Roderick MacKinnon (2005) - Ion Channels: Life's Electronic Hardware

When you think to wiggle your finger it doesn’t take long for the message to go from your brain to the muscles in your finger. The message is carried as electrical impulses along nerve fibers

Thank you, it’s very nice to be here. And I realise that I’m in this session because if you look at the program, I have ‘electronic’ in my title and all three speakers in this session have ‘electric’ or ‘electronic’ or ‘electron’ in the title, so we must have come out of a word search. What I’ll be talking about is a process that occurs at the cell membrane, and as you know or may not know, all living cells are surrounded by a very thin oily coat called the cell membrane. It’s about 40 Å thick and it essentially keeps all the chemical components of a cell in one place, so the chemistry of life can go on. But it presents a barrier to getting things in and out of the cell. For example the ions, that is charged atoms, have difficulty crossing this barrier because its inside is oily, so the bilayer membrane, it’s made of amphipathic molecules, it’s watery on the outside, facing the aqueous solution in oily alkane tails on the inside. And the problem with ions crossing the membrane can be understood in this simple experiment of mixing cobalt chloride in oil and water and shaking it up and then letting the phases separate and you see red from the cobalt here. The cobalt and chloride stay in the water phase, not in the oil phase and you can shake it as long as you want, or wait as long as you want, and the salt says here, the ions stay here, they don’t go into the oil. And the simple explanation for why is that: Water is a more polarisable substance, so an ion, for example a potassium ion in water is surrounded by water molecules that point their partially negatively charged oxygen atoms toward the positive charge of the ion and thereby stabilise it. And so an ion is more stable in the polarisable medium of water than it is in oil. And because the inside of a membrane is oily, this is an energetic barrier for ions to cross the cell membrane. So life has come up with many protein molecules to deal with this problem, and in a sense you can divide them into two categories, 1 I would call pumps and another channels. And the distinction really is that a pump moves an ion against its electrochemical gradient, so it builds gradients across the membrane. So for example a sodium potassium ATPase uses the energy of ATP hydrolysis to pump potassium inside the cell and sodium outside the cell. And these gradients are a form of energy, of course. And that’s where the channels come in, channels are passive, unlike pumps. When an ion channel opens up, the ion simply diffuses down its electro chemical gradient. So the ion channels spend the energy of the gradient by dissipating it but it does this for useful purposes in the cell. And here is, in this cartoon, one example of what an ion channel, like a potassium channel does. If you imagine a cell membrane with a potassium channel in it, when the potassium channel is open, the potassium ions of course begin to run down their electrochemical gradient. But when a potassium ion runs down, of course it carries a positive charge and if this membrane doesn’t have other ion channels, for example anions cannot follow or sodium ions cannot go through because the channel is selective. Then what happens is this potassium channel, by letting some ions cross, creates a charge separation across the membrane. And what an electro physiologist says is this membrane is an electrical capacitor and the ion gradients are the battery and the potassium channel is actually, allows the battery to charge the capacitor. And in fact the potassium ion will stop running downhill when the electrical gradient balances the chemical gradient, at the Nernst potential. If you take any living cell and stick an electrode in it and measure the voltage across the cell membrane, inside compared to out, you find it’s negative, something like between - 50 to - 200 mV, depending on which cell you're looking at. And in most cases the reason for this is exactly what's shown in the picture here. The membrane contains potassium selective channels that render this membrane an electrode for potassium ions. Now, the idea that what was called the cell wall, more than 100 years ago, the idea that channels could exist was already proposed. And it was to try to describe osmotic phenomenon with cells. The idea that ion channels, or at least somehow the membrane could be permeable to ions, specifically permeable, that is selectively, is more than 50 years old and two scientists from Britain, Alan Hodgkin and Andrew Huxley, described the theory of how this charging the capacitor is used to send an electrical impulse. Now, when they described this theory, they didn’t have a notion of channels. In fact they didn’t say whether it was channels, they made careful measurements and could tell that when an electrical impulse travels along a membrane and what an electrical impulse is, is a transient swing in this potential, from the direction you see it minus inside, positive outside to the opposite. And this moves like a wave across a cell membrane surface. They made careful measurements and discovered when that was happening the permeability of the membrane was going from weakly potassium selective, or very small conductance, to actually high sodium conductance. And they proposed that sodium rushes in to make it positive inside and then quickly after that the sodium conductivity goes away and the membrane becomes permeable to potassium, potassium rushes out and repolarises the membrane. And this could spread in a wave across the membrane. And if you don’t understand why it would spread as a wave, you’re right, because there’s a property of these channels that I didn’t tell you about, in fact I’m being careful about this because I’m told, I’m examined, I was told by a prominent Nobel laureate that if he didn’t understand my lecture, then I failed. So this wave part of it, in 30 minutes I’m not going to talk about, but I’m going to focus on the property that the membrane can change its permeability and that we know today that this is due to ion channels. I should just make one comment about this and putting in the context of the importance of this electrical impulse propagation and it’s just to say that when I think to wiggle my finger, obviously a signal got from my brain to my finger, that went about a meter, told the muscles to contract and it wiggles. And in fact this is how we move and it's such impulses between neurons in our nervous system that let us think these signals are travelling fast, ok. So in a fraction of a second the signal gets out to my finger. Now, this kind of process, this electrical property of the cell membrane is very important for that. And if you think about it, this was a challenge for life, to make organisms as big as we are. Because if a cell had to rely on diffusion alone, then we couldn’t have processes like this happening in a reasonable amount of time. Because with the diffusion coefficient of typical small molecules and ions in solution, something around 10 to the minus 5th cm2/sec, if you’re an E.coli and about a micron across, a molecule takes a mean time of about a millisecond to diffuse from one side to the other of the cell, so a millisecond is reasonable in terms of biological time, processes can happen just by diffusion. But if you’re limited to diffusion and you want the signal to get out to my finger, there’s a problem. Well, even for a molecule with that diffusion coefficient or an ion to diffuse a centimetre would take around a day. And to go a metre would take years actually. So if you think about it, if we had to rely on diffusion for signals to go out, life would be very different. This lecture would be a long time, it would be very boring. So this is actually quite an interesting elaboration of that biology has evolved to get signals across a space very quickly, in a short period of time. As I said, what I’m going to focus on for the limited time is just what is it that makes a membrane allow potassium to conduct across it and this is really what got me interested in this problem. When I started my work in this field, I was an electrophysiologist and I was really kind of mesmerised by two aspects of these channels. And what I’m showing here is what happens if you isolate a tiny patch of membrane, there are different ways of doing it, you can do it with patch pipettes to isolate them, a technique developed by Sakmann and Neher, by putting a patch pipette on a cell and isolating a tiny component of it so that on average you have only one channel and you can look at its electrical activity. Another way shown here in a cartoon is you can take and isolate the channel and you can put it reconstituted into a plain or lipid membrane. You can then put an amplifier across this that controls the voltage across the membrane and at the same time measures the current. And what you see in this case, at this potassium channel, is you’re seeing two records, it’s a continuous record going from a long time on this x-axis and current on the y-axis. And what you’re