Ionenkanal
Ionenkanäle sind porenbildende Transmembranproteine, die elektrisch geladenen Teilchen, Ionen, das Durchqueren von Biomembranen ermöglichen. Der Transport erfolgt dabei entlang des bestehenden elektrochemischen Gradienten (dem Konzentrations- und Potentialgefälle). Dadurch unterscheiden sie sich von aktiven Transportproteinen wie den Ionenpumpen, die ihrerseits unter Energieverbrauch den sekundär aktiven Transport über Ionenkanäle ermöglichen. Ionenkanäle finden sich sowohl in der außenliegenden Zellmembran als auch in den Membranen der Zellorganellen, wie dem Tonoplast.
Ionenkanäle sind, im Zusammenspiel mit anderen Transportproteinen, von universeller Bedeutung für Transportprozesse über die Membransysteme der Zelle. Dazu gehören die Regulation der osmotischen Aktivität, des Säure-Basen-Haushalts, die Aufnahme und Ausscheidung von Stoffen sowie die Erregungsleitung in Nerven.
Durch die Patch-Clamp-Technik wurde es möglich, die wenige Picoampere großen Ionenströme über einzelne Kanalproteine zu messen und so ihre elektrischen, kinetischen und anderen Eigenschaften zu erfassen.
Biophysikalische Eigenschaften
Selektivität und Leitfähigkeit
Ionenkanäle können anhand ihrer ausgeprägten oder auch fehlenden Selektivität für bestimmte Ionen beschrieben werden. Je höher die Selektivität für eine Ionensorte, umso geringer ist die Leitfähigkeit der geöffneten Pore für andere Ionen. Man kennt hochspezifische Kanäle für
Ionenkanäle werden oft nach ihrer Selektiviät benannt: Kalium- , Natrium-, Kalzium- oder Chlorid-Kanal.
Daneben exisitieren die sogenannten unspezifischen Kationenkanäle wie die TRP-Kanäle, engl. transient receptor potential channels, die eine ähnliche Leitfähigkeit für Kalium-, Natrium- und Kalziumionen aufweisen.
Protonen werden oft aktiv (unter ATP-Verbrauch) durch Protonenpumpen transportiert; sie gehören nicht zu den Ionenkanälen. Ebenfalls nicht zu den Ionenkanälen im engeren Sinne werden die Connexone der gap junctions gezählt, die Moleküle bis ca. 1kDa passieren lassen können.
Steuerung (Gating)
Die Leitfähigkeit der meisten Ionenkanäle wird vom vorhandenen Milieu oder gerichteten Signalen drastisch beeinflußt, man bezeichnet solche Kanäle als gesteuert (engl. gated). Eine große Klasse von Ionenkanälen wird durch das Membranpotential gesteuert (spannungsabhängige Ionenkanäle). So sind z. B. typische spannungsaktivierte Natrium-Kanäle während des Ruhemembranpotenzials nicht leitfähig, sondern nur dann, wenn sie durch eine Depolarisation aktiviert werden. Eine andere große Klasse von Ionenkanälen wird durch Liganden aktiviert, also durch Moleküle, die als Botenstoffe fungieren (liganden-gesteuerte Ionenkanäle). So wird z. B. der Acetylcholin-Rezeptor, der eine Rolle bei der Signaltransduktion vom Nerv auf den Muskel spielt, bei Anwesenheit des Neurotransmitters Acetylcholin leitfähig. Weitere Ionenkanäle können durch mechanische Reize (z. B. Druck, Vibrationen) aktiviert werden.
Transportrate
Ionenkanäle haben im geöffneten Zustand die größte Durchlassrate von allen Transportproteinen, sie wird meist mit 106 bis 108 Ionen s-1 angegeben. Damit bilden sie die schnellsten Membrantransportmittel, verglichen mit kotransportierenden Proteinen (Symporter und Antiporter) (102 - 104 Moleküle s-1) oder ATP-getriebenen Pumpen (100 - 102 Ionen s-1). [2]
Quellen
- ↑ Lehrbuch der Botanik für Hochschulen; begr. von E. Strasburger. 35. Aufl. Spektrum, Akad. Verl., 2002.
- ↑ [1] Skript Medizinische Physiologie der Uni Wien
Siehe auch
- Membrantransport
- Natriumkanal, Kaliumkanal, Calciumkanal, Chloridkanal, HERG-Kanal
- nikotinische Acetylcholinrezeptor, ionotrope Glutamatrezeptor, ionotrope GABA-Rezeptor
- Blutzucker-Sensorsystem