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Chloridkanal Als Chloridkanäle werden in der Physiologie und Zellbiologie Ionenkanäle bezeichnet die eine spezifische un

Chloridkanal

Als Chloridkanäle werden in der Physiologie und Zellbiologie Ionenkanäle bezeichnet, die eine spezifische und mehr oder weniger selektive Leitfähigkeit für Chlorid-Ionen aufweisen. Chloridkanäle sind molekular sehr divers und werden von mehreren Genfamilien oder einzelnen Genen kodiert. Die CLCN Genfamilie kodiert für 4 verschiedene Chloridkanäle und 5 verschiedene Chlorid-Protonen-Austauscher, die TMEM16 (oder auch Anoctamin) Genfamilie für Ca-aktivierte Chloridkanäle, aber auch für weniger spezifische Kanäle und Lipidtransporter, die LRRC8 Genfamilie für 5 verschiedene Untereinheiten des Volumen-regulierten Anionenkanals VRAC, und Bestrophine für mehrere, oft Ca-aktivierte Cl Kanäle. CFTR (Cystic Firbrosis Transmembrane Conductance Regulator) ist ein cAMP-aktivierter Chloridkanal und ASOR/TMEM206 ein säureaktivierter Chloirdkanal. Die inhibitorischen GABA-A und Glyzin-Rezeptoren sind ebenfalls Chloridkanäle.

Chloridkanal
Bändermodell des ClC von E. coli von der Seite und oben, nach PDB 3NMO
Bezeichner
Gen-Name(n) CLCN1, CLCN2, CLCN3, CLCN4, CLCN5, CLCN6, CLCN7
Transporter-Klassifikation
TCDB 2.A.49
Bezeichnung Chloridkanäle
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon Lebewesen
Ausnahmen mehrere Protozoen mit kleinem Genom

Die CLC (abgeleitet vom englischen chloride channel) Familie umfasst Chloridkanäle, aber auch sekundär aktive Chlorid/Protonen-Austauscher (Transporter). Strukturelle Homologe dieser Familie finden sich durch alle biologischen Reiche hinweg, vom einfachen Darmbakterium Escherichia coli über Pflanzen bis hin zu den Säugetieren. Hierbei übernehmen die Kanäle unterschiedliche biologische Funktionen, wie z. B. die Teilhabe an der Regulation des zellulären Wasserhaushaltes oder die Stabilisierung des Ruhemembranpotentials im Skelettmuskel.

Wissenschaftliche Historie Bearbeiten

Chloridkanäle und -Leitfähigkeiten waren schon Jahrzehnte vor der molekularen Identifizierung aus physiologischen Studien bekannt. 1980 entdeckten Miller und Kollegen einen zunächst merkwürdig erscheinenden Chloridkanal in Vesikeln des elektrischen Organs des Torpedorochens. Anhand von Einzelkanal-Untersuchungen sagte er einen doppelporigen Kanal voraus, was später nach der Klonierung von vielen Untersuchungen bestätigt wurde. 1990 gelang Thomas Jentsch die Klonierung des Torpedo Kanals, den er ClC-0 nannte. Dies öffnete die Tür zur Identifizierung der CLCN Genfamilie und zur Untersuchungen der Struktur, Funktion und Rolle in verschiedenen Pathologien. So konnten u. a. Jentsch und Mitarbeiter zeigen, dass Mutationen in menschlichen CLCN Genen zu Krankheiten wie Myotonie, Nierensteinen, schweren Salzverlust über die Niere, Taubheit und Blindheit, Neurodegeneration und Bluthochdruck führen. Diese Pathologien wurden bis dahin nicht mit Chloidtransport assoziiert. 2002 löste R. Dutzler röntgenkristallographisch (2.5–3.5 Å) die Strukturen der ClC-Transporter EcClC und StClC von E. coli bzw. Salmonella typhi und schuf damit die Basis für detaillierte Struktur-Funktions Untersuchungen.

Isoformen im Menschen Bearbeiten

Im Menschen finden sich neun Isoformen der CLC-Familie. Einige davon werden in den Plasmamembranen exprimiert, andere (ClC-3 bis ClC-7) in Membranen von intrazellulären Organellen. ClC-1 zum Beispiel findet sich in der Plasmamembran von Zellen des Skelettmuskels und ist in der Einstellung des Ruhemembranpotentials involviert.

Die einzelnen humanen Chlorid-Transporter: ClC-1, ClC-2, ClC-Ka, ClC-Kb, ClC-3, ClC-4, ClC-5, ClC -6, ClC-7. Manche dieser Kanäle und Transporter benötigen akzessorische Untereinheiten, z. B. ClC-Ka und ClC-Kb barttin, und ClC-7 Ostm1.

Chloridkanäle in Pflanzen Bearbeiten

Chloridkanäle erfüllen verschiedene Funktionen in Pflanzen, abhängig von ihrer Lokalisierung und ihrer Ionenaffinität. Am besten untersucht sind die sieben Chloridkanäle von Arabidopsis thaliana, AtCLCa bis AtCLCg Die Kanäle befinden sich in den Membranen verschiedener Organelle und erfüllen dort die Funktion von Aniontransportern. So transportieren AtCLCa und AtCLCe Nitrat anstelle von Chlorid über Membranen.

Die Struktur Bearbeiten

CLC-Transporter und -Kanäle sind rautenförmige Homodimere. Jede Untereinheit besitzt eine eigene sanduhrenförmige Pore mit der engsten Stelle im Zentrum der Membran. Von der extra- und intrazellulären Seite reichen zwei ausgedehnte wassergefüllte Vorhöfe in die Pore hinein, zentral liegt die Pore wasserfrei vor. Es werden drei Ionenbindungstellen angenommen: zwei je an der Kontaktfläche zwischen Vorhof und Poreninnerem und eine im wasserfreien Zentrum. Koordiniert werden die Ionen bei der Permeation hierbei von partiell geladenen Seitenketten-Hydroxygruppen und einigen Hauptkettenstickstoffatomen, welche gemeinsam den Selektivitätsfilter bilden und die Ionen energetisch durch den hydrophoben Teil der Membran balancieren.

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. J. W. Woodbury, P. R. Miles: Anion conductance of frog muscle membranes: one channel, two kinds of pH dependence. In: The Journal of General Physiology. Band 62, Nr. 3, September 1973, ISSN 0022-1295, S. 324–353, doi:10.1085/jgp.62.3.324, PMID 4542368, PMC 2226118 (freier Volltext).
  2. Christopher Miller, Michael M. White: A VOLTAGE-DEPENDENT CHLORIDE CONDUCTANCE CHANNEL FROM TORPEDO ELECTROPLAX MEMBRANE. In: Annals of the New York Academy of Sciences. Band 341, 1 Anion and Pro, Mai 1980, ISSN 0077-8923, S. 534–551, doi:10.1111/j.1749-6632.1980.tb47197.x (wiley.com [abgerufen am 28. Februar 2023]).
  3. Thomas J. Jentsch, Klaus Steinmeyer, Gisela Schwarz: Primary structure of Torpedo marmorata chloride channel isolated by expression cloning in Xenopus oocytes. In: Nature. Band 348, Nr. 6301, Dezember 1990, ISSN 0028-0836, S. 510–514, doi:10.1038/348510a0 (nature.com [abgerufen am 28. Februar 2023]).
  4. Thomas J. Jentsch: Discovery of CLC transport proteins: cloning, structure, function and pathophysiology: Discovery of CLC transport proteins. In: The Journal of Physiology. Band 593, Nr. 18, 15. September 2015, S. 4091–4109, doi:10.1113/JP270043, PMID 25590607, PMC 4594286 (freier Volltext) – (wiley.com [abgerufen am 28. Februar 2023]).
  5. R. Dutzler, E. B. Campbell, M. Cadene, B. T. Chait, R. MacKinnon: X-ray structure of a ClC chloride channel at 3.0 A reveals the molecular basis of anion selectivity. In: Nature. 415(6869), 17. Jan 2002, S. 276–277. PMID 11796999
  6. Raúl Estévez, Thomas Boettger, Valentin Stein, Ralf Birkenhäger, Edgar Otto, Friedhelm Hildebrandt, Thomas J. Jentsch: Barttin is a Cl- channel β-subunit crucial for renal Cl- reabsorption and inner ear K+ secretion. In: Nature. Band 414, Nr. 6863, 29. November 2001, ISSN 0028-0836, S. 558–561, doi:10.1038/35107099 (nature.com [abgerufen am 28. Februar 2023]).
  7. Philipp F. Lange, Lena Wartosch, Thomas J. Jentsch, Jens C. Fuhrmann: ClC-7 requires Ostm1 as a β-subunit to support bone resorption and lysosomal function. In: Nature. Band 440, Nr. 7081, März 2006, ISSN 0028-0836, S. 220–223, doi:10.1038/nature04535 (nature.com [abgerufen am 28. Februar 2023]).
  8. M. Hechenberger, B. Schwappach, W. N. Fischer, W. B. Frommer, T. J. Jentsch, K. Steinmeyer: A family of putative chloride channels from Arabidopsis and functional complementation of a yeast strain with a CLC gene disruption. In: The Journal of Biological Chemistry. Band 271, Nr. 52, 27. Dezember 1996, ISSN 0021-9258, S. 33632–33638, doi:10.1074/jbc.271.52.33632, PMID 8969232.
  9. Cloning and molecular analyses of the Arabidopsis thaliana chloride channel gene family. In: Plant Science. 2009, doi:10.1016/j.plantsci.2009.02.006.
  10. Two anion transporters AtClCa and AtClCe fulfil interconnecting but not redundant roles in nitrate assimilation pathways. In: New Phytologist. 2009; doi:10.1111/j.1469-8137.2009.02837.x.

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

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Veröffentlichungsdatum:
Als Chloridkanale werden in der Physiologie und Zellbiologie Ionenkanale bezeichnet die eine spezifische und mehr oder weniger selektive Leitfahigkeit fur Chlorid Ionen aufweisen Chloridkanale sind molekular sehr divers und werden von mehreren Genfamilien oder einzelnen Genen kodiert Die CLCN Genfamilie kodiert fur 4 verschiedene Chloridkanale und 5 verschiedene Chlorid Protonen Austauscher die TMEM16 oder auch Anoctamin Genfamilie fur Ca aktivierte Chloridkanale aber auch fur weniger spezifische Kanale und Lipidtransporter die LRRC8 Genfamilie fur 5 verschiedene Untereinheiten des Volumen regulierten Anionenkanals VRAC und Bestrophine fur mehrere oft Ca aktivierte Cl Kanale CFTR Cystic Firbrosis Transmembrane Conductance Regulator ist ein cAMP aktivierter Chloridkanal und ASOR TMEM206 ein saureaktivierter Chloirdkanal Die inhibitorischen GABA A und Glyzin Rezeptoren sind ebenfalls Chloridkanale ChloridkanalBandermodell des ClC von E coli von der Seite und oben nach PDB 3NMOBezeichnerGen Name n CLCN1 CLCN2 CLCN3 CLCN4 CLCN5 CLCN6 CLCN7Transporter KlassifikationTCDB 2 A 49Bezeichnung ChloridkanaleVorkommenUbergeordnetes Taxon LebewesenAusnahmen mehrere Protozoen mit kleinem GenomDie CLC abgeleitet vom englischen chloride channel Familie umfasst Chloridkanale aber auch sekundar aktive Chlorid Protonen Austauscher Transporter Strukturelle Homologe dieser Familie finden sich durch alle biologischen Reiche hinweg vom einfachen Darmbakterium Escherichia coli uber Pflanzen bis hin zu den Saugetieren Hierbei ubernehmen die Kanale unterschiedliche biologische Funktionen wie z B die Teilhabe an der Regulation des zellularen Wasserhaushaltes oder die Stabilisierung des Ruhemembranpotentials im Skelettmuskel Inhaltsverzeichnis 1 Wissenschaftliche Historie 2 Isoformen im Menschen 3 Chloridkanale in Pflanzen 4 Die Struktur 5 Siehe auch 6 Einzelnachweise 7 Literatur 8 WeblinksWissenschaftliche Historie BearbeitenChloridkanale und Leitfahigkeiten waren schon Jahrzehnte vor der molekularen Identifizierung aus physiologischen Studien bekannt 1 1980 entdeckten Miller und Kollegen 2 einen zunachst merkwurdig erscheinenden Chloridkanal in Vesikeln des elektrischen Organs des Torpedorochens Anhand von Einzelkanal Untersuchungen sagte er einen doppelporigen Kanal voraus was spater nach der Klonierung von vielen Untersuchungen bestatigt wurde 1990 gelang Thomas Jentsch die Klonierung des Torpedo Kanals den er ClC 0 nannte 3 Dies offnete die Tur zur Identifizierung der CLCN Genfamilie und zur Untersuchungen der Struktur Funktion und Rolle in verschiedenen Pathologien 4 So konnten u a Jentsch und Mitarbeiter zeigen dass Mutationen in menschlichen CLCN Genen zu Krankheiten wie Myotonie Nierensteinen schweren Salzverlust uber die Niere Taubheit und Blindheit Neurodegeneration und Bluthochdruck fuhren Diese Pathologien wurden bis dahin nicht mit Chloidtransport assoziiert 2002 loste R Dutzler rontgenkristallographisch 2 5 3 5 A die Strukturen der ClC Transporter EcClC und StClC von E coli bzw Salmonella typhi und schuf damit die Basis fur detaillierte Struktur Funktions Untersuchungen 5 Isoformen im Menschen BearbeitenIm Menschen finden sich neun Isoformen der CLC Familie Einige davon werden in den Plasmamembranen exprimiert andere ClC 3 bis ClC 7 in Membranen von intrazellularen Organellen ClC 1 zum Beispiel findet sich in der Plasmamembran von Zellen des Skelettmuskels und ist in der Einstellung des Ruhemembranpotentials involviert Die einzelnen humanen Chlorid Transporter ClC 1 ClC 2 ClC Ka ClC Kb ClC 3 ClC 4 ClC 5 ClC 6 ClC 7 Manche dieser Kanale und Transporter benotigen akzessorische Untereinheiten z B ClC Ka und ClC Kb barttin 6 und ClC 7 Ostm1 7 Chloridkanale in Pflanzen BearbeitenChloridkanale erfullen verschiedene Funktionen in Pflanzen abhangig von ihrer Lokalisierung und ihrer Ionenaffinitat Am besten untersucht sind die sieben Chloridkanale von Arabidopsis thaliana AtCLCa bis AtCLCg 8 9 Die Kanale befinden sich in den Membranen verschiedener Organelle und erfullen dort die Funktion von Aniontransportern So transportieren AtCLCa und AtCLCe Nitrat anstelle von Chlorid uber Membranen 10 Die Struktur BearbeitenCLC Transporter und Kanale sind rautenformige Homodimere Jede Untereinheit besitzt eine eigene sanduhrenformige Pore mit der engsten Stelle im Zentrum der Membran Von der extra und intrazellularen Seite reichen zwei ausgedehnte wassergefullte Vorhofe in die Pore hinein zentral liegt die Pore wasserfrei vor Es werden drei Ionenbindungstellen angenommen zwei je an der Kontaktflache zwischen Vorhof und Poreninnerem und eine im wasserfreien Zentrum Koordiniert werden die Ionen bei der Permeation hierbei von partiell geladenen Seitenketten Hydroxygruppen und einigen Hauptkettenstickstoffatomen welche gemeinsam den Selektivitatsfilter bilden und die Ionen energetisch durch den hydrophoben Teil der Membran balancieren Siehe auch BearbeitenAndere Ionenkanale Natriumkanal Kaliumkanal Calciumkanal Mukoviszidose eine Erkrankung bei verandertem Chloridkanal Einzelnachweise Bearbeiten J W Woodbury P R Miles Anion conductance of frog muscle membranes one channel two kinds of pH dependence In The Journal of General Physiology Band 62 Nr 3 September 1973 ISSN 0022 1295 S 324 353 doi 10 1085 jgp 62 3 324 PMID 4542368 PMC 2226118 freier Volltext Christopher Miller Michael M White A VOLTAGE DEPENDENT CHLORIDE CONDUCTANCE CHANNEL FROM TORPEDO ELECTROPLAX MEMBRANE In Annals of the New York Academy of Sciences Band 341 1 Anion and Pro Mai 1980 ISSN 0077 8923 S 534 551 doi 10 1111 j 1749 6632 1980 tb47197 x wiley com abgerufen am 28 Februar 2023 Thomas J Jentsch Klaus Steinmeyer Gisela Schwarz Primary structure of Torpedo marmorata chloride channel isolated by expression cloning in Xenopus oocytes In Nature Band 348 Nr 6301 Dezember 1990 ISSN 0028 0836 S 510 514 doi 10 1038 348510a0 nature com abgerufen am 28 Februar 2023 Thomas J Jentsch Discovery of CLC transport proteins cloning structure function and pathophysiology Discovery of CLC transport proteins In The Journal of Physiology Band 593 Nr 18 15 September 2015 S 4091 4109 doi 10 1113 JP270043 PMID 25590607 PMC 4594286 freier Volltext wiley com abgerufen am 28 Februar 2023 R Dutzler E B Campbell M Cadene B T Chait R MacKinnon X ray structure of a ClC chloride channel at 3 0 A reveals the molecular basis of anion selectivity In Nature 415 6869 17 Jan 2002 S 276 277 PMID 11796999 Raul Estevez Thomas Boettger Valentin Stein Ralf Birkenhager Edgar Otto Friedhelm Hildebrandt Thomas J Jentsch Barttin is a Cl channel b subunit crucial for renal Cl reabsorption and inner ear K secretion In Nature Band 414 Nr 6863 29 November 2001 ISSN 0028 0836 S 558 561 doi 10 1038 35107099 nature com abgerufen am 28 Februar 2023 Philipp F Lange Lena Wartosch Thomas J Jentsch Jens C Fuhrmann ClC 7 requires Ostm1 as a b subunit to support bone resorption and lysosomal function In Nature Band 440 Nr 7081 Marz 2006 ISSN 0028 0836 S 220 223 doi 10 1038 nature04535 nature com abgerufen am 28 Februar 2023 M Hechenberger B Schwappach W N Fischer W B Frommer T J Jentsch K Steinmeyer A family of putative chloride channels from Arabidopsis and functional complementation of a yeast strain with a CLC gene disruption In The Journal of Biological Chemistry Band 271 Nr 52 27 Dezember 1996 ISSN 0021 9258 S 33632 33638 doi 10 1074 jbc 271 52 33632 PMID 8969232 Cloning and molecular analyses of the Arabidopsis thaliana chloride channel gene family In Plant Science 2009 doi 10 1016 j plantsci 2009 02 006 Two anion transporters AtClCa and AtClCe fulfil interconnecting but not redundant roles in nitrate assimilation pathways In New Phytologist 2009 doi 10 1111 j 1469 8137 2009 02837 x Literatur BearbeitenT J Jentsch V Stein F Weinreich A A Zdebik Molecular structure and physiological function of chloride channels In Physiol Rev 82 2 Apr 2002 S 503 568 Review PMID 11917096Weblinks BearbeitenPROSITE documentation PDOC51371 CBS Domane Swiss Institute of Bioinformatics SIB abgerufen am 20 September 2011 englisch Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Chloridkanal amp oldid 231462726