierung.

Für jeden Ionenkanal gibt es unterschiedliche Agonisten, die an ihn binden können:

Endogener Agonist: führt zur natürlichen Reaktion.
Exogener Agonist: führt zu keiner Reaktion.
Reversibler Agonist: füht zu einer reversiblen Bindung.
Irreversibler Agonist: führt zu einer irreversiblen Bindung.

Das Bindungsverhalten der Kanäle kann in verschiedenen Zelltypen und in verschiedenen Entwicklungsstadien durch differentielle Genexpression oder alternatives Splicen unterschiedlich sein.

Hememnde Wirkung

Soll eine hemmendende Wirkung erzielt werden, so dann dies entweder durch das Öffnen von Kaliumkanälen oder durch Chloridkanäle passieren. Letztere stabilisieren das Membranpotential auf einem aktuellen Level: Es ist einer grössere Depolarisation nötig, um eine Erregung auszulösen.

Untersuchungen an Ionenkanälen

Eine der am häufigsten verwendeten Techniken ist die von Neher und Sakmann entwickelte Patch-Clamp-Technik, bei der mit einer mit Elektrolyt gefüllten Glaspipette, in der sich eine Elektrode befindet, ein Stück der Membran angesaugt wird. Durch Ableitung unter Voltage-Clamp-Bedingungen kann man auf diese Weise den Strom über den Kanal bestimmen.

Eine weitere Technik ist die Black-Film-Technik. Bei dieser Untersuchungsmethode werden die Zellen homogenisiert und so behandelt, dass sich Membranvesikel bilden. Diese kann man dann mit einer künstlichen Membran zur Fusion bringen. Vorteil dieser Technik ist, dass man das Milieu auf beiden Seiten der Membran feri verändern kann.

Mittels Biochemischer und moelkulargenetischer Informationenen kann man zunächst nach konstervatien und hochvariablen Bereichen suchen. Die letzteren sind sehr wahrscheinlich für die Bindungspezifität verantwortlich.

Mittels spezifischer Antikörper kann man zeigen, ob diese intra- oder extracellulär binden.

Durch das Erstellen chimärer Mutanten aus zwei Kanälen oder durch Punktmutationen und das Anschliessende Einbringen und Testen der so erstellen Kanalproteine in Xenopus-Ooozyten (die selber keine Kanäle aufweisen) kann man den Einfluss einzelner Aminosäuren auf die Selektivität, die Leitfähigkeit oder andere Faktoren untersuchen.

Bei genetischen Analysen hat man herausgefunden, dass man die Rezeptoren un zwei Genfamilien, in die der spannungsgesteuerten und die der ligandengesteuerten Ionenkanäle einteilen kann.

Bei fast allen ligandengesteuerten Kanälen erfolgt die Öffnung innerhalb von 1 ms bei einer Konzentration des Liganden von grösser oder gleich 100 mol/l.

Man findet allerings sowohl bei metabotorpen, als auch bei ionotropen Kanälen und bei Gap junctions einen gleichen Bauplan von Transmembrandomänen, die um eine Achse herum angeordnet sind. Die strukturellen Einheiten der Kanäle sind einander ähnlich. Bei allen Kanälen koreliert die ionenselektivität mit dem Durchmesser und der Anzahl der Untereinheiten. Ausserdem finden sich ähnliche $\alpha$ -Helices und $\beta$ -Faltblätter im Aufbau und auch die Funktionsweise des Öffnens und Schliessens durch Neigung oer Rotation ist konserviert. Dies alles deutet auf einen gemeinsmen Vorfahren aller Kanäle hin.

Der Na-Kanal

Der Natriumkanal gerhört zusammen mit dem Kaium- und dem Calcium-Kanal zu einer Familie von Kanälen, die sehr wahrscheinlich alle auf einen Urkanal, der dem Kalium-Kanal sehr ähnlichg gewesen sein duerfte, zurueckzufuehren.

