Grundlagen der Neurobiologie

Grundlagen der Neurobiologie
•  Neurowissenschaften:
•  Historischer Rückblick ✔
•  Neurowissenschaften heute ✔
•  Neuronen und Glia (Zellbiologie) ✔
•  Prinzipien der Nervenreizleitung ✔
•  Prinzipien der synaptischen Kommunikation ✔
•  Neurotransmittersysteme und Rezeptoren
Neurotransmittersysteme und Rezeptoren
Neurotransmittersysteme:
•  Definition
•  Experimentelle Methoden zur Analyse von Transmittersystemen
• Transmitterbiosynthese:
•  Amine (Catecholamine und Serotonin)
•  Aminosäuretransmitter (GABA, Glutamat)
•  Signaltermination: Wiederaufnahme (Transporter) und Abbau
Transmitterrezeptoren
•  Ligandengesteuerte Ionenkanäle
•  Vergleich mit Spannungsabhängigen Kanälen
•  metabotrope Rezeptoren
Neurotransmittersysteme
Molekulare Maschinerie für:
•  Transmittersynthese
•  Verpackung in Vesikel
•  Transmitterwirkung (Rezeptoren etc)
•  Transmitterwiederaufnahme und Abbau
Welche Eigenschaften machen ein Molekül zum Neurotransmitter?
 Folgende 3 Bedingungen müssen erfüllt sein:
•  synthetisiert in presynaptischen Neuronen und in Vesikeln gespeichert
•  Freisetzung erfolgt nach Stimulation des presynaptischen Neurons an den
Axon-Terminalien.
•  experimentell appliziertes Neurotransmittermolekül muss im nachgeschalteten
Neuron identisches Signal induzieren wie endogenes Molekül.
Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen
Immunhistochemie: Antikörper-basiertes Verfahren
anatomische Lokalisation von Molekülen (Rezeptoren) in spez.Zellpopulationen
Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen
In situ Hybridisierung:
mRNA Detektion
mit 35S-markierter RNA-Sonde
(Zellkörper werden markiert,
nicht die Synapsen!)
auch nicht radioaktive Verfahren
sind möglich: Einbau Biotin- oder
Digoxigenin-modifizierter Oligonucleotide
Nachweis z. B. über Antikörper oder
Streptavidin/Enzymkomplexe
GABAR α1 Untereinheit
Ligandenbindung-basierte Methoden:
•  markierter Transmitter
(radioaktiv oder fluoreszenz markiert)
•  markierter synth. Rezeptor Agonist
•  markierter synth. Rezeptor Antagonist
(e.g.BTX-Rhodamin, für nAchR)
Ligand für Opiatrezeptoren
Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen
Neuropharmakologische Analyse
historisch: Rezeptorsubtypen definiert über selektive Agonisten/Antagonisten
Beispiel: Pharmakologie des cholinergen Systems
Wirkung der Agonisten in
vivo entspricht natürlichem
Liganden:
e.g. Muscarin
(aus Fliegenpilzen)
reduziert die
Herzschlagfrequenz,
Blutdruckabfall
Skelettmuskel
Herzmuskel
CNS: beide Subtypen
Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen
biochemische und molekularbiologische Methoden
klassisch: Aufreinigung von Rezeptoren über Ligandenbindung
 Affinitätschromatographie:
  Aufreinigung von ACh-R aus dem elektrischen Organ des
Zitterrochens (Torpedo) über α-Bungaratoxinsäule
  Aufreinigung des inhibitorischen Glycin-Rezeptors über
Strychninsäule
Molekularbiologie/Genomprojekt: Klonierung von Rezeptoren
  Rezeptorsubtypen werden heute nicht nur pharmakologisch
sondern vor allem strukturell über Sequenzhomologien klassifiziert.
Neurotransmitter Biosynthese: Acetylcholin ACh
•  ACh-Synthese erfolgt im Cytosol
der Präsynapse durch ChAT:
Cholin-Acetyltransferase
(spez. Marker cholinerger Neuronen)
•  Geschwindigkeitsbestimmender
Schritt ist die ACh Bereitsstellung:
Cholin-Wiederaufnahme durch
Na+/Cholin-Cotransporter (Symporter)
Abbau des ACh durch Acetylcholinesterase AChE
Esterhydrolyse
Abbau im synaptischen Spalt erfolgt innerhalb von msec!
