Idegi Kommunikáció

Neurale Kommunikation
Die Molekular- und Zellenbiologie der neuronalen Kommunikation
Inhalt
1. Einleitung
1a. Die Art des Signaltransports
1b. Die Netz-Theorie kontra Neuron-Theorie
1c. Die Komplexität des Nervensystems
1d. Die Arten der Neurone
2. Der Funktionsmechanismus eines Neurons
2a. Ruhepotential
2aa. Das Wandern der elektrisch geladenen Teilchen
2ab. Das Donnan Gleichgewicht
2ac. Steady state
2ad. Gleichgewichtspotential
2ae. Ruhepotential
2b.Transportproteine
2ba. Arten der Transportproteine
2bb. Regulierung der Ionenkanäle
2bc. Gap-junction
2bd. Na+- K+ Pumpe
2be. Na+, Ca+Kanäle
2bf. K+ Kanäle
2bg. Funktionsmechanismus der Ionenkanäle
2bh. Funktion der Spannungssensoren
2c.Aktionspotential
2ca. Erregung, EPSP
2cb. Hemmung, IPSP
2cd. „Alles oder Nichts” Gesetz
2ce. Verbreitung des Aktionspotentials
3.
Kommunikation der Neurone
3a. Synaptischer Signaltransport
3aa. Arten der Synapsen
3ab. Funktionsmechanismus der chemischen Synapsen
3ac. Neurotransmitter
3b.Rezeptore
3ba. Arten der Rezeptoren
3bb. Ionotrope Rezeptoren
3bc. G-Protein gekoppelte Rezeptoren
3d. Neuromodulation
3da. Hemmung
3db. Autorezeptoren
3dc. Metabotrope Rezeptor Modulation
3de. Long-term Potential
3f. Funktionelle Neuronsysteme
Wörterverzeichnis
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Neurale Kommunikation
1. Einleitung
Die Arten der Signalübertragungen (Folie 1) Lokale Kommunikation: Die Zelle sendet sich
die Informationen, durch autokrine Signalübertragung, selbst. Im Fall einer parakrinen
Signalübertragung findet die Kommunikation zwischen der Zelle, und deren Nachbarzellen
statt, dies wird, wenn es sich um einen Neuron handelt, neurokrine Signalübertragung
genannt. Ferne Kommunikation: Die endokrine Signalübertragung bedeutet den Transport von
Hormonen bis zu den Rezeptoren der fernen Zellen, mit Hilfe der Blutströmung. Die
Neurokommunikation ist selbstverständlich auch eine ferne Signalübertragung, denn die
Neurone kommunizieren nicht ausschliesslich mit den Nachbarzellen. Hormone: Langsame
und diffuse (diese geraten durch den Blutstrom zu den Zielgeweben). Neuronale
Signalübertragung: Schnell und gezielt. Die beiden Systeme sind auf evolutionärer Ebene
miteinander Verwandt: mehrere Hormone funktionieren auch als Neurotransmitter. (Folie 4)
1b. Die Netz-Theorie gegenüber der Neuron-Theorie (Folie 2) Die Netz-Theorie (Camillo
Golgi): das Nervensystem besteht aus sogenannten Synzytien , deren Cytoplasma über
zusammenhängend (mit freiem Durchgang) sind, und über eine extrem hohe Anzahl von
Zellkernen verfügen. Die Neuron-Theorie sagt, dass grundsätzliche strukturelle und
funktionelle Einheiten des Nervensystems die Nervenzellen sind. Diese Theorie wurde in den
letzten Jahren des 19. Jahrhunderts von Santiago Ramón y Cajal bekannt gemacht. Laut dieser
Meinung sind die Neurone keine netzartig zusammenschmelzende Zellen, sondern genetisch
einzelne Einheiten, die auch in ihrem Stoffwechsel getrennt sind; diese verfügen über
Zellkörper, Axon und Dendrit. Weiterhin sagt die Neuro-Theorie aus, dass der neuronale
Signaltransport in eine Richtung stattfindet, von der Richtung der Dendrite (oder dem
Zellkörper) in Richtung der Axone (anterograde Verbreitung). Interessanterweise haben beide
Wissenschaftler 1906 einen Nobel-Preis (Physiologie und Medizin) bekommen. Golgi erhielt
diesen Preis wegen der von ihm enwickelten, sogenannten Golgi-Färbung. Von den durch
Anwendung dieser Technik erhaltenen Ergebnissen war es aber Cajal, der die richtigen
Konsequenzen ziehen konnte.
1c. Komplexität des Nervensystems (Folie 3) Das menschliche Gehirn besteht aus 3-5
milliarden (3-5 x 1011) Neuronen. Die Zahl der synaptischen Kontakte eines
durchschnittlichen Neurons beträgt 10 Tausend. Das heisst, dass im Gehirn eines Menschen
durchschnittlich 3-5 x 1015 Synapsen anwesend sind. Zwei weitere Faktoren steigern diese
gewaltige Komplexität: (1) die Synapsen können je nach Verwendung eine andere Struktur
annehmen ( Plastizität); (2) Die Reaktion einer Nervenzelle auf einen Stimulus hängt je von
dem Zustand der Zelle ab, welcher wiederum unter einer ständigen (nicht diskreten) und
komplexen Regulation steht.
