Spannungsabhängige Ionenkanäle, die selektiv für jedes der wichtigsten physiologischen Ionen – Na+, K+, Ca2+ und Cl – durchlässig sind, wurden inzwischen entdeckt (Abbildung 4.4A-D). In der Tat wurden viele verschiedene Gene für jeden Typ von spannungsabhängigen Ionenkanälen entdeckt. Zum Beispiel wurden 10 menschliche Na+-Kanal-Gene identifiziert. Dieser Befund war unerwartet, weil Na+-Kanäle aus vielen verschiedenen Zelltypen ähnliche funktionelle Eigenschaften haben, was mit ihrem Ursprung aus einem einzigen Gen übereinstimmt. Es ist nun jedoch klar, dass alle diese Na+-Kanal-Gene Proteine produzieren, die sich in ihrer Struktur, Funktion und Verteilung in bestimmten Geweben unterscheiden. So wurde z. B. zusätzlich zu den von Hodgkin und Huxley entdeckten schnell inaktivierenden Na+-Kanälen in Axonen von Tintenfischen ein spannungsempfindlicher Na+-Kanal identifiziert, der nicht inaktiviert. Wie zu erwarten, führt dieser Kanal zu Aktionspotentialen von langer Dauer und ist eines der Ziele von Lokalanästhetika wie Benzocain und Lidocain.
Andere elektrische Antworten in Neuronen sind auf die Aktivierung von spannungsabhängigen Ca2+-Kanälen zurückzuführen (Abbildung 4.4B). In einigen Neuronen führen spannungsabhängige Ca2+-Kanäle zu Aktionspotentialen, ähnlich wie spannungsabhängige Na+-Kanäle. In vielen anderen Neuronen können Ca2+-Kanäle die Form von Aktionspotenzialen steuern, die primär durch Na+-Leitwertänderungen erzeugt werden. Durch die Beeinflussung der intrazellulären Ca2+ -Konzentration reguliert die Aktivität von Ca2+ -Kanälen eine enorme Bandbreite an biochemischen Prozessen innerhalb von Zellen (siehe Kapitel 8). Der vielleicht wichtigste der durch spannungsabhängige Ca2+ -Kanäle regulierten Prozesse ist die Freisetzung von Neurotransmittern an Synapsen (siehe Kapitel 5). Angesichts dieser entscheidenden Funktionen ist es vielleicht nicht überraschend, dass 16 verschiedene Ca2+ -Kanal-Gene identifiziert wurden. Wie Na+-Kanäle unterscheiden sich verschiedene Ca2+-Kanäle in ihren Aktivierungs- und Inaktivierungseigenschaften, was subtile Variationen in den elektrischen und chemischen Signalprozessen, die durch Ca2+ vermittelt werden, ermöglicht. Daher sind Medikamente, die spannungsabhängige Ca2+-Kanäle blockieren, besonders wertvoll für die Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen, die von Herzkrankheiten bis hin zu Angstzuständen reichen.
Die größte und vielfältigste Klasse der spannungsabhängigen Ionenkanäle sind die K+-Kanäle (Abbildung 4.4C). Es sind inzwischen fast 100 K+-Kanal-Gene bekannt, die sich in mehrere Gruppen aufteilen, die sich in ihren Gate-Eigenschaften deutlich unterscheiden (Abbildung 4.5). Einige brauchen Minuten, um sich zu inaktivieren, wie z. B. die von Hodgkin und Huxley untersuchten K+-Kanäle im Axon von Tintenfischen. Andere werden innerhalb von Millisekunden inaktiviert, wie es für die meisten spannungsgesteuerten Na+-Kanäle typisch ist. Diese Eigenschaften beeinflussen die Dauer und die Rate der Aktionspotentialauslösung, mit wichtigen Konsequenzen für die axonale Leitung und die synaptische Übertragung. Die vielleicht wichtigste Funktion der K+-Kanäle ist die Rolle, die sie bei der Erzeugung des Ruhemembranpotenzials spielen (siehe Kapitel 2). Mindestens zwei Familien von K+-Kanälen, die bei hyperpolarisierten Membranpotentialen geöffnet sind, tragen zur Einstellung des Ruhemembranpotentials bei.
Abbildung 4.5
Diverse Eigenschaften von K+-Kanälen. Verschiedene Typen von K+-Kanälen wurden in Xenopus-Oozyten exprimiert (siehe Kasten B), und die Spannungsklemm-Methode wurde verwendet, um das Membranpotential zu verändern (oben) und die resultierenden Ströme zu messen, die durch jeden Typ fließen (mehr…)
Schließlich wurden auch mehrere Typen von spannungsabhängigen Cl-Kanälen identifiziert (siehe Abbildung 4.4D). Diese Kanäle sind in allen Arten von Neuronen vorhanden, wo sie die Erregbarkeit kontrollieren, zum Ruhemembranpotential beitragen und helfen, das Zellvolumen zu regulieren.