Abbau des ACh durch Acetylcholinesterase AChE
Esterhydrolyse
Abbau im synaptischen Spalt erfolgt innerhalb von msec!
Irreversible Hemmstoffe
der AChE (Serinhydrolase)
wirken als Nervengase
und Insektizide:
Phosphorsäureester
reversibel: Carbaminsäure-Derivate
Bivalente Bindetasche:
negativ gelad.Glutamatrest:
bindet Cholin+
(anionische Bindestelle bindet
quarternäres Amin )
Serinrest: katalyt. Zentrum
Irreversibel: Thiophosphorsäure-D.
(Insektizid)
Flourophosphate wie DIPF
Catecholamine
•  Tyrosin ist die biosynth. Vorstufe der Transmitter:"
•  Dopamine!
•  Norepinephrin (NE) = Noradrenalin!
•  Epinephrin = Adrenalin"
•  Die Catecholamine sind involviert in Kontrolle"
motorischer Funktionen, Aufmerksamkeit, Erregung, "
Schlaf/Wach-Zyklus, Gemütszustände, etc."
diffuses modulatorisches System des Gehirns"
Catecholamine wirken im CNS und PNS,"
insbesondere im autonomen (= vegetativen)"
Nervensystem, das Norepinephrin als Transmitter des "
symapthischen Nervensystems („fight an flight“)nutzt."
(vgl. Parasympathikus: benutzt ACh als Transmitter. „rest and digest“)"
Catechol
Catecholamin Biosynthese
Alle Catecholaminergen Neuronen enthalten das Enzym
Tyrosinhydroxylase TH
Synthese:
PNS:Nebennierenmark
ZNS: Hirnstammkerne
  Geschwindigkeitsbest. Schritt der
Catecholaminbiosynthese
unterliegt Endprodukthemmung durch Catecholamine
L-DOPA kann über Transporter
für aromatische Aminosäuren
die Blut/hirnschranke
überwinden
(Dopamin selbst wird nicht
aufgenommen!)
Parkinson: Degeneration dopaminerger
Neuronen der Substantia Nigra
Substitution durch L-DOPA
Wurde auch verfilmt
Catecholamin Biosynthese II
NE, Adrenalin wird nicht nur von CNS Neuronen synthetisiert (Hirnstamm: Locus Coeruleus),
sondern auch von der Nebenniere (engl.:adrenal medulla, Nebenierenmark NNM) produziert und in das
Blutsystem abgegeben. Es wirkt als Modulator des sympathischen Systems (Teil des autonomen
Nervensystems ANS) auf viele Organe“fight or flight“ Reaktion.
Catecholaminerge Signaltermination
Hauptmechanismus: Wiederaufnahme durch Transporter der Plasmamembran
weiterer Mechanismus: Enzymatischer Abbau durch COMT
(Catecholaminmethyl-transferase) im synaptischen Spalt und durch
MAO Monoaminoxidase (in den Mitochondrien der Präsynapse).
Catecholaminerge Signaltermination
Psychoaktive Substanzen wie Cocain und Amphetamin blockieren
die Wiederaufnahme von NE und DA, verlängern und intensivieren ihre Wirkung
Ecstasy
(methylendioxy-methamphetamin )
Abb: 15.16 Bear
Cocaine/Amphetamin (Ecstasy)wirkung: gesteigerte Wachheit, Aufmerksamkeit ,erhöhte lokomotor. Aktivität
gesteigertes Selbstwertgefühl, gesteigerte Durchhaltvermögen, euphorisierend, reduzierter Apetit,
sympathomimetisch (d.h. Effekt entspr. Sympatikusaktivierung, erhöhte Herzfrequenz, erhöhter Blutdruck)
Problem: Hohes Suchtpotenzial, in hohen Dosen/lange Einnahme neurotoxisch!
In sehr hohen Dosen sind Amphetamine halluzinogen (Symptomatik einer Schizophrenie).
Neurotransmittertransporter
2 funktionelle Typen: a) intraneuronal, vesikulär (Beladen der synaptischen Vesikel)
b) Plasmamembrantransporter (in Neuronen und Glia),
 Entf. des Transmitters aus dem synaptischem Spalt.
Triebkraft: nutzen Ionengradienten von Na+ oder H+
Symporter: Cotransport von Molekül mit Ionengradient (Plasmamembran-T.)