1d. Die Arten der Neurone (Folie 4) Die ca. zehntausend Neuronartigen Elemente die das
Nervensystem bilden, können in drei grosse Gruppen eingeteilt werden, davon abhängend,
woher diese die Informationen wohin transportieren. (1) Die afferenten Nervenzellen – oder
auch Sensoneurone genannt – transportieren die Nervenimpulse von den Rezeptoren oder von
den Senso-Organen in die Richtung des zentralen Nervensystems. (2) Die efferenten Nerven
– anders auch motorische oder effektor Neurone genannt transportieren die Impulse aus der
Richtung des zentralen Nervensystems in die Richtung des periferischen Gewebe ( Muskeln,
Drüsen). (3) Die Interneurone sind solche Neurone, welche mit anderen Neuronen
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kommunizieren. Es gibt unter diesen zwei grundsätzliche Typen: die ProjektionsInterneurone (mit anderen Worten auch Schalt-Neurone genannt) verfügen über einen langen
Axon und ihre Aufgabe ist es die Informationen in niedrigere oder höhere Nervenzentren zu
transportieren. Die lokalen (örtlichen) Interneurone ( auch Assoziationsneurone genannt)
regulieren, modulieren die Funktion von Neuronen anderer Art.
2.
Der Funktionsmechanismus einer Nervenzelle
2a. Ruhepotential
Das Ruhepotential bedeutet das Potential einer nicht stimulierten, erregbaren Zelle ( Neuron-,
Muskel-, oder Herzmuskelzelle). Das Membranpotential ist der Unterschied zwischen der
Anspannung der zwei Seiten eines Plasmamembrans. Das Ruhepotential ist im Inneren der
Zelle negativ, der Wert davon liegt in einem Neuron, abhängend von der Art der Nervenzelle,
zwischen -65 mV und -90 mV. Die elektrochemische Kraft, welche ein Ion dazu bringt durch
ein Membran durchzudringen wird von dem Unterschied zwischen dem Ruhepotential und
dem Gleichgewichtspotential eines gegebenen Ions gewonnen ( siehe detailierter Sektion
2aa.). Das heisst, dass das Ruhepotential einerseits durch den Unterschied zwischen der intraund interzellularen Verteilung, andererseits dadurch, dass die Permeabilität des
Zellenmembrans unterschiedlich auf die einzelnen Ione wirkt, geschaffen wird. Das
Gleichgewichtspotential eines Ions ist der angespannte Zustand, in welchem keine netto
Einströmung in das Membran vorhanden ist. Erklärung: Strömung ist vorhanden (
dynamischer Zustand), aber die Zahl der ein- und austretenden Ionen ist ausgeglichen.
2aa. (Folie 5) Das Wandern der geladenen Partikel innerhalb einer Zelle wird von 3
Faktoren bestimmt: (1) Konzentrations(chemische)Gradient; (2) elektrisches-Gradient; (3)
Ionpumpe. In der Natur strebt alles nach Gleichgewicht. Ein Ion verfügt über eine zweiseitige
Natur: einerseits ist es ein über eine bestimmte materielle Qualität verfügendes Partikel (
Atom, Molekül), andererseits, ein über Ladung verfügendes Partikel. Zur Natur des Ions
gehört, das es sich auf den zwei Seiten des Zellenmembrans gleichmässig verteilt. Hierbei
zählt nicht was für andere Atome oder Moleküle in der Umgebung sind. Als geladenes
Partikel strebt das Ion stets danach, dass sich die Ladungen gleichmässig im Extra- und im
Intrazellularraum verteilen. Hierbei spielt die materielle Natur keine Rolle, nur die Ladung.
Wenn irgendein Ion nicht fähig ist durch den membran durchzudringen, dann wird sich in
Folge dessen auch die Verteilung der anderen Ione ändern, dass heisst, diese werden nicht
mehr gleichmäßig verteilt sein. Aber auch die Gesamt-Ion Verteilung gleicht nicht aus, denn
die Konzentration der Partikel kann wegen den erwähnten Gründen nicht gleich werden. Den
Prozess macht die aktive Teilnahme der Ionenpumpen an der Entwicklung des
Membranpotentials noch komplizierter.
2ab. (Folie 6) Das Donnan-Gleichgewicht bezieht sich auf die Verteilung der Ione auf den
zwei Seiten eines semipermeablen Membrans‫٭‬. Einige Ion-Artigkeiten können frei durch den
Membran‫( ٭‬durch Diffusion) durchdringen, während andere dies nicht schaffen. Diese
Situation führt an einer Grenzoberfläche zu einer unregelmäßigen Verteilung der Ionen.
2ac. Das steady state (Folie 7) ist solch eine dynamische Verteilung der Ionen auf den zwei
Seiten eines Membrans, welche sich mit der Zeit nicht verändert.
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2ad. Das Gleichgewichtspotential eines Ions (z.B. K+ auf Folie 8) ist die Spannung bei
welcher es keine netto Ionenwanderung durch den Membran gibt.
