NeuroVorlseung_Gruenewald_29-04-11
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Neurobiologie g Prof. Dr. Bernd Grünewald, Institut für Bienenkunde, FB Biowissenschaften www.institut-fuer-bienenkunde.de [email protected] Freitag, 8. Mai um 8 Uhr c.t. Synapsen II Die postsynaptische Membran - Synapsentypen - Gap Junctions - Chemische Synapse Transmitterfreisetzung Neurotransmitter Transmitterrezeptoren - Synaptische S ti h Plastizität Pl ti ität Was geschieht an der Postsynapse? www.sciencemag.org Klassen von Neurotransmittern Catecholamine Derivative des 1,2-Dihydroxybenzol Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin Indolamine I d l i synthetisiert aus der AS Tryptophan Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) Acetylcholin Aminosäuren y , GABA,, Glutamat,, Glycin, Peptide Neurotensin, FMRFamide Nucleotide ATP, cAMP, cGMP Gasförmige Neurotransmitter NO, CO Vier Kriterien für einen Neurotransmitter 1. Applikation des Transmitters muß die gleiche Wirkung an der postsynaptischen Zelle auslösen wie die elektrische Reizung des präsynaptischen Neurons. 2 P 2. Präsynaptische ä ti h Terminale T i l müssen ü T Transmitter itt enthalten. 3 Bei Reizung des präsynaptischen Neurons muß 3. der Transmitter freigesetzt werden. 4 Postsynaptische Membran muss Rezeptoren für 4. den Transmitter besitzen. Welche Arten von Transmitterrezeptoren gibt es? Ionotrope Rezeptoren: Metabotrope Rezeptoren: R Rezeptor t ist i t ein i IIonenkanal k l R Rezeptor t an G G-Protein P t i gekoppelt k lt Transmitterbindung – Kanal öffnet second messenger Signal Änderung des Membranpotenzials (PSP) Modulation der Zellphysiologie Direkte synaptische Transmission Indirekte synaptische Transmission Beispiele für ionotrope und metabotrope Rezeptoren Ionotrop Metabotrop Acetylcholin Nikotinischer AChR Muskarinischer AChR Glutamat AMPAR NMDAR mGluR1...mGluR8 GABA GABAAR GABACR GABABR Adrenalin, Noradrenalin ‐‐‐‐ Adrenerge Rezeptoren 1, 2, ((Herz) ) Dopamin ‐‐‐‐ D1..D5 Dopamin‐ Rezeptoren Serotonin 5 HT3 Rezeptor 5‐HT R 5‐HT 5 HT1, 5‐HT 5 HT2, 5‐HT4, 5‐HT5 NO ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ Guanylatcyclase ( (sGC) ) Erregende (exzitatorische) Übertragung Transmitterrezeptoren – der nAChR Der nikotinische Acetylcholinrezeptor Electrisches Organ von Torpedo Heteromerer Proteinkomplex 5 Untereinheiten (2,,, 2 ACh-Bindungsstellen Ionenselektive Pore: Durchmesser 8.5Å Jede UE mit 4 TM Domänen 3 negativ geladene Ringe (neg. geladene AS: Asp, Asp Glu) Ringe = Selektivitätsfilter: Kationenkanal Rings exit region exit region Cytoplasmic view Byrne & Roberts 2004 Byrne & Rob berts 2004 Öffnung des nikotinischen Acetylcholinrezeptors 2 ACh Moleküle binden Konformationsänderung des Proteins Zeitkonstante der Aktivierung: ~20µs Kationen können durch Pore diffundieren Wie können wir so etwas messen? The nicotinic acetylcholine receptor of the honeybee brain Whole cell patch clamp to study ionotropic transmitter receptors pipette tip suction "giga seal" CELL ATTACHED CELL-ATTACHED pull suction WHOLE-CELL pull whole cell patch clamp INSIDE OUT INSIDE-OUT pull OUTSIDE OUT OUTSIDE-OUT The nicotinic acetylcholine receptor of the honeybee brain Whole cell patch clamp to study ionotropic transmitter receptors Rf Multibarrel Application Pipette agonist pressure application li ti patch-clamp patch clamp Upip + Electrode Cell Usoll Uaus Current + Command Potential wüstenberg 2002 The nicotinic acetylcholine receptor of the honeybee brain C Currents t th through h th the h honeybee b nicotinic i ti i receptor t Die cholinerge Synapse Es gibt zwei verschiedene Typen von Glutamatrezeptoren Was ist