looking at is a channel flipping open and closed. So when it’s closed it’s at the zero current level, and then you see this flickers open. And when it’s open, potassium ions are running through this channel, and then the channel closes again. And the reason it’s going back and forth, is you’re really looking under the conditions in which this channel was recorded, it was at equilibrium and you were just looking at fluctuations between the open and closed state of the channel. So you’re looking at the sort of equilibrium if you will, the fluctuations back and forth. And you’d say that this channel is probably open 30% of the time or so, on average, but you watch, it’s never open only 30% of the time, it’s either open or not and that’s what you are looking at. Now, what really interested me is the fact that when this channel opens, this is a scale of 10 picoamps, so 10 picoamps is 6 times 10 to the 7th ions per second, almost 10 to the 8th ions per second. And this is, the reason the ions are moving through is there’s a voltage across the membrane and it’s a voltage, the kind you’d see under physiological conditions in a cell, so it’s a sort of reasonable electrochemical driving force. And you’re watching ions go through very, very fast, near 10 to the 8th is near what you’d call the diffusion limit. And what that means is if you imagined a little patch opening to the channel, the pore of the channel, that would say be as, diameter being equal to that of a potassium ion and then you imagined and made a little calculation based on a solution outside having .15 molar potassium chloride, something you’d find in a cell. You’d ask how fast do potassium ions collide with that little disc and you’d come up with a number that’s very close to what you actually observe for throughput. And what that tells you is the channel has somehow lowered the barrier for the ion to go through that oily membrane very beautifully, so that it goes through with the energy barriers that are approximately equal to the energy barriers that an ion or that a potassium ion experiences as it diffuses through water. And then the other fascinating thing is that this is very selective for potassium over sodium, so it tells the difference by a factor of 10 to the 3 to 10 to the 4th, so it’s working near the diffusion limit and it’s discriminating between potassium and sodium very well. So this summarises what I just said, that the conduction rates for potassium channels are approaching the diffusion limit and yet the selectivity is quite exquisite and here is potassium and here is sodium. So it’s letting the larger ion through and not letting the smaller ion through. These alkali metal cations have differences but they’re not hugely different, how does this happen? That’s the problem that fascinated me. Now, as an electrophysiologist, what we had working on this 15 years ago, or a bit more now, really were the aminoacid, the gene, genes for a few potassium channels, which means we had the deduced amino acid sequence, so remember proteins are made of a polypeptide chain, amino acids linked together that fold up to form a 3-dimensional structure. We had no idea what that was. But what we could do is we could make the electrical recordings in the way I’ve shown you, we could then alter the gene such that we replaced amino acids with other amino acids and go through this and we could imagine what was, define the effects and then imagine what was happening. And we could tell a lot this way, we could tell the potassium channels had four subunits, we could tell, you know, where some of what made them open and close occurred. And what we could, the thing that we really came upon, and the thing I was interested in is that there was a little sequence of here, 8 amino acids shown here, TATTVGYG, each one of these, it’s a single letter code for an amino acid, threonine, alanine, threonine, threonine, valine, glycine, tyrosine, glycine. And when we started this work, there was one potassium channel gene in the shaker potassium channel, it has 100’s of amino acids in it, but it was out of a small number that we found that if you altered these you altered selectivity in the conduction process. And as different laboratories identified more potassium channel genes, they all have this sequence. So it was clear to me, you know, we call this the signature sequence of potassium channels, it was actually used to identify you as DNA was sequenced, you’d see the sequence and call it a potassium channel. Now, this was a certain kind of information that was to some extent useful, but actually it was very limited. Because if you wanted to know how the potassium channel tells the difference between potassium and sodium and conducts at a high rate, you know, there’s certain pieces of information missing here from this linear representation. And at that point I decided that we would have to see this and that I would study crystallography to work on this problem. Now, at that point I had two problems, the first problem was, people said Well, that seemed ok, that’s probably difficult, but I refuse to believe it’s impossible, because scientists before me, Robert Huber, Johann Deisenhofer, Hartmut Michel, had determined the structure of a membrane protein, just like an ion channel, and I had worked out some of the techniques to do that. And others had then after them done that with a few different membrane proteins. So it seemed to me this is not an impossible problem. The second problem I had though, is people said ‘You don’t know what you're doing.’ And that was a bigger problem actually. But when I thought about it I said: I’ll certainly never see this thing, or at least never be the first one to see it.’ And also there’s nothing like being afraid of making a fool of yourself to make you study hard and learn fast. And so this was clearly the thing to do. And obviously I’m jumping over a number of years to show this, this sequence makes this structure you're looking at, two of the subunits of a potassium channel, the blue stuff, blue mesh is electron density and this is a big jump, there were many steps along the way, lower resolution, actually initially non-membrane protein structures to learn crystallography, and then lower resolution structures, and then working out tricks to get better crystal lattice, higher resolution diffraction, to get this kind of description of the potassium channel. And this is the pore of the potassium channel, it’s actually a very simple structure. You’ve now seen these …-like structures, they’re simplified renditions of, so this thing that looks like … is actually a polypeptide chain folded up in Linus Pauling’s alpha helix, and so you see the helixes, there are four subunits, they’re shown in different colours, the membrane runs from here to here, so outside is on the top, inside is on the bottom, and there’s a pore down the middle between these subunits. And one thing I want to show you about this is a different representation of the channel, even at low resolution, what I found very beautiful in looking at this structure is that if this is outside the membrane, this is inside, in the centre of the membrane, the ion conduction pore is very wide, in fact it makes a cavity that will hold 30 some-odd water molecules in it. This red cherry here is actually electron density for a rubidium ion, it’s a good analogue of potassium. And remember the oil and water thing, I shook the cobalt chloride in oil and water and said the ion stay in water. Well, it turns out the energetically most unstable point for an ion to cross the membrane is at the centre of the membrane, where it’s furthest from the water. And what nature has done here is made a very beautiful structure, where it keeps an ion fully hydrated at this otherwise unstable point. And another feature of this is that these alpha helixes, shown in yellow, are pointed in a particular way, so that they have a partial, it’s such that their partial negative charge is on this end pointing at the positive ion. So when you think about that, you say ‘Ah, I see what nature is up to here, it makes a protein structure with water, keeps the ion hydrated at the centre and in fact points partial negative charges close to the positive ion to help stabilise it, to overcome this barrier inside the membrane. What makes the potassium channel a potassium channel, though, is this part right up here. And that's what we look at here, looking at two of the subunits, the potassium ions are in four positions, labelled 1 through 4, each one is surrounded by oxygens, shown as red sticks here, from the protein, and so each one actually will sit in a little cage of protein oxygen atoms and you can get a good feel looking at this representation of the selectivity filter, of what the potassium, to what nature is up to with the potassium channel. So here are the four sites in the selectivity filter and in this crystal structure, in the centre of that opening, half way through the membrane, is a potassium ion that happens to be hydrated, you can see eight electron density for eight water molecules surrounding this potassium ion suspended in this pool of water. And if you look at this, you see, look how the water molecules are organised around