2af. Das Ruhepotential des Membrans (Folien 9-11) ist ein Spannungsunterschied zwischen
den zwei Seiten des Plasmamembrans eines nicht stimulierten Neurons. Wenn ein Neuron
kein Signal sendet, dann sagt man, dass es ruht. In einem Ruhezustand ist das Innere der
Nervenzelle mit dem Extrazellularraum verglichen negativ. Obwohl die Konzentration der
unterschiedlichen Ionen nach Gleichgewicht strebt, kann dies nicht verwirklicht werden, da
der Zellenmembran nicht für alle Ionen durchdringbar ist. Im Ruhezustand können die
Kaliumionen recht einfach durch die Membran dringen ( durch die sickernden KaliumIonkanäle; siehe später), bis dies für die Klorid und Natrium Ionen nicht so einfach ist. Die
negativ geladenen Proteinmulekülen ( A1) sind überhaupt nicht in der Lage durch die
Membran zu dringen ( ausgenommen die ausgewählten Proteine). Es gibt eine Pumpe ( Na +K+- Pumpe) im Zellmembran, welche mit verwendung von Energie, mit einer Drehung 3 Na+
aus der Zelle hinaus, bzw. 2 K+ in die Zelle hineinschleusen kann. Wenn dann letztendlich alle
drei Kräfte ausgeglichen sind können wir das Ruhepotential messen, dieser beträgt in den
Neuronen -70 mV (millivolt). Die elektrochemische Kraft die die Ionen durch die Membran
bewegt ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem Ruhepotential und dem
Gleichgewichtspotential einiger Ione.
2b. Transportproteine
2ba. Arten der Transportproteine (Folie 12) Transportproteine sind integrierte
Membranproteine, welche Ionen oder Moleküle durch die Plasmamembran transportieren. Wir
unterscheiden zwei Grundtypen der Transportproteine aufgrund ihres Energieverbrauches
(verbrauchen sie Energie während sie funktionieren, oder nicht); Ionenkanäle und
Ionenpumpen. Ein Ionenkanal kann ein integriertes (durch die Membran dringendes)
Membranprotein, oder häufiger eine, aus mehreren Protein-Unterelementen bestehende
Struktur sein. Diese, aus mehreren Unterelementen gebildete Strukturen sind ringelartig, und
können aus den gleichen (homo-), oder aus unterschiedlichen (hetero-) tetrameren (4)
Untereinheiten gebildet sein. Die Ionenkanäle transportieren die gebundenen Moleküle in die
von dem elektrochemischen ‫ ٭‬Gradienten vorgeschriebene Richtung (passiver Transport). Man
unterscheidet zwei Subtypen : sickernde Kanäle, welche die Wanderung der Ionen durch die
Poren nicht regulieren ( deshalb selbstverständlich gleichzeitig nur wenige Ionen durchlassen
können); und regulierte Kanäle. Es gibt mehrere Arten der regulierten Kanäle: Spannungsabhängige, ligand regulierte, Phosphorilations-regulierte, Anspannungs-regulierte Kanäle, GProtein gekoppelte und Gap-junction (Spalt Verbindung) Kanäle. Laut einer anderen
Gruppierung kann man spezifische und Kation-selektive Kanäle unterscheiden. Die
spezifischen Ionenkanäle sind für eine Art der Ionen durchdringbar, während die Kationselektiven Kanäle mehrere Ionenarten durch ihre Poren dringen lassen können. Die
Ionenpumpe ist auch ein Transmembranprotein, welches in der Lage ist die Ionen in die
entgegengesetzte Richtung ihrer elektrochemischen Gradiente zu bewegen (aktiver Transport).
Diese Ionenpumpen, welche oft auch Ionentransporter genannt werden verwenden aus
unterschiedlichen Energiequellen (ATP, Konzentrationsgradiente anderer Ionen) stammende
Energie zu ihrer Funktion.
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2bb. Regulierte Ionenkanäle (Folie 13) Bei regulierten Ionenkanälen sichert -abhängig von
der Art des Ionenkanals- ein „Tor” den Zugang zu der Pore, welche sich auf Wirkung von
chemischen oder elektronischen Signalen öffnet oder schliesst.
Die Spannungsabhängigen Ionenkanäle sind solche Arten der Ionenkanäle, welche auf
Wirkung der Spannung der Umgebung aktiviert werden. Sie tragen eine grundlegende Rolle
in den reizbaren Geweben ( Nerv, Muskel) da diese eine schnelle und koordinierte
Depolarisation ‫ ٭‬möglich machen. Sie bestehen meistens aus mehreren Untereinheiten, welche
so verteilt sind, dass sie eine zentrale Pore bilden, durch welche die Ionen auf einer von ihren
elektrochemischen Gradient festgelegten Art, wandern. Die Kanäle sind Ion-spezifisch,
obwohl sie für ähnlich grosse Ionen bis zu einem gewissen Maβe auch durchdringbar sind.
Hierher gehören die Neuron- und Muskelzellen abhängigen Kanäle bei Natrium- und
Kalzium, bzw. die Kalium Kanäle, welche bei dem Ausstoß von Neurotransmittern in den
praesynaptischen Nerv-Enden eine Rolle spielen. Die Spannungs-Abhängigen Kanäle
bestehen aus mehreren Teilen. (1) der Ion-Selektivität Filter bestimmt, was für Ionen durch
das Filter dringen können. (2) das Aktivitäts Tor reagiert auf die Veränderungen der
Spannung;
die Natrium Kanal-Tore öffnen sich in
depolarisations-, und die Tore der Kalium
Kanäle öffnen sich in repolarisations
Umgebung. Das aktivitäts-Tor des
Ionkanals wird von dem (3) SpannungsSensor reguliert, indem sich dieser auf
Wirkung der Änderung des
Membranpotentials bewegt. (4) Das
Inaktivitäts-Tor grenzt die „ÖffnungsZeit” des Kanals ein. Viele Ion-Kanäle
haben kein Inaktivitäts-Tor.
Die Ligand gesteuerten Ionenkanäle (anders auch Ionotrope Rezeptoren genannt)
sind
transmembrane Proteine, welche sich auf die Wirkung eines chemischen Senders (primärer
Sender, Ligand) öffnen.
