Kaliumkanäle ermöglichen den selektiven und passiven Transport von Kaliumionen über Membranen. Sie sind an einer Vielzahl von zellulären und physiologischen Prozessen beteiligt. Dazu gehören die Kontraktion von Muskelzellen oder die Erzeugung und Übertragung von Aktionspotenzialen. Es ist daher von Interesse, die Struktur und Funktion dieser Proteine aufzuklären. In dieser Arbeit werden virale Kaliumkanäle der ATCV-1-Familie für eine Analyse von Struktur und Funktion verwendet. Die Monomere dieser Kanäle sind mit 82 Aminosäuren extrem klein, stellen aber trotz ihrer geringen Größe immer noch die wichtigsten strukturellen und funktionellen Merkmale des Porenmoduls komplexer Kaliumkanäle dar.

Im ersten Teil dieser Arbeit werden strukturelle Unterschiede der beiden Kanäle KcvNTS und KcvS mit Hilfe von quaternären Ammoniumkationen (QAs) untersucht. Trotz einer Sequenzidentität von 90% zeigen diese beiden Kanäle elektrophysiologische Unterschiede. Diese Unterschiede sind auf ein inneres Gate in KcvS zurückzuführen, das langlebige geschlossene Phasen erzeugt und damit die Offenwahrscheinlichkeit deutlich reduziert. Dieses Gate wird durch eine intrahelikale Wasserstoffbrücke von Ser77 vermittelt. Intrazellulär zugegebene QAs bewirken im planaren Lipid-Bilayer bei beiden Kanälen einen spannungsabhängigen Block, der mit zunehmender Größe des Blockers langsamer wird. Die Analyse des Kanalschaltens in Abwesenheit und Anwesenheit verschiedener QA-Blocker zeigt, dass die Affinität von KcvS doppelt so hoch ist wie die von KcvNTS. Es kann gezeigt werden, dass dieser Unterschied auf das innere Gate zurückzuführen ist, das anscheinend in der Lage ist, die QAs durch die aromatische Seitenkette in der Kavität einzufangen. Aufgrund der geringen Unterschiede in den Assoziationsratenkonstanten zwischen den verschiedenen Blockern der beiden Kanäle können keine Rückschlüsse auf den Porendurchmesser gezogen werden.

Ziel des zweiten Teils war die Entwicklung eines lichtschaltbaren viralen Kaliumkanals in Modulbauweise. Das Molekül MAL-AZO-QA wurde über eine Maleimidbindung an KcvNTS gebunden. Daher sollte die geladene Kopfgruppe in der Lage sein den Kanal lichtabhängig zu blockieren. In einem ersten Schritt wurde die Empfindlichkeit des Kanals gegenüber Tetraethylammonium (TEA) durch spezifische Mutationen außerhalb des Selektivitätsfilters erhöht. Die damit verbundene Reduktion der Leitfähigkeit wurde im nächsten Schritt durch eine weitere Mutation unmittelbar unterhalb der Filterregion im Bereich der Kavität signifikant erhöht. Im nächsten Schritt wurde die Aminosäure Cystein an verschiedenen Stellen innerhalb des extrazellulären Loops in das Protein eingebracht. Dadurch sollte die Kopplung des lichtschaltbaren Moleküls an den Kanal in einem angemessenen Abstand zur Pore gewährleistet sein. Obwohl alle diese Vorbereitungsschritte erfolgreich waren, war es nicht möglich, die erwartete lichtempfindliche Blockierung des Kanals zu erreichen.

Der dritte Teil des Projekts widmete sich einer methodischen Verbesserung der Lipid-Bilayer-Technik. In diesem Zusammenhang wurden die Vor- und Nachteile photolithographisch erzeugter Poren im Epoxid ADEX als Septum für Lipid-Bilayer untersucht. Die funktionellen Eigenschaften dieser Poren wurden mit konventionellen Septen aus Teflonfolie verglichen. Die Daten zeigen, dass die funktionellen Eigenschaften von KcvNTS als Testsystem in beiden Septen identisch sind. Während die photolithographische Technik die Erzeugung von Aperturen mit Durchmessern von nur 30 µm erlaubte, boten sie gegenüber größeren Aperturen mit 100 µm in Teflon keine Vorteile in Bezug auf Kapazität oder Signal-Rausch-Verhältnis. Die Vorteile der ADEX-Folien liegen jedoch darin, dass sie bei häufiger Wiederverwendung mit Aceton gereinigt werden können. Noch vorteilhafter ist die Beobachtung, dass sie für Langzeitmessungen besser geeignet sind, da die Stabilität der Membran durch das Pipettieren der Messlösung nicht beeinträchtigt wird.