Wassertransport durch Kaliumkanäle

Wasser strömt durch den bakteriellen Kaliumkanal von Streptomyces lividans (KcsA) 20 mal schneller als Diffusionsprozesse erwarten lassen würden (Saparov and Pohl. 2004. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A 101:4805-4809). Um den molekularen Mechanismus des schnellen transports zu klären, beschäftigt sich das vorliegende Projekt mit folgenden Fragen: Zeigen andere Mitglieder der Proteinfamilie ähnliche Transporteigenschaften? Ist die Transportrate abhängig vom Konformationszustand? Zunächst werden wir die Einzelkanalleitfähigkeit pf von Kv AP, einem bakteriellen spannungsabhängigen K+ Kanal untersuchen. Ein dem KcsA-Kanal ähnlicher pf -Wert würde implizieren, dass an der Reizleitung beteiligte Kanäle zur Wasserhomeostase im Hirn beitragen könnten. pf wird aus der Wasserleitfähigkeit Pf ebener Membranen und der Anzahl der dort rekonstituierten offenen Kanäle abgeleitet. Dazu wird die Membran einem osmotischen Gradienten ausgesetzt und die Konzentration impermeabler Ionen in Membrannähe mit elektrochemischer Rastersondenmikroskopie erfasst. Ein für Ionen geschlossener, aber für Wassermoleküle offener Konformationszustand der K+ -Kanäle würde eine fehlerhafte Bestimmung von Kanalzahl und damit auch pf zur Folge haben. Der unlängst entdeckte inaktivierte Zustand des KcsA Kanals könnte einen solchen Zustand repräsentieren. Ob pf vom Konformationszustand abhängt wird mit folgenden Ansätzen untersucht: (i) Unterdrückung der Inaktivierung mit einer E71A-Mutation; (ii) Erhöhung der Öffnungswahrscheinlichkeit durch Mutationen im Kreuzungspunkt der Helices und (iii) Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Eintrittes in den inaktivierten Zustand durch Änderung des Membranpotentials. Die Zuordnung eines substantiellen Volumenflusses zum inaktivierten Zustand ware von großer Bedeutung für andere K+ Kanäle in erregbaren Geweben da die Aminosäurensequenz des Selektivitätsfilters in allen natürlich vorkommenden Kaliumkanälen konserviert ist.

K+ Kanäle sind essentiell für die Erregungsleitung. Im Verlauf von Aktionspotentialen wird ihre Öffnung durch die Änderung der Membranspannung getriggert. Trotz geöffnetem Kanaltor kann es zur Inaktivierung kommen, in deren Folge der Kanal für Ionen unpassierbar wird. Wir haben am bakteriellen KcsA Kanal gezeigt, dass die inaktivierte Form des Kanals als selektiver Wasserkanal fungiert. Der Wasserfluss durch den inaktivierten Kanal könnte eine wichtige Rolle in der Physiologie des Nervengewebes spielen, da die Kaliumausschüttung anderenfalls zu einem erhöhten osmotischen Druck in Synapsen führen könnte. Bisher hat man Wasserkanälen (Aquaporin-4) nur für die Wiederabsenkung der K+ Konzentration zwischen zwei Erregungszuständen Bedeutung beigemessen. Dem Transportweg von Wasser während der viel schnelleren K+ Ausschüttung in den synaptischen Spalt wurde wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Basierend auf den Ergebnissen des Vorhabens schlagen wir vor, dass in Phasen hoher neuronaler Aktivität diese Funktion vom offenen, aber für Ionen unpassierbaren Kaliumkanal übernommen wird.