Die Ionenkanäle, die von Neurotransmittern gebunden sind, sind
meistens auf einen, oder mehrere Kanäle selektiv: Na+, K+, Ca+ oder Cl-. Die sich bei den
Synapsen befindenden Rezeptoren wandeln das von dem praesynaptischen Neuron gesendete
chemische Signal schnell in ein postsynaptisches elektrisches Signal um.
Phosphorilations-gesteuerte Ionenkanäle Ein Phosphorilations-gesteuerter Ionenkanal öffnet
oder schliesst-je nach Art des Kanals- auf Wirkung der Phosphorilation. Die Phosphorilation
wird in der Regel, als Teil eines Transduktions-Prozesses eines gegebenen Signals, von einem
Kinase-Enzym durchgeführt (ausführlicher siehe Sektion 3c).
Spannungabhängige Ionenkanäle aktivieren sich auf die Wirkung der Deformation der
Plasmamembran der Neurone. Die Proteine der Zellstruktur vermitteln den mechanischen
Impuls, den die Zelle erhalten hat, in Folge dessen entsteht eine strukturelle Veränderung bei
den Ionenkanälen, und dadurch ändert sich die Ion-Durchlassungsfähigkeit dieser.
2bc. Gap-junction (Spalt Kontakt) (Folie 14) ist eine Verbindung zwischen den Neuronen,
welche die freie Strömung von Ionen und Molekülen möglich macht. Die Junktion verbindet
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die Zytoplasmen der Zellen. Eine Gap-junction besteht aus Connexonen, und jeder Connexon
wird von 6 Connexinen‫ ٭‬gebildet. Die durch Gap-junction verbundenen Neurone verhalten
sich manchmal, als würden sie einen einzigen grossen Neuron bilden, dessen massenhafte
Outputs in Einklang miteinander feuern.
2bd. Die Na+/K+ Pumpe (Folie 15) (anders Na+/ K+- ATPase oder Na+/ K+ exchanger genannt)
ist ein im Membran platziertes Enzym. Es kommt praktisch in der Plasmamembran von jeder
Zelle vor. Es funktioniert auf die folgende Weise: (1) Auf Wirkung von ATP bindet die
Pumpe 3 intrazellulare Na+. (2) ATP löst sich, was zu der Phosphorilation (bei einer stark
konservierten Asparaginsäure) und der Bildung von ADP führt. (3) Die Phosphorilation ändert
die Struktur der Pumpe, wodurch 3 Na+ in die Umgebung geraten. Die phosphorilisierte Form
der Pumpe zeigt eine niedrige Aktivität gegenüber dem Na+, und lässt deshalb los. (4) Danach
bindet die Pumpe 2 extrazellulare K+ , was zu der Dephosphorilation der Pumpe führt. (5) ATP
bindet sich erneut an die Pumpe, was zu einer Drehung dieser führt, und wodurch Kalium
Ionen in die Zelle gestoßen werden.
2be. Na+/Ca+-Kanäle (Folie 16) Drei Untereinheiten der Spannungsabhängigen Na+ Kanäle
sind bekannt: die grosse α-Untereinheit, welche, unter anderem die Pore des Kanals bildet,
und zwei weitere, kleinere Untereinheiten, welche β1 und β2 Untereinheiten genannt werden.
Letztere regulieren die Funktion der α-Untereinheit. Die α-Untereinheit verfügt über vier sich
wiederholende Abschnitte (Domain), welche von I bis IV nummeriert werden, und über sehr
ähnliche Aminosäuresequenzen verfügen. Jede Wiederholung enthält sechs membrandurchdringende Regionen, welche von S1 bis S6 nummeriert werden (S: Segment).
2bf. Die K+-Kanäle (Folie 17) sind die häufigsten Ionenkanalartigkeiten. Sie bilden Kaliumselektive Poren, welche die Zellmembran überbrücken. Sie können in homo- und heterotetrameren Formen vorkommen. Die vier Untereinheiten verteilen sich um die zentrale Pore.
Bisher wurden mehr als 80 Säugetier Kalium Kanal Gene beschrieben. Die Natrium und
Kalium Kanäle sind wahrscheinlich aus zwei aufeinander folgenden Duplikationen von
urzeitlichen Kalium-Kanälen entstanden.
2bg. Der Funktionsmechanismus der Spannungsabhängigen Kanäle (Folie 18) Bei
geschlossenem Zustand hilft ein Natrium-Kanal den Ruhezustand der Neurone aufrecht zu
erhalten; in geöffnetem Zustand macht sie das schnelle Einströmen von Natrium Ionen in die
Zelle möglich, was zu einer Depolarisation führt. Die Spannungsabhängigen Natrium-Kanäle
können in drei unterschiedlichen Zuständen vorkommen: ruhend (geschlossen), aktiv ( offen),
und inaktiv ( geschlossen). Die ruhenden Kanäle befinden sich in einem durch den
aktivierungs Kanal blokierten Zustand. Der inaktivierungs-Kanal (besteht aus den II und IV-er
Domainen der α-Untereinheit) tritt kurz nach der Aktivierung in Funktion. Die Inaktivität
nimmt dann ein Ende, wenn das Membran-Potential wieder negativ wird, aber erst nach einer
kurzen Latenzzeit.
