HOE WERKT EEN IONKANAAL? THEORIE Een cel gebruikt speciale eiwitten om ionen over het celmembraan te transporteren: de ion-kanalen. Deze kanalen zijn eiwitcomplexen die door het celmembraan heen steken en op deze manier een kanaal vormen tussen het cytoplasma en de buitenkant van de cel. In je lichaam zitten een heleboel verschillende soorten ion-kanalen. Zo zijn er aparte kanalen voor bijvoorbeeld natrium, kalium of chloride. Ieder ion heeft zijn eigen kanaal. Maar wat zorgt er precies voor dat één kanaal maar één soort ion doorlaat? Opdracht 1: A. Op welke manier zou een ion-kanaal de doorgang van grote ionen kunnen blokkeren?
B.
Op welke manier zou een ion-kanaal de doorgang van negatief geladen ionen kunnen blokkeren?
DOEN Dankzij de bioinformatica kunnen onderzoekers in detail naar de 3D-structuren van eiwitten kijken. Hiervoor wordt het programma Yasara gebruikt. Door de structuur van een ion-kanaal goed te bestuderen, kunnen we meer te weten komen over de werking ervan. Als voorbeeld gebruiken we het kaliumkanaal, omdat de structuur hiervan heel goed bekend is. Start Yasara en open de file > Yasara scene: KcsA – surface only.sce Met de muisknop kun je het eiwit van alle kanten bekijken. Houdt de linkermuisknop ingedrukt en beweeg de muis: draaien van het eiwit Houdt de rechtermuisknop ingedrukt en beweeg de muis naar voren en achter: in- en uitzoomen
Het totale kanaal is opgebouwd uit vier dezelfde eiwitmoleculen die via Van Der Waals-bindingen en waterstofbruggen aan elkaar vast zitten. View > Hide surface > Molecule Selecteer onder 'Sequence': B, C, en D > Klik OK Vink alle drie de surfaces aan > Klik OK Er blijft nu nog 1 subunit over (Molecuul A) View > Show surface > Molecule Selecteer onder 'Sequence' de moleculen waarvan je het oppervlak wilt zien > Klik OK Vink alleen 'Van Der Waals surface' aan > Klik OK De gekozen subunits verschijnen weer op het scherm De afzonderlijke eiwitten hebben een structuur die precies een opening vormen als ze aan elkaar vast zitten: het kaliumkanaal. Als het eiwitcomplex in het celmembraan zit, verbindt deze opening het cytoplasma met het buitenste van de cel. Opdracht 2: Een kaliumkanaal bestaat uit meerdere eiwitten, zo ontstaat een eiwitcomplex. Hoe heet de structuur van zo’n samengevoegd eiwit?
Als je het complete kanaal op het scherm hebt, lijkt het met een beetje verbeelding op een groene paprika. Het kanaal loopt van de onderkant naar de bovenkant van deze paprika. De onderkant zit intracellulair (binnenkant cel), de bovenkant extracellulair (buitenkant cel).
Extracellulair
Intracellulair
Figuur 1: verschillende aanzichten van het kaliumkanaal
De reis die een kalium-ion af moet leggen om van binnen naar buiten de cel te komen, bestaat uit drie gedeeltes: 1) De ingang: Het eerste gedeelte van het kanaal is breed genoeg om verschillende ionen en watermoleculen door te laten. 2) De holte: Als de ionen door het eerste gedeelte van het kanaal heen zijn, komen ze uit in een grote holte die gevuld is met water. 3) Het filter: Om van de holte naar de uitgang te komen, moet een kalium-ion eerst een nauwe doorgang door: het selectiviteitsfilter. Om dezelfde reis als het kalium-ion te ondernemen kun je met Yasara door het kanaal ‘vliegen’. Begin daarvoor aan de intracellulaire kant. Draai het eiwit zo dat de opening van het kanaal in het midden van het scherm staat en dat je door de opening heen de uitgang kunt zien (bij het openen van KcsA – surface only.sce staat het eiwit al goed georiënteerd).Door de muis met de rechtermuisknop ingedrukt naar je toe te bewegen, zoom je in op het kanaal.
Het kaliumkanaal is kalium-specifiek. Dat betekent dat dit ion-kanaal zo is opgebouwd dat het, van alle ionen uit het cytoplasma, alleen kalium kan doorlaten.
