Ionenkanäle: Supercomputer berechnet Ionenfluss

1. September 2014
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Wissenschaftler erforschten den Mechanismus des Ionenflusses durch spannungsgesteuerte Natriumionenkanäle. Da dieser Prozess mit einer unglaublichen Geschwindigkeit abläuft – es fließen bis zu 100 Millionen Ionen pro Sekunde – wurden Computersimulationen durchgeführt, um das Geschehen genauer zu beobachten.

Die Erkenntnisse sind aktuell in der Fachzeitschrift PLOS Computational Biology erschienen. Ionenkanäle sind für eine Vielzahl physiologischer und pathophysiologischer Prozesse im menschlichen Körper entscheidend, spannungsgesteuerte Ionenkanäle generieren lebensnotwendige elektrische Signale im menschlichen Körper. Ohne diese Proteinkomplexe könnten zentrale Funktionen wie z.B. unser Herzschlag, die Signalweiterleitung im Gehirn oder Muskelbewegungen nicht stattfinden. Besonders faszinierend ist, dass diese Proteine “wählerisch” sind: Sie lassen selektiv nur bestimmte Ionen durch und ermöglichen dabei trotzdem enorme Durchflussraten.

Mehr über die Funktionsweise der außergewöhnlichen Ionenkanäle verrät der Blick auf ihre Kristallstrukturen: Diese zeigen unter anderem eine kurze, mit Wasser gefüllte Filterstruktur, die von vier negativ geladenen Aminosäuren umgeben ist. Sie ist für den selektiven Natriumfluss verantwortlich. Da Kristallstrukturen jedoch statische Momentaufnahmen darstellen, ist es sehr schwierig, daraus Rückschlüsse auf jene dynamischen Prozesse zu ziehen, die den Ionenfluss erst ermöglicht. Diese Fragestellungen eignen sich optimal für Computersimulationen.

Schnellster Computer Österreichs “filmt” Ionenbewegungen

Um den faszinierenden Proteinen quasi bei der Arbeit zusehen zu können, hat das Team vom Department für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Wien sogenannte Moleküldynamiksimulationen durchgeführt. Die für diese Analyse notwendige Rechenleistung lieferte der Vienna Scientific Cluster (VSC), der schnellste Computer Österreichs.

Dabei entdeckten die Forscher, dass der Ionenfluss vom Extrazellularraum in die Zelle deutlich schneller erfolgt als in die umgekehrte Richtung. „Den Schlüssel für diese überraschende Entdeckung liefert eine negativ geladene Aminosäure: Glutaminsäure 53, kurz E53“, erklärt Pharmakologin Anna Stary-Weinzinger, Leiterin des Forschungsprojekts an der Universität Wien: „E53 kann je nach Ionenflussrichtung ihre Konformation verändern und moduliert dadurch die Ionenflussgeschwindigkeit.“

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Schematische Darstellung des Natriumionenkanals (hellblau). Oben: Einstrom von Natriumionen (gelb gefärbt). Unten: Konformationsänderung von E53 (“Flip-Stellung”) während des Ionenausstroms. © Song Ke

Glutaminsäure E53 reguliert den Ionenfluss

Die Moleküldynamiksimulationen zeigen, dass die Aminosäure E53 zwei unterschiedliche Orientierungen einnehmen kann, je nach Richtung des Ionenflusses. Durch diese Schaltungsfunktion ermöglicht E53 einen schnellen Ioneneinstrom in die Zelle, wenn es sich in der sogenannten nicht geflippten Auswärtsstellung befindet.

In der “Flip-Stellung” hingegen beschleunigt E53 das Ausströmen der Ionen: „Mit Hilfe ‘Freier-Energie-Berechnungen’ konnten wir zeigen, dass der Weg aus der Zelle für die Ionen schwieriger ist als jener in die Zelle, weil es im Protein eine sogenannte ‘Energiebarriere’ für den auswärts gerichteten Natriumfluss gibt“, erklärt Song Ke, Doktorand in der Gruppe von Anna Stary-Weinzinger, genauer: „In der ‘Flip’-Stellung hilft E53 den Ionen dabei, diese Hürde zu überwinden.“

Die Forscher halten es für wahrscheinlich, dass diese Bewegungen auch eine wichtige Rolle bei der Inaktivierung spielen – jenem Mechanismus, der den Ionenfluss kontrolliert stoppt, um die Signalweiterleitung zu unterbrechen.

Originalpublikation:

Different Inward and Outward Conduction Mechanisms in NaVMs Suggested by Molecular Dynamics Simulations 
Song Ke et al.; PLOS Computational Biology, doi: 10.1371/journal.pcbi.1003746; 2014

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Medizin, Neurologie

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1 Kommentar:

Hervorragend!

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