the potassium ion, and then look at each position in the selectivity filter, and you see a very similar organisation of oxygen atoms surrounding the potassium ions, so here four on top, four on bottom, three of the sites are in a square antiprism, like you see the water surrounding the potassium ion here in the crystal structure. And so you look at this and say, ok, it’s very simple, the potassium channel has presented four sequential sites in a selectivity filter, each site has protein oxygens that act as surrogate water molecules to let the potassium ion come out of its hydrated state and into the selectivity filter where the protein replaces the water molecules. And then you ask, well, why wouldn’t sodium do this? And the experimental observation, as I’ll show you in a minute, that it doesn’t and the explanation would be that, what I’m not showing around here, is a well packed protein structure. So this structure actually makes these cages that would be the size for the potassium ion. The essence of selectivity really is the ion has to come out of the water and into the site in the protein, which means the site in the protein has to replace the water molecules or has to compensate for the energy of dehydration. Because the sodium ion has a smaller radius, its energy of dehydration is much larger. And so in a sense it’s easier for, in a sense you’re ahead in making a potassium channel, by that energetic argument. If you do the experiment of asking, well, let’s try to take the potassium away and put sodium in here, it’s interesting. So here’s a simple representation of the filter, you then go from a condition where you crystallise this with 150 mM potassium and you now replace all but 2 mM of that potassium with sodium. And what happens is the filter actually changes its confirmation, it loses the ions from the centre. And what you conclude is that the structure that has evolved to select for potassium, actually its structure depends on the presence of potassium. And if you think about it, that’s a very nice sort of property of a device that has to select a potassium ion. When it’s challenged with the ion that’s not supposed to go through it, it changes its structure and actually pinches shut. Another thing, if you look carefully at the, this is the conductor form, and now I’ll show you, just above, just outside the selectivity filter, in this picture we looked at before, this is something interesting, there’s actually some low occupied potassium ions there. And in fact if we zoom in on that, it’s very peculiar, this is an electro negative region of the molecule, it should attract a cation, but actually the cation sits in sort of two possible energy minima that are too close to each other to be simultaneously occupied. Notice that this one would be dehydrated on the bottom but still hydrated on the top. The explanation for this, and I just give you the answer but many experiments we’ve done to pursue this observation tell us that what this represents, this electron density represents is actually the fact that when we look in the crystal and see these four sites, that what we’re looking at is two configurations of potassium channels in the filter. And half of them have ions in the 1 in 3 position and half have potassium in the 2 in 4. We haven’t directly observed the water in between, but chemically it would make sense that there’s water in between. And functional experiments tell us that potassium and water is coupled moving through the selectivity filter. And these, just giving a survey here, leaving of course a lot out, but these two, what we call 1, 3 and 2, 4 configurations, actually make the end points of a very simple throughput cycle, shown here. Where potassium ions could be in a 1, 3 or a 2, 4 and they can rattle the queue of potassium and water can thermally agitate back and forth. Then entry of a potassium ion from one side or the other would happen simultaneously with the movement of the potassium ion out the opposite side. So in a sense one throughput event isn’t one potassium ion going, so one charge unit going all the way across corresponds to several moving a fraction of the way. And this is a little cartoon just to show you the rough idea, it’s only a cartoon, for people who don’t like to look at cycles, and the water that would be in between the ion is not shown here. But the idea is that the filter wants to, actually what I think is the filter wants 2½ potassium ions in it. And potassium ions only come in units of 1, 2, 3. And so it in a sense is trying to draw a third one in, but 3 is too many. So it’s on this sort of state of unhappiness that will, if you think about it, support a high throughput rate. Now, I know some people in the audience are probably thinking that’s very funny, he just showed us four equal peaks in the selectivity filter and yet he’s telling us that these represent two distributions of the potassium ions, why are they equal, why don’t you see mostly, you know a lot of, why are half the proteins in the crystal, why do they have the ions in 1, 3 and the other half in 2, 4, why is it balanced this way? And I can’t give you the definite answer, but a thought experiment gives a good possible explanation. And that is if you just simulate throughout put through a system like this, where you have 1, 3 and 2, 4 and you then look at what the throughput rate would be as a function of the energy difference between these states, ok. So here is energy difference between 1, 3 and 2, 4, imagining this cycle. And this is the rate. What you see is that you get a peak in the throughput rate when there’s no energy difference. And if you just close your eyes and think for a minute, this is a very intuitive result. Because if there’s an energy difference between them, every time the system goes around the cycle once it has to step up an energy barrier. And so this in a sense, I would say evolution has made this thing operate at near its maximum throughput rate by balancing these two configurations that we have deduced in the selectivity filter of the potassium channel. And now, just for the last minute I want to say, I said nothing about how, why, when I showed you that record in the beginning it was flipping open and closed, I just talked about what happens when the ions rush through, and it’s because in different potassium channels these pores have additional structures added to them, that actually do something like binding of the ligand molecule, uses the energy of binding to make a conformational change that opens the pore. And in other cases, the channel has a little voltage meter on it and it changes its confirmation in response to the value of the membrane voltage and those are called voltage dependent ion channels. This is an example of a ligand gated channel that is open by calcium, and this is a voltage gated channel. And the idea is that the channels, whether they’re open or closed, the probability that they’re open and closed is controlled by stimuli. And what we know from multiple structures is that when a channel opens and closes it does a confirmation like this. So if you are inside the cell, looking out through the pore, the closed channel would look like this and an open channel would look like this. And finally, I just want to say in the last 3 minutes I think I have, I just wanted to say three things, to the students. That actually the first is that we are only just scratching the surface of understanding the cell membrane. And I think over the next few years, in fact I’m certain that over the next few years our concept of the membrane is going to change a lot. Not just a barrier to things where you have a molecule, a protein sitting in the membrane and a ligand binds sends a signal through that happens on the inside. The membrane is a very interesting chemical environment with a hydrophobic pore, a head group and we can start to see now that biology has really exploited this situation in very interesting ways. I’m rather certain that signalling, there will be amplification steps within the membrane and lateral signalling through the membrane, and we know almost nothing about that. And so we’re just starting to scratch the surface, there’s a huge forefront. The second thing is that proteins in general, we know very little about them. We don’t know a lot more about them than when Max Perutz first showed us haemoglobin. We know more structures, we know what they look like, but we don’t know why that polypeptide folds up to make the structure it does. We don’t really know why the potassium channel undergoes its conformational change when you take potassium away. We can guess, but we don’t know. We see that evolution has selected certain aminoacids in the core and they’re probably for that purpose but we don’t understand the energetics. And the third thing I want to say is when you do your science because it’s something that fascinates you and in particular, if you feel like it’s something you're not supposed to do, forget it, just do it. As I said, there’s nothing like feeling like you’ll make a fool of yourself, nothing like feeling like you’ll be a fool to really work hard. And actually, so what if you make a fool of yourself, you’re pursuing the thing you like. Thank you.

