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Göttinger Forscher klären Mechanismus in Ionenkanälen

Feine Balance Göttinger Forscher klären Mechanismus in Ionenkanälen

Was wir fühlen, denken oder in unserem Gedächtnis abrufen, geht mit einem Feuerwerk elektrischer Impulse einher, über die zahlreiche Nervenzellen in unserem Gehirn miteinander kommunizieren. Ionenkanäle – winzige Poren in der Zellmembran – sind dabei wichtige Akteure.

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Nervenzellen kommunizieren miteinander über winzige Poren: Ionenkanäle filtern durch physikalisches Prinzip.

Quelle: Köpfer/de Groot

Göttingen. Sie sind von großer Bedeutung, wenn es darum geht, Informationen zwischen lebenden Zellen weiterzuleiten oder Funktionen wie die Herzfrequenz zu steuern.

Forscher um Prof. Bert de Groot am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen (MPI) haben jetzt zusammen mit Kollegen an den Universitäten Göttingen, Dundee und Oxford aufgeklärt, was Kaliumkanäle, eine Art der Ionenkanäle, zu hocheffizienten Filtern macht.

Anders als bisher gedacht liegt dabei ein rein physikalisches Prinzip zugrunde, teilt das MPI mit. Die Ergebnisse helfen zu verstehen, warum bestimmte genetische Veränderungen des Kaliumionenkanals zu Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen führen können.

Ladungs-Knock-on-Mechanismus

Die engste Stelle im Kanal, der sogenannte Selektivitätsfilter, sorgt dafür, dass nur Kaliumionen mit ihrer charakteristischen Größe und Ladung passieren können. „Dieser Mechanismus funktioniert völlig anders als bisher gedacht“, sagt de Groot.

Mithilfe einer Vielzahl von aufwendigen Computersimulationen stellte sich heraus, „dass die Kaliumionen im Selektivitätsfilter des Ionenkanals wie aufgereiht sehr eng beieinander sitzen – so dicht, dass sich ihre Ladungen gewaltig abstoßen“, sagt der Chemiker. Weniger als ein millionstel Millimeter sind sie voneinander entfernt. Balanciert wird diese Abstoßung durch anziehende Wechselwirkungen mit dem Kanal.

Diese feine Balance wird empfindlich gestört, wenn ein neues Kaliumion in den Kanal eintritt. Die Ladungen der Kaliumionen stoßen sich ab und das Ion, das am nächsten zum Ausgang sitzt, wird hinausgedrängt. „Wir bezeichnen dies als Ladungs-Knock-on-Mechanismus“, sagt David Köpfer, Doktorand in de Groots Forschungsgruppe.

Daten genauer auswerten

„Niemand hatte vorher geglaubt, dass sich die Kaliumionen im Kanal überhaupt so nahe kommen können. Bisher ging man davon aus, dass Wassermoleküle dazwischen sitzen“. Doch wie das internationale Forscherteam herausfand, bremste Wasser den Transport der Ionen.

Um diesen überraschenden Befund mit experimentellen Ergebnissen zu vergleichen, analysierten Dr. Tim Grüne und  Prof. George M. Sheldrick von der Universität Göttingen vorliegende Daten zur Struktur des Kaliumkanals.  „Mithilfe der fortgeschrittenen Programme von George Sheldrick und der kristallografischen Expertise an der Universität Göttingen konnten wir die vorhandenen kristallografischen Daten viel genauer auswerten als bisher“, sagt Gruene.

Ein detailliertes Verständnis der Funktion von Ionenkanälen ist auch entscheidend, um Antworten auf wichtige medizinische Fragen zu erhalten. „Wenn wir den molekularen Mechanismus kennen, der den extrem schnellen Durchstrom der Kaliumionen durch den Kanal ermöglicht, können wir zukünftig auch sehr viel besser verstehen, warum sich bestimmte genetische Veränderungen des Ionenkanals so fatal auswirken und zu Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen führen können“, sagt de Groot.

Von Friedrich Schmidt

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