Antiporter: Transport von Molekül entgegen dem Ionengradienten (vesikulärer Transporter)
wichtig: Ionengradienten werden von ATP getriebenen Ionenpumpen aufrechterhalten
Aminosären als Neurotransmitter:
Biosynthese von GABA
C5
•  GAD (2 Isoenzyme) ist ein sehr guter
spezifischer Marker GABAerger
Neuronen.
γ#
C4
β#
α#
•  Auch die vesikulären Transporter
(VIAATs= vesicular inhibitory aa transporter)
sind spezifisch für inhibitorische (GABAerge
und glycinerge) Neuronen.
γ-Amino-butyric acid
(Buttersäure C4 Säure)
GABA Funktion: wichtigster inhibitorischer Transmitter des CNS
Signaltermination im GABAergen System:
•  Wiederaufnahme: durch GABA-Transporter (mehrere GATs)
der Plasmamembran auf Neuronen und auf Gliazellen
Wiederaufnahme auch durch Gliazellen ist typisch für alle
Aminosäuretransmittersysteme,
im Gegensatz zu Catecholaminen bei denen Wiederaufnahme
ausschließlich durch neuronale Transporter erfolgt.
•  Metabolisierung: durch neuronale GABA-Transaminase
Glutamat als Neurotransmitter
EAAT
VGluT
vesikulärer
Glutamat
Transporter
(Marker!!)
Quelle: Purves
Signaltermination: Wiederaufnahme von Glu durch Plasmamembrantransporter
(EAATs: excitatory aminoacid transporters) auf Neuronen und insbesondere Glia.
Gliazellen synthetisieren große Mengen an Gln und konvertieren Glu zu Gln,
das den Neuronen zur Verfügung gestellt wird.
Neurotransmitterrezeptoren
Ligandengekoppelte Ionenkanäle
= ligand gated ion channels
= ionotrope Rezeptoren
•  Reaktionszeit: millisec.
•  Beispiele: nACh-Rezeptor, GABAA-R, Gly-R
ionotrope Glutamat-R (iGluR)
metabotrope Rezeptoren, G-Protein gekoppelt
•  Reaktionszeit: Sekunden
•  Beispiele: Adrenerge Rezeptoren, Peptidhormon-R.
metabotrope Glutamat-R (mGluR), Cannabinoid-R, GABAB-R
short cut: β/γ gated channels
Gα/ second messenger
modulated channels
Liganden-aktivierte Diffusion von Ionen durch Kanalproteine
entlang des elektrochemischen Gradienten
Extrazelluläre Liganden
überwiegende Mehrzahl aller Liganden, Amine, Aminosäuren, Purine
z.B. Acetylcholine, Glutamat (exzitatorisch), GABA, Glycin (inhibitorisch).
Intrazelluläre Liganden:
“Second messengers", wie cAMP und cGMP werden bei sensorischen Prozessen generiert.
Geruchswahrnehmung: GPCRs cAMP wirkt auf cAMP gated Ca2+/Na+ channels
Optische Reize: Licht aktiviert Rhodopsin/Transducin cGMP gated Na+ channel).
Capsaicin (Chilli) wirkt als intrazellulärer Ligand von nozizeptiven Transduktions-Kanälen
Ionenselektivität von Kanälen
Kationenselektive Kanäle
nichtselektive: permeabel für Na+, K+, Ca2+
Selektiv: nur für bestimmte Kationen permeabel
Funktion: depolarisierend, Einstrom von Na+, Ca2+, (exitatorisch)
repolarisierend/hyperpolarisierend K+ Einstrom (inhibitorisch)
:
Anionenselektive Kanäle
Permeabel für Cl- ,
Funktion: hyperpolarisierend, inhibitorisch
Grundtypen ionotroper Neurotransmitter Rezeptoren"
nicotinischer
Acetylcholin-R
iGlutamat-R
Pentamer
Tetramer
Ähnlich zu nAChR: !
GABAA-R,!
Glycin-R, !
5-HT3, IP3R!
P2X Purin-R
Liganden:
z. B.ATP
, ADP
Porenbildende Domäne:
TM2 bzw. P-loop
Trimer
Der nACh-R als Prototyp pentamerer
Liganden-aktivierter Ionenknäle
Ring negativer Seitenketten
wirkt abstoßend auf
Cl- Anionen,
 Kationenselektivität
Ligandenbindung:
In extrazellulärer Domäne
zwischen den Untereinheiten
α-Helices bilden selektive
Schleuse: Permeabel für
K+, Na+, >> Ca2+
Adulte Form des
Muskel-R:
Hetero-Oligomer
α2βγδ
Acetylcholin induziert Öffnung der Kanalschleuse:
Liganden-induzierte Rotationsbewegung läßt hydrophobe
Leucinseitenketten (L) zur Seite gleiten,
hydrophile Serine werden exponiert.