Vielen Dank, ich freue mich sehr hier zu sein. Und jetzt wird mir auch klar, warum ich in dieser Vortragsgruppe bin: Wirft man einen Blick ins Programm, taucht das Wort „elektronisch“ in meinem Vortragstitel auf. Bei allen drei Rednern in dieser Gruppe finden sich die Begriff “elektrisch”, “elektronisch” oder „Elektron“ im Titel ihres Vortrags – da hat man wohl eine Wortsuche veranstaltet. Ich möchte über einen Prozess sprechen, der an der Zellmembran stattfindet. Wie Sie wissen oder vielleicht auch nicht, sind alle lebenden Zellen von einer sehr dünnen ölartigen Schicht umgeben, der so genannten Zellmembran. Sie ist etwa 40 Å dick und hält im Wesentlichen alle chemischen Bestandteile einer Zelle an Ort und Stelle, so dass die Chemie des Lebens ihren Lauf nehmen kann. Allerdings stellt sie auch eine Barriere für den Eintritt in und den Austritt aus der Zelle dar. Schwierigkeiten bei der Überwindung dieser Barriere haben beispielsweise Ionen, d.h. geladene Atome, da die Membraninnenseite ölartig ist. Die Doppelschichtmembran besteht aus amphipathischen Molekülen, d.h. sie ist außen wässrig und enthält an der Innenseite gegenüber der wässrigen Lösung ölartige Alkan-Enden. Das Problem, das die Ionen bei der Durchdringung der Membran haben, lässt sich gut nachvollziehen, wenn man sich folgendes einfaches Experiment anschaut: Wir mischen Kobaltchlorid in Öl und Wasser, schütteln das Ganze und lassen die Phasen sich trennen. Das Rote hier ist das Kobalt. Das Kobalt und das Chlorid bleiben in der wässrigen Phase, nicht in der Ölphase, egal wie lange Sie schütteln oder warten. Das Salz bleibt hier, die Ionen bleiben hier, sie wandern nicht in das Öl. Die einfache Erklärung hierfür ist, dass Wasser eine stärker polarisierbare Substanz ist. Ein Ion, z.B. ein Kaliumion, ist in Wasser von Wassermolekülen umgeben, die ihre teilweise negativ geladenen Sauerstoffatome zu der positiven Ladung des Ions hin ausrichten und es so stabilisieren. Daher ist ein Ion in dem polarisierbaren Medium Wasser stabiler als in Öl. Da die Membraninnenseite aber ölartig ist, stellt dies für Ionen bei der Durchdringung der Zellmembran ein energetisches Hindernis dar. Deswegen hat sich das Leben zahlreiche Proteinmoleküle einfallen lassen, die sich dieses Problems annehmen. In gewisser Weise lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen, nämlich in das, was ich Pumpen nennen würde, und in Kanäle. Der Unterschied liegt eigentlich nur darin, dass eine Pumpe ein Ion gegen seinen elektrochemischen Gradienten bewegt, auf der Membran also Gradienten erzeugt. Eine Natriumkalium-ATPase beispielsweise nutzt die Energie der ATP-Hydrolyse, um Kalium in die Zelle hinein und Natrium aus ihr heraus zu pumpen. Diese Gradienten stellen selbstverständlich eine Form von Energie dar. Und da kommen die Kanäle ins Spiel, denn Kanäle sind anders als Pumpen passiv. Öffnet sich ein Ionenkanal, diffundiert das Ion einfach entlang seines elektrochemischen Gradienten. Die Ionenkanäle verbrauchen also die Energie des Gradienten, indem sie sie ableiten; dies geschieht jedoch zu Zwecken, die der Zelle nützen. Hier in dieser Darstellung haben wir ein Beispiel für die Funktionsweise eines Ionenkanals, z.B. eines Kaliumkanals. Stellen Sie sich eine Zellmembran mit einem darin befindlichen Kaliumkanal vor. Ist der Kaliumkanal offen, beginnen die Kaliumionen natürlich entlang ihres elektrochemischen Gradienten zu wandern. Dabei tragen sie selbstverständlich eine positive Ladung. Hat die Membran keine anderen Ionenkanäle, können z.B. Anionen oder Natriumionen nicht hindurchströmen, weil der Kanal selektiv ist. Was dann geschieht, ist, dass dieser Kaliumkanal, indem er manche Ionen durchlässt, zu einer Ladungstrennung an der Membran führt. Nach der Begrifflichkeit des Elektrophysiologen ist die Membran ein elektrischer Kondensator, die Ionengradienten sind die Batterie und der Kaliumkanal ermöglicht das Aufladen des Kondensators durch die Batterie. De facto wandert das Kaliumion nicht weiter entlang des elektrischen Gradienten, wenn sich dieser mit dem chemischen Gradienten die Waage hält (Nernst-Potential). Nimmt man eine lebende Zelle, steckt eine Elektrode hinein und misst die Spannung innen und außen an der Zellmembran, wird man feststellen, dass sie negativ ist und zwischen -50 und -200 mV liegt, je nachdem welche Zelle man sich anschaut. In den meisten Fällen liegt der Grund hierfür genau in dem, was das Bild hier darstellt. Die Membran enthält kaliumselektive Kanäle, die die Membran zu einer Elektrode für Kaliumionen machen. Nun, die Vorstellung, dass es in der so genannten Zellwand Kanäle geben könnte, wurde bereits vor 100 Jahren geäußert, und man versuchte das osmotische Phänomen bei Zellen zu beschreiben. Die Vorstellung, dass Ionenkanäle oder zumindest irgendwie die Membran für Ionen durchlässig, spezifisch durchlässig, d.h. selektiv sein könnte, ist mehr als 50 Jahre alt und stammt von den beiden britischen Wissenschaftlern Alan Hodgkin und Andrew Huxley, die theoretisch beschrieben, wie das Laden des Kondensators für die Sendung eines elektrischen Impulses genutzt wird. Nun, als sie diese Theorie beschrieben, hatten sie keine Kanäle im Sinn und sprachen auch nicht explizit von solchen. Sie führten sorgfältige Messungen durch und konnten sagen, wann ein elektrischer Impuls die Membran entlang wandert und was ein elektrischer Impuls ist, nämlich ein vorübergehender Ausschlag in diesem Potential aus der Richtung, aus der Sie ihn sehen, innen minus, außen entgegen gesetzt plus. Dieser Impuls läuft wie eine Welle über die Oberfläche der Zellmembran. Die beiden Wissenschaftler führten sorgfältige Messungen durch und entdeckten, dass sich die Permeabilität der Membran, wenn dies geschah, von leicht kaliumselektiv bzw. sehr wenig leitfähig zu de facto stark natriumleitfähig hin veränderte. Sie erklärten sich das so, dass Natrium einströmt, so dass das Innere positiv wird, und sich die Natriumleitfähigkeit danach rasch verliert und die Membran für Kalium durchlässig wird, so dass Kalium einströmt und die Membran repolarisiert. Dieser Vorgang könnte sich wellenartig über die Membran ausbreiten. Wenn Ihnen nicht klar ist, warum er sich als Welle fortpflanzt, haben Sie Recht, denn diese Kanäle haben eine Eigenschaft, von der ich Ihnen noch nichts erzählt habe. Ich bin da ganz vorsichtig, denn mir wurde von einem prominenten Nobelpreisträger gesagt, dass das heute hier eine Prüfung ist und ich durchfalle, wenn er meinen Vortrag nicht versteht. Diese Wellengeschichte kann ich Ihnen in 30 Minuten nicht erläutern, ich konzentriere mich daher auf die Fähigkeit der Membran, ihre Durchlässigkeit zu verändern. Der Grund hierfür sind, wie wir heute wissen, die Ionenkanäle. Ich sollte noch eine Anmerkung dazu machen, und zwar im Zusammenhang mit der Bedeutung dieser elektrischen Impulsausbreitung. Wenn ich den Gedanken fasse, mit dem Finger zu wackeln, wandert offensichtlich über eine Strecke von ca. einem Meter ein Signal von meinem Gehirn zu meinem Finger, sagt meinen Muskeln, dass sie sich zusammenziehen sollen, und der Finger wackelt. Genau so bewegen wir uns, und es sind solche Impulse zwischen Neuronen in unserem Nervensystem, die uns den Eindruck vermitteln, dass sich diese Signale schnell fortpflanzen. Das Signal gelangt im Bruchteil einer Sekunde in meinen Finger. Nun, diese Art Prozess, diese elektrische Eigenschaft der Zellmembran ist sehr wichtig. Wenn Sie darüber nachdenken, war es eine Herausforderung für das Leben, so große Organismen wie uns zu erschaffen. Wäre eine Zelle auf die Diffusion allein angewiesen, könnten Prozesse wie dieser nicht innerhalb eines überschaubaren Zeitraums erfolgen, denn bei einem für typische kleine Moleküle und Ionen in Lösung üblichen Diffusionskoeffizienten von etwa 10-5 cm2/sec (bei einem E.coli eines Durchmessers von etwa einem Mikrometer) benötigt ein Molekül durchschnittlich etwa eine Millisekunde für die Diffusion von einer Seite der Zelle zur anderen. Eine Millisekunde ist biologisch gesehen eine vernünftige Zeitspanne, Prozesse können ausschließlich mittels Diffusion erfolgen. Wenn man aber auf die Diffusion beschränkt ist und das Signal in meinen Finger gelangen soll, gibt es ein Problem. Selbst für ein Molekül mit diesem Diffusionskoeffizienten oder ein Ion würde die Überwindung einer Strecke von einem Zentimeter mittels Diffusion etwa einen Tag dauern. Einen Meter zu gehen würde Jahre dauern. Wenn Sie also darüber nachdenken, sähe das Leben ganz anders aus, wenn wir für die Signalübermittlung auf die Diffusion angewiesen wären. Dieser Vortrag würde sehr lange dauern und wäre äußerst langweilig. Dass sich die Biologie so entwickelt hat, dass Signale sehr rasch innerhalb kürzester Zeit eine Entfernung überbrücken können, ist also eigentlich ein recht interessantes Detail. Wie ich bereits sagte, möchte ich mich für die restliche Zeit darauf konzentrieren, was die Membran dazu bringt, Kalium durch sich hindurchströmen zu lassen. Genau das hat mich an diesem Problem interessiert. Als ich mit meiner Arbeit auf diesem Gebiet begann, war ich Elektrophysiologe und von zwei Aspekten dieser Kanäle geradezu fasziniert. Was ich Ihnen hier zeige, ist, was geschieht, wenn man ein kleines Stück Membran isoliert. Man kann dies auf zweierlei Art und Weise tun: einmal mittels Patch-Pipette, einer von Sakmann und Neher entwickelten Technik, bei der man die Pipette auf eine Zelle aufsetzt und ein winziges Stück davon isoliert, so dass man im Schnitt nur einen Kanal erfasst und sich seine elektrische Aktivität anschauen kann. Diese Darstellung zeigt eine andere Möglichkeit: man isoliert den Kanal und setzt ihn anschließend rekonstituiert in eine einfache Membran oder eine Lipidmembran ein. Dann kann man zur Steuerung der Membranspannung und gleichzeitigen Strommessung einen Verstärker anbringen. Was Sie in diesem Fall an diesem Kaliumkanal sehen, sind zwei entlang der X-Achse fortlaufende Aufzeichnungen mit dem Strom als Y-Achse. Sie sehen, wie der Kanal sich öffnet und wieder schließt. Wenn er geschlossen ist, fließt kein Strom. Dann sieht man, wie er sich öffnet. Im offenen Zustand strömen Kaliumionen durch ihn hindurch, danach schließt sich der Kanal wieder. Der Grund für dieses Hin und Her ist, dass wir uns den Vorgang tatsächlich unter den Bedingungen anschauen, unter denen der Kanal aufgezeichnet wurde. Der Kanal befand sich im Gleichgewicht und wir haben die Schwankungen zwischen dem offenen und geschlossenen Zustand des Kanals gesehen, also wenn man so will, das Gleichgewicht bzw. die Fluktuationen. Sie sagen vermutlich, dass dieser Kanal im Schnitt wahrscheinlich 30% der Zeit offen ist, aber geben Sie Acht: er ist niemals nur 30% der Zeit offen, er ist entweder offen oder nicht, und genau das sehen Sie. Nun, was mich wirklich interessiert, ist, dass sich dieser Kanal mit 10 Pikoampere öffnet. Der Grund, warum die Ionen durch den Kanal strömen, liegt darin, dass eine Spannung an der Membran anliegt, nämlich eine Spannung, wie man sie unter physiologischen Bedingungen in einer Zelle vorfindet, also eine nachvollziehbare elektrochemische Antriebskraft. Sie sehen, wie die Ionen sehr, sehr schnell hindurchströmen – fast 10 hoch 8, das entspricht beinahe der so genannten Diffusionsgrenze. Stellen Sie sich eine kleine scheibenförmige Öffnung in dem Kanal vor, die Pore, deren Durchmesser, sagen wir, dem eines Kaliumions entspricht, und berechnen Sie dann auf Grundlage der außerhalb befindlichen Lösung aus 0,15-molarem Kaliumchlorid (kommt in der Zelle vor), wie schnell die Kaliumionen mit dieser kleinen Scheibe kollidieren würden. Das Ergebnis käme dem, was Sie ursprünglich als Durchsatz beobachtet haben, sehr nahe. Was sagt uns das? Dass der Kanal die Barriere für den Durchtritt des Ions durch die ölartige Membran auf wundersame Weise irgendwie gesenkt hat, so dass die Energiebarrieren nun in etwa so groß sind wie diejenigen, auf die ein Kaliumion bei der Diffusion durch Wasser trifft. Faszinierend ist auch die ausgeprägte Selektivität für Kalium im Vergleich zu Natrium. Der Kanal kann einen Unterschied von Faktor 10 hoch 3 bis 10 hoch 4 erkennen, arbeitet also nahe der Diffusionsgrenze und unterscheidet sehr genau zwischen Kalium und Natrium. Das fasst zusammen, was ich vorhin gesagt habe, dass nämlich die Leitungsgeschwindigkeit für Kaliumkanäle nahe an der Diffusionsgrenze liegt, die Selektivität aber dennoch ausgezeichnet ist – hier Kalium, dort Natrium. Es geht also darum, das größere Ion durchzulassen und das kleinere nicht. Diese Alkalimetallkationen unterscheiden sich zwar, jedoch nicht sehr, wie kommt das? Dieses Problem fasziniert mich. Nun, als Elektrophysiologen haben wir – das ist 15 Jahre oder inzwischen ein bisschen länger her – an den Aminosäuren, den Genen für einige Kaliumkanäle gearbeitet, d.h. wir haben die Aminosäuresequenz abgeleitet. Sie erinnern sich, Proteine bestehen aus einer Polypeptidkette, miteinander verbundenen Aminosäuren, die sich zu einer dreidimensionalen Struktur falten. Wir hatten keine Ahnung, was das war, konnten aber elektrische Aufzeichnungen in der Art und Weise, wie ich sie Ihnen vorhin gezeigt habe, machen. Dann konnten wir das Gen verändern, indem wir Aminosäuren gegen andere Aminosäuren austauschten. Wir konnten die Wirkungen definieren und uns vorstellen, was passierte. Wir erfuhren eine Menge auf diese Weise, z.B. dass die Kaliumkanäle vier Untereinheiten besaßen und wo einige der Mechanismen stattfanden, die bewirkten, dass sie sich öffneten und schlossen. Dann stießen wir auf etwas, was mich interessierte, eine kleine Sequenz mit den 8 hier dargestellten Aminosäuren TATTVGYG. Jeder Buchstabe kodiert eine Aminosäure: Threonin, Alanin, Threonin, Threonin, Valin, Glycin, Tyrosin, Glycin. Als wir mit unserer Arbeit begannen, gab es ein Kaliumkanal-Gen im Shaker-Kaliumkanal mit 100 Aminosäuren, eines der wenigen, das bei Veränderung seiner Aminosäuren eine veränderte Selektivität während des Leitungsprozesses zur Folge hatte. Verschiedene Labore identifizierten weitere Kaliumkanal-Gene, und alle enthalten diese Sequenz. Da war mir klar… Wissen Sie, wir nennen das die Signatursequenz der Kaliumkanäle Nun, diese spezielle Information war zwar bis zu einem gewissen Grad nützlich, aber im Grund genommen sehr begrenzt. Denn wenn man wissen wollte, wie der Kaliumkanal den Unterschied zwischen Kalium und Natrium erkennt und warum er so stark leitet, fehlten bestimmte Informationen bei dieser linearen Darstellung. An diesem Punkt beschloss ich, dass wir uns um dieses Problem kümmern mussten, und wollte mich daher mit Kristallographie beschäftigen. Es gab allerdings damals zwei Probleme. Einmal sagten die Leute Nun, dass es vermutlich schwierig ist, war in Ordnung, ich weigerte mich allerdings zu glauben, dass es unmöglich ist, denn schon vor mir hatten Wissenschaftler, nämlich Robert Huber, Johann Deisenhofer und Hartmut Michel die Struktur eines Membranproteins (ähnlich einem Ionenkanal) bestimmt. Ich hatte mir ebenfalls einige Techniken hierfür überlegt. Nach ihnen hatten dann andere dasselbe getan mit einigen anderen Membranproteinen. Es erschien mir also nicht als unmögliches Problem. Das zweite Problem war, dass die Leute sagen würden „Sie wissen nicht, was Sie tun.“ Und das war eigentlich das größere Problem. Doch als ich darüber nachdachte, sagte ich mir und wenn ich es nicht versuche, werde ich es ganz sicher nie zu Gesicht bekommen oder zumindest nicht als Erster.“ Außerdem gibt es nichts Besseres als Angst davor zu haben, sich zum Narren zu machen, um hart zu arbeiten und schnell zu lernen. Genau das musste ich also machen. Wie Sie sehen, überspringe ich jetzt einige Jahre, um Ihnen das hier zu zeigen. Diese Sequenz erzeugt die Struktur, die Sie gerade sehen, zwei der Untereinheiten eines Kaliumkanals; der blaue Teil, das blaue Geflecht ist die Elektronendichte. Jetzt kommt ein großer Sprung, dazwischen liegen viele Schritte, eine geringere Auflösung, de facto anfänglich Nicht-Membran-Proteinstrukturen, um die Kristallographie zu lernen, dann Strukturen geringerer Auflösung, und schließlich das Erarbeiten von Tricks, um ein besseres Kristallgitter, eine Diffraktion mit höherer Auflösung zu erhalten, eben diese Art Beschreibung des Kaliumkanals. Das ist die Pore des Kaliumkanals, eigentlich eine ganz einfache Struktur. Sie sehen hier diese …-artigen Strukturen, vereinfacht dargestellt. Das hier, was so aussieht wie …, ist eine Polypeptidkette, die sich in die von Linus Pauling entdeckte Alphahelix gefaltet hat. Sie sehen also die Helices; es gibt vier Untereinheiten, die in unterschiedlichen Farben dargestellt sind. Die Membran verläuft von hier bis hier, die Außenseite ist oben, die Innenseite unten, und in der Mitte zwischen diesen Untereinheiten befindet sich eine Pore. Ich möchte Ihnen noch eine andere Darstellung des Kanals mit noch niedrigerer Auflösung zeigen. Was ich beim Anblick dieser Struktur im Zentrum der Membran – das ist außerhalb der Membran, das innerhalb – sehr schön fand, war, dass die Ionenleitungspore sehr weit ist, de facto sogar einen Hohlraum für ca. 30 Wassermoleküle bildet. Diese rote Kirsche hier ist die Elektronendichte für ein Rubidiumion, ein gutes Analog zu Kalium. Sie erinnern sich an die Sache mit dem Öl und dem Wasser; ich habe das Kobaltchlorid in Öl und Wasser geschüttelt und dem Ion gesagt, dass es im Wasser bleiben soll. Nun, es stellte sich heraus, dass der energetisch instabilste Punkt, an dem ein Ion die Membran durchdringen kann, das Zentrum der Membran ist, wo es am weitesten vom Wasser entfernt ist. Hier hat die Natur eine ganz wunderbare Struktur geschaffen, in der sich ein vollständig hydratisiertes Ion an einer ansonsten instabilen Stelle befindet. Ein weiteres Merkmal ist, dass diese gelb dargestellten Alphahelices in eine bestimmte Richtung zeigen; sie verfügen über eine partielle negative Ladung, die sich an diesem Ende befindet und zu dem positiven Ion zeigt. Wenn Sie darüber nachdenken, sagen Sie hält das hydratisierte Ion im Zentrum und richtet partielle negative Ladungen zu dem positiven Ion hin aus, um dieses zu stabilisieren, so dass es die Barriere innerhalb der Membran überwinden kann.“ Was den Kaliumkanal aber zum Kaliumkanal macht, ist dieser Teil hier oben. Wir sehen zwei der Untereinheiten; die Kaliumionen befinden sich an den Positionen 1 bis 4. Jedes ist von Sauerstoffatomen aus dem Protein umgeben, hier dargestellt als rote Striche; jedes sitzt also in einem kleinen Käfig aus Proteinsauerstoffatomen. Diese Darstellung des Selektivitätsfilters vermittelt Ihnen eine gute Vorstellung davon, was die Natur mit dem Kaliumkanal im Sinn hat. Hier sind also diese vier Stellen im Selektivitätsfilter, und in der Kristallstruktur, im Zentrum dieser Öffnung, auf halber Strecke durch die Membran, befindet sich ein Kaliumion, das zufällig hydratisiert ist. Sie können acht Elektronendichten für acht Wassermoleküle sehen, die das in diesem Wasserpool suspendierte Kaliumion umgeben. Hier sehen Sie, wie die Wassermoleküle um das Kaliumion herum organisiert sind. Achten Sie auf ihre Positionen im Selektivitätsfilter. Sie sehen eine ganz ähnliche Anordnung der Sauerstoffatome um die Kaliumionen herum, vier oben, vier unten; drei der Stellen befinden sich in einem Quadratantiprisma. Sie sehen, wie das Wasser das Kaliumion hier in der Kristallstruktur umgibt. Sie schauen sich das also an und sagen „Okay, es ist ganz einfach, der Kaliumkanal hat vier aufeinander folgende Stellen in einem Selektivitätsfilter, jede Stelle besitzt Proteinsauerstoffatome, die als Ersatz für Wassermoleküle fungieren, damit das Kaliumion aus seinem hydratisierten Zustand in den Selektivitätsfilter gelangen kann, wo das Protein die Wassermoleküle ersetzt.“ Und dann fragen Sie sich „Okay, aber warum funktioniert das mit Natrium nicht?“ Die experimentelle Beobachtung bestätigt, dass es mit Natrium nicht funktioniert – ich zeige Ihnen das in einer Minute. Die Erklärung hierfür ist eine dicht gepackte Elektronenstruktur. Diese Struktur erzeugt die Käfige in der Größe des Kaliumions. Das Entscheidende an der Selektivität ist, dass das Ion aus dem Wasser an die Stelle in dem Protein gelangen muss, d.h. diese Stelle muss die Wassermoleküle ersetzen oder die Dehydratationsenergie ausgleichen. Da das Natriumion einen kleineren Radius hat, ist seine Dehydratationsenergie wesentlich höher. In gewissem Sinne ist die Erzeugung eines Kaliumkanals aus diesem energetischen Grund vorteilhafter. Wenn Sie jetzt das Experiment machen und fragen Das hier ist eine einfache Darstellung des Filters. Sie kristallisieren mit 150 mM Kalium und ersetzen bis auf 2 mM das gesamte Kalium durch Natrium. Was passiert, ist, dass der Filter de facto seine Konformation, die Ionen aus seinem Zentrum verliert. Daraus lässt sich schließen, dass sich diese Struktur für die Selektion von Kalium entwickelt hat; tatsächlich hängt die Struktur vom Vorliegen von Kalium ab. Wenn Sie darüber nachdenken, ist das eine richtig schöne Eigenschaft für eine Vorrichtung, die ein Kaliumion auswählen muss. Wird sie mit einem Ion konfrontiert, das nicht durchgelassen werden soll, ändert sie einfach ihre Struktur und macht die Schotten dicht. Noch etwas. Wenn Sie genau hinschauen, dies ist die Leiterform; und jetzt zeige ich Ihnen genau darüber, außerhalb des Selektivitätsfilters, in diesem Bild, das wir vorhin schon gesehen haben, etwas Interessantes: es gibt dort tatsächlich einige kaum besetzte Kaliumionen. Näher betrachtet ist das ziemlich seltsam; wir haben hier eine elektronegative Region des Moleküls, die ein Kation anziehen sollte. Das Kation befindet sich aber in zwei möglichen Energieminima, die zu nah beieinander liegen, als dass sie gleichzeitig besetzt sein können. Beachten Sie, dass dieses hier unten bereits dehydratisiert, oben aber noch hydratisiert ist. Die Erklärung hierfür – ich beantworte Ihnen die Frage einfach, doch zahlreiche Experimente, die wir durchgeführt haben, um diese Beobachtung weiter zu verfolgen, machen deutlich, was diese Elektronendichte darstellt, nämlich die Tatsache, dass wir, wenn wir beim Blick in den Kristall diese vier Stellen erkennen, die beiden Konfigurationen der Kaliumkanäle in dem Filter sehen. Die Hälfte von ihnen weist Kaliumionen in der 1 in 3-Position auf, die andere Hälfte Kaliumionen in der 2 in 4-Position. Wir haben das Wasser dazwischen nicht direkt beobachtet, chemisch würde es aber einen Sinn ergeben, wenn sich Wasser dazwischen befände. Funktionelle Experiment belegen, dass Kalium und Wasser bei der Wanderung durch den Selektivitätsfilter aneinander gekoppelt sind. Um Ihnen einen Überblick zu geben (wobei ich natürlich einiges auslasse): die 1, 3- und 2, 4-Konfigurationen stellen de facto die Endpunkte eines ganz einfachen Durchsatzzyklus dar. Wie Sie hier sehen, können sich die Kaliumionen in einer 1, 3- oder 2, 4-Position befinden; die Reihe der Kaliumionen wird durchgerüttelt und Wasser thermisch hin- und her bewegt. Ein Kaliumion strömt von der einer Seite ein, gleichzeitig tritt ein anderes Kaliumion an der entgegengesetzten Seite aus. In gewissem Sinne bedeutet ein Durchsatzereignis also nicht, das ein Kaliumion durchgeschleust wird. Eine Ladungseinheit, die die gesamte Membran durchläuft, entspricht vielmehr mehreren Ionen, die sich jeweils über einen Teil der Strecke bewegen. Diese kleine Graphik, für Leute, die sich keine Zyklen ansehen möchten, vermittelt Ihnen eine ungefähre Vorstellung. Das Wasser, das sich zwischen den Ionen befindet, ist hier nicht dargestellt. Die Idee ist meiner Ansicht nach, dass der Filter 2½ Kaliumionen haben möchte. Die Kaliumionen treten aber nur in Einheiten von 1, 2, 3 auf. Der Filter versucht also gewissermaßen ein drittes Ion anzuziehen; 3 sind aber zu viel. Denkt man darüber nach, ist die hohe Durchsatzrate also die Folge dieses irgendwie unglücklichen Zustands. Nun, ich weiß, dass einige von Ihnen wahrscheinlich denken „Das ist sehr lustig, er hat uns einfach vier gleiche Peaks in dem Selektivitätsfilter gezeigt und jetzt erzählt er uns, dass sie zwei Verteilungen der Kaliumionen darstellen. Aber warum sind sie gleich? Warum sieht man den größten Teil nicht, warum befindet sich die Hälfte der Proteine in dem Kristall? Warum liegen die Ionen zur Hälfte in der 1, 3-, zur anderen Hälfte in der 2, 4-Konfiguration vor? Warum dieses Gleichgewicht?