Neue Studie zur Detektion von Spannung in Zellmembranen
Das elektrische Potential wird in allen Zellmembranen durch spezialisierte Proteine erfasst, so genannte spannungsgesteuerte Ionenkanäle. Diese Kanäle dienen als eine Art Transmembrankanal dem Transport geladener Ionen. Nur in der Transmembranregion dieser Proteine kommt es zu starken Veränderungen des elektrischen Feldes. Die Proteine erfassen das elektrische Feld und vermitteln die Spannungsabhängigkeit, indem sie den Ionenkanal öffnen und schließen. Mit computergestützter Simulation wurden bereits einige der molekularen Prozesse untersucht, die an den spannungsmessenden Modulen spannungsgesteuerter Ionenkanäle beteiligt sind. Das EU-finanzierte Projekt VOLTSENS (Probing the sequence determinants of ion channel voltage sensing via computation: Towards the design of custom-tailored voltage-sensing modules) befasste sich nun genauer mit dem Aktivierungsmechanismus für spannungsempfindliche Module. Besonderes Augenmerk galt der Unterscheidung, welche Marker konserviert sind und damit die Funktion des spannungsempfindlichen Moduls bestimmen. Zuerst berechnete das Team mittels atomistischer Modelle die freie Energie bei Zustandsübergängen im Kaliumkanal. Bei der Studie zum Aktivierungsmechanismus der spannungserfassenden Domäne des Kaliumkanals wurde die Ionenkanaldynamik sowohl mikroskopisch als auch makroskopisch untersucht, wobei sich die schon länger vermutete entscheidende Rolle der Barrieren des Kanalverschlusses bestätigte, durch die die Durchlässigkeit reguliert wird. Anhand der in den molekulardynamischen Simulationen erzeugten Daten sollte zudem geklärt werden, welche Rolle Rückstände beim Aktivierungsmechanismus der spannungsempfindlichen Domänen spielen, was nicht zuletzt Aufschluss über den Effekt von Rückstandsmutationen als eine der Ursachen für Herz-Kreislauf-Erkrankungen lieferte. Spannungserfassungsmodule können als modulare biomolekulare Maschinen dienen, die über einen hochkonservierten Aktivierungsmechanismus elektrische Signale in Zellen transduzieren. Daraufhin entwickelte das Team ein Sequenzalignment für verschiedene spannungsmessende Sequenzen und suchte nach Mustern und Regelmäßigkeiten, die auf das evolutionäre Design schließen lassen, über das Spannungssensoren gesteuert werden. Die Modelle bestätigten die experimentellen Ergebnisse, sodass auf dieser Basis nun überprüfbare Hypothesen zu strukturellen und funktionellen Eigenschaften spannungsempfindlicher Domänen erstellt werden können. Komparative Analysen bei großen Komplexen von Natrium- und Kaliumionenkanälen ergaben spezifische Merkmale für diese Kanäle und ermöglichten das Design eines Modells des Kanal-Gates. Die Projektergebnisse wurden in Fachzeitschriften veröffentlicht.
Schlüsselbegriffe
Zellmembranen, spannungsempfindliche, spannungsgesteuerte Ionenkanäle, VOLTSENS, Kaliumkanal