Die Spannungsabhängigen Natrium-Kanäle spielen eine grundlegende Rolle bei der
Erschaffung des Aktionspotentials. Wenn sich in Folge der Veränderung des MembranPotentials genügend Kanäle öffnen, dann gerät eine große Menge an Natrium Ionen in die
Zelle, was eine weitere depolarisierende Wirkung mit sich zieht. Das heißt, je mehr NatriumKanäle in der Membran sind, desto schneller wird das Aktionspotential. Die Inaktivation der
Natrium-Kanäle spielt eine wichtige Rolle um eine Strömung in die gleiche Richtung zu
erreichen: der Impuls darf nur in eine anterograde Richtung, dass heißt, von dem Zellenkörper
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zu den Axonterminalen strömen. Grund dafür ist, dass solange die depolarisierende Welle in
der Nähe ist, der Inaktivisations-Kanal die zuvor noch geöffneten Kanäle eine kurze Zeit nicht
wieder öffnen lässt (bis die Depolarisations-Welle weiterströmt). Die meisten Kalium-Kanäle
sind Spannungsabhängige Ionenkanäle. In den Neuronen sind die Herstellung des
Aktionspotentials und das aufrechterhalten des Ruhepotentials ihre Aufgaben. Zur Öffnung
einiger ist neben der Depolarisation noch die Anwesenheit anderer Ionen oder SignalMolekülen notwendig (Folie 18).
2bh. Der Funktionsmechanismus der Spannungssensors (Folie 19) Die stark konservierte
(evolutionsartig unveränderte) Region S4 ist ein Spannungs-Sensor, welcher in jeder 3.
Position positiv geladene Aminosäuren, und in den dazwischenliegenden Räumen hydrophobe
Aminosäuren enthält. In Folge von Stimulation (Potenzänderung der Membran) bewegt sich
die Untereinheit S4 in die Richtung des extrazellulären Raumes, und öffnet dadurch die Pore (
aktivitäts-Tor), welche sonst durch die positiven Ladungen blockiert wäre.
2c.Aktionspotential
Das postsynaptische Potential ist die Potential-Änderung der Membran auf dem das Signal
enthaltenden (postsynaptischen) Neuron. Als erstes senden die Axon-Enden der
präsynaptischen Neurone Neurotransmitter in den presynaptischen Spalt. Danach knüpfen sich
die Transmitter an die Rezeptoren des postsynaptischen Neurons, was abhängend von dem
Typ des Rezeptors, aktiviert oder gehemmt wird.
2ca. Das erregende postsynaptische Potential ( EPSP) (Folie 20) ist die vorübergehende
Modifikation des postsynaptischen Potentials in den Dendriten oder dem Zellkörper, welche
von der Einströmung der Natrium Ionen in das annehmende Neuron hervorgerufen wird. Für
die Natrium Ionen wird der freie Durchgang von der Bindung der Neurotransmitter an die
postsynaptischen Rezeptoren hervorgerufen. Die EPSP-s werden so summiert. Größere EPSPs führen zu einer Membran-Depolarisation, was mit größerer Wahrscheinlichkeit zu dem
Erreichen der Stimulus-Schwelle, und so zur Initiative des Aktionspotentials führen kann.
2cb. Das Hemende Postsynaptische Potential (IPSP) (Folie 21) ist der Wachstum des
Membran-Potentials in den postsynaptischen Neuronen, was zu einer Anknüpfung eines
hemmenden Neurotransmitter-Rezeptors führt. Die am häufigsten vorkommenden
hemmenden Neurotransmitter sind die γ-Amino-Buttersäure (GABA) und das Glycin. Bei
einer typischen hemmenden Synapse wird die postsynaptische Membran für das Einströmen
von K+ (strömt aus) und Cl- (strömt ein) permeabel, aber für die Na+ Ionen undurchdringlich,
was das Membran-Potential näher zu dem Gleichgewicht-Potential dieser Ionen bringt.
2cc. Räumliche und zeitliche Summation (Folie 22-25) Wenn mehrere EPSP-s und IPSP-s
verursachende Geschehen auf einer kleinen Oberfläche einer postsynaptischen Zelle
vorkommen, oder diese neben geringem Zeitunterschied passieren dann kommt es zur
Summation dieser Auswirkungen.
2cd. Das „alles oder nichts“ Gesetz (Folie 26) Das Aktionspotential ist eine depolarisierende
welle (Impuls) entlang des Axon, im Laufe dessen das Ruhepotential in Richtung des 0 mV
Wertes rückt. Wenn in Folge der Wirkung der Summierten EPSP-s die Depolarisation um den
Axon-Hügel ‫ ٭‬das Schwellen-Potential (-55 mV) erreicht, dann erzeugt das Neuron Aktions-
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Potential, welches in gegebenen Neurontypen über eine ständige Größe verfügt, aber in
unterschiedlichen Neuronen unterschiedlich sein kann. Wenn der Neuron das SchwellenPotential nicht erreicht, wird es kein Aktionspotential geben. Mit anderen Worten, es gibt kein
großes oder kleines Aktionspotential, jedes ist im gegebenen Neuron gleichgroß. Das heißt
entweder erreicht ein Neuron das Schwellen-Potential nicht, oder es erreicht es, und dann wird
ein ganzes Aktions-Potential erzeugt- das ist das „Alles oder nichts“ Grundgesetz.
Das Neuron kodiert also die Stärke des Stimulus nicht in der Größe dessen, sondern in der
Häufigkeit des Stimulus. Die Zahl der feuernden Neurone ist ein anderes Mittel zur Kodierung
der Stärke des Stimulus: starker Stimulus- mehrere aktive Neurone.
