Ionenkanäle und ihre Steuerung
Wie Liganden, Spannung, Nucleotide und Calcium Ionenkanäle öffnen und worin sich nikotinische und muscarinische Acetylcholinrezeptoren grundlegend unterscheiden.
Das Wichtigste in Kürze
- Ionenkanäle sind Membranproteine mit einer Pore, durch die Ionen passiv fließen und dabei das Membranpotential verändern.
- Kanäle werden durch Liganden, Membranspannung, intrazelluläre Nucleotide wie ATP und cAMP oder intrazelluläres \(\ce{Ca^2+}\) gesteuert, längst nicht alle durch Liganden.
- Transmittergesteuerte Ionenkanäle sind Rezeptoren der Zelloberfläche.
- Der nikotinische ACh-Rezeptor, etwa an der motorischen Endplatte, ist ein ligandengesteuerter Kationenkanal ohne G-Protein.
- Der muscarinische ACh-Rezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor mit sieben Transmembranhelices und selbst kein Ionenkanal.
- HCN-Kanäle im Sinusknoten öffnen bei Hyperpolarisation, nutzen S4 als Spannungssensor und werden durch cAMP verstärkt.
Worum es geht
Ionenkanäle übersetzen Signale in elektrische Antworten der Zelle. Ein Transmitter, eine Spannungsänderung oder ein Botenstoff im Cytosol öffnet ihre Pore. Viele Arzneistoffe greifen genau hier an, von Muskelrelaxanzien an der motorischen Endplatte bis zu Ivabradin am Herzen.
Ionenkanäle als Signalwandler
Ein Ionenkanal ist ein Membranprotein mit einer wassergefüllten Pore. Ist sie offen, strömen bestimmte Ionen passiv hindurch. Sie folgen dabei ihrem elektrochemischen Gradienten, der Kanal verbraucht keine Energie. Ein Selektivitätsfilter in der Pore entscheidet, welche Ionen passieren.
Jeder Ionenstrom bewegt Ladung über die Membran und verändert so das Membranpotential. Strömt \(\ce{Na+}\) ein, wird die Zelle depolarisiert. Strömt \(\ce{K+}\) aus, wird sie hyperpolarisiert. Schon wenige offene Kanäle lassen Millionen Ionen pro Sekunde durch. Die Zelle antwortet deshalb innerhalb von Millisekunden. Entscheidend ist also, was den Kanal öffnet und schließt. Diesen Schaltvorgang nennt man Gating.
Steuerungsarten
Ionenkanäle reagieren auf unterschiedliche Schalter. Zwei davon kennst du schon. Ligandengesteuerte Kanäle öffnen, wenn außen ein Botenstoff bindet. Spannungsgesteuerte Kanäle öffnen, wenn sich das Membranpotential ändert. Andere Kanäle werden von innen reguliert: durch Nucleotide wie ATP oder cAMP oder durch intrazelluläres \(\ce{Ca^2+}\).
| Steuerungsart | Auslöser | Beispiel |
|---|---|---|
| ligandengesteuert | Transmitter von außen | nikotinischer ACh-Rezeptor, \(\mathrm{GABA_A}\)-Rezeptor |
| spannungsgesteuert | Änderung des Membranpotentials | spannungsgesteuerter \(\ce{Na+}\)-Kanal |
| nucleotidgesteuert | ATP, cAMP oder cGMP im Cytosol | ATP-sensitiver \(\ce{K+}\)-Kanal, HCN-Kanal |
| calciumgesteuert | \(\ce{Ca^2+}\) im Cytosol | \(\ce{Ca^2+}\)-aktivierter \(\ce{K+}\)-Kanal |
Transmittergesteuerte Ionenkanäle sind zugleich Rezeptoren der Zelloberfläche. Man nennt sie auch ionotrope Rezeptoren. Bindet der Transmitter, ändert das Protein seine Form und die Pore öffnet sich. Ligandenbindung reguliert so direkt die Durchlässigkeit.
Neurotransmitter wie Acetylcholin oder Noradrenalin können Kanäle auch indirekt steuern. Dann aktivieren sie zuerst einen anderen Rezeptor. Dieser wirkt über second messenger auf den Kanal. Ligandensteuerung ist also nur ein Weg unter mehreren. Viele Kanäle reagieren allein auf Spannung oder auf Signale aus dem Cytosol. Manche kombinieren sogar zwei Schalter, wie der HCN-Kanal zeigt.
Acetylcholinrezeptoren
Acetylcholin (ACh) wirkt an zwei grundverschiedenen Rezeptortypen. Benannt sind sie nach Stoffen, die jeweils nur einen Typ aktivieren: Nicotin aus dem Tabak und Muscarin aus dem Fliegenpilz. Beide sitzen an der Zelloberfläche, gehören aber zu verschiedenen Rezeptorklassen.
Der nikotinische Acetylcholinrezeptor ist selbst der Ionenkanal. Fünf Untereinheiten umschließen eine zentrale Pore. ACh bindet an die beiden α-Untereinheiten, dann öffnet sich die Pore für Kationen. Vor allem \(\ce{Na+}\) strömt ein und depolarisiert die Zelle. Ein G-Protein ist nicht beteiligt, die Antwort kommt daher sehr schnell. Das klassische Beispiel ist die motorische Endplatte. Ihre Rezeptoren in der postsynaptischen Muskelmembran sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Muskelrelaxanzien wie Rocuronium blockieren genau diese Rezeptoren.
