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Ionenkanal Superkomplexe - neue Proteinmaschinen

In der führenden Wissenschaftszeitschrift Science berichtet die Forschergruppe um Prof. Dr. Bernd Fakler am Physiologischen Institut der Universität Freiburg über die Entdeckung eines molekularen "Superkomplexes" aus einem Kalzium- und einem Kaliumkanal, mit dessen Hilfe Nervenzellen des Gehirns ihre elektrische Aktivität und die Freisetzung von Hormonen steuern. Diese Entdeckung entschlüsselt eines der ältesten Rätsel der Neurobiologie, wie nämlich Kaliumkanäle über Kalziumionen gesteuert werden können, ohne dass sich die Nervenzellen dabei selbst schädigen.

In die Plasmamembran aller Zellen sind Ionenkanäle eingebaut, die von integralen Membranproteinen gebildet werden, durch die Ionen (Natrium, Kalium, Kalzium oder Chlorid) die Zellmembran durchqueren können. Dieser Ionenfluss ist die Grundlage für eine Vielzahl physiologischer Prozesse wie Erregungsausbildung und -fortleitung in Herz- und Nervenzellen, die Kontraktion der Muskulatur oder die Freisetzung von Transmittern und Hormonen.

In Nervenzellen des Gehirns sind kalziumaktivierte Kaliumkanäle mit großer Leitfähigkeit, die so genannten BKCa-Kanäle, von großer Bedeutung. Sie schützen die Neuronen vor Übererregung und sorgen für eine geregelte Freisetzung von Hormonen und Botenstoffen, indem sie die elektrische Spannung über der Zellmembran auf einen lokalen Kalziumeinstrom hin erniedrigen. Für die Aktivierung der Kaliumkanäle sind jedoch so hohe Konzentrationen von Kalziumionen notwendig, wie sie nur sehr lokal und zeitlich begrenzt auftreten dürfen, da andernfalls die Zelle massiv geschädigt würde bis hin zum Zelltod.

Zuverlässige und hochpräzise Aktivierung des Kaliumkanals

Schematische Darstellung des neu entdeckten Ionenkanal-Superkomplexes. (Abb: Fakler)

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Schematische Darstellung des neu entdeckten Ionenkanal-Superkomplexes. (Abb: Fakler)

Der Forschergruppe um Fakler ist es nun, unter Anwendung neuer proteinbiochemischer Methoden, gelungen, das Rätsel der BKCa-Kanalaktivierung aufzulösen: Diese Kaliumkanäle sind über ihre Alpha-Untereinheit direkt mit spannungsgesteuerten Kalziumkanälen verbunden und bilden einen so genannten Kanal-Superkomplex. Innerhalb dieses Komplexes liefert der Kalziumkanal Kalziumionen in einer Menge, die für eine zuverlässige und zeitlich hochpräzise Aktivierung des Kaliumkanals sorgt, ohne dass dabei andere kalziumabhängige Reaktionsketten der Zelle aktiviert werden.

Durch Nachbau in Eizellen des Krallenforsches Xenopus laevis konnten die Wissenschaftler zeigen, dass der beschriebene Ionenkanal-Superkomplex eine eigenständige und vollständig funktionsfähige Proteinmaschine darstellt, die einen lokalen Kalziumeinstrom in eine Hyperpolarisation der Zellmembran übersetzt.

Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler mit ihrer Arbeit zeigen, dass sich auch große Proteinkomplexe in intakter Form aus der Plasmamembran der Zelle herauslösen und ihre Komponenten dann mithilfe neuer Hochleistungs-Massenspektrometer identifizieren lassen. Diese neu entwickelten Technologien ermöglichen nun die Analyse weiterer Proteinsuperkomplexe aus der Plasmamembran vieler Zelltypen und könnten zu Erkenntnissen führen, die sich zur Entwicklung neuer Medikamente nutzen lassen.

Quelle: Universität Freiburg - 27. 11.06

Erstveröffentlichung: Science, Band 314, Seiten 615-620. Die Bedeutung dieser Arbeit wurde von der Wissenschaftszeitschrift durch die Veröffentlichung als Science Research Article besonders hervorgehoben.

Weitere Informationen zum Beitrag:
Prof. Dr. Bernd Fakler
Institut für Physiologie
Hermann-Herder-Str. 7
79104 Freiburg
Tel.: 0761 / 203 5175
E-Mail: bernd.fakler@physiologie.uni-freiburg.de