 Zutritt für solvatisierte Kationen
Aktivierung
Strukturelle Komplexität oligomerer Rezeptoren
•  Kanal besteht aus verschiedenen Untereinheiten:
z. B α, β, γ, δ, etc
•  Es existieren für einen Typ Untereinheit weitere
Subtypen, die von verschiedenen Genen Kodiert werden
z. B. α(1), α (2), α(3).... etc
(zusätzlich existieren häufig auch noch Splicevarianten)
prinzipielle Fragen:
•  Aus welchen Untereinheiten ist der Rezeptor in vivo aufgebaut?
•  Gibt es Zelltyp-spezifische Varianten?
•  In welchen Regionen des Nervensystems werden diese exprimiert?
•  Haben diese Varianten unterschiedliche funktionelle Eigenschaften?
Analyse durch: Elektrophysiologie, Pharmakologie, transgene -Mäuse,
klinischer Phenotyp von Mutanten (Krankheitsassoz. oder
gentechnisch erzeugte z. B Knockout-Mäuse, Knockin Mäuse).
Elektophysiologische Analyse von Rezeptoren
nach Expression in Xenopusoozyten
Elektophysiologische Analyse von Rezeptoren
nach Expression in Xenopusoozyten
1. Herstellung von in vitro transkribierter mRNA (z. B. T7, SP6-Polymerase/promotor)
für bestimmten Rezeptor (z. B. bestimmte Kombination von Rezeptorsubtypen,
oder Rezeptorvarianten mit Mutationen z. B in Ligandenbindestelle, etc)
2. Injektion von mRNA in Oocyten von Xenopus
3. Effiziente Translationsmaschinerie der Oocyte erzeugt große Mengen an Rezeptor
4. nach 1-3 Tagen: Elektrophysiologische Abtleitungen: einfach zu patchen,
große „whole cell“ Ströme,
teilt sich nicht
Injektion
von mRNA
Translation
Strukturelle Komplexität:
Art der Untereinheiten bestimmt Kanaleigenschaften
 z. B. Öffnungskinetik (wie schnell öffnet und schließt sich der Kanal?
%
%
%
%
%rise time, decay time,
Leitfähigkeit (wie groß ist der Ionenstrom Imax und damit der Effekt?),
Desensitisierung, Bindung von Agonisten und Antagonisten
Adulte Form des Muskel-R: α(1)2βγδ  β Untereinheit ersetzt embryonale ε Unter.
embryonale Form des Muskel-R.: α(1)2εγδ
Neuronaler Typ im ZNS: hauptsächlich α2β3
es existieren daneben verschiedene Subtypen der Untereinheiten:
α1-9, β1-4  theoretisch tausende Kombinationsmöglichkeiten.....
aber nur bestimmte werden zelltyp-spez. exprimiert, z. B:
Hetero-oligomere
Homo-oligomer
Inhibitorische Neurotransmitter Rezeptoren!
•  GABAA-R und GlyR:"
•  liganden gekoppelte Cl- Kanäle"
•  Pentamer, nACh-Typ, Hetero-oligomere"
•  postsynaptische Proteine clustern"
Rezeptoren in der Postsynap. Membran"
ClCl-
β
ClCl- Cl
Cl-
Cl-
GABAerges System:
im gesamten CNS
Kontrolliert Wachheitszustand,
Angstkontrolle, Muskelspannung,
epileptische Aktivität, Lernen +Gedächtnis
Glycinerges System:
v. A. im Hirnstamm und Rückenmark,
Reguliert sensorische und motorische
Funktionen, den Muskeltonus, Nozizeption
Gegenspieler zum schnellen, exzitatorischen, glutamatergen System!
Pharmakologische Modulation von Kanaleigenschaften
1)
2)
Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology
zu 2):
•  Modulatoren wirken inhibitorisch oder potenzierend
(bezogen auf jeweiliges Rezeptor-Signal)
•  allosterische Modulatoren: binden außerhalb der Ligandenbindestelle,
regulieren über eine Konformationsänderung die Rezeptoreigenschaften
•  kompetitive Antagonisten/Agonisten konkurrieren mit endogenem Liganden
um die Bindestelle.
