Vom Ionenkanal zur Krankheit. PD Dr. Bernd Grünewald Institut für Biologie Neurobiologie

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1 Vom Ionenkanal zur Krankheit PD Dr. Bernd Grünewald Institut für Biologie Neurobiologie

2 Vom Ionenkanal zur Krankheit 1. Wie funktionieren Ionenkanäle? 2. Was sind Ionenkanalkrankheiten? 3. Ein Beispiel: die Mukoviszidose.

3 Molekulare Nanoschalter! Poren in der Membran! Transmembranproteine! offen oder geschlossen! ionenpermeabel! ionenselektiv! nicht nur auf Nervenzellen

4 Ionenkanäle bestehen aus mehreren Proteinuntereinheiten Tetrameric pentameric hexameric Es gibt: spannungsabhängige Kanäle ligandengesteuerte Kanäle (intra- und extrazellulär) Gap junctions (elektrische Synapsen, Konnexone)

5 Loligo Riesenxone

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7 Andrew Fielding Huxley an Lloyd dgkin Nobelpreis für Medizin, 1963 Hodgkin und Huxley schließen aus ihren Experimenten auf einige Kanaleigenschaften: Gating Selektivität Inaktivierung lange bevor diese Eigenschaften experimentell bewiesen werden konnten

8 Die Patch Clamp Technik Erwin Neher, Fred Sigworth, Alain Marty, Bert Sakman, Owen Hamill - Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, 1981.

9 Ein typischer Patch Clamp Arbeitsplatz:

10 Die Patch Clamp Technik - Einzelkanalmessungen Bert Sakmann, Erwin Neher Nobelpreis für Medizin, 1991

11 X Bindungsstelle Struktur eines Na + Kanals 4 homologe Domänen mit α-helikalen transmembranen Segmenten. JedeDomänefaltetsichin 6 TM Helices. Viertes TM-Segment (S4) jeder Domäne mit vielen positiven AS: Spannungssensor. Inaktivierungstor zwischen Domänen III und IV. Wassergefüllte Pore Tor schließt zum Inneren der Pore. Kanalmund etwa 1.2 nm im Durchmesser, Verjüngt sich auf ca nm. Selectivitätsfilter aus Aspartat, Glycin, Lysin und Alanin (neg. AS).

12 Struktur eines Na + Kanals: Inaktivierung Während desaktionspotenzials: 3 Phasen: 1. Depolarisation (plötzliches Öffnen des Kanals) 2. Refraktärzeit. Na + Kanalistimpermeabelfür Na + : Inactivierung. Sogenanntes Ball and chain" Modell. 3. Repolarisation. Die Membranspannung kehrt zum Ruhepotenzial zurück. Na + Kanal schließt. Inaktivierung aufgehoben.

13 3D-Struktur des nikotinischen Rezeptors

14 Molekulare Struktur des Kaliumkanals mit atomarer Auflösung Spannungssensor Roderick MacKinnon, The Rockefeller University Nobelpreis für Chemie, 2003 Ein K+ Kanal eines Säugetieres (Maus) mit einer räumlichen Auflösung von 2.9 Å berechnet.

15 Molekulare Struktur des Kaliumkanals mit atomarer Auflösung

16 Molekulare Struktur des Kaliumkanals mit atomarer Auflösung Ansichten des Kv1.2 ß2 Untereinheitenkomplexes: Seitenansicht, 4 Untereinheiten verschiedenfarbig Einzelne UE des Kanals von der Seite Blick in die Kanalpore mit einem einsamen K + Ion während der Passage durch die Pore.

17 Klassen von Ionenkanälen

18 Ionenkanalkrankheiten - channelopathies Defekte Ionenkanalfunktion Mutationen in Kanalgenen Erblich Pathogene Mutationen in > 60 Genen bekannt Selten (Ausnahme: Mukoviszidose)

19 Ionenkanalkrankheiten - channelopathies Skelettmuskel: Myotonia congenita, Kaliumsensitive Myotonie (erhöhte Muskelspannung) Herzmuskel: Lonq-QT-Syndrom, Brugada-Syndrom (Herzrhythmusstörungen) Nervensystem: Generalisierte Epilepsie, Episodische Ataxie (Gleichgewichtsstörung), angeborene Taubheit ( KCNQ4) Epithelien: Mukoviszidose

20 Mukoviszidose. In der Bundesrepublik: etwa 8000 Kinder betroffen; eines von 3000 Neugeborenen. Etwa jeder 25. Bundesbürger trägt das kranke Gen in sich (4 Mio. Menschen). Autosomal rezessiv vererbbar: Nur wenn beide Eltern Erbträger sind und den Gendefekt weitergeben, wird das Kind an Mukoviszidose leiden.

21 Mukoviszidose. Ursache: ein defekter CFTR Kanal Salzsekretion und Wasserbalance Cl - wird in den Schleim sezerniert Na + fließt passiv nach. Wasser folgt dem NaCl (Osmose!) Schleim wird flüssiger. Störung der Chloridsekretion durch CFTR Defekt: Störung des Wasserhaushaltes der Epithelien.

22 Mukoviszidose = Cystische Fibrose. Ursache: ein defekter CFTR Kanal CFTR-Kanal: Cystische Fibrose Transmembranleitfähigkeits Regulator Anionenkanal (Cl - ) Epithelien ATP-ase: Kanal benötigt ATP 1989 erkannt, das Mutation Mukoviszidose verursacht, bislang unheilbar.

23 Mukoviszidose = Cystische Fibrose. Ursache: ein defekter CFTR Kanal CFTR-Kanal in Epithelzellen von: Lunge, Bauchspeicheldrüse, allen Schweißdrüsen des Körpers, Leber, Niere, Geschlechtsorganen.

24 Mukoviszidose = Cystische Fibrose. Ursache: ein defekter CFTR Kanal CFTR-Kanal: Cystische Fibrose TransmembranleitfähigkeitsRegulator Anionenkanal (Cl - ) ATP-ase: Nukleotid-Bindungsdomäne ABC-Transporter: (ATP-binding cassette) 2 TM Domänen

25 Mukoviszidose. Ursache: ein defekter CFTR Kanal Häufigste Mutation: auf dem langen Arm des Chromosoms 7 lokalisiert Aminosäure Phenylalanin in Position 508 des Proteins fehlt ( F-508). Genprodukt bekannt: "Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator" (CFTR). Mutation F-508: unvollständig strukturiertes CFTR-Protein, CFTR erreicht seine Lokalisation in der Zellmembran nicht, loss of function. CFTR F-508 wird stattdessen abgebaut. Ca. 70% der Patienten weisen diese Mutation auf. Über 700 weitere Genveränderungen bekannt.

26 Öffnen und Schließen des CFTR Kanals offen geschlossen

27 Öffnen und Schließen des CFTR Kanals offen geschlossen

28 Die molekulare Feinstruktur des CFTR-Kanals positiv geladene Aminosäuren Transmembrandomänen ATP-Bindungsdomänen Phosphorylierungsstelle: R-Domäne

29 Mukoviszidose. Ist eine Therapie in Sicht? Therapien müssen am Kanal ansetzen: Gentherapie (ferne Zukunft). Einschleusen intakter CFTR-Gene in die Epithelien, z. B. durch Virusvektoren (Erforschungsphase). Alternative Cl-Transportwege durch das Epithel (Forschung). Verbesserte Reifung des 508 CFTR durch Medikamente (ungewiss) Bislang keine ursächliche Heilung, nur Linderung der Symptome! Problem: schnelle Erneuerung der Epithelzellen

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!