Der Offenzustand des Natriumkanals ist durch eien Gatingsensor (Spannungssensor) reguliert. Dieser trägt innerhalb seinder struktur eine Ladung, die durch eine Spannungsänderung verschoben wird und so die Konformation des Kanals ändert.

Durch das Verschieben der positiven Ladung innerhalb des Kanals von der Innen- zur Aussenseite entsteht ein winzig kleiner Gating-Strom, der auf Grund der geringen Amplitude allerdings nur bei geschlossenem Kanal messbar ist.

Die Selektivität des Kanals wird durch eine COO^--Aminosäuregruppe in der Pore geregelt. Diese entfernt die Wasserhülle und erleichtert so den Durchgang von Natrium.

Der Natriumkanal ist aus einer $\beta$ 1-, einer $\beta$ 2- und einer $\alpha$ -Untereinheit aufgebaut. Die $\alpha$ -Untereinhaeit enthält die REpeat I bis IV von jeweils 150 Aminosäuren Länge, die wiederum in sechs Transmembrandomänen S1 bis S6 und eine hydorophobe Domäne, die in die Membran eintaucht, untergliedert sind. Der Bereich S4 ist für die Spannungsabhängigkeit verantworltlich, die Repeats RIII und RII für die Inaktivierung.

Der Natriumkanal ist durch folgende Gift zu blockieren:

Tetrodoxin aus dem Kugelfisch
Saxitoxin aus einem Dinoflagellaten
Batrachotoxin aus Pfeilgiftfröschen

Nikotinischer Acetylcholinrezeptor

Bei dem nikotinischen ACh-Rezeptor muss man zwischen einem adulten und einem embryonalen Typ unterschienden. Der embryonale Rezeptortyp bildet sich auch dann, wenn ein Muskel denerviert ist und verdrängt dort den adulten Typ.

Dadurch, dass der Kanal nach einer durchschnittlichen Öffnungzeit von 1,4 ms immer eine Pause von 30 s einlegt, entstehen Serien von sogenannten ,,bursts``.

Der Rezeptor besteht aus mehreren Untereinheiten: 2 $\alpha$ - und je einer $\beta$ -, $\gamma$ - und $\delta$ -Untereinheit. Jede dieser Untereinheiten besteht aus vier Transmenmbrandomänen. Am Aminoende einer $\alpha$ -Untereinheit kann je ein ACh binden. Die Bindungssstellen sind mit denen für $\alpha$ -Bungarotoxin identisch.

Der Rezeptor besitzt mehrere Zustände: Von dem Ausgangszustand kann der Rezeptor ein ACh binden; von diesem R-ACh-Zustand aus kann er dann ein zweites ACh binden und wird zu R-2ACh. Erst aus diesem Zustand heraus kann sich der Kanal öffnen. Alle Übergänge zwischen den Zustängen kinetische kontrolliert. Aus diesem Grund bricht der burst nach 2 Öffnungen des Kanals ab, da sich das ACh dann mit höherer Wahrscheinlichkeit wieder vom Rezeptor löst.

Sehr wahrscheinlich wird bei einer Verwendung von ACh als Transmitter ATP als Cotransmitter ausgeschüttet.

Der Kanal ist wenig selektiv und auch für Calcium und kleine organische Ionen durchlässig.

Der nikotinische ACh-Rezeptor ist durch folgende Gifte zu beeinflussen:

Curare wirkt auf Grund von kompetitver Hemmung; es konkurriert mit ACh um die gleiche Budnungsstelle. Es ist ein partieller Antagonist, d.h. es bindet zwar, hat aber nicht den ACh-Effekt.
$\alpha$ - Bungarotoxin hingegen ist ein irreversibler Antagonist. Es bindet irreversibel an den Rezeptor.
Kokain ist ein allosterischer Blocker, der anderer Stelle als ACh an den Kanal bindet und diesen verschliesst.

Muskarinischer Acetylcholinrezeptor

Der Muskarinische ACh-Rezeptor hat - im Gegensatz zum Nikotinischen, wo der Antagonist Nikotin ist - Muskarin oder Atropin, das Gift der Tollkirsche als Antagonisten.