Als we in detail naar de structuur van de ingang kijken, zien we dat ieder eiwit daar een negatief geladen aminozuur1 (glutaminezuur) heeft zitten. De ingang van het kanaal is zo omgeven door vier negatieve ladingen. Kies file > new Open file > Yasara scene > KcsA - neg residues.sce. Je ziet nu het kaliumkanaal in de secundaire structuur, maar van de negatieve residuen bij de opening zijn de atomen als ballen weergegeven. Deze negatieve ladingen hebben het volgende effect: positieve ionen worden naar het kanaal toegetrokken en kunnen het kanaal dus in negatieve ionen worden van het kanaal weggeduwd en kunnen dus nooit via dit ion-kanaal de cel verlaten Opdracht 3: A. Welke lading heeft kalium?
B.
Gaat kalium via het kaliumkanaal de cel in of uit of allebei de richtingen op?
C.
Leg uit dat alleen positief geladen ionen het kanaal kunnen binnenkomen.
D.
Noem drie positief geladen ionen die zich in het cytoplasma bevinden. 1. 2. 3.
Het kanaal is zo gebouwd dat alleen positief geladen ionen naar binnen kunnen. Er zitten echter een heleboel positief geladen ionen in het cytoplasma. Deze ionen kunnen allemaal het kanaal binnen komen, maar toch is alleen kalium in 1
Bouwstenen van eiwitten. Aminozuren zijn organische moleculen met aan één kant een zuurgroep (-COOH) aan de andere kant een aminogroep (NH2). Hierdoor kunnen aminozuren met elkaar reageren tot een lange keren (een peptide of eiwit). Er zijn twintig verschillende aminozuren die bepaald worden door de verschillen in de restgroepen.
staat om het kanaal ook aan de andere kant te kunnen verlaten. Schijnbaar vindt er ergens in het kanaal dus nog een andere selectie plaats. Kies file > new Open file > Yasara scene > KcsA – 1K bound.sce Als de ionen eenmaal in de 'grot' zijn aanbeland, moeten ze door het selectiviteitsfilter heen (deel drie van de reis). Dit is een nauw kanaaltje dat de holte met de uitgang verbindt. Opdracht 4: Op welke manier kan de nauwte van de doorgang bijdragen aan de selectiviteit van het kaliumkanaal?
Maar, hoe zit het dan met ionen die kleiner zijn dan kalium, bijvoorbeeld natrium? Natrium heeft dezelfde lading als kalium en is zo klein dat het makkelijk door het hele kaliumkanaal heen past. Toch gebeurt dit niet. Wat is hier aan de hand? Vanuit de scheikunde weten we dat als een zout in water wordt opgelost, uiteenvalt in positieve en negatieve ionen. Maar een losse positieve of negatieve lading is energetisch erg ongunstig. Daarom zullen de positieve en negatieve ionen, als ze van elkaar losraken, op zoek gaan naar deeltjes die hun lading op kunnen heffen. Watermoleculen zijn daar uitermate geschikt voor, omdat deze aan de ene kant een beetje negatief en aan de andere kant een beetje positief geladen zijn (dit komt doordat zuurstof elektronegatiever is dan waterstof en dus de elektronen van de Figuur 2: ionen zijn van verschillende grootte. covalente O-H binding een beetje naar zich toetrekt). Een watermolecuul kan de lading van een ion een beetje opheffen, door met zijn negatief geladen kant tegen het positieve ion aan te gaan liggen. De lading van een ion is echter zo groot dat 1 watermolecuul niet voldoende is. Daarom zullen er ongeveer zeven watermoleculen tegelijkertijd om het ion heen gaan liggen en vormen een soort 'watermantel' om het ion. Voor een ion is het energetisch gezien erg ongunstig is om de watermantel af te doen, omdat er dan weer vrije lading ontstaat.
Figuur 3: Kalium en Natrium met een watermantel
Opdracht 5:
A.
Wanneer het kalium-ion door het kanaal reist, draagt hij dan zijn watermantel?
Het selectiviteitsfilter neemt de functie van de watermantel over. B. Zoom in op het selectiviteitsfilter in Yasara. Met welke atomen komt het kalium-ion in aanraking?
C.
Zijn deze atomen een beetje positief of een beetje negatief geladen?
Kies file > new Open file > Yasara scene > KcsA – 1Na bound.sce In deze weergave zit natrium in het selectiviteitsfilter. Opdracht 6: Wat is de reden dat natrium normaliter niet door het kanaal gaat? Denk hierbij aan de energie die het kost voor een ion om zich te ontdoen van een watermantel.
Figuur 4: Kalium en natrium in het selectiviteitsfilter van het kaliumkanaal
Voor meer verdieping of herhaling van het kaliumkanaal, kun je op internet het volgende filmpje bekijken: http://highered.mcgrawhill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter2/animation__how_the_sodium_potassium_pump_works.html
