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Kontoverse um Kaliumkanäle gelöst

Kommt Kalium „trocken“ durch die Zellmembran?

| Autor/ Redakteur: Silke Oßwald* / Christian Lüttmann

Die Wände unserer Zellen sind übersät mit Pforten und Kanälen. So gelangen beispielsweise Kaliumionen durch spezielle Membranproteine in die Zelle, wo sie für die Reizweiterleitung und andere Aufgaben benötigt werden. Doch wie genau sie die Kaliumkanäle passieren, wurde lange debattiert. Ob sie Wassermoleküle mitnehmen oder nicht, haben nun Forscher des Berliner Leibniz-Forschungsinstituts für Molekulare Pharmakologie untersucht und der Kontroverse offenbar ein Ende gesetzt.

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Kaliumtransport durch den Selektivitätsfilter eines kaliumselektiven Ionenkanals. Der Kanal (orange) ist nur durchlässig für Kaliumionen (große grüne Kugeln). Wassermoleküle (kleine blaue Kugeln) und andere Ionen wie z.B. Natrium (nicht gezeigt) können den Kanal nicht passieren.
Kaliumtransport durch den Selektivitätsfilter eines kaliumselektiven Ionenkanals. Der Kanal (orange) ist nur durchlässig für Kaliumionen (große grüne Kugeln). Wassermoleküle (kleine blaue Kugeln) und andere Ionen wie z.B. Natrium (nicht gezeigt) können den Kanal nicht passieren.
(Bild: Barth van Rossum / FMP)

Berlin – Passieren Kaliumionen den Selektivitätsfilter eines Kaliumkanals alleine oder sitzen Wassermoleküle zwischen den Ionen? Diese Frage ist seit Jahren umstritten. Daher haben Forscher um Prof. Adam Lange vom Berliner Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) einen genauen Blick auf die Prozesse in der Zellwand geworfen und die entscheidenden Belege zum Beenden der Kontroverse gefunden.

Große Bedeutung von Ionen

Unsere Zellen brauchen Kaliumionen, zum Beispiel um Nervenimpulse weiterzuleiten oder die Herzfrequenz zu steuern. Darum ist fast jede menschliche Zelle – oder genauer gesagt die Membran einer Zelle – mit Kaliumkanälen ausgestattet. Diese Membranproteine haben eine fundamentale Bedeutung für biologische Prozesse, da hier schon kleinste Veränderungen zu schweren Krankheiten führen können. Deshalb werden die winzigen Eiweißmoleküle weltweit erforscht. Für die Aufklärung der Struktur von Kaliumkanälen hat der US-Biochemiker Roderick MacKinnon im Jahr 2003 sogar den Nobelpreis für Chemie erhalten, zusammen mit den US-Mediziner Peter Agre.

Kalium mit oder ohne Wasser?

Unklar war jedoch, wie genau Kalium den Kanal passiert, um durch die Zellmembran zu gelangen. Lange Zeit ging man davon aus, dass auf jedes Kaliumion ein Wassermolekül folgt und die Elemente dann aufgereiht wie an einer Kette nacheinander den engsten Teil des Kaliumkanals, den so genannten Selektivitätsfilter, passieren. Erklärt wurde das damit, dass Kaliumionen positiv geladen sind und sich ohne die Zwischenmoleküle gegenseitig abstoßen würden.

Dieser Mechanismus wurde 2014 von Göttinger Forschern des Max-Planck-Instituts für Biophysikalische Chemie (MPI-BPC) jedoch in Frage gestellt: Computersimulationen zeigten, dass im Selektivitätsfilter von Kaliumkanälen gar keine Wassermoleküle vorhanden sind. Doch klar war die Sache damit noch nicht. Denn anschließend wurden weitere Arbeiten publiziert, die den älteren Mechanismus stützten und den neuen anscheinend widerlegten.

Nun haben Forscher vom FMP Klarheit in die kontroverse Debatte gebracht: Dr. Carl Öster und Kitty Hendriks aus der Arbeitsgruppe von Lange zeigten zusammen mit weiteren Kollegen am FMP erstmals mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie, dass Kaliumionen tatsächlich ohne Wassermoleküle durch die Kaliumkanäle wandern. Die Kaliumionen sitzen demnach direkt hintereinander und schieben sich gegenseitig von unten nach oben durch den Kaliumkanal.

Selektivitätsfilter ist frei von Wasser

„Die Technik, die wir verwendet haben, erlaubt es, Membranproteine in echten Zellmembranen unter natürlichen Bedingungen anzuschauen, also etwa bei Raumtemperatur oder physiologischen Salzkonzentrationen“, sagt Hendriks. „Damit konnten wir zeigen, dass unter diesen Bedingungen definitiv kein Wasser zwischen den Kaliumionen im Selektivitätsfilter zu finden ist.“

Die ersten Hinweise darauf kamen aus Computersimulationen und es gibt auch röntgenkristallografische Daten, die für die Abwesenheit von Wassermolekülen im Selektivitätsfilter von Kaliumkanälen sprechen. „Diese Untersuchungen wurden allerdings unter künstlichen Bedingungen durchgeführt“, betont FMP-Forscher Öster. „Mit unseren ergänzenden Daten aus der NMR-Spektroskopie haben wir jetzt ein schwergewichtiges Argument in der Hand, dass der neuere Mechanismus der richtige ist.“

Den Nachweis, dass keine Wassermoleküle zwischen den Kaliumionen sitzen, haben die Wissenschaftler aus Berlin zusammen mit Kollegen vom MPI-BPC erbracht, deren computergestützte Molekulardynamiksimulationen ebenfalls mit in die Arbeit eingeflossen sind. „Da die Abläufe in den Kaliumkanälen elementar für unsere Gesundheit sind, haben unsere Ergebnisse eine große Bedeutung, auch über die Grundlagenforschung hinaus“, schließt FMP-Arbeitsgruppenleiter Lange.

Originalpublikation: Carl Öster, Kitty Hendriks, Wojciech Kopec, Veniamin Chevelkov, Chaowei Shi, Dagmar Michl, Sascha Lange, Han Sun, Bert L. de Groot, Adam Lange: The conduction pathway of potassium channels is water free under physiological conditions, Science Advances 31 Jul 2019:Vol. 5, no. 7; DOI: 10.1126/sciadv.aaw6756

* S. Oßwald, Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie im Forschungsverbund Berlin, 13125 Berlin

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