Pharmakologische Modulation von Kanaleigenschaften:
am Beispiel des GABAA-Rezeptors
GABAA-R: Grundtyp α2β2γ-Pentamer
(vielfältige Rezeptorvarianten und Subtypen)
Positive (allosterische) Modulatoren
Benzodiazepine:. z. B. Valium:
 Potenzierung der GABA-Affinität (EC50 )
 erhöhte Inhibition„Dämpfung“ der Erregbarkeit
klinische Anwendung: angstlösend, sedierend,
muskelrelaxierend, antikonvulsiv (krampflösend)
α2β2γ-Pentamer
Barbiturate z. B Pentobarbital
erhöhen Cl- Einstrom, (auch ohne Gegenwart von GABA
 wirkt als Agonist, nicht als Modulator)
sedierend, starke Schlafmittel (Gefahr der Überdosierung, Tod
Anesthetika z.B Isofluran, Propofol:
wirken potenzierend auf GABA-R, binden an TM Region
(wirken auch auf viele andere Rezeptoren)
Ethanol: wirken potenzierend auf GABA-R
sedierend, reduzierte Aufmerksamkeit und
langsamere Motorik (wirkt auch auf viele andere Rezeptoren)
Pharmakologische Modulation von Kanaleigenschaften:
am Beispiel des GABAA-Rezeptors
Inhibitoren
Picrotoxin:
Kanalblocker verhindert Cl--Einstrom
Bicucullin:
hemmt kompetitiv die GABA-Bindung
α2β2γ-Pentamer
Picrotoxin und Bicucullin wirken konvulsiv
(werden klinisch nicht verwendet, aber wichtige
Substanzen für Elektrophysiologie)
Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology
Typen von Glutamat-Rezeptoren!
ionotrope!
iGluRs!
nicht-NMDA-R!
(Kainat-R, AMPA-R)!
selektive Agonisten
metabotrope!
mGluRs!
(GPCR)!
NMDA-R!
physiol.
Ligand
selektiver Agonist
Abb 13.9 Kandell,
Neurowissenschaften
Typen von Glutamat-Rezeptoren!
ionotrope!
nicht-NMDA-R!
(Kainat-R, AMPA-R)!
•  frühe Komponente
des EPSC,
•  sehr schnelle ÖffnungsKinetik
•  Na+, K+, (Ca 2+)
NMDA-R!
•  späte Komponente
des EPSC,
•  langsame ÖffnungsKinetik
•  Na+, K+, Ca2+
•  Gly essentieller
Coagonist
•  Ionotrope Glutamat-Rezeptoren vermitteln den Großteil der schnellen
exzitatorischen Neurotransmission im Gehirn.
•  NMDA und AMPA Rezeptoren sind häufig postsynaptisch colokalisiert.
NMDA: N-methyl-D-Aspartat; AMPA: L-a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid
EPSC: excitatory postsynaptic current
Glycin wird am NMDA-R für effizienten
Ionenfluß benötigt  wirkt als essentieller Co-Agonist
C, D: AMPA und Kainatrezeptoren werden durch Glycin nicht potenziert
Quelle: Abb 32.5 Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology
Klonierung der Glutamat-Rezeptorgenfamilie
zeigt die molekulare Diversität der iGluRs
AMPA-R: GluA1-4 (alte Nomenklatur GluRA-D)
Kainat-R: GluK1-5 (alte Nomenklatur
GluR5-7, KA1, KA2)
NMDA-R: GluN1, GluN2A-N2D, GluN3A-GluN3B
obligate N1/N2 oder N1/N3 hetero-Oligomere
(alte Nomenklatur NR1, NR2A-D, NR3A-B)
AMPA und Kainat-Kannäle können jeweils aus homo-Oligomeren oder
hetero-Oligemeren verschiedener Untereinheiten funktionelle Kanäle bilden.
