Komplizierte Architektur

Aufschluss über die Feinstruktur von Ionenkanälen erhalten die Forscher bislang nur indirekt, da es noch nicht gelungen ist, hinreichend große Kristalle für Röntgenstrukturanalysen zu züchten, mit denen man den Aufbau solcher Makromoleküle studieren kann. Bei einem kleinen bakteriellen Ionenkanal sind derartige Untersuchungen bereits gelungen. Die Forscher sind jedoch vor allem an der Struktur von Ionenkanälen höherer Zellen interessiert. Denn Ionenströme bilden nicht zuletzt die Basis für die schnelle Datenverarbeitung im Gehirn. Diese in allen Details zu durchschauen, ist eine der größten Herausforderungen der biomedizinischen Grundlagenforschung.

Ein Vergleich der im Erbmaterial vorliegenden Bauanleitungen für verschiedene Ionenkanäle zeigt, dass sich Natrium-, Kalium- und Calciumkanäle verblüffend ähneln. Die DNA-Sequenz kodiert jeweils für eine einzige lange Polypeptidkette, die aus etwa 2000 Aminosäuren besteht und vier gleichartige, durch die Membran hindurchreichende Bereiche, so genannte Domänen enthält. Durch Zusammenlagerung dieser vier Domänen bilden sich die Wände der wassergefüllten „Ionenschleuse“. Im Gegensatz dazu bestehen die Liganden-geschalteten Kanäle, wie z.B. der Acetylcholin-Rezeptor, nicht aus einer einzigen langen Polypeptidkette, sondern werden aus mehreren Untereinheiten, die jeweils etwa 500 Aminosäuren umfassen, zusammengesetzt.

Wenn die Leitung „klemmt“

Wie man heute weiß, können Fehler in der Struktur von Ionenkanälen schwere Krankheiten verursachen. Diese betreffen vor allem die Muskulatur und das Nervensystem. Neurobiologen der Universität Hamburg konnten in Zusammenarbeit mit Humangenetikern zeigen, dass verschiedene myotone Erbkrankheiten („Myotonie“ oder Muskelsteifheit) auf Mutationen in einem Chloridkanal beruhen. Durch den Ausfall dieses Kanals wird die Regulation der elektrischen Muskelerregbarkeit aufgehoben: Nach einem vom Gehirn kommenden Nervenimpuls entsteht nicht nur eine kurze Muskelzuckung, sondern eine länger anhaltende Kontraktion.

Das Gen für diesen spannungsabhängigen Chloridkanal wurde aus dem elektrischen Organ des Zitterrochens isoliert. Dieses Organ dient dazu, Beutetiere mit einem starken elektrischen Schlag (bis zu 60 Volt) zu betäuben. Es besitzt daher eine besonders hohe Konzentration an Chloridkanälen. Ausgehend vom Zitterrochen-Gen war es dann für die Forscher relativ einfach, verwandte Kanal-Gene aus Säugetieren einschließlich dem Menschen zu isolieren und die gesuchte Mutation nachzuweisen. Zwei andere Erbkrankheiten – die Neugeborenen-Epilepsie und eine dominant vererbte, fortschreitende Taubheitsform - beruhen ebenfalls auf defekten Ionenkanälen, und zwar auf der Mutation von Kaliumkanälen. Desgleichen eine gefährliche Unverträglichkeit für bestimmte Narkosemittel, die maligne Hyperthermie, sowie eine erbliche Form von Migräne.

Dank der Vielzahl neuer Methoden lässt sich auf dem Gebiet der Ionenkanäle mittlerweile das gesamte Spektrum vom Gen über die Struktur und Funktion des Proteins und seine Bedeutung für Zelle und Organismus bis hin zu den Krankheiten, die bei Fehlfunktionen entstehen, untersuchen.

BIOMAX-Ausgabe 8, Frühjahr 2000; Autorin: Christina Beck

Zur Redakteursansicht
loading content