2ce. Verbreitung des Aktionspotentials (Folie 27-31) Das Aktionspotential ist der
Austausch von Ionen durch die Membran des Axons durchdringend. Ein Stimulus führt als
erstes zur Öffnung der Natrium-Kanäle. Da Natrium positiv geladen ist wird das Neuron auch
positiv (Depolarisation). Die Öffnung der Kalium-Kanäle nimmt mehr Zeit in Anspruch.
Wenn sich diese öffnen geraten die Kalium-Ionen in den Intrazellularen Raum, und dies führt
zur Umkehrung der Depolarisation. Zur gleichen Zeit beginnen sich die Natrium-Ion-Kanäle
zu schließen. All dies führt dazu, dass das Membran-Potential wieder den -70 mV Wert
erreicht (die Repolarisation). In Wirklichkeit steigt das Aktionspotential über -70 mV
(Hyperpolarisation), weil die Kalium-Kanäle länger geöffnet bleiben. Wegen dem in Aktion
treten der Ionenpumpen gerät die Ionen-Konzentration Schritt für Schritt wieder in den
Ruhezustand, bzw., die Verteilung der Ionen entspricht wieder der des Ruhezustands.
Noch mehr Na+ Kanäle öffnen sich
In den Axonen mit Myelinscheiden verbreiten sich die Impulse sprungartig (Folie 32-33)
zwischen den nicht umhüllten Segmenten des Axons (Ranvier Schnürrung). Die sprungartige
Leitung steigert die Geschwindigkeit (eine weitere Möglichkeit dies zu erreichen ist die
Steigerung des Durchmessers des Axons).
3. Kommunikation der Neurone
3a. Synaptische Signalübertragung die Übertragung der Signale geschieht an den Neuronen
über die Synapsen. (Folie 34-37).
3aa. Arten der Synapsen (Folie 36-37) Es gibt zwei Grundarten der Synapsen: elektrische
und chemische Synapsen. Bei den höheren Lebewesen spielt die chemische Synapse eine
wesentlich wichtigere Rolle, obwohl immer mehr Forschungen zeigen, wie wichtig auch die
elektrischen Synapsen (Gap-junction) sind. Man kann die Synapsen auch aufgrund dessen in
Gruppen teilen, zwischen welchen Zellenpartikeln es zum Kontakt kommt. Wenn die Endung
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des Axons des presynaptischen Neurons am Dendrit des postsynaptischen Neurons endet
reden wir von Axo-dendritischen Synapsen. Kontakt zwischen Axonen und Zellenkörper
nennen wir Axo-somatische Synapse. Der Kontakt zwischen zwei Axonen wird Axoaxonische Synapse genannt.
3ab. Funktionsmechanismus der chemischen Synapse (Folie 38) Den Ausstoß von
Neurotransmittern induzieren die Nervenimpulse (Aktionspotential). Der Prozess läuft sehr
schnell ab. Das Aktionspotential aktiviert die Vesikeln die in der Nähe der Membran
vorzufinden sind. Erster Schritt ist die Öffnung der Spannungsabhängigen Kalzium Kanäle,
und das Einströmen der Ca2+ in das Axoplasma. Die Kalzium Ionen induzieren eine
biochemische Kaskade (nacheinander folgende Schritte), welche letztendlich zum
Zusammenschmelzen der Neurotransmitter-Vesikeln mit der praesynaptischen Membran
führen, und wodurch es dann zum Einströmen der Transmitter in den synaptischen Spalt
kommt. Die auf der postsynaptischen Membran vorzufindenden Rezeptoren binden die
entsprechenden Neurotransmitter-Moleküle, und so öffnen sie die Ionen-Kanäle. Die
einströmenden Ionen ändern das Membranpotential. Wenn innerhalb eines gegebenen
Zeitraumes die Zahl der anregenden Stimuli ausreichend ist, kann die EPSP den
Schwellenwert erreichen, und der Neuron wird abfeuern. Dies ist bei den depolarisierenden
Strömungen der Fall, deren Wirkung anregend ist. Im Fall einer hyperpolarisierenden
Strömung tritt Hemmung (IPSP) auf.
3ac. Neurotransmitter (Folie 39) Die Neurotransmitter können in fünf Gruppen aufgeteilt
werden: (1) Aminosäuren (hauptsächlich Glutaminsäure, GABA, Asparaginsäure und Glycin),
(2) Neuropeptide (Vasopressin, Somatostatin, Neurotensin, usw.), (3) Monoamine (
Norepinefrin, Dopamin und Serotonin), bzw. (4) Acetylcholin und (5) andere
Neurotransmitter. Die wichtigsten Aminosäuren im Gehirn sind Glutaminsäure (anregende)
und GABA (hemmende).Es wurden schon mehr als 50 neuroaktive Peptide beschrieben, ein
Teil dieser sind Hormone wie zB. luteinisierendes Hormon (LH) oder Insulin.
Postsynaptische Wirkung Die Wirkung des Neurotransmitters entscheidet der Rezeptor.
GABA kann zB. schnelle und langsame Hemmung herbeirufen, abhängig davon, an was für
Rezeptoren sie sich anknüpfen (GABA-A Rezeptor beschleunigend, GABA-B Rezeptor
langsam machend); oder: Acetylcholin kann sowohl beschleunigend, als auch verlangsamend
wirken (Nikotin Rezeptor, Muskarin Rezeptor langsam wirkend). Bestimmte Neurotransmitter
können sowohl erregend als auch Hemmend wirken, davon abhängend an was für Rezeptoren
sie sich anknüpfen. In den meisten Fällen aber löst ein Neurotransmitter entweder ein
erregendes oder ein hemmendes postsynaptisches Potential aus.
