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News: Das Tor zur Zelle

Überall im Körper sind sie zu finden: Membranen. Sie sind aus Lipiddoppelschichten aufgebaut und bilden die Hüllen um Zellen und um deren einzelne Kompertimente. Die Membranen lassen trotz ihrer Zartheit die meisten Substanzen nicht durch. Für den Stofftransport gibt es deshalb unter anderem die Ionenkanäle. Diese öffnen und schließen sich und transportieren so geladene Teilchen entlang eines thermodynamischen Gefälles. Die Prinzipien dieses Vorgangs sind schon länger bekannt. Doch nun haben Wissenschaftler zum ersten Mal die Spannungs-induzierten Abläufe beim Öffnen und Schließen der Ionenkanäle gemessen. Dabei stellten sie fest, daß die Aminosäuren keine einfachen Auf- und Abbewegungen machen, sondern sich drehen wie ein Schlüssel in einem Schloß.
"In den Membranen von Nervenzellen befinden sich spezielle Poren, die den Austausch von Natrium- und Kaliumionen regulieren", sagte Paul Servin von der University of Illinois in Urbana-Champaign, einer der Wissenschaftler der gemeinsam mit Francisco Bezanilla von der University of California in Los Angeles Ionenkanäle untersucht hat. "Die Kanäle öffnen und schließen sich wie kleine Tore. Der Mechanismus ist abhängig von der Spannungen über die Membran und kontrolliert die Entstehung und Weiterleitung von Nervenimpulsen."

Weil Genmutationen in Ionenkanälen neurologische Krankheiten auslösen können, "ist es für die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden sehr wichtig, daß wir den Mechanismus dieser Kanäle verstehen", meint Bezanilla. "In dieser Studie wollten wir herausfinden, wie sie Spannungs-Schwankungen spüren, und wie sich die Aminosäuren bewegen, um den Kanal zu öffnen und zu verschließen." Dazu bestimmten sie die Abstände zwischen den einzelnen Aminosäuren in einem Kaliumkanal. Sie verwendeten eine Kombination aus zwei verschiedenen Meßmethoden: den Lumineszenz-Resonanz-Energietransfer und die sogenannte ortsspezifische Mutagenese, mit der gezielt Aminosäuren ausgetauscht und markiert werden können (Nature vom 16. Dezember 1999).

"Wir wählten bestimmte Aminosäuren in einem Ionenkanal aus und bestimmten die Abstände, welche sie beim Öffnen und Schließen zueinander einnahmen in Abhängigkeit der Spannung über die Membran", sagte Bezanilla. "Diese betrugen zwischen 26,5 Angström bei geschlossenem Kanal und bis zu 29,5 Angström bei vollständiger Öffnung." Nun wollten die Forscher noch wissen, welche Bewegungen die Aminosäuren dabei ausführten. Daher wiederholten sie die Messungen mit den benachbarten Aminosäuren. Erstaunlicherweise stellten sie dabei fest, daß einige Aminosäuren sich voneinander weg bewegten, andere bewegten sich dagegen aufeinander zu und wieder andere rührten sich überhaupt nicht von der Stelle. "Wir konnten uns das nicht mit einer einfachen Translationsbewegung erklären, der Bewegung eines Tauchers, der in die Membran eintaucht und wieder hervorkommt", meint Bezanilla. "Allerdings würde eine Rotation [...] hervorragend zu den Daten passen."

Sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand sind die Aminosäuren geladen, sagte Selvin. Die Drehung der Aminosäure-Segmente legt unterschiedliche Ladungen gegenüber der benachbarten intra- oder extrazellularen Flüssigkeit frei. "Durch die Rotationsbewegung ändert sich die chemische Zugänglichkeit der Ladungen innerhalb und außerhalb der Zelle. Somit kann eine kleine Konformationsänderung einen signifikanten Effekt hervorrufen", sagte Servin.

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