Der muscarinische Acetylcholinrezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor mit sieben Transmembranhelices. Eine eigene Pore hat er nicht. Bindet ACh, aktiviert er ein G-Protein, das einen Effektor schaltet. Die Subtypen M1, M3 und M5 koppeln an \(\mathrm{G_q}\) und Phospholipase C. M2 und M4 koppeln an \(\mathrm{G_i}\) und hemmen die Adenylatcyclase. Am Herzen öffnet M2 zusätzlich GIRK-Kaliumkanäle. Die Antwort ist langsamer, hält aber länger an. Atropin blockiert muscarinische Rezeptoren.
- ligandengesteuerter Ionenkanal
- Pentamer mit zentraler Pore
- Kationeneinstrom, Depolarisation
- kein G-Protein, Millisekunden
- B. motorische Endplatte
- G-Protein-gekoppelter Rezeptor
- sieben Transmembranhelices
- wirkt über Effektoren (PLC, Adenylatcyclase)
- langsamer, länger anhaltend
- B. Herz, glatte Muskulatur, Drüsen
Der M2-Rezeptor öffnet über das G-Protein zwar GIRK-Kanäle. Dieser Kanal ist aber ein eigenes Protein. Der muscarinische Rezeptor selbst bleibt ein GPCR und ist kein Ionenkanal, auch kein spannungsgesteuerter.
Die Zuordnung wird im Examen gerne gefragt: Nikotinisch bedeutet ligandengesteuerter Ionenkanal ohne G-Protein, muscarinisch bedeutet G-Protein-gekoppelt ohne eigene Pore. Achte darauf, dass der Rezeptor der motorischen Endplatte nikotinisch ist.
Wo welcher Typ im Nervensystem sitzt, erklärt die Einheit Neurotransmitter und cholinerge Rezeptoren.
HCN-Kanäle
Der HCN-Kanal trägt seine Eigenschaften im Namen: hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated. Er öffnet bei Hyperpolarisation der Plasmamembran. Er verhält sich also umgekehrt zu den meisten spannungsgesteuerten Kanälen. Man kann ihn sich wie eine Tür vorstellen, die aufgeht, sobald die Zelle nach einem Aktionspotential wieder negativ wird.
Der Kanal besteht aus vier Untereinheiten. Jede hat sechs Transmembransegmente S1 bis S6. Das positiv geladene S4 dient als Spannungssensor. Die Pore liegt zwischen S5 und S6. Am C-Terminus im Cytosol sitzt eine Bindungsdomäne für cyclische Nucleotide. Bindet cAMP, öffnet der Kanal schon bei weniger negativem Potential und häufiger.
HCN-Kanäle sind Kationenkanäle und lassen \(\ce{Na+}\) und \(\ce{K+}\) passieren. Bei negativem Potential überwiegt der \(\ce{Na+}\)-Einstrom und depolarisiert die Zelle langsam. Diesen Strom nennt man \(I_f\) (funny current). In der Plasmamembran der Sinusknotenzellen treibt er die langsame diastolische Depolarisation an. Der Sympathikus erhöht über \(\beta_1\)-Rezeptoren das cAMP. Der Strom wächst, und das Herz schlägt schneller. Ivabradin blockiert HCN-Kanäle und senkt so die Herzfrequenz. Den Ablauf am Herzen beschreibt das Schrittmacherpotential.
HCN: Hyperpolarisation öffnet, cyclische Nucleotide verstärken. Durch die Pore fließen Kationen, keine Anionen.
Quiz
Aussage 1
Muscarinische Acetylcholinrezeptoren besitzen sieben Transmembranhelices und aktivieren nach ACh-Bindung ein G-Protein.
Muscarinische Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren ohne eigene Pore.
Aussage 2
Transmittergesteuerte Ionenkanäle gehören zu den Rezeptoren der Zelloberfläche.
Der Transmitter bindet außen an das Kanalprotein, das damit selbst ein Oberflächenrezeptor ist.
Aussage 3
HCN-Kanäle öffnen, wenn die Plasmamembran depolarisiert wird.
HCN-Kanäle öffnen bei Hyperpolarisation, also umgekehrt zu den meisten spannungsgesteuerten Kanälen.
Aussage 4
Die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran an der motorischen Endplatte wirken über ein G-Protein.
An der motorischen Endplatte sitzen nikotinische Rezeptoren. Sie sind ligandengesteuerte Ionenkanäle und arbeiten ohne G-Protein.
Aussage 5
Manche Ionenkanäle werden von der Cytosolseite her durch Nucleotide wie ATP reguliert, etwa der ATP-sensitive \(\ce{K+}\)-Kanal.
Neben Liganden und Spannung können intrazelluläre Nucleotide wie ATP oder cAMP und intrazelluläres \(\ce{Ca^2+}\) Kanäle steuern.
Aussage 6
HCN-Kanäle der Sinusknotenzellen leiten vor allem Chloridionen.
HCN-Kanäle sind Kationenkanäle für \(\ce{Na+}\) und \(\ce{K+}\), keine Anionenkanäle.
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