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Eine (nicht vollständige) Liste der Neurotransmitter
1. Aminosäuren: Asparginsäure (Asp), glutaminsäure (Glu), γ-Aminobuttersäure(GABA),
Glycin (Gly)
2. Acetylcholin (Ach)
3. Monoamine: Katecholamine(Dopamin, DA; Norepinefrin=Noradrenalin,NE; Epinefrin=
Adrenalin, Epi), Serotonin (5-HT), Melatonin (Mel), Histamin(H)
4. Neuropeptide: Oxytocin, Vasopressin, Neuropeptid Y, Kortikotropin, Dinorfin, Endorfin,
Enkefalin, Glukagon, Somatostatin, Neurokrin A+B, P „Stoff“, usw.
5. Weitere Neurotransmitter: Nitrogen Oxid (NO), Kohlenmonoxid (CO), Adenosin, ATP,
GTP
3b. Rezeptoren
Ein Rezeptor ist ein integriertes Membranprotein, an welches ein spezifisches Ligand
anknüpfen kann, welches im Fall der Nervenzellen ein Neurotransmitter ist. Die Bindung
des Liganden induziert physiologische Änderungen.
3ba. Die Arten der Rezeptoren (Folie 40-41) Anhand ihrer strukturellen und
funktionalen Merkmale können diese in zwei Klassen eingeordnet werden: ionotrope und
metabotrope Rezeptoren.
3.bb. Der Prototyp der Ionotropen
Rezeptoren (Folie 42-43) (anders auch
Nikotinischer Acetylcholin Rezeptor
ligand-regulierte Ionenkanäle genannt) ist
der Nikotinischer Acetylcholin Rezeptor.
Dieser
besteht
aus
fünf
ProteinUntereinheiten
(Pentamer).An
dem
Rezeptor
sind
zwei
Acetylcholin
Ankoppelstellen vorzufinden. In Folge der
Acetylcholin-Ankoppelung ändert sich die
räumliche Struktur des Rezeptors, was zur
Öffnung der Pore führt. Die Pore ist für Na
+
durchdringbar. Wenn sich zu einer
bestimmten Zeit genügend Kanäle öffnen,
dann kann die Na+ Konzentration einen
Wert erreichen, welcher für den Beginn der
Herstellung
eines
Aktionpotentials
ausreicht. Über die wichtigsten Ionotrope
Rezeptoren
siehezu den ionotropen Rezeptoren
3bc. Metabotrope Rezeptoren (Folie 44-46)
Im Gegensatz
bilden die metabotropen Rezeptoren keine Poren. Stattdessen stellen sie auf indirekter
Weise, durch Signal-Transduktions Mechanismen Kontakt zu den Ion-Kanälen
Zu dieser Rezeptoren-Familie gehört
her.
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unter anderem auch der Glutamat
Rezeptor,
der
Muskarinischer
Acetylcholin Rezeptor, der GABA
Rezeptor, die meisten Serotonin
Rezeptoren,
sowie
Epinephrin,
Norepinephrin, Hystamin, Dopamin und
die Rezeptoren der Neuropeptide. Alle
metabotropen Rezeptoren sind aus
sieben
transmembranen
Domainen
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bestehende Monomere.
Neurale Kommunikation
Der N-Terminus des Proteins befindet sich im extrazellularem, und der C-Terminus im intrazellularen
Raum. Die Liganden der metabotropen Rezeptoren sind auch Neurotransmitter, deren Ankoppelung
einen Signal-Transduktions Prozess startet. Endergebnis dieses Prozesses ist in der Regel das Öffnen
oder Schliessen eines Ionenkanals. Die Ankoppelung eines Neurotransmitters (welcher auch primären
Boten genannt werden kann) an den Rezeptoren verändert die räumliche Struktur dessen, und dies
aktiviert einen primären Effektor (Vollzieher) Molekül (z.B. G Protein), was dann einen oder mehrere
sekundäre Boten aktiviert. Da es sich hier um einen aus mehreren Schritten bestehenden Prozess handelt
ist die Wirkung des Rezeptoren (z.B. auf die Öffnung der Ionenkanäle) langsamer, wie im Fall der
ionotropen Rezeptoren. Die metabotropen Rezeptoren erreichen eine langzeitigere Wirkung. Weiterhin
entfalten die ionotropen Rezeptoren ihre Wirkung meist nur in der Nähe des Kanals, die Metabotropen
können ihre Wirkung demgegenüber auch in weiter verbreiteten Zellen spüren lassen. man unterscheidet
zwei grössere gruppen der metabotropen Rezeptoren: Tyrosin Kinase und G-Protein gekoppelte
Rezeptoren.
3c. Signaltransduktion in den Neuronen
Die Signaltransduktion ist ein Prozess, währenddessen eine Zelle ein Signal in ein Signal anderer Natur
umwandelt. Die Signaltransduktion ist meist eine Reihe von biochemischen Prozessen, welche
unterschiedliche Enzyme enthalten. Diese Enzyme kommunizieren auf indirekter weise, mit sekundären
Boten miteinander. Die Zeit dieser Prozesse kann von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden
beanspruchen. Die langsameren Prozesse wie diese, werden selten Signaltransduktion genannt.