 viele kombinatorische Möglichkeiten
....daneben mGluRs: mGluR1-8
Struktur der Glutamatrezeptoren
•  alle iGluR homolog auf Sequenzebene und strukturell verwandt
•  iGluR Kanal wird durch ein Rezeptortetramer aufgebaut
•  Struktur der Untereinheiten: nicht 4 sondern nur 3 TMs,
•  Pore-loop statt TM2 kleidet die Pore aus
•  Ligandenbindung: nicht zwischen den Untereinheiten, sondern innerhalb einer UE
funktionell wichtige Domänen:
ATD: Aminoterminal domain (bestimmt Homo-Hetero-Oligomerisierung, Transport zur Oberfläche)
LBD: Ligand binding domain (TM3/TM4 Loop plus membranproximale Region des N-terminus)
Quelle: Squire et al.,
Fundamental Neuroscience
Struktur der Glutamatrezeptoren
Quelle: Squire et al.,
Fundamental Neuroscience
Ionenselektivität: Reste im Pore-loop sind entscheidend (Q/R site):
z. B. GluA1,3,4: Glutamine (Q, neutral): Ca2+ permeabel
bei GluA2: Arginin (R) positive Ladung, nicht Ca permeabel,
GluA2 enthaltende AMPA-R sind nicht für Ca permeabel, häufigste Variante in ZNS;
Vergleiche mit NMDA-R: Asparagin N (neutral), verantwortlich für Ca2+ Permeabilität
Nature 462, 745 (2009)
Aufsicht auf ATD
ATD: Aminoterminal domain (bestimmt Homo-Hetero-Oligomerisierung, Transport zur Oberfläche)
LBD: Ligand binding domain
TMD: Transmembrane domain
NMDA-R ist im Grundzustand durch Mg2+-Block verschlossen,
 Membrandepolarisation entfernt Mg2+, Ca2+ Einstrom
Öffnung des Kanals bei:
Glu (NMDA) + Gly + Depolarisation!
Quelle: Squire et al., Fundamental Neuroscience
NMDA-R wird moduliert: e. g. Co-Agonist Gly, Modulation durch Zn2+; Phosphorylierung
Der NMDA Rezeptor ist sowohl Liganden-abhängig als auch Spannungs-abhängig!!
normale syn. Transmission!
(bei Ruhepotential)!
Kandell, Neurowissenschaften
nach Depolarisation!
(z. B. nach vorherigem Na+
Einstrom über AMPA-R)!
Ca 2+ abhängige!
Signalkaskade!
Bedeutung des NMDA-R abhängigen Ca2+ Signals:
Anstieg der intrazell.Ca-Konzentration führt zu vielfältigen Effekten u.a:
•  Aktivierung von Kinasen: PKC, CaM-KinaseII, IV (Ca-Calmodulin dependent kinase)
•  Induktion der Genexpression (CREB, cAMP responsive element binding protein)
•  reguliert das Öffnen von Kanälen
Physiologisch:
•  essentiell für das Überleben: NMDA-R KO Mäuse lethal (Atemzentrum defekt)
•  essentiell für Lernprozesse, synaptische Plastizität (LTP)
Pathologisch:
•  involviert in neuronale Übererregbarkeit, Epilepsie
•  neuronaler Zelltod (Exzitotoxizität) durch Glutamat/Ca Einstrom bedingte
Übererregung, z.B, bei bei Schlaganfall und neurodegenerative Krankheiten,
wie Alzheimer (daher wird Kanalblocker Memantine bei Demenzen eingesetzt)
Pharmakologische Angriffsmöglichkleiten am NMDA-R
AP5, AP7
Kompetitive Antagonisten
(nur experimentell wichtig)
Kynurenic
acid
Kanalblocker:
Ketamine
Phencyclidine (= PLP)
Dizocilpine MK801
(Problem: alle halluzinogen)
Memantine: nicht halluzinogen  Klinische Anwendung: Dementielle Syndrome
Spätstadien Alzheimer
Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology
Überblick: Molekulare Architektur von Ionenkanälen
Porenbildende TM2-Domäne, P-loop
TM4: Spannungsensor
Quelle: Abb3.16 Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology
Blau: Domänen, die in der
Kanalpore lokalisiert sind
Selektivitätsfilter
Molekulare Architektur von Ionenkanälen:
Kanalbildende und modulierende e.g. β-Untereinheiten
Quelle: Purves
Wie kann man Lernen definieren?
Lernen ist eine durch Erfahrung bedingte
adaptive Veränderung des Verhaltens
...aber auch das Aneignen von Fertigkeiten und Fakten
Was hat lernen mit Synapsen zu tun?
Lernen auf zellulärer Ebene
Wie können Neuronen Informationen speichern?
•  alte Theorie: Proteine als Gedächtnismoleküle...??