ein Umkehrpotential? Welche Ströme fließen? Stimulation der Präsynapse Strommessung an der Postysnapse Einwärtsstrom = Kationen (z.B. Na+, K+) in die Zelle hinein Auswärtsstrom = Kationen aus der Zelle heraus z. B.: nAChR: bei negativen VM: Na+ in die Zelle hinein = Depolarisation Umkehrpotential Erev = 0 mV; ENa = +75 mV EK = -70 mV nAChR: Kationenkanal mit gleicher Leitfähigkeit für Na+ und K+ Ionen Signalverrechnung: synaptische Integration ein einzelnes AP, ein Axon: EPSP Amplitude p gering g g Signalverrechnung: synaptische Integration mehrere Axone, mehrere AP g gleichzeitig: g EPSPAmplitude höher Signalverrechnung: synaptische Integration ein Axon, mehrere AP hintereinander: EPSP-Amplituden summiert Verrechnung (Integration) an Synapsen: • Räumliche Summation • EPSPs/IPSPs verschiedener Synapsen, Synapsen die zz. B B. an einem Dendritenbaum ansetzen, werden in der postsynaptischen Zelle zu jedem Zeitpunkt addiert. • Zeitliche Summation • Die in einer Präynapse zeitlich kurz aufeinander folgenden Aktionspotentiale lösen in der postsynaptischen Zelle EPSPs/IPSPs aus, welche addiert add e t werden. e de • Kabeleigenschaften des Neurons: • Für die Integration sind die passiven elektrischen Eigenschaften des postsynaptischen Neurons sehr wichtig (Konstanten und ). Sie hängen vom Durchmesser des Dendriten ab. Wie funktioniert eine inhibitorische Synapse? Ob ein Neurotransmitters erregend oder hemmend wirkt, hängt ausschliesslich von der Art der postsynaptischen p y p Rezeptormoleküle p ab: erregend: in der postsynaptischen Zelle wird ein EPSP (erregendes postsnaptisches Potential) gebildet hemmend: es wird ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) gebildet Der ionotrope GABAA Rezeptor Schlafmittel verstärken die GABAerge Inhibition Präsynaptische y p Inhibition Und was ist mit metabotropen Rezeptoren? G d t kt eines Grundstruktur i metabotropen t b t R Rezeptors t einheitliches Bauprinzip Einzelnes Polypeptid 7 TM Domänen Keine Kanalpore Bindungsstelle für Transmitter G-Proteine G i an intrazellulären i ll lä Loops Konformationsänderung durch Transmitterbindung Aktivierung des G-Proteins Metabotrope Transmitterrezeptoren: ACh M k i i h Rezeptor Muskarinischer R t iim Herzmuskel H k l G-Proteine pp g an K+ Kanäle Kopplung Öffnung des K+ Kanals Hyperpolarisation des Muskels Verringerung der Herzfrequenz Reaktionszeit schnell: 30 – 100ms Si Signalwege l metabotroper t b t R Rezeptoren t Verkürzter Signalweg Second messenger KAskaden pp g über G-Proteine an Kopplung Kopplung pp g über G-Proteine an Ionenkanäle Enzyme schnell langsam direkt über intrazelluläre Botenstoffe geringe Verstärkung hohe Verstärkung möglich kurze Wirkung lange Wirkung 2 d Messenger 2nd M Signalweg Si l I: I cAMP AMP G-Protein aktiviert Adenylatcyclase cAMP wird gebildet cAMP aktiviert Proteinkinase A Phosphorylierung von Zielproteinen 2 d Messenger 2nd M Signalweg Si l II: II PLC G-Proteine aktiviert Phospholipase C (PLC) IP3 wird i d gebildet bild t Ca2+-Freisetzung aus ER g der Proteinkinase C ((PKC)) Aktivierung Phosphorylierung von Zielproteinen Vorteil: Verstärkung des Signals Fragen g • Welche Typen von Transmitterrezeptoren gibt es? • Wie ist ein Transmitterrezeptor T ansmitte e epto aufgebaut? a fgeba t? • Was ist ein EPSP und wie kommt es zustande? p Transmitterrezeptoren? p • Wie funktionieren metabotrope • An welche Signalwege koppeln metabotrope Rezeptoren an? Lit Literatur t Bear, Connors, Paradiso – Neurowissenschaften. Spektrum 2009 Heldmaier, Heldmaier Neuweiler – Vergleichende Tierphysiologie I. I Springer 2003 Byrne & Roberts - From Molecules to Networks. Academic Press 2009
