Ionenkanal

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 16. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Ein Ionenkanal ist ein Tansmembranprotein, welches eine Pore in der Membran bildet und Ionen den Durchgang durch die Membran ermöglicht. Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, sie können postitiv aber auch negativ geladen sein. Sie befinden sich in einem ständigen Austausch zwischen der Zelle und ihrer Umgebung oder einer anderen benachbarten Zelle.

Was ist ein Ionenkanal?

Ionenkanäle können von einigen Krankheiten betroffen sein. Ein Besipiel ist ein defekter Calcium-Kanal im Kleinhirn. Dieser Defekt ist ein Auslöser für Epilepsie.
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Die Membran einer Zelle besteht aus einer Lipid-Doppelschicht. Ionenkanäle sind Transmembranproteine, welche die Membran durchspannen und das Durchlassen von Ionen ermöglichen. Ionenkanäle werden auch als Kanalproteine bezeichnet, da sie einen Durchgang bilden.

Die Gruppe der Ionenkanäle wird in verschiedene Kategorien eingeteilt, die aktiven und die passiven Ionenkanäle. Die aktiven Ionenkanäle erzeugen den Durchgang der Ionen durch aktiven Transport benötigen also Energie für diesen Vorgang. Die passiven Ionenkanäle dagegen verbrauchen keine Energie und ermöglichen das Druchtreten von Ionen entlang eines bereits existierenden eletrochemischen Gradienten. Dieser Gradient kann in die chemische und die elektriche Komponente unterteilt werden. Der chemische Gradient beschreibt ein Konzentrationsgefälle. Die Teilchen eines bestimmten Stoffes wie beispielsweise Kalium bewegen sich unkoordiniert zwischen zwei Kompartimenten mithilfe von Ionenkanälen.

Dabei kommt es zu einer gleichmäßigen Verteilung dieser Teilchen zwischen den beiden Kompartimenten. Dies wird auch als brownsche Molekularbewegung bezeichnet. Der elektrische Gradient dagegen beinhaltet die Verteilung von elektrischer Spannung. Kommt es beispielsweise zu einer erhöhten negativen Ladung in einem Kompartiment, so kommt es zur Bildung eines elektrischen Gradienten. Die positiven Teilchen des anderen Kompartments bewegen sich dann zu dem negativ geladenen Kompartment, um die durch den Gradienten aufgebaute ungleiche Spannung wieder auszugleichen. Die aktiven Ionenkanäle arbeiten gezielt gegen einen Gradienten. Beispielsweise können sie weitere negativ geladene Teilchen in das ohnehin schon negativ geladene Kompartment transportieren. Dieser Vorgang benötigt jedoch einen Aufwand von Energie.

Funktion, Wirkung & Aufgaben

Kommt es zu einem ankommenden Signal, so schüttet die Synapse einen bestimmten Neurotransmitter aus. Dieser gelangt in den synaptischen Spalt und bindet and die Rezeptoren der Transmittergesteuerten Ionenkanäle. Diese werden dadurch geöfffnet und das Membranpotential der Postsynapse wird verändert. Je nachdem kommt es dann zu einem exzitatorischen oder inhibitorischen Membranpotential. Dies hängt davon ab, ob das Membranpotential angehoben oder gesenkt wird und dies wiederum wird durch das Einströmen von Ionen durch den Transmittergesteuerten Ionenkanal bestimmt. Die Reizweiterleitung im Neuron, dies kann im Gehirn oder auch im Rückenmark sein, wird durch Ionenkanäle erzeugt. Beispielsweise der Vorgang des Sehens wird so ermöglicht, aber auch die Reizweiterleitung bei einem Reflex wie dem Kniesehnen-Reflex.

Wenn eine Änderung des Membranpotentials entsteht, kommt es zur Öffnung von Ionenkanälen entlang der Neurone. Dies erzeugt eine Weiterleitung des veränderten Membranpotentials enltang eines Neurons ähnlich eines Dominoeffekts. Die Membranspannung kommt zunächst dadurch zustande, dass im Inneren des Neurons eine negative Ladung herrscht und im extrazellulären Bereich eine positive Ladung vorliegt. Wird das sogenannte Ruhepotential der Membranspannung überschritten, so kommt es zur Hyperpolarisation den Membran. Dadurch wird Membranspannung noch negativer. Dies geschieht aufgrund des Öffnens oder auch Schließens der Ionenkanälen. Es handelt sich bei diesen Ionenkanälen um Kalium-, Calcium-, Chlorid- , und Natriumkanälen. Sie sind die spannungsabhängig, öffnen oder schließen sich also in Abhängigkeit des Membranpotentials.

Dieser Vorgang wird als Aktionspotential bezeichnet und wird in verschiedene Schritte unterteilt. Zunächst erfolgt die Initiationsphase. Anschließend kommt es zur Depolarisation gefolgt von der Repolarisation, bei der das Ruhepotential wieder erreicht wird. Meist kommt es aber vor Repolarisation zu einer Hyperpolarisation. Dies dient dazu, dass kein weiteres Aktionspotential direkt nach dem erfolgten Aktionspotential ausgelöst wird und es zu einem Dauerreiz kommt. Ionenkanäle besitzen auch eine wichtige Funktion bei der Regulation der Osmose sowie bei der Aufrecherhaltung des Säure-Base Gleichgewichts im Körper.

Bildung, Vorkommen, Eigenschaften & optimale Werte

Wie bereits erwähnt gibt es aktive und passive Ionenkanäle. Sie können aber auch aufgrund der Art ihrer Steruerung unterschieden werden. Dabei handelt es sich um spannungsgesteuerte Ionenkanäle, die für die Reizweiterleitung in Neuronen dienen. Sie können auch durch Liganden gesteuert sein, wie die Transmittergesteuerten Ionenkanäle der Synapsen zur Weiterleitung von Signalen an weitere Neurone oder auch zur Signalweiterleitung an die Muskulatur.

Weitere Ionenkanäle sind die mechanosensitiven Kanäle. Sie werden durch mechanische Reize wie Druck reguliert. Temperaturgesteuerte Ionenkanäle werden geöffnet oder geschlossen, wenn eine bestimmter Schwellenwert einer Temperatur erreicht wird. Und Lichtgesteuerte Ionenkanäle werden durch eine bestimmte Wellenlänge des Lichts reguliert. Ein Beispiel hierfür ist das Rhodopsin, welches an einem Kanal gebunden ist und ihn reguliert. Diese kommen beispielsweise im Auge vor und ist in dem Sehprozess integriert.

Krankheiten & Störungen

Dabei bilden die Patienten Antikörper gegen die Calcium-Kanäle der neuromuskulären Endplatte. Dies ist der Bereich der Reizweiterleitung zwischen Neuronen und der Musklulatur. Die Signale werden abgeschwächt und es kommt zu einer Muskelschwäche. Männer sind in der Regel häufiger von dieser Erkrankung betroffen als Frauen.

Quellen

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