•  aktuelle Theorie:
•  durch Verstärkung bzw. Abschwächung bestimmter synaptischer
Verbindungen
•  durch Neubildung oder Abbau von Synapsen
•  durch Neubildung von Neuronen, adulte Neurogenese im Hippocampus
Wichtige anatomische Struktur für Lernen und Gedächtnis:
Der Hippocampus (im medialen Temporallappen)
Hippocampus besteht aus Gyrus dendatus und
Ammonshorn (Cornu ammonis) CA1, CA3-Region
1) Neuronen des entorhinalen Cortex projizieren
auf Körnerzellen im Gyrus dendatus.
Das entsprechende Axonbündel wird als
pp „perforant path“ bezeichnet.
pp
2) Zellen des Gyrus dentatus projizieren mit
Moosfaseraxonen (mossy fibers)
auf Neuronen der CA3 Region
3) CA3 Neuronen bilden Axonprojektionen, die sich
Zellsomata in DG und CA1, CA3
Fig: 25.17 Bear
verzweigen: ein Ast verlässt den Hippocampus
(in Richtung Fornix, Hypothalamus), der andere Ast,
die Schaffer Kollateralen bilden
Synapsen mit Dendriten der CA1 Pyramidenzellen
Ein berühmter neurologischer Patient: Henry M.
Nach schwerer Epilepsie (generalisierte Krampfanfälle, Zungenbeißen, Bewußtlosigkeit)
 beidseitige Entfernung des medialen Schläfenlappens (Cortex und Hippocampus);
(1953, Dr. Brenda Milner als behandelnder Arzt)
Quelle: Kap. 24, Baer
Ein berühmter neurologischer Patient: Henry M.
 Ergebnis: Besserung der Epilepsie, aber.......
retrograde Amnesie
•  schwere anterograde Amnesie:
- episodisches (autobiographies)Lernen und
Lernen neuer Ereignisse und
- Faktengedächtnis/lernen
völlig zerstört
anterograde Amnesie
•  nur leichte retrograde Amnesie,
Kindheitserinnerungen intakt
hingegen:
•  normale Sprache und Intelligenz
•  Arbeitsgedächtnis (z. B. kurzfristige Wdh. von Zahlenfolgen) nicht beeinträchtigt
•  motorisches, prozedurales
Lernen normal:
lernte Stern nachzuzeichnen,
wobei er sich dabei nur
im Spiegel beobachten konnte.
Quelle: Kap. 24, Baer
Dekalaratives (explizites) und nichtdeklaratives (implizites) Gedächtnis
Gedächnisinhalte gelangen
ins Bewußtsein
semantisches
Gedächtnis
Gedächnisinhalte gelangen
NICHT ins Bewußtsein
Episodisches
Gedächtnis
z. B chem. Strukturformeln,
Hauptstädte etc
Fahradfahren
Schnürsenkelbinden
Zusatzfolien
Nicht klausurrelevant
Elektrophysiologie am Hippocampusschnitt CA3/CA1:
- Stimulation der Schaffer Axonkollateralen (Axone der CA3 Neuronen),
- Detektion der postsynaptischen Potentiale in den CA1 Pyramidenzellen
 CA1 Neuronen zeigen LTP (long term potentiation) nach hochfrequenter Stimulation
Quelle: Fig 18.2 Byrne and Roberts, From Molecules to Networks
Anmerkung: in dieser Abb ist DG/CA3, CA1
gespiegelt gegenüber letzter Folie
Langzeitpotenzierung LTP: langanhaltende Verstärkung
der postsynap. Potentiale nach hochfrequenter Stimulation
(long term potentiation)
z.B. Tetanus von 50-100 stimuli, 100 Hz
Quelle:
Purves
Fig 8.7
•  schwacher Stimulus induziert konst EPSP (baseline: pathway 1, vor Tetanus,)
•  Tetanus (high frequency stimulus) induziert verstärktes EPSP,
das auch nach Ende des Tetanus und lediglich basaler Stimulation für Stunden
bis Tage anhält.
•  Pathway 2 dient als Kontrolle, wurde nicht durch Tetanus stimuliert
•  Diese „long term potentiation“ LTP entspricht Verstärkung der Synapsenstärke
•  Modell für Lernvorgänge
Mechanismus: NMDA-R abhängig
Pharmakologische Blockade des NMDA-R oder
genetischer Knockout verhindern LTP.
