6.13: Ionenkanäle

Ionenkanäle regulieren das Membranpotential einer Zelle. Bei den meisten Zellen, besonderes bei erregbaren, ist das Zellinnere negativer geladen als das Äußere, da es mehr negative als positive Ionen enthält. Bei einem feuernden Neuron, einer kontrahierenden Muskelzellen oder sensorischen Berührungszellen, muss sich das Membranpotential beispielsweise schnell von einem negativen in ein positiveres Membranpotential verändern können. Damit das möglich ist, sind Zellen auf zwei Arten von Ionenkanälen angewiesen: ligandengesteuerte und spannungsgesteuert Kanäle.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle, auch ionotrope Rezeptoren genannt, sind Transmembranproteine, die einen Kanal bilden und gleichzeitig eine Bindungsstelle besitzen. Wenn ein Ligand an die Oberfläche bindet, öffnet dieser den Ionenkanal. Häufige ionotrope Rezeptoren sind die NMDA-, Kainat-und AMPA-Glutamatrezeptoren sowie die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren. Während die Mehrzahl der ionotropen Rezeptoren durch extrazelluläre Bindung von Neurotransmittern wie Glutamat oder Acetylcholin aktiviert wird, können einige wenige intrazellulär durch Ionen selbst aktiviert werden.

Wenn ein Ligand, wie Glutamat oder Acetylcholin, an seinen Rezeptor bindet, aktiviert er den Einstrom von Natrium-(Na⁺) und Kalzium-Ionen (Ca²⁺) in die Zellen. Die positiven Ionen oder Kationen folgen ihrem elektrochemischen Gradienten und bewegen sich von der positiveren extrazellulären Oberfläche zur weniger positiven (negativeren) intrazellulären Oberfläche. Dadurch ändert sich das Membranpotential in der Nähe des Rezeptors. Dieser kann dann nahegelegene spannungsgesteuerte Ionenkanäle aktivieren, um die Änderung des Membranpotentials in die gesamte Zelle zu übertragen.

Ein weiterer ligandengesteuerter Ionenkanal, der GABA_A-Rezeptor, reguliert die Aufnahme von Chlorid-Ionen (Cl^-) in die Zelle. Dies senkt das Membranpotential, begrenzt die Ausbreitungseffekte und inhibiert die angeregte Zelle.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle öffnen oder schließen sich als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials, wie zum Beispiel nach dem Öffnens eines benachbarten ligandengesteuerten Ionenkanals. Es gibt verschiedene Arten von spannungsgesteuerten Kanälen, die eine selektive Permeabilität aufweisen. Das heißt, dass Ionen nach Größe und Ladungszustand gefiltert werden können. Spannungsgesteuerte Kalziumkanäle sind wichtig für die Muskelkontraktion und die Freisetzung von Neurotransmittern. Kaliumkanäle bewirken eine Repolarisierung der Zellmembran nach der Auslösung eines Aktionspotentials. Spannungsgesteuerte Protonenkanäle öffnen sich während der Depolarisation, um Protonen aus der Zelle zu entfernen.

Ionenkanäle können bei Migräne-Kopfschmerzen eine Rolle spielen. Die Dura Mater ist eine Schutzhülle für das Gehirn. Sie wird von mehreren Hirnnerven durchzogen. Es wird vermutet, dass Migräne von diesen Nerven ausgeht. Sowohl liganden -als auch spannungsgesteuerte Ionenkanäle in der Dura Mater können durch Veränderung von Membranpotentialen Schmerzsignale verstärken.

Es gibt zwei Haupttypen von Ionenkanal-gekoppelten Rezeptoren, ligand- und spannungsgesteuert. Jedes ist durch das Signal gekennzeichnet, das die selektiven Poren öffnet, damit bestimmte Ionen hindurchtreten können. Die erste Art, ein ligandengesteuerter Ionenkanal, öffnet sich, wenn ein Signalmolekül, entweder ein extra- oder intrazellulärer Ligand wie ein Neurotransmitter oder ein Ion, an das integrale Protein bindet und seine Form ändert. Wenn das Tor geöffnet wird, diffundieren Ionen durch die Membran und verursachen eine zelluläre Reaktion. Im Gegensatz dazu reagieren in einem spannungsgesteuerten Ionenkanal bestimmte Bereiche der Spannungssensoren auf das Niveau des Membranpotentials, die Nettoladungsdifferenz innerhalb und außerhalb der Zelle, indem sie die Form des Rezeptors ändern und das Tor öffnen und Zulassen, dass Ionen ein- oder ausgehen, um der Ladung zu entsprechen. Außerhalb der Zelle Innerhalb der Zelle