Eine wichtige Rolle spielt dieser Rezeptor bei der Hemmenden Wirkung, die die Herzfrequenz auf Grund einer ACh-Ausschüttung des Nervus vagus herabsetzt. Diese Hemmung erfolgt durch das Öffnen von K(ACh)-Kanälen.

Die Aktivierung des Muskarinischen ACh-Rezeptors erfolt mit 30-100 ms für einen G-Protein vermittelten Mechanismus sehr schnell, was darauf zurückzuführen ist, dass hier das G-Protein direkt mit dem Kanal interagiert.

Glutamat-gesteuerte Kanäle

Glutatmat ist der wichtigste exitatorische Transmitter im Gehirn.

Es gibt unterschiedliche, durch Glutamat gesteuerte Kanäle.

Quasiqualat- oder AMPA-Typ

Dieser Typ besitzt eine hohe Leitfähigkeit, wird schnell desensitiviert und erholt sich schnell.

Man hat diesen Kanal vor allem bei der Muskulatur von Heuschrecken und Krebsen untersucht.

Die schnelle Desensitivierung beschränkt die Dauer der synaptischen Ströme. Dies ist vor allem deshalb wichtig, da der Kanal auch für Ca²⁺ durchlässig ist und sonst das Calcium-Gleichgewicht der Zelle gestört würde.

Dieser Kanal wird durch CNQX gehemmt.

Kainat-Typ

Der Kainat-Typ wird von Kainat und AMPA aktiviert und findet sich im ZNS der Vertebraten. Er desensitiviert langsamer und es gibt auch nicht desensitivierende Untertypen.

Wie auch der Quasiqualat-Typ ist der Kainat-Typ ein Kationenkanal mit einer geringen Leifähigkeit von weniger als 20 pS. Die Kanäle sind für Natrium und Kalium, nicht jedoch für Calcium permeabel.

NMDA-Typ

Der NMDA-Rezeptor öffnet sich langsam und desenitiviert nicht oder langsam. Er öffnet sich nur bei positiven Potentialen und besitze einen spannungsabhängigen, konstitutiven Magnesiumblock.

Der NMDA-Kanal ist ein für Natrium, Kalium und Calcium permeabler Katienonenkanal, der eine Leifähigkeit von ca. 50 pS aufweist. Durch den Calciumeinstrom werden zusätlich Second Messender aktiviert, die zu einer synaptischen Modifikation führen können.

Der Kanal öffnet sich nur, wenn Glycin vorhanden ist (???).

Der Kanal ist Glutatmat- und spannungabhängig. Normalerweise ist er durch den Magnesiumblock blockiert; doch wird dieser durch eine Depolarisation entfernt. Wenn dann Glutamat bindet, kommt es zu einer höheren Depolarisation.

Das bedeutet, dass der NDMS-Rezeptor immer erst dannn aktiv wird, wenn ein anderer Glutamat-Rezeptor bereits eine Depolarisation erzeugt hat. Primär verstärkt der Rezeptor eine bereits vorhandene Antwort.

GABA-gesteuerte Kanäle

Die von GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) angesteuerten Kanäle sind permeabel für Chloridionen und besitzen mehrere Leitfähigkeitsniveaus (22, 44 oder 33 ps), zwischen denen der Kanal - in Abhängigkeit von der Konzentration - wechselt: je höher die Konzentration, desto höher die Leitfähigkeit.

Die GABA-gesteuerten Kanäle binden Benzodiazeptine wie Valium und Barbiturate, die die Wirkung von GABA verstärken und anstlösende Wirkung haben. GABA, Benzodiazeptine und Barbiturate binden an unterschiedlichen Stellen.

GABA wirkt als hemmender Transmitter auf unterschiedliche Rezeptoren:

Der GABA_A-Rezeptor (welcher auch Glycin-sensitiv ist) ist eine ionotropher Rezeptor, der für einen Cl^--Ausstrom sorgt.
Der GABA_B-Rezeptor wirkt metabotorph über Second Messenger auf die Öffnung von Kaliumkanälen.