(1)
Adenylcyclase sekunderes Transmitter-System (Folie 47) Das Enzym Adenylcyclase wird von
einer spezifischen Familie der G-Proteine, den Gs Proteinen (s:stimulierend) aktiviert. Das Enzym
katalysiert die ATP-cAMP Wandlung. Das cAMP ist ein sekundärer Botenstoff, welches frei im
Zytoplasma diffundiert und sich an eine Protein Kinase A (PKA) Molekül ankoppelt, welche dadurch
aktiviert wird. Das PKA phosphoriliert dem folgend zahlreiche Zielproteine, z.B. Ionenkanäle. Das
Enzym erkennt an den Proteinen eine spezifische Aminosäuren-Reihenfolge. Der PhosphorilationsZustand eines Kanals bestimmt, ob der Kanal geöffnet oder geschlossen ist. Viele Kanäle öffnen sich
auf die Wirkung der Phosphorilation, aber es gibt auch solche, die schliessen. Ein einziges PKA
Molekül ist in der Lage mehrere Zielproteine zu phosphorilieren und dadurch die in die Zelle
ankommenden Signale zu verstärken. (Folia 65-69)
(2)
Phosphoinositol sekundäres TransmitterSystem (Folie 48) Viele metabotrope Rezeptoren
koppeln an ein Gq Protein , welches in aktivierter Form das Enzym Phospholipase C (PLC) aktiviert.
Das PLC baut ein kleines, sich im Plasmamembran befindendes Phospholipid ( Phosphatidil Inositol4,5-Biphosphat;PIP2) ab, in Folge dessen dann ein sekundäres Signaltransport Molekül entsteht:
Diacylglycerin (DAG) und Inositol-1,4,5-Triphosphat (IP3). DAG ist ein hydrophobes Molekül, welches
sich im Membran frei bewegend das Protein Kinase C (PKC) Enzym aktiviert. Danach phosphoriliert
das PKC mehrere Proteinartigkeiten, was, von den Typen abhängend, den Stoffwechsel, und die
Rezeptor und Ionkanal-Funktionen beeinflusst. IP3 ist in Wasser lösbar, deshalb kann es im Zytoplasma
frei diffundieren. IP3 knüpft sich an den IP3Rezeptor. Der IP3 Rezeptor ist ein Kalzium-Ionkanal,
welcher sich im Membran des glatten endoplasmatischen Retikulum (SER) befindet. Der SER spielt in
den Neuronen als intrazelluläres Ca2+ Lager eine wichtige Rolle. IP3 führt zur Öffnung der Rezeptoren,
in Folge dessen strömt Ca2+ in das Zytoplasma. Das Ansteigen des intrazellulären Ca2+ führt zu einer
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Neurale Kommunikation
Reihe von unterschiedlichen Wirkungen, welche oft von den Zellentypen abhängen. In den
Nervenzellen befindet sich ein Kalmodulin (CaM) genanntes Kalziumbindendes Protein. Infolge der
Koppelung mit den Ca2+ aktiviert CaM mehrere Enzyme. Unter denen ist eins der wichtigsten das
Kalzium-Kalmodulin-abhängige Protein Kinase II (CaMKII) Enzym. Das CaMKII, und viele weitere
Kalzium-koppelnde Proteine regulieren in Folge des gestiegenen Kalziumspiegels mehrere Prozesse,
unter anderem die Membranpermeabililtät und die Genexpression. (Folia 70)
Extra Anforderungen
3d.Neuromodulation
3da.Hemmung Ein hemmendes Neuron kann eine Synapse sowohl auf der Axon-Terminale eines
presynaptischen erregenden Neurons als auch am Zellkörper eines postsynaptischen Neurons bilden
(Folie 49).
3db. Der Autorezeptor (Folie 50) ist ein Rezeptor, welcher sich am Axonende eines presynaptischen
Neurons befindet, und auf die von demselben Neuron ausgestossenen Neurotransmitter empfindlich ist.
Das Aufeinandertreffen des Neurotransmitters und dem Autorezeptor führt meistens zu einem
Zurückkoppelungs-Prozess (negatives oder positives Feedback) in dem Ende des praesynaptischen
Axons, was den Neurotransmitter-Ausstoß des Neurons moduliert.
3dc. Modulation durch Metabotrope Rezeptoren (Folie 51) in pre- und postsynaptischen Zellen. Bei
einer presynaptischen Modulation kann das Neurotransmitter an ein Metabotropes Rezeptor ankoppeln,
was die Art der Funktion der Autorezeptore oder anderen Mechanismen auf indirekte Weise
beeinflussen kann. Die Metabotropen Rezeptore in den postsynaptischen Zellen können das EPSP oder
IPSP durch Signal-Transduktions Prozesse verändern. Weiterhin können dadurch die Sensibilität der
Rezeptoren verändert werden.
3dd. Neurotransmitter Inaktivation (Folie 52) Es gibt mehrere Wege, auf denen man die
Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernen kann. (1) Neuaufnahme Nachdem die
Neurotransmitter in dem synaptischen Spalt angekommen sind geraten sie durch ein spezielles
Membranprotein ( Neurotransmitter „reuptake“ Pumpe) in das Axonende des presynaptischen neurons
zurück, wo sie wiederverwertet werden. Wenn diese Zurücknahme nicht stattinden würde, dann würden
die Neurotransmitter die Abfeuerung des Neurons ständig erregen oder hemmen, was nach einer Zeit zu
Desensitisierung, das heisst zum Schwinden der Sensibilität des postsynaptischen Neurons führen
würde. Der Rücknahme Prozess wird auch reguliert. Die allermodernsten antidepressiva Mittel
regulieren die Funktion der die Neurotransmitter zurücknehmenden Pumpe. Die selektiven Serotonin
„reuptake“