Die neuesten Forschungsergebnisse zur Kalziumtransportmechanik im menschlichen Körper könnten weitreichende Auswirkungen auf die medizinische Wissenschaft haben. Ein internationales Team um Studienleiter Dr. Uwe Schulte von der Universität Freiburg hat kürzlich das Funktionsprinzip der Kalziumpumpen im Zellinneren entschlüsselt. Diese Pumpen sind entscheidend für die Regulierung des Kalziumspiegels, der sowohl für die Zellkommunikation als auch für viele physiologische Prozesse unerlässlich ist. Die Ergebnisse dieser Studie wurden am 20. August 2025 im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.
Kalzium (Ca2+) fungiert im Körper sowohl als Nährstoff als auch als Signal. Um die richtigen Signale für verschiedene physiologische Reaktionen zu erzeugen, ist eine präzise Kalziumhomöostase entscheidend. Kalzium-ATPase-Typen in intrazellulären Membranen weisen Umsatzraten von nur wenigen zehn Zyklen pro Sekunde auf. Um die Kalziumkonzentrationen zu messen, setzten die Wissenschaftler kalzium-aktivierte Kaliumkanäle als ultraschnelle Sensoren ein. Auf diese Weise konnten sie die Transportgeschwindigkeit der Kalziumpumpen präzise bestimmen.
Detailierte Ergebnisse der Studie
Eine Elektronenmikroskopie der Zellmembranen enthüllte Dichten von etwa 55 Pumpenkomplexen pro Quadratmikrometer. Interessanterweise interagieren die Kalziumpumpen mit dem Membranlipid PtdIns(4,5)P2, was eine schnelle Bindung und Abgabe von Kalziumionen ermöglicht. Ohne diese Lipidbindung verlangsamt sich der Transportprozess erheblich. Analysen zu Mutationen der Pumpenstruktur bestätigten diese Erkenntnisse.
Zusätzlich verwendeten die Forscher Thapsigargin, einen bekannten Hemmstoff der Kalziumpumpen, um die Bindungsstelle von PtdIns(4,5)P2 zu blockieren. Dies schränkte die Pumpaktivität deutlich ein. Diese Erkenntnisse über die 3D-Struktur der Pumpenkomplexe und die lipidabhängige Regulation könnten vielversprechende Ansätze für neue Wirkstoffe bieten, um Kalziumtransport und Signalverarbeitung zu optimieren und so potenziell Krankheiten zu behandeln, die mit Kalziummangel oder -überschuss in Verbindung stehen.
Kontext und zukünftige Perspektiven
Kalziumsignale sind nicht nur für Menschen, sondern auch für andere eukaryotische Organismen essentiell. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Transportmechanismen für Ca2+ in den verschiedenen eukaryotischen Reichen sich über die Evolution hinweg entwickelt haben. Diese Studien sind wichtig, um die Herausforderungen und Komplexitäten des Kalziumsignals zu verstehen, die über spezialisierte Ca2+-Bindungsproteine und Signaturen definiert sind. National und international gibt es zahlreiche Projekte, die sich mit den Grundlagen des Kalziumtransports befassen und dabei Vergleichsstudien zwischen Pilzen, Tieren und Pflanzen berücksichtigen, wie von PubMed berichtet.
Die beteiligten Forscher kommen aus mehreren Institutionen, darunter das Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie. Prof. Dr. Bernd Fakler von der Universität Freiburg, sowie seine Kollegen Prof. Dr. Stefan Raunser und Prof. Dr. Heiko Rieger, haben maßgeblich dazu beigetragen, die Funktionsweisen der Pumpen zu erforschen. Ihre Arbeiten bieten einen umfassenden Rahmen, der sowohl theoretische als auch praktische Einblicke in die Kalziumsignalisierung eröffnet.
