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Lexikon der Neurowissenschaft: Ionenkanäle

Ionenkanäle [von griech. ion = gehend], Kanäle, Kanalproteine, Tunnelproteine, E ion channels, transmembranäre Proteine, welche eine ringförmige Kanalpore durch die Zellmembran (Membran) bilden, die vorübergehend geöffnet werden kann. Man stellt sich vor, daß hierbei eine Ladungsverschiebung in der Kanalpore eine Konformationsänderung der kanalbildenden Proteine bewirkt. Bei Öffnung des Kanals können Ionen entlang ihres spezifischen Konzentrationsgradienten entweder vom Extrazellularraum in das Cytosol oder in die Gegenrichtung fließen (für die physiologisch relevanten Ionen Na+, K+, Ca2+ und Cl- bestehen Konzentrationsgradienten zwischen Intra- und Extrazellularraum, die unter anderem durch Membranpumpen wie die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten werden). Der Transport wird daher als passiv bezeichnet (im Gegensatz zu Ionenpumpen, bei denen die Ionen unter Energieverbrauch transportiert werden). Selektive Ionenkanäle lassen nur Ionen einer bestimmten Sorte passieren, da sie einen sogenannten Selektivitätsfilter am Eingang der Ionenpore besitzen. Hierbei bestimmen die geladenen Aminosäurereste der Poreninnenwand den maximalen Durchmesser und die Ladung des Ions. Man unterscheidet ferner spannungsgesteuerte, liganden- und second messenger-gesteuerte Ionenkanäle ( siehe Zusatzinfo 1 ). Den spannungsgesteuerten Ionenkanälen (z.B. spannungsabhängige Natriumkanäle, Kaliumkanäle und Calciumkanäle) kommt in erregbaren Zellen eine entscheidende physiologische Funktion zu. Sie sind dadurch charakterisiert, daß eine Veränderung im elektrischen Feld der Zellmembran zu ihrem Öffnen führt. Ligandengesteuerte Ionenkanäle werden auch Klasse-I-Rezeptoren genannt und spielen vor allem bei der schnellen synaptischen Übertragung eine Rolle. Sie sind dadurch charakterisiert, daß das Binden von Neurotransmittern oder deren Analoga zu ihrem Öffnen führt. In dieser Gruppe sind insbesondere unspezifische Kationenkanäle und Chloridkanäle von Bedeutung. Second messenger-gesteuerte Ionenkanäle (Klasse-II-Rezeptoren) werden nach Aktivierung eines (räumlich getrennten) Rezeptors und der nachgeschalteten second messenger-Kaskade (sekundäre Boten) von der intrazellulären Seite her aktiviert. Sie treten vor allem bei der langsamen synaptischen Übertragung, bei Hormon- und Cytokin-Rezeptoren auf. Jeder Ionenkanaltyp besitzt einen oder mehrere charakteristische Leitfähigkeitszustände, die durch die patch clamp-Methode in Einzelkanalableitungen bestimmt werden können. Grundsätzlich kann sich ein Kanal in einem offenen (open state), inaktivierten (inactivated state) oder geschlossenen (closed state) Zustand befinden (Ionenkanalzustand). Die Öffnung eines Kanals unterliegt einem für jedes Erregungsmuster charakteristischen, stochastischen Prozeß. – Ionenkanäle sind von essentieller Bedeutung bei der Aktivierung erregbarer Zellen wie Nervenzellen, Muskel- und sekretorischen Zellen ( siehe Zusatzinfo 2 ). Sie kommen aber auch in nicht-erregbaren Zellen wie Astrocyten, Oligodendrocyten, Lymphocyten und Makrophagen vor. Ionenkanäle sind wesentlich für synaptische Übertragung, Hormon- und Cytokinwirkungen (Hormone, Cytokine) sowie sekretorische und zellhomöostatische Prozesse. Es sind auch pH- und mechanosensitive Ionenkanäle beschrieben worden. In jüngster Zeit sind viele Punktmutationen in Ionenkanälen als pathophysiologische Ursache bei Erbkrankheiten wie z.B. der Mucoviscidose, der Startle-Krankheit und spezifischen Formen der Epilepsie und Taubheit ausfindig gemacht worden.

D.S./J.W./H.H.

Ionenkanäle

1 Weitere Einteilungen erfolgen nach ihrer anatomischen Lokalisation (nicotinische Acetylcholinrezeptoren an motorischen Endplatten werden z.B. als Endplattenkanäle bezeichnet), nach ihrer Funktion oder nach ihrer Blockade durch typische Substanzen. Ein Sonderfall sind die gap junctions zwischen benachbarten Zellen, die eine elektrische Transmission zwischen Zellen erlauben, z.B. im Herzmuskel und in der glatten Muskulatur.

Ionenkanäle

2 An einigen Zellmembranen, wie z.B. denen der Axone, ist die Erregbarkeit relativ fixiert. Diese Strukturen dienen dazu, Impulse (Aktionspotentiale) weiterzuleiten. Hierfür ist keine Anpassung nötig, und es werden spannungsgesteuerte Ionenkanäle verwendet. Anders gelagert ist die Situation an den Zellkörpern erregbarer Zellen. Da die Anforderungen an den Gesamtorganismus sowie an Einzelorgane laufenden Schwankungen unterliegen, muß deren Erregungsmuster den jeweils neuen Erfordernissen angepaßt werden. Dies geschieht durch Kommunikation zwischen regulatorischen Zentren und Effektororganen via Botenmoleküle, so daß hier ligandengesteuerte und second messenger-gesteuerte Kanäle beteiligt sind.

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