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Ionenkanäle Schließprinzip von biologischen Poren untersucht

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Jülicher Forscher haben mit Kollegen aus der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und dem Forschungszentrum caesar in Bonn neue Erkenntnisse gewonnen, wie ein molekularer Schlüssel einen Ionenkanal öffnen und schließen kann. Das Wissen um diese Mechanismen bildet die Grundlage, um verschiedene Krankheiten zu verstehen und zu therapieren.

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Bakterieller Ionenkanal, aufgebaut aus komplexen Eiweißmolekülen, die durch so genannte sekundäre Botenstoffe, geöffnet oder geschlossen werden können. (Quelle: Forschungszentrum Jülich)
Bakterieller Ionenkanal, aufgebaut aus komplexen Eiweißmolekülen, die durch so genannte sekundäre Botenstoffe, geöffnet oder geschlossen werden können. (Quelle: Forschungszentrum Jülich)

Jülich – Sie kontrollieren die Kontraktion von Muskeln, die Erregungsausbildung in Herz- und Nervenzellen oder die Freisetzung von Hormonen: die Ionenkanäle. Diese komplexen Eiweißmoleküle bilden kleine Poren in der Zellmembran und steuern durch sie den Fluss elektrisch geladener Teilchen, der Ionen. Jülicher Forscher haben nun mit Kollegen aus der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und dem Forschungszentrum caesar in Bonn neue Erkenntnisse gewonnen, wie ein molekularer Schlüssel einen Ionenkanal öffnen und schließen kann. Das Wissen um diese Mechanismen ist die Grundlage, um verschiedene Krankheiten zu verstehen und zu therapieren.

Im Fokus der Wissenschaftler stand ein vereinfachtes Modellsystem eines bakteriellen Ionenkanals, der den Kanälen in Zellen des Herzmuskels sehr ähnlich ist. Aufgebaut ist dieser – wie alle Ionenkanäle – aus komplexen Eiweißmolekülen, die durch kleine Moleküle, so genannte sekundäre Botenstoffe, geöffnet oder geschlossen werden können.

Wenn der sekundäre Botenstoff cAMP an einer bestimmten Stelle des Ionenkanals bindet, verändert sich dort die Struktur des Eiweißmoleküls, was die Öffnung des Kanals zur Folge hat. Die Wissenschaftler konnten mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie (NMR) Atom für Atom die dreidimensionale Struktur der hochkomplexen Eiweißmoleküle bestimmen und deren Änderung bei der Bindung eines sekundären Botenstoffs charakterisieren.

Grundlage für Verständnis und Therapie spezieller Erkrankungen

Viele genetisch bedingte Krankheiten lassen sich auf defekte Ionenkanäle zurückführen, etwa Mukoviszidose, Herzrhythmusstörungen oder bestimmte Augenerkrankungen. Die detaillierten molekularen Abläufe zu verstehen ist eine Grundlage für das Verständnis der Erkrankungen und die gezielte Entwicklung medizinischer Wirkstoffe.

Die Arbeiten entstanden im Rahmen eines Promotionsstipendiums der NRW-Forschungsschule BioStruct. BioStruct wird gefördert durch das Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und die Gründerstiftung zur Förderung von Forschung und wissenschaftlichem Nachwuchs an der Universität Düsseldorf.

Originalveröffentlichung: Sven Schünke, Matthias Stoldt, Justin Lecher, U. Benjamin Kaupp, and Dieter Willbold. Structural insights into conformational changes of a cyclic nucleotide-binding domain in solution from Mesorhizobium loti K1 channel. PNAS 2011 ; published ahead of print March 23, 2011, doi:10.1073/pnas.1015890108

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