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Kompaktlexikon der Biologie: Ionenkanäle

Ionenkanäle, Tunnelproteine, Bez. für Proteine, die eine ringförmige Kanalpore durch die Zellmembran bilden, welche vorübergehend geöffnet werden kann. Vermutlich wird die Öffnung durch eine Konformationsänderung der Kanal bildenden Proteine ermöglicht, die wiederum durch eine Ladungsverschiebung in der Kanalpore bewirkt wird. Bei der Öffnung des Kanals können Ionen entlang ihres spezifischen Konzentrationsgradienten entweder vom Extrazellularraum in das Cytosol oder in die Gegenrichtung fließen; insbesondere für die physiologisch relevanten Ionen Na+ (Natrium), K+ (Kalium), Ca2+ (Calcium) und Cl- (Chlorid) bestehen Konzentrationsgradienten zwischen Intra- und Extrazellulärraum, die u.a. durch Membranpumpen wie die Natrium-Kalium-Pumpe (Ionenpumpen) aufrechterhalten werden. Der bei Öffnung der Ionenkanäle stattfindende Transport wird daher als passiver Transport bezeichnet, im Unterschied zum aktiven Transport mittels Ionenpumpen, bei denen die Ionen unter Energieverbrauch transportiert werden. Selektive I. lassen nur bestimmte Ionen passieren, der „Filter“ ist eine Engstelle im Kanal. Geladene Aminosäurereste der Poreninnenwand sowie der Ionenradius und die Ladung des Ions sind Determinanten der Selektivität.

Die Benennung der I. erfolgt nach der Ionenspezies, für die sie durchlässig sind. Nach ihrer Funktionsweise werden folgende I. unterschieden: 1) spannungsgesteuerte I. sind dadurch charakterisiert, dass eine Veränderung im elektrischen Feld der Zellmembran zu ihrer Öffnung führt. Ihnen kommt in erregbaren Zellen eine entscheidende physiologische Funktion zu; Beispiele sind spannungsabhängige Natrium-, Kalium- und Calciumkanäle. 2) Bei Liganden gesteuerten I. (Klasse-I-Rezeptoren) führt die Bindung von Transmittersubstanzen oder deren Analoga zu ihrem Öffnen, Transmitterbindungsstelle und Transmembranpore sind in einem Molekül zusammengefasst. Sie spielen vor allem bei der schnellen synaptischen Übertragung eine Rolle. In dieser Gruppe sind insbesondere unspezifische Kationenkanäle und Chloridkanäle von Bedeutung. Beispiele sind nicotinische Acetylcholinrezeptor-Kanäle, Glutamatrezeptorkanäle oder GABA-Rezeptor-Kanäle. 3) Die second messenger gesteuerten I. werden nach Aktivierung eines räumlich getrennten Rezeptors (Klasse-II-Rezeptor) und der nachgeschalteten second-messenger-Kaskade von der intrazellulären Seite her aktiviert. Sie haben eine Funktion vor allem bei der langsamen synaptischen Übertragung sowie bei der Vermittlung der Wirkung von Hormonen und Cytokinen.

Jeder Ionenkanaltyp besitzt eine oder mehrere charakteristische Leitfähigkeitszustände, die durch die Patch-clamp-Methode bestimmt werden können. Grundsätzlich kann sich ein Kanal in einem offenen, inaktivierten oder geschlossenen Zustand befinden. I. sind von essentieller Bedeutung bei der Aktivierung erregbarer Zellen wie Nervenzellen (Neuronen), Muskelzellen (Muskel) und sekretorischen Zellen und sie sind von wesentlicher Bedeutung für die synaptische Übertragung sowie Hormon- und Cytokinwirkungen. Sie kommen aber auch in nicht-erregbaren Zellen vor, so in Astrocyten, Oligodendrocyten (Gliazellen), Lymphocyten und Makrophagen. Neben den beschriebenen I. gibt es auch pH-sensitive und mechanosensitive I. In jüngster Zeit wurden viele Punktmutationen in I. als Ursache bestimmter Erbkrankheiten, wie z.B. der Mukoviszidose ausfindig gemacht.

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Professor Dr. Walter Sudhaus, Institut für Zoologie, Freie Universität Berlin
Professor Dr. Wilfried Wichard, Institut für Biologie und ihre Didaktik, Universität zu Köln

Essayautoren:
Thomas Birus, Kulmbach (Der globale Mensch und seine Ernährung)
Dr. Daniel Dreesmann, Köln (Grün ist die Hoffnung - durch oder für Gentechpflanzen?)
Inke Drossé, Neubiberg (Tierquälerei in der Landwirtschaft)
Professor Manfred Dzieyk, Karlsruhe (Reproduktionsmedizin - Glück bringende Fortschritte oder unzulässige Eingriffe?)
Professor Dr. Gerhard Eisenbeis, Mainz (Lichtverschmutzung und ihre fatalen Folgen für Tiere)
Dr. Oliver Larbolette, Freiburg (Allergien auf dem Vormarsch)
Dr. Theres Lüthi, Zürich (Die Forschung an embryonalen Stammzellen)
Professor Dr. Wilfried Wichard, Köln (Bernsteinforschung)

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