Die Rolle der Calcium-Ionen

Duftstoff-Moleküle lösen eine Reaktionskaskade aus

Während beim Riechprozess die Natrium-Ionen einfach nur in die Zelle strömen und die Membran depolarisieren, haben die eingedrungenen Calcium-Ionen vier wichtige Aufgaben.

Aufgabe 1

Depolarisierung der Zellmembran (siehe Einführungsseite).

Aufgabe 2

Öffnen der Chlorid-Kanäle, so dass Chlorid-Ionen ausströmen und die Membran weiter depolarisieren (siehe Einführungsseite).

Aufgabe 3

Die eingeströmten Calcium-Ionen können sich an ein kleines Protein namens Calmodulin (abgekürzt: CaM) binden, es entsteht dann der so genannte Ca²⁺/CaM-Komplex.

Die Na⁺/Ca²⁺-Kanäle haben neben der cAMP-Bindungsstelle eine zweite Bindungsstelle, nämlich für den Ca²⁺/CAM-Komplex. Sobald sich ein Ca²⁺/CAM-Komplex an einen Na⁺/Ca²⁺-Kanal bindet, verliert dieses Protein seine Empfindlichkeit für cAMP und schließt sich auch in Anwesenheit von cAMP wieder, so dass keine Natrium- oder Calciumionen mehr durch diesen Kanal in die Zelle eindringen können.

Mit den Natrium-Ionen strömen auch Calcium-Ionen in die Riechsinneszelle ein. Zunächst verstärken die Calcium-Ionen die Depolarisierung direkt durch ihre positive Ladung und indirekt, indem sie Chlorid-Kanäle öffnen, durch die Chlorid-Ionen nach außen strömen.

Langfristig jedoch schwächen die Calcium-Ionen die Depolarisierung ab. Die Calcium-Ionen verbinden sich mit CaM-Proteinen zum Ca²⁺/CAM-Komplexen, welche dann die Na⁺/Ca²⁺-Kanäle unempfindlich für cAMP machen.

Die Calcium-Ionen sorgen also kurzfristig für eine Verstärkung des Duftes, so dass man zunächst besonders gut riechen kann, vielleicht um gefährliche Stoffe besonders schnell erkennen zu können.

Langfristig sorgen aber die Calcium-Ionen für eine Abschwächung des Dufteindrucks, man gewöhnt sich quasi an den Geruch und nimmt nach längerer Zeit seine Anwesenheit überhaupt nicht mehr wahr, was ja auch durchaus Vorteile hat, wenn es sich um lästige aber harmlose Substanzen handelt. Eine solche Gewöhnung an bestimmte Reize bezeichnet man allgemein als Adaption.

Aufgabe 4

In dem Artikel "Wie wir riechen, was wir riechen" wird noch eine vierte Aufgabe der Calcium-Ionen dargestellt. Demnach aktivieren die eingedrungenen Calcium-Ionen das Enzym Phosphodiesterase (PDE), welches dann cAMP zu nicht-zyklischen AMP umwandelt. Dadurch sinkt die cAMP-Konzentration in der Zelle, und die Aktivierung der Na⁺/Ca²⁺-Kanäle lässt nach ^[1]. Auch dieser Vorgang führt zu einer Adaption der Riechsinneszelle an den wahrgenommenen Geruch.

Wiederherstellung der ursprünglichen Ca²⁺-Konzentration

Die eingedrungenen Natrium-Ionen werden durch die bekannte Natrium-Kalium-Pumpe wieder nach außen befördert. Die Calcium-Ionen, die ebenfalls durch die Kationen-Kanäle eingeströmt sind, werden durch einen anderen Transporter wieder aus der Zelle entfernt, nämlich durch einen Na⁺/Ca²⁺-Austauscher ^[2].