Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erstmals Ionenfluss "filmisch" festgehalten

01.09.2014

Ionenkanäle sind für eine Vielzahl physiologischer und pathophysiologischer Prozesse im menschlichen Körper lebenswichtig.

Ein junges Forschungsteam unter der Leitung von Anna Stary-Weinzinger, Pharmakologin an der Universität Wien, erforschte den Mechanismus des Ionenflusses durch spannungsgesteuerte Natriumionenkanäle.


Schematische Darstellung des Natriumionenkanals (hellblau). Oben: Einstrom von Natriumionen (gelb gefärbt). Unten: Konformationsänderung von E53 ("Flip-Stellung") während des Ionenausstroms.

Copyright: Song Ke

Da dieser Prozess mit einer unglaublichen Geschwindigkeit abläuft – es fließen bis zu 100 Millionen Ionen pro Sekunde –, wurden Computersimulationen durchgeführt, um den Natriumfluss sozusagen in Zeitlupe zu beobachten. Die Erkenntnisse sind aktuell in der renommierten Fachzeitschrift PLOS Computational Biology erschienen.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle generieren lebensnotwendige elektrische Signale im menschlichen Körper. Ohne diese Proteine könnten zentrale Funktionen wie z.B. unser Herzschlag, die Signalweiterleitung im Gehirn oder Muskelbewegungen nicht stattfinden. Besonders faszinierend ist, dass diese Proteine "wählerisch" sind: Sie lassen selektiv nur bestimmte Ionen durch und ermöglichen dabei trotzdem enorme Durchflussraten.

Mehr über die Funktionsweise der außergewöhnlichen Ionenkanäle verrät der Blick auf ihre Kristallstrukturen: Diese zeigen unter anderem eine kurze, mit Wasser gefüllte "Filterstruktur", die von vier negativ geladenen Aminosäuren umgeben ist. Sie ist für den selektiven Natriumfluss verantwortlich.

Da Kristallstrukturen jedoch "statische" Momentaufnahmen darstellen, ist es sehr schwierig, daraus Rückschlüsse auf jene dynamischen Prozesse zu ziehen, die den Ionenfluss erst ermöglicht. Diese Fragestellungen eignen sich optimal für Computersimulationen.

Simulationen des schnellsten Computers Österreichs "filmen" Ionenbewegungen

Um den faszinierenden Proteinen quasi bei der Arbeit zusehen zu können, hat das Team vom Department für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Wien sogenannte Moleküldynamiksimulationen durchgeführt. Die für diese Analyse notwendige Rechenleistung lieferte der Vienna Scientific Cluster (VSC), der schnellste Computer Österreichs. Dabei entdeckten die ForscherInnen der Universität Wien, dass der Ionenfluss vom Extrazellularraum in die Zelle deutlich schneller erfolgt als in die umgekehrte Richtung.

"Den Schlüssel für diese überraschende Entdeckung liefert eine negativ geladene Aminosäure: Glutaminsäure 53, kurz E53", erklärt Pharmakologin Anna Stary-Weinzinger, Leiterin des Forschungsprojekts an der Universität Wien: "E53 kann je nach Ionenflussrichtung ihre Konformation verändern und moduliert dadurch die Ionenflussgeschwindigkeit."

Glutaminsäure E53 reguliert den Ionenfluss

Die Moleküldynamiksimulationen zeigen, dass die Aminosäure E53 zwei unterschiedliche Orientierungen einnehmen kann, je nach Richtung des Ionenflusses. Durch diese "Schaltungsfunktion" ermöglicht E53 einen schnellen Ioneneinstrom in die Zelle, wenn es sich in der sogenannten "nicht geflippten Auswärtsstellung" befindet. In der "Flip-Stellung" hingegen beschleunigt E53 das Ausströmen der Ionen:

"Mit Hilfe 'Freier Energie Berechnungen' konnten wir zeigen, dass der Weg aus der Zelle für die Ionen schwieriger ist als jener in die Zelle, weil es im Protein eine sogenannte 'Energiebarriere' für den auswärts gerichteten Natriumfluss gibt", erklärt Song Ke, Dissertant in der Gruppe von Anna Stary-Weinzinger an der Universität Wien, genauer: "In der 'Flip'-Stellung hilft E53 den Ionen dabei, diese Hürde zu überwinden."

Die ForscherInnen halten es für wahrscheinlich, dass diese Bewegungen auch eine wichtige Rolle bei der sogenannten "Inaktivierung" spielen – jenem Mechanismus, der den Ionenfluss kontrolliert stoppt, um die Signalweiterleitung zu unterbrechen.

Gefördert wurde diese Arbeit vom FWF-Doktoratskolleg "Molecular Drug Targets" (MolTag), das von Steffen Hering, Vorstand des Departments für Pharmakologie und Toxikologie der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien, geleitet wird.

Publikation in PLOS Computational Biology:
Different Inward and Outward Conduction Mechanisms in NaVMs Suggested by Molecular Dynamics Simulations: Song Ke, E. N. Timin, Anna Stary-Weinzinger. PLOS Computational Biology, July 2014.
DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003746

Wissenschaftlicher Kontakt
Mag. Dr. Anna Stary-Weinzinger
Department für Pharmakologie und Toxikologie
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14 (UZA II)
T +43-1-4277-553 11
anna.stary@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
Universität Wien
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.ploscompbiol.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pcbi.1003746 Publikation in PLOS Computational Biology
http://medienportal.univie.ac.at/presse/ Medienportal der Universität Wien

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise