Calcium-Kanäle

Calcium-Kanäle sind integrale Membranproteine, die in der Lage sind, zweiwertig positive Calcium-Ionen mit dem Konzentrationsgefälle, also passiv, zu transportieren. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Typen von Calcium-Kanälen, nämlich spannungsabhängige und ligandenabhängige Calcium-Kanäle.

Die für den Biologie-Unterricht wichtigsten Calcium-Kanäle sind die spannungsabhängigen Calcium-Kanäle in dem synaptischen Endknöpfchen. Durch ein Aktionspotenzial aktiviert, öffnen sich diese Calcium-Kanäle, und Calcium-Ionen strömen mit dem Konzentrationsgradienten passiv in das Endknöpfchen ein, wo sie dann dafür sorgen, dass die synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen, so dass die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt gelangen.

Spannungsgesteuerte Calcium-Kanäle sind nicht nur für Ca²⁺-Ionen durchlässig, sondern auch für Ba²⁺-, Sr²⁺- und Mg²⁺-Ionen (Barium-, Strontium- und Magnesium-Ionen). Interessanterweise werden Barium- und Strontium-Ionen sogar besser durchgelassen als Calcium-Ionen^[2].

Die meisten Leute machen sich überhaupt keine Vorstellung, wie stark die Leitfähigkeit eines Calcium-Kanals ist. Es werden sage und schreibe 10 Millionen Ca²⁺-Ionen pro Sekunde transportiert!^[2]

Funktionell lassen sich die spannungsabhängigen Ca²⁺-Kanäle in zwei Gruppen einteilen, nämlich die hochspannungsregulierten und die niedrigspannungsregulierten Calcium-Kanäle. Diese Unterscheidung trifft man seit 1975. Die niedrigspannungsregulierten Calcium-Kanäle öffnen sich bereits bei sehr leichten Depolarisierungen der Zellmembran, während die hochspannungsregulierten Kanäle recht große Depolarisierungen benötigen, wie sie zum Beispiel während eines Aktionspotenzials herrschen.

Hochspannungsregulierte Calcium-Kanäle

Diese Ca²⁺-Kanäle, die sich erst bei Depolarisierungen von -10 mV oder mehr öffnen, werden nochmals in zwei Gruppen eingeteilt, nämlich die L-Typ-Calcium-Kanäle und die non-L-Typ-Calcium-Kanäle.

L-Typ-Kanäle

Die L-Typ-Kanäle werden durch klassische Calcium-Kanal-Blocker gehemmt, zum Beispiel Dihydropyridine, Phenylalkylamine oder Benzothiazepine^[1]. L-Typ-Kanäle spielen in der Skelettmuskulatur und bei Herzmuskelzellen eine wichtige Rolle.

non-L-Typ-Kanäle (N-Typ-Kanäle)

Diese Calcium-Kanäle werden durch die "klassischen" Blocker nicht gehemmt, wohl aber durch bestimmte Spinnen- oder Meeresschnecken-Gifte, meistens kurze Peptide. Das Schneckengift Conotoxin beispielsweise blockiert den Calcium-Kanal, indem es sich in die Pore setzt und diese verschließt. Die non-L-Typ-Calium-Kanäle sind übrigens die Calcium-Kanäle, die in der "Schulbuchsynapse" eine große Rolle spielen. Sie öffnen sich, wenn ein Aktionspotenzial am Endknöpfchen ankommt. Die einströmenden Calcium-Ionen sorgen dann für die Neurotransmitter-Freisetzung.

Niedrigspannungsregulierte Calcium-Kanäle

Diese Ca²⁺-Kanäle, oft auch als T-Typ-Calcium-Kanäle bezeichnet, öffnen sich bereits bei -70 mV und schließen sich wieder, wenn das Membranpotenzial Werte von -40 mV oder "höher" erreicht (also zum Beispiel -30 mV). Diese Art von Calcium-Kanälen findet man im ZNS, im Herz und in der Niere, in der Muskulatur und in vielen anderen Geweben. Man fragt sich jetzt zu Recht, welche Bedeutung solche niedrigschwelligen Ionenkanäle haben. Im Herzmuskelgewebe spielen diese Calcium-Kanäle die Rolle von Schrittmacheren. Sie sorgen letzten Endes dafür, dass das Herz regelmäßig schlägt.

1989 wurde ein zweiter Typ der niedrigspannungsregulierten Calcium-Kanäle entdeckt, der dann als P-Typ bezeichnet wurde[2]. Allerdings beträgt das Schwellenpotenzial hier nicht -70 mV wie bei den T-Typ-Kanälen, sondern -50 mV. Die P-Typ-Kanäle kommen auch nur in den sogenannten Purkinje-Zellen des Keinhirns vor. Ihre Funktion ist noch unbekannt.

Wie man auf dieser Abbildung gut sehen kann, besteht ein Calcium-Kanal aus mehreren Untereinheiten, von denen die alpha-Untereinheit wohl die wichtigste ist. Der Autor des public-domain-Bildes hat die Zeichnung noch um verschiedene Drogen/Gifte ergänzt, die auf die Untereinheiten einwirken können.

Die alpha1-Untereinheit ist ein großes Protein mit insgesamt 4 x 6 alpha-Helices, die sich durch die Membran winden. Im Grunde ist die alpha1-Untereinheit eines Calcium-Kanals ähnlich aufgebaut wie die entsprechende Untereinheit eines Natrium-Kanals, daher übernehme ich einfach mal das Bild für den Natrium-Kanal:

Das Protein besteht aus vier Domänen I, II, III und IV, und jede Domäne wiederum setzt sich aus sechse alpha-Helices zusammen, die quer durch die Membran gehen. Die violett gezeichneten alpha-Helices sind elektrisch weitgehend neutral nach außen, während die grün gezeichneten Helices positiv geladene Arginin- und Lysin-Seitenketten enthalten und daher positiv geladen sind^[3]. Diese positiv geladenen Helices sind die Spannungssensoren des Kanals, sie verändern ihre Lage innerhalb des Proteins, wenn die Membranspannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht und führen dann zu einer Öffnung des Kanals.