Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Frage der Dynamik

19.02.2018

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet werden, geschieht dies in Form elektrischer Signale.


Schnappschuss aus der Computersimulation des Ionenkanals NaK. Dieser Kanal (Gelb und Orange) erlaubt den Fluss von Ionen (z.B. Kalium,rote Kugeln) über die Zellmembran (Lipidmoleküle in Grau) hinweg.

Barth van Rossum

Um solche Signale senden zu können, muss die Zelle elektrisch geladene Atome, also Ionen, in sich hinein- oder aus sich herausströmen lassen. Da die Zellmembran selbst für Ionen undurchlässig ist, sitzen dort winzige Eiweißmoleküle, die Ionenkanäle, die für einen geregelten Transport der geladenen Teilchen zuständig sind.

Häufig lassen die Ionenkanäle nur eine Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Dafür verantwortlich ist die engste Stelle im Kanal, der sogenannte Selektivitätsfilter. Nicht so der NaK-Kanal, den die FMP-Wissenschaftler um Han Sun und Adam Lange gemeinsam mit weiteren Forschern aus Göttingen und Hefei in China untersucht haben: Dieser Kanal ist sowohl für Natrium- als auch für Kaliumionen durchlässig.

Nicht-selektive Ionenkanäle sind auch medizinisch von Bedeutung

Warum der NaK-Kanal beide Ionensorten passieren lässt, war bislang umstritten. „Aus röntgenkristallografischen Untersuchungen kannten wir zwar den dreidimensionalen Aufbau des Kanals“, sagt Lange. „Anhand dieser Struktur konnte man aber nur schwer erklären, warum er zwei verschiedene Ionensorten mit ähnlich hoher Effizienz passieren lässt, obwohl er eine sehr ähnliche Proteinsequenz und dreidimensionale Struktur des Selektivitätsfilters aufweist wie ein selektiver Kaliumkanal.“

Interessant sei die Funktion des NaK-Kanals vor allem auch deshalb, da er als Modell für andere nicht-selektive Ionenkanäle diene, die im menschlichen Körper vorkämen, erläutert Han Sun. Physiologisch und medizinisch relevant seien beispielsweise die sogenannten CNG- und HCN-Kanäle: „Von den CNG-Kanälen wissen wir, dass sie fürs Sehen und Riechen wichtig sind, und eine Fehlfunktion der HCN-Kanäle kann verschiedene neurologische Erkrankungen, etwa Epilepsie oder Autismus, hervorrufen“, erklärt die Wissenschaftlerin.

Jede Ionensorte bevorzugt eine eigene Struktur des Kanals

Durch die Kombination von Kernspinresonanz(NMR)-spektroskopischen Untersuchungen und computergestützten Molekulardynamiksimulationen kamen die Forscher um Lange und Sun der Funktionsweise des nicht-selektiven NaK-Kanals auf die Spur. Sie stellten fest, dass der Selektivitätsfilter des Kanals dynamisch zwei verschiedene Strukturen annehmen kann, die von jeweils einer Ionensorte bevorzugt werden.

„Außerdem zeigten die Computersimulationen überaschenderweise, dass der Durchtrittsmechanismus von Kaliumionen im NaK-Kanal dem der Kaliumionen in einem Kaliumkanal entspricht, während der Mechanismus für Natrium dem eines Natriumkanals ähnelt“, berichtet Sun. Bisher ging man davon aus, dass sich die Struktur des Filters beim Transport von Natrium- und Kaliumionen nicht unterscheidet.

Dass die dynamische Struktur ein wesentliches Merkmal nicht-selektiver Ionenkanäle ist, zeigten auch Experimente mit einem mutierten NaK-Kanal namens NaK2K, der ausschließlich Kaliumionen passieren lässt. „Unsere NMR-Untersuchungen zeigten, dass der Selektivitätsfilter dieses Kanals unter identischen Versuchsbedingungen nur eine einzige Struktur einnimmt“, sagt Lange.

Finanziell unterstützt wurde die Arbeit der FMP-Wissenschaftler unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Forschergruppe 2518 „Funktionale Dynamik von Ionenkanälen und Transportern“. Der Norddeutsche Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) in Berlin stellte seine Supercomputer zur Verfügung, ohne die die Molekulardynamiksimulationen nicht möglich gewesen wären.

Publikation:
Chaowei Shi, Yao He, Kitty Hendriks, Bert L. de Groot, Xiaoying Cai, Changlin Tian, Adam Lange, Han Sun. A single NaK channel conformation is not enough for non-selective ion conduction, Nature Communications 19. Februar 2018, DOI 10.1038/s41467-018-03179-y

Kontakt

Dr. Han Sun
Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
hsun@fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94062902

Prof. Dr. Adam Lange
Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
alange@fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-190

Öffentlichkeitsarbeit
Silke Oßwald
Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
Tel.: +49-30-94793-104
E-Mail: osswald(at)fmp-berlin.de

Das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.900 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.leibniz-fmp.de/de/press-media/filmportraits-2017/filmportraits-2017-a...
http://www.leibniz-fmp.de/lange
http://www.leibniz-fmp.de/sun

Silke Oßwald | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Risikofaktor für Darmkrebs entschlüsselt
13.07.2018 | Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung

nachricht Algen haben Gene fürs Landleben
13.07.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Im Focus: Magnetic vortices: Two independent magnetic skyrmion phases discovered in a single material

For the first time a team of researchers have discovered two different phases of magnetic skyrmions in a single material. Physicists of the Technical Universities of Munich and Dresden and the University of Cologne can now better study and understand the properties of these magnetic structures, which are important for both basic research and applications.

Whirlpools are an everyday experience in a bath tub: When the water is drained a circular vortex is formed. Typically, such whirls are rather stable. Similar...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinelles Lernen: Neue Methode ermöglicht genaue Extrapolation

13.07.2018 | Informationstechnologie

Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung

13.07.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics