Chloridkanäle

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Chloridkanäle sind Membranproteine, die den Durchtritt negativ geladener Ionen durch Biomembranen ermöglichen. Viele Chloridkanäle sind allerdings nicht ausschließlich für Cl^- durchlässig, sondern können auch andere Anionen oder teilweise sogar größere organische Moleküle transportieren.

Chloridkanäle kommen sowohl in der Zellmembran als auch in den Membranen verschiedener Zellorganellen vor. Sie erfüllen sehr unterschiedliche Aufgaben, beispielsweise bei der Regulation des Membranpotenzials, beim Salz- und Wasserhaushalt von Zellen, bei der Sekretion von Flüssigkeiten und bei der Regulation des Zellvolumens.

Passiver Transport durch einen Ionenkanal

Die Phospholipid-Doppelschicht einer Biomembran ist für geladene Teilchen praktisch undurchlässig. Ionen wie Cl^- benötigen deshalb Membranproteine, um die Membran passieren zu können. Der Durchtritt der Chlorid-Ionen erfolgt passiv, also entlang eines Konzentrationsgradienten. ATP ist daher für den Chlorid-Transport nicht erforderlich.

Streng genommen ist nicht der Konzentrationsgradient entscheidend für den Transport, sondern der elektrochemische Gradient, der von zwei Faktoren bestimmt wird:

• dem Konzentrationsgradienten des Chlorids und
• der elektrischen Spannung zwischen den beiden Seiten der Membran.

Da Chlorid negativ geladen ist, muss man bei Aussagen wie "Chlorid strömt aus der Zelle" deshalb vorsichtig sein. Die Richtung des Chlorid-Stroms hängt nicht allein von der Chloridkonzentration, sondern immer vom elektrochemischen Gradienten ab. Wenn die Außenseite der Zelle negativ geladen ist, wird das Ausströmen von Chlorid natürlich stark behindert, dies kann aber durch einen starken Konzentrationsgradienten kompensiert werden.

Funktionen der Chloridkanäle

Chloridkanäle übernehmen in tierischen Zellen zahlreiche Aufgaben. Besonders wichtig sind:

Regulation des Membranpotenzials:
Der Transport von Chlorid verändert die Ladungsverteilung an der Zellmembran. Chloridströme können daher zur Stabilisierung oder Veränderung des Membranpotenzials beitragen. Dies spielt beispielsweise in Nervenzellen eine Rolle, allerdings tragen zum Ruhepotenzial und zum Aktionspotenzial hauptsächlich die positiv geladenen Natrium- und Kalium-Ionen bei.

Transport von Salz und Wasser:
In Epithelien, etwa im Darm oder in den Atemwegen, trägt der Transport von Cl^- dazu bei, Flüssigkeitsbewegungen zu steuern. Wasser folgt den transportierten Ionen aufgrund osmotischer Vorgänge.

Regulation des Zellvolumens:
Nimmt eine Zelle durch Osmose zu viel Wasser auf, können Chlorid-Ionen und andere osmotisch wirksame Teilchen abgegeben werden. Wasser folgt osmotisch, sodass das ursprüngliche Zellvolumen wiederhergestellt werden kann.

Funktion von Zellorganellen:
Auch Endosomen und Lysosomen besitzen Chloridkanäle beziehungsweise andere Chlorid-Transportproteine. Sie tragen dort unter anderem zur Regulation des pH-Wertes und des Ionenhaushalts bei.

Verschiedene Typen von Chloridkanälen

"Chloridkanal" bezeichnet keine einheitliche Proteinfamilie. Evolutionär und strukturell sehr unterschiedliche Membranproteine können Anionen transportieren.

Zu den wichtigen Gruppen gehören beispielsweise die ClC-Proteine. Einige Vertreter dieser Familie sind echte Chloridkanäle, andere arbeiten dagegen als Cl^-/H⁺-Austauscher.

Ein weiterer bekannter Chloridkanal ist CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator). Er befindet sich unter anderem in den Epithelzellen der Atemwege. Mutationen des CFTR-Gens können die Funktion des Kanals beeinträchtigen und sind die Ursache der Mukoviszidose.

Daneben gibt es Ca²⁺-aktivierte Chloridkanäle, deren Öffnungswahrscheinlichkeit von der Calciumkonzentration im Cytoplasma abhängt, sowie die volumenregulierten Anionenkanäle (VRAC).

Volumenregulierte Anionenkanäle – VRAC

Die Abkürzung VRAC steht für Volume-Regulated Anion Channel. Diese Kanäle sind besonders wichtig, wenn eine Zelle aufgrund osmotischer Vorgänge anschwillt.

Ein typischer Fall tritt auf, wenn sich eine tierische Zelle in einer hypotonischen Umgebung befindet. Die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen ist dann außerhalb der Zelle geringer als innerhalb. Wasser gelangt durch Osmose in die Zelle, sodass ihr Volumen zunimmt.

Das Anschwellen der Zelle aktiviert unter anderem VRAC-Kanäle. Durch sie können Chlorid und bestimmte organische Osmolyte die Zelle verlassen. Dadurch verringert sich die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen im Zellinneren. Wasser folgt osmotisch nach außen und das Volumen der Zelle nimmt wieder ab.

Dieser Vorgang wird als regulatory volume decrease (RVD) bezeichnet, also als regulierte Abnahme des Zellvolumens.

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Eine besondere Bedeutung haben VRAC-Kanäle bei der Anpassung des Atlantischen Herings (Clupea harengus) an den niedrigen Salzgehalt der Ostsee. Einzelheiten dazu finden Sie auf dieser Seite.