Molekulare Effekte beim early LTP:
Ca 2+ Einstrom durch NMDA-R:
[Ca 2+ ] > 5 µM
1.  Ca 2+ aktiviert Kinasen (PKC, CaMK),
die AMPA-R phosphorylieren
  höhere Leitfähigkeit der individuellen
Kanäle
2. Ca 2+induziert die Neuinsertion
von AMPA-R in die Postsynapse
(induziert „receptor trafficking“)
 höherer Ganzzellstrom
Synapsenstärke ist modulierbar:!
NO induziert ein retrogrades Signal in der Präsynapse!
aus Kandell, Principles of Neurposcience
Ca2+ induziert sekundäre Signalkaskaden: Neu-Insertion von AMPA-R und Phosphorphorylierung von AMPA-R
verstärkt die Postsynaptische „Antwort“,
LTP induziert NO-Synthetase NO diffundiert zur Präsynapse vermehrte präsynaptischen Glu-Freisetzung
Retrograde Signalgebung
Spätphase “late” LTP ist translationsabhängig:
blockierbar durch Cycloheximid, Anisomycin
Quelle: Purves
Spätphase der LTP Ca2+ Signalkaskade:
Induziert Genexpression, Ausbildung zusätzlicher Synapsen (spines).
wichtiges Signalmolekül für LTP und strukturelle synaptische Plastizität
BDNF brain derived neurotrophic factor
Quelle: Purves
Funktionelle Veränderungen können
zu strukturellen Veränderungen führen
Rez. Phosphorylierung
Rez. Insertion
Ausbildung
mehrer PSDs
Ausbildung
mehrer Spines
Presynaptische
Remodellierung
mehrere aktive Zonen
Strukturelle Plastizität läßt sich experimentell „live“ in transgenen
EGFP exprimierende Mäusen beobachten:
dendritische Spine-Struktur ist hochdynamisch
Biosynthese von Serotonin (5-HT) aus Tryptophan
•  Synthese limitiert
durch Verfügbarkeit
von Tryptophan im Blut
•  essentielle Aminosäure
 proteinreiche Nahrung
•  Transporter für hydrophobe
Aminosäuren reguliert
Aufnahme ins Gehirn.
5-HT Funktionen: reguliert Stimmungen, Emotionen, Schlaf  “Glückshormon“
Serotonerge Signaltermination
Hauptmechanismus:
Wiederaufnahme durch Transporter der Plasmamembran
  einige Antidepressiva wie Prozac (fluoxetin) wirken durch Hemmung des
5HT- Plasmamembrantransporters. (SSRI= selective serotonin reuptake inhibitor)
weiterer Mechanismus:
Enzymatischer Abbau durch MAO Monoaminoxidase
(in den Mitochondrien der Präsynapse).
 auch Hemmstoffe der MAO werden als Antidepressiva eingesetzt.
Spannungsabhängige Ionenkanäle
Spannungs-induzierte Drehgleitbewegung
von TM4 führt zu Kanalöffnung
Quelle: Löffler, Petrides, Biochemie und Pathobiochemie
Pharmakologische Interventionsmöglichkeiten
am Na+- Kanal
Permamente Membrandepolariation,
Verlust der neuronalen Erregbarkeit
Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology
Lokalanästhetika sind amphiphil
(schwache Basen, pKa=8-9)
LA wirken in protonierter Form und binden von der
Cytosolischen Seite innerhalb der Kanalpore.
Der Transport durch die Membran erfolgt jedoch
in unprotonierter Form.
Na-Kanäle werden „gebrauchsabhängig“ inaktiviert:
Bessere Zugang des LA nach mehreren Öffnungszyklen.
Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology chapter 40 Analgesic drugs
Eigenschaften von K+-Kanälen
•  K+ Kanäle: 4 Untereinheiten,
•  Pore loop bildet den Selektivitätsfilter
•  Selektivitätsfilter hochkonserviert zw. Spezies
•  Kanal selektiv permeabel für K+:
Perm. K+ 10.000 mal größer also Perm Na+ !!!!
•  Extrem hohe Leitfähigkeit, nahe Diffusionsgrenze:
107- 108 K+ /Sec
Problem:
Wie wird bei hoher Selektivität (die auf starken, hochenergetischen
molekularen Wechselwirkungen beruht)
gleichzeitig diese extrem hohe Durchflussrate
der K+ Ionen erzielt?
Wie wird die hohe Durchflussrate erreicht?
•  Es befinden sich mehre Ionen in der Pore
•  Bindung erfolgt hochkooperativ
•  Switch zw. 1,3 und 2,4 Konfiguration