Jülicher Forscher klären molekularen Verschlussmechanismus in Ionenkanälen auf

Ionenkanäle sind aus großen, komplex geformten Eiweißmolekülen aufgebaut, die kleine Poren bilden. Durch diese Poren können unterschiedliche Ionen wie K⁺, Ca²⁺, Na⁺ oder Cl^- wandern und Prozesse in den Zellen anstoßen, wie zum Beispiel die Kontraktion von Muskelzellen, die elektrische Erregung von Herz- und Nervenzellen oder die Freisetzung von Hormonen. Ionenkanäle können sich öffnen oder schließen, indem bestimmte Botenstoffmoleküle an eine Schalter-Domäne an- oder abdocken.

NMR-Spektroskopie für das molekulare Kino

Was in diesem Fall geschieht hat nun Dr. Sven Schünke aus Willbolds Team genauer untersucht. Er hatte dafür mit Kollegen aus dem Forschungszentrum caesar in Bonn zusammengearbeitet und konnte eines der sehr leistungsstarken Hochfeld-NMR-Spektrometer des Biomolekularen NMR-Zentrums nutzen, das vom Forschungszentrum Jülich und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf gemeinsam betrieben wird.

Denn um zu verstehen, wie die Steuerung des Ionenkanals funktioniert, muss man zunächst die dreidimensionale Struktur der schaltenden Domäne in atomarer Auflösung ermitteln und zwar sowohl in An- als auch in Abwesenheit des Botenstoffmoleküls. Die Wissenschaftler setzten ein Hochfeld-NMR-Spektrometer ein, um das Protein in Lösung untersuchen zu können. Damit gelang es ihnen, die Struktur des Proteins zu bestimmen.

Botenstoffmolekül schließt oder öffnet den Ionenkanal

Sie konnten zeigen dass die An- bzw. Abwesenheit des Botenstoffmoleküls große Änderungen in der dreidimensionalen Proteinstruktur hervorruft. Aus den Unterschieden der beiden Strukturen konnten die Wissenschaftler ein Art molekularen „Kinofilm“ erzeugen und erkannten: Wenn der sekundäre Botenstoff cAMP an die Schalterdomäne des Ionenkanals andockt, verändert sich die Struktur des Eiweißmoleküls und der Kanal wird geöffnet. 

Ausblick: komplexere Ionenkanäle im Visier

Für diese Ergebnisse untersuchten die Wissenschaftler einen vergleichsweise einfach aufgebauten Ionenkanal aus einer Bakterienzelle, der Ionenkanälen in Zellen des Herzmuskels ähnlich ist. Dieter Willbold und Sven Schünke wollen nun ihre Arbeit vertiefen und komplexere Ionenkanäle aus menschlichen Zellen untersuchen. Die Forschungsergebnisse sind für eine Vielzahl von Fragen wichtig, zum Beispiel zum Verständnis von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson, aber auch in der Virenforschung. „Wir haben hier ein schönes Beispiel, wie eng die Schlüsseltechnologie Strukturbiologie mit der Forschung im Bereich Gesundheit verzahnt ist“, sagt Dieter Willbold. Ein besseres Verständnis der molekularen Prozesse in Ionenkanälen könnte die gezielte Entwicklung von Wirkstoffen gegen diese Erkrankungen ermöglichen.

Forschungszentrum Jülich/red.