Molekulare Wirkungsweise eines Naturgiftes entschlüsselt
Internationales Forscherteam macht erstmals
sichtbar, wie Giftstoffe an Kaliumkanäle binden und deren interne
Struktur verändern.
Bisse und Stiche von Schlangen, Spinnen und
Skorpionen sind oft tödlich. Dabei werden im Körper des Opfers
Giftstoffe freigesetzt, die dann an Ionenkanäle in der Zellmembran
binden. Was genau dabei passiert, haben jetzt Wissenschaftler des
Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie zusammen mit
deutschen und französischen Kollegen aufgedeckt. Mit einer Kombination
aus magnetischer Resonanzspektroskopie (Festkörper-NMR) mit speziellen
Protein-Syntheseverfahren konnten sie zeigen, dass sich sowohl die
Struktur des Kaliumkanals selbst als auch des Toxins ändert, wenn
diese sich zu einem Komplex verbinden. Diese Befunde könnten helfen,
wirksamere Medikamente gegen Bluthochdruck und andere Krankheiten zu
entwickeln, die mit Fehlfunktionen von Kalium-Kanälen zusammenhängen
(Nature, 13. April 2006: siehe unten).
Abb. 1: Beschreibung siehe Abb. 2
Die Zellen unseres Körpers sind von Membranen
umgeben, in die wiederum Ionenkanäle eingebettet sind. Hierbei handelt
es sich um spezielle Proteine, die es ganz bestimmten Ionen erlauben,
die Zellmembran zu durchqueren. Dadurch baut sich ein
elektrochemisches Gefälle auf, so dass Signale von Nerven- oder
Herzmuskelzellen weitergeleitet werden können. Wird eine solche Zelle
erregt, ändert sich die Struktur ihrer Ionenkanäle: Diese bilden
Poren, durch die Ionen passieren können. So gibt es beispielsweise
Kalium-Kanäle, also Proteine, die nur für Kalium-Ionen durchlässig
sind. Deshalb sind sie Angriffsziel hochspezifische Toxine vieler
giftiger Tiere. Diese Toxine interagieren mit den Kalium-Kanälen in
den Zellen des Opfers, so dass elektrische Signale nicht mehr
weitergeleitet werden, was oft zum Tode führt.
Solche Wechselwirkungen sind auf struktureller Ebene bisher nur
unzureichend untersucht, obwohl man mithilfe der
Röntgenkristallographie bereits große Fortschritte bei der Erforschung
der Ionenkanäle erzielt hat. Deshalb haben sich die Wissenschaftler
vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen
zusammen mit Forschern des Instituts für Neurale Signalverarbeitung in
Hamburg und französischen Kollegen der Universität Marseille etwas
einfallen lassen: Sie kombinierten neue Methoden der magnetischen
Resonanzspektroskopie (Festkörper-NMR) mit bestimmten
Protein-Syntheseverfahren und untersuchten am Beispiel des Gifts des
nordafrikanischen Skorpions Androctonus mauretanicus mauretanicus,
wie bakterielle Kalium-Kanäle mit einem Toxin auf atomarer Ebene in
Wechselwirkung treten.
Abb 2.:Untersuchung der Struktur
eines Toxin-Ionenkanal-Komplexes. Mittels Festkörper-NMR wurde
untersucht, welche Wirkung Kaliotoxin, das Gift eines
nordafrikanischen Skorpions (siehe Abb. 1 oben rechts), auf einen
bakteriellen Kalium-Kanal hat. Durch Analyse der Festkörper-NMR
Daten der spin-markierten Proben vor und nach der Komplexbildung
(rot bzw. grün, Abbildung 2, oberer Teil) haben die Forscher ein
strukturelles Modell der Bindungstasche entwickelt (Abbildung 2,
unterer Teil). Das Toxin beziehungsweise die rot markierten
Bereiche des Kanalporteins werden bei der Bindung beeinflusst, die
blauen Bereiche nicht.
Bilder: Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie/ZMNH
Nach der elektrophysiologischen Charakterisierung des "vergifteten"
Kanalproteins stellten die Forscher davon spin-markierte Proteine her
und untersuchten diese dann mittels Zweidimensionaler Festkörper-NMR.
Die Kohlenstoff- und Stickstoffatome solcher Proteine besitzen ein
intrinsisches magnetisches Moment (spin), das der Signalverstärkung im
NMR dient. Die Forscher verglichen dann die spektroskopischen Daten
vor und nach der Einwirkung des Toxins auf den Kanal. Dabei zeigte
sich, dass das Gift an einen ganz bestimmten Bereich des Kanals - die
Porenregion - bindet und deren Struktur verändert. Doch auch die
NMR-Signale des Toxins hatten sich verändert. Das deutet darauf hin,
dass es nur dann wirksam ist, wenn es eine bestimmte Aminosäuresequenz
des Ionenkanals erkennt. Auch die intrinsische Flexibilität der
Bindungspartner spielt dabei eine wichtige Rolle: Für eine starke
Wechselwirkung der Moleküle müssen beide Partner offensichtlich in der
Lage sein, ihre Struktur zu verändern.
Die angewandten neuen spektroskopischen Methoden leisten einen
wichtigen Beitrag zum Verständnis der Pharmakologie und Physiologie
von Kalium-Kanälen und könnten helfen, wirksamere und zugleich
spezifischere Medikamente herzustellen.