“ Ich kann Ihnen keine endgültige Antwort geben, aber ein Gedankenexperiment liefert eine recht gute mögliche Erklärung. Simulieren wir einmal den Durchsatz durch ein solches System mit 1, 3 und 2, 4 und schauen wir uns dann die Durchsatzrate als Funktion der Energiedifferenz zwischen diesen Zuständen an. Hier ist die Energiedifferenz zwischen 1, 3 und 2, 4; wir stellen uns dabei diesen Zyklus vor. Das ist die Durchsatzrate. Was Sie sehen, ist, dass die Durchsatzrate bei fehlender Energiedifferenz einen Peak aufweist. Wenn Sie die Augen schließen und eine Minute nachdenken, ist das ein sehr intuitives Ergebnis. Denn wenn eine Energiedifferenz dazwischen besteht, muss das System bei jedem abgeschlossenen Zyklus eine Energiebarriere überwinden. Die Evolution hat also dafür gesorgt, dass dieses System mit nahezu maximaler Durchsatzrate läuft, indem sie diese beiden Konfigurationen, die wir in dem Selektivitätsfilter des Kaliumkanals abgeleitet haben, ins Gleichgewicht gesetzt hat. Jetzt in den letzten Minuten möchte ich noch anmerken, dass ich, als ich Ihnen zu Beginn diese Aufzeichnung gezeigt habe, nicht gesagt habe, wie und warum sich der Kanal öffnet und schließt; ich habe Ihnen nur beschrieben, was geschieht, wenn die Ionen hindurchströmen. Der Grund ist, dass diese Poren in den unterschiedlichen Kaliumkanälen zusätzliche Strukturen aufweisen, die z.B. das Ligandenmolekül binden; die Bindungsenergie wird dann für die Konformationsänderung genutzt, durch die sich die Pore öffnet. In anderen Fällen besitzt der Kanal einen kleinen Spannungsmesser und ändert seine Konformation entsprechend dem Wert der Membranspannung. Diese Kanäle werden als spannungsabhängige Ionenkanäle bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein Beispiel für einen ligandenabhängigen Kanal, der durch Calcium geöffnet wird. Hier haben wir einen spannungsabhängigen Kanal. Die Idee ist, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Kanäle offen oder geschlossen sind, durch Reize gesteuert wird. Was wir von vielen verschiedenen Strukturen kennen, ist, dass beim Öffnen und Schließen des Kanals diese Konformation entsteht. Wenn Sie sich also im Inneren der Zelle befinden und durch die Pore nach außen schauen, würde ein geschlossener Kanal so aussehen, ein offener Kanal so. Schließlich möchte ich in den letzten drei Minuten, die mir, denke ich, noch bleiben, den Studenten noch drei Dinge sagen. Erstens, dass wir, was das Verständnis der Zellmembran angeht, noch an der Oberfläche kratzen. Ich bin mir allerdings sicher, dass sich unser Konzept der Membran in den nächsten Jahren stark verändern wird. Nicht nur eine Barriere, in der sich ein Molekül, ein Protein befindet und ein Ligand, der ein Signal sendet, dass das Innere erreicht. Die Membran ist eine sehr interessante chemische Umgebung mit einer hydrophoben Pore, einer Kopfgruppe, und wir erkennen langsam, dass die Biologie diese Situation in wirklich sehr interessanter Art und Weise genutzt hat. Ich bin mir ziemlich sicher, dass in der Membran Amplifikationsschritte stattfinden und eine laterale Signalübermittlung durch die Membran erfolgt; darüber wissen wir praktisch nichts. Wir kratzen also erst langsam an der Oberfläche, hier ist noch viel Pionierarbeit zu leisten. Zweitens wissen wir generell sehr wenig über Proteine. Wir wissen nicht viel mehr über sie als damals, als Max Perutz uns erstmals das Hämoglobin zeigte. Wir kennen mehr Strukturen, wir wissen, wie sie aussehen, aber wir wissen nicht, warum sich Polypeptide in die Struktur falten, in die sie sich falten. Wir wissen nicht wirklich, warum sich die Konformation des Kaliumkanals bei Wegfall des Kaliums verändert. Wir können nur Vermutungen anstellen, wissen tun wir es nicht. Wir verstehen, dass die Evolution wahrscheinlich zu diesem Zweck bestimmte Aminosäuren im Kern ausgewählt hat, aber wir verstehen ihre Energetik nicht. Und drittens möchte ich Ihnen Folgendes sagen: Wenn Sie Wissenschaft betreiben, weil Sie davon fasziniert sind – und nur das zählt – und insbesondere wenn Sie das Gefühl haben, es geht um etwas, was Sie eigentlich nicht machen sollen – vergessen Sie es, machen Sie es einfach. Wie ich bereits sagte, um hart zu arbeiten, gibt es nichts Besseres, als wenn man das Gefühl hat, sich zum Narren zu machen. Doch selbst wenn man sich zum Narren macht – zumindest verfolgt man die eigenen Ideen. Vielen Dank.

Roderick MacKinnon (2005)

Ion Channels: Life's Electronic Hardware

Roderick MacKinnon (2005)

Ion Channels: Life's Electronic Hardware

Abstract

When you think to wiggle your finger it doesn’t take long for the message to go from your brain to the muscles in your finger. The message is carried as electrical impulses along nerve fibers. We are completely wired: electrical signals underlie our movements, our ability to experience the world through our five senses, and even our thought processes. The first ideas that living organisms produce electrical signals were put forth more than two hundred years ago, at the same time that basic principles of electricity were developed in physics.

Fifty years ago Alan Hodgkin and Andrew Huxley showed that nerve cells make electrical impulses when ions - charged atoms of sodium and potassium - move across the cell membrane. We now know that the ions cross the membrane through special proteins called ion channels, and very recently we have visualized the atomic structure of ion channel proteins. These are amazing little devices that apply the rules of chemistry to produce electrical signals. In my talk I will discuss the atomic structures of ion channels and how they function.

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