Neue Methode bietet Einblicke in die Spannungsempfindlichkeit von Kaliumkanälen

Neue Methode bietet Einblicke in die Spannungsempfindlichkeit von Kaliumkanälen
Die Wissenschaftler bildeten eine einfache Lipiddoppelschicht, indem sie zwei mit einer Monoschicht ausgekleidete Wasserblasen andockten, und bewerteten die Membranspannung basierend auf dem Young-Laplace-Prinzip, um den Druck innerhalb der Blase unter 100 Pascal unter Verwendung eines Zeitraffersystems zu messen. Dieses einfache Modell vermeidet die Verwendung von hochkomplexen Membranen realer, “wohnen” Zellen. Bildnachweis: Masayuki Iwamoto von der University of Fukui

Ionenkanäle spielen eine unverzichtbare Rolle in der Zellphysiologie, und das Verständnis der physikalischen Merkmale, die die Ionenkanalfunktionen beeinflussen, ist für Biologen von erheblichem Interesse. Angesichts der Tatsache, dass Mechanosensitivität ein wesentliches Merkmal von Zellen ist, ist der komplexe Satz mechanischer Spannungen, die jederzeit auf eine Zelle wirken, eine wichtige Überlegung auf dem Gebiet der Zellphysiologie. Tatsächlich sind manchmal Dehnungskräfte, die durch mechanische Beanspruchung erzeugt werden, notwendig, um Ionenkanäle zu aktivieren. Wie Professor Masayuki Iwamoto und Professor Shigetoshi Oiki von der Universität Fukui erklären, “Mechanische Spannungen verändern das Niveau der Zellmembranspannung, und durch Dehnung aktivierte Ionenkanäle in der Membran vermitteln die spannungsbedingte elektrische Transduktion.”

Jüngste Experimente haben gezeigt, dass die Spannungsempfindlichkeit eine Eigenschaft anderer Ionenkanäle ist als der, die historisch als klassifiziert wurden “mechanosensitiv” Kanäle und Biophysiker sehen die Spannungsempfindlichkeit als eine intrinsische Eigenschaft von Ionenkanälen im Allgemeinen. Die Bemühungen, die physiologische Relevanz und die molekularen Mechanismen einer solchen Spannungsempfindlichkeit aufzuklären, hängen jedoch von der Etablierung experimenteller Methoden ab, mit denen Experimentatoren dynamische Änderungen der Membranspannung in Echtzeit bewerten können.

Um diesem wachsenden Bedarf gerecht zu werden, konzentrierten sich die Professoren Iwamoto und Oiki auf die Entwicklung eines neuartigen Zeitraffersystems zur Messung der Membranspannung. In ihren Experimenten bildeten sie eine Doppelschicht, indem sie zwei mit einer Schicht ausgekleidete Wasserblasen andockten, und bewerteten die Spannung unter Verwendung des Young-Laplace-Prinzips, um den Druck innerhalb der Blase unter 100 Pascal zu messen. Diese neuartige experimentelle Methode hat den Vorteil, dass sie sich auf ein einfaches Modellsystem stützt, das aus gereinigten Kanälen und einer einfachen Lipiddoppelschicht besteht. Mit diesem Modell können Experimentatoren die unüberschaubare Komplexität realer Zellmembranen vermeiden, die eine Vielzahl von Ionenkanälen und akzessorischen Proteinen aufweisen. Der Versuchsaufbau ermöglicht eine Echtzeitüberwachung der Membranspannung.

Der KcsA-Ionenkanal ist der prototypische Ionenkanal, der zum Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen von Ionenkanälen verwendet wird. Der Kanal funktioniert in der Doppelschicht, und dies ist ein wichtiger Vorteil angesichts der schnellen Variabilität der Membranspannung, die während der tatsächlichen Zellaktivität auftritt, während die dynamische Reaktionsfähigkeit des KcsA-Ionenkanals aufgezeichnet wird. Diese Experimente zeigten eine neuartige Wirkungsweise für die Spannungsempfindlichkeit, die in der vorhandenen Literatur ihresgleichen sucht. Ihre Ergebnisse erscheinen in einem kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlichten Artikel JACS Au.

Interessanterweise zeigten die KcsA-Ionenkanäle eine Empfindlichkeit gegenüber Membranspannung und reagierten schnell auf ihre Schwankungen. Eine bemerkenswerte Beobachtung war, dass sich die Reaktionen der Ionenkanäle auf eine zunehmende Membranspannung wesentlich von ihren Reaktionen auf eine abnehmende Membranspannung unterschieden. Während der Streckphase begannen die Kanäle erst zu aktivieren, wenn die Membranspannung ein hohes Niveau erreichte. In der Phase des Spannungsabfalls blieben sie auch nach Rückkehr zu einem niedrigen Spannungsniveau noch eine Weile aktiv. Dieses Merkmal wird als Hysterese bezeichnet und impliziert, dass die Kanalmoleküle dies können “sich einprägen” ihren aktiven Zustand für kurze Zeit.

Zusammenfassend haben die Professoren Iwamoto und Oiki ein Zeitraffersystem zur Messung der Membranspannung entwickelt, während die dynamische Reaktionsfähigkeit eines prototypischen Ionenkanals aufgezeichnet wird. Ihre Ergebnisse zeigten einen Prozess der Hysterese, den sie bemerken “erweitert das vorhandene Wissen über die Mechanismen der spannungsempfindlichen Kanäle, die bei verschiedenen zellulären Aktivitäten eine Schlüsselrolle spielen.”

Die vorliegende Studie ist daher sowohl als Demonstration einer neuen Methode für die grundlegende Ionenkanalforschung als auch als Grundlagenforschung zu Ionenkanalmechanismen wichtig. Die Einblicke in die Hysterese als funktionelles Merkmal von KcsA-Ionenkanälen könnten für die Forschung zur Wirkstoffentdeckung wertvoll sein.


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Neue Studie stellt den ‘etablierten’ Mechanismus zur Selektivität zellulärer Ionenkanäle in Frage


Mehr Informationen:
Masayuki Iwamoto et al., Hysterese eines spannungsempfindlichen K + -Kanals, der durch Zeitrafferspannungsmessungen entdeckt wurde, JACS Au (2021). DOI: 10.1021 / jacsau.0c00098

Bereitgestellt von der Universität von Fukui

Zitat: Neue Methode bietet Einblicke in die Spannungsempfindlichkeit von Kaliumkanälen (2021, 8. April), abgerufen am 9. April 2021 von https://phys.org/news/2021-04-method-insights-tension-sensitivity-potiumium-channels.html

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