Natriumkanäle [von ägypt. ntry über arab. natun = Lauge(nsalz)], Na⁺-Kanäle, Natriumionenkanäle, E sodium channels, Ionenkanäle, die überwiegend spannungsabhängig aktiviert werden und für Natrium permeabel sind ( siehe Tab. ). Bei einer Depolarisation der Membran erregbarer Zellen (Nervenzellen, Muskelzellen und neurosekretorische Zellen) kommt es zu einer vorübergehenden Kanalöffnung, bei der Na⁺-Ionen entlang ihres Konzentrationsgradienten in die Zelle einströmen (Membranpotential; siehe Abb. ). Sowohl die Aktivierung als auch die Inaktivierung erfolgt im Bereich weniger Millisekunden. Nach der Inaktivierung durchläuft ein Kanal eine Refraktärzeit, in der er nicht von neuem aktiviert werden kann: In dieser Zeit erfolgt ein Übergang vom inaktivierten in den geschlossenen Zustand (E closed state). Überschreitet die Depolarisation in diesen Zellen ein bestimmtes Schwellenpotential, kommt es zur Ausbildung eines Aktionspotentials, dessen Kinetik durch die Interaktion der Inaktivierung der Na⁺-Kanäle und Aktivierung spannungsabhängiger Kaliumkanäle bestimmt wird. Auch in nicht erregbaren Gliazellen (Astrocyten, Schwann-Zellen) wurden Na⁺-Kanäle beschrieben. – Na⁺-Kanäle sind einheitlich aus einer α- und zwei β-Untereinheiten aufgebaut. Auf der dem Extrazellulärraum zugewandten Kanalseite sowie in der Kanalpore befinden sich Glykosylierungsstellen. Die α-Untereinheit besteht aus einem Protein mit vier identischen Domänen (E internal repeats), die sich ringförmig zusammenlagern und eine Pore bilden. Jede dieser Domänen weist sechs α-helikale transmembranäre Abschnitte (TM) auf. Die Abschnitte zwischen TM 5 und 6 bilden die Innenwand der Kanalpore. Ein auf TM 4 lokalisierter Spannungssensor (E gating charge) reagiert auf Änderungen des elektrischen Feldes über der Zellmembran mit einer Konformationsänderung und initiiert so die Kanalöffnung. Der Aufbau der α-Untereinheit ist analog den spannungsabhängigen Calciumkanälen; spannungsabhängige Kaliumkanäle sind ebenfalls sehr ähnlich strukturiert. In Xenopus-Oocyten führt die alleinige Expression der α-Untereinheit zur Bildung funktionsfähiger Na⁺-Kanäle, deren Aktivierungs- und Inaktivierungskinetik jedoch stark verlangsamt und deren Einzelkanalleitfähigkeit um ca. 60% geringer ist als die normaler Kanäle. Erst eine Co-Expression mit der β₁-Untereinheit führt zu einer Kinetik und Einzelkanalamplitude nativer Kanäle. Hierin scheint die Bedeutung der β₁-Untereinheit zu liegen. Für die über Disulfid-Brücken kovalent gebundene β₂-Untereinheit wird eine Rolle bei der Genese sowie bei Transport und Einbau der Na⁺-Kanäle in die Zellmembran postuliert. – Die Nomenklatur der beschriebenen Na⁺-Kanal-Typen ist bisher uneinheitlich. Neben den biophysikalischen und molekularbiologischen Eigenschaften bildet die Sensitivität für Tetrodotoxin (TTX, ein Gift aus dem japanischen Kugelfisch) ein Hauptunterscheidungskriterium. TTX-sensitive Na⁺-Kanäle werden bereits bei Konzentrationen unter 1 μmol/l blockiert, während TTX-resistente Na⁺-Kanäle erst bei deutlich höheren Konzentrationen inaktiviert werden. Daneben wurden auch spannungsunabhängige Na⁺-Kanäle beschrieben. Das bekannteste Beispiel ist der Amilorid-sensitive Na⁺-Kanal in Epithelzellen (epithelialer Natriumkanal). Na⁺-Kanäle bilden die Zielstruktur von Pharmaka (Anästhetika, Analgetika, Antiarrhythmika, Antiepileptika, Lokalanästhetika).

Natriumkanäle

Natriumkanäle

Modell eines spannungsabhängigen Natriumkanals:
Der Kanal ist als transmembranäres Makromolekül, mit der wäßrigen Kanalpore in der Mitte, dargestellt. Die extrazelluläre Seite des Proteins ist glykosyliert. Über Ankerproteine ist der Kanal mit dem Zellskelett verbunden. Die Kanalpore ist über den größten Teil ihrer Ausdehnung weiter als der Natriumionendurchmesser, verengt sich aber in einem kurzen Abschnitt zum sogenannten Selektivitätsfilter (minimale Porenweite 0,3-0,5 nm). Die Weite des Filters sowie negativ geladene Gruppen in diesem Bereich bedingen die relative Selektivität für Na⁺. Öffnen und Schließen des Kanals (Gating) erfordern Konformationsänderungen der Pore, durch die eine Sperre (Gate) aus einer die Pore blockierenden Position wegbewegt wird. Die Bewegung dieser Sperre wird durch einen Spannungsfühler kontrolliert. Ändert sich das elektrische Feld der Zellmembran bei Depolarisationen, kommt es zur Verschiebung geladener Gruppen des Spannungssensors; die Sperre wird geöffnet, Na⁺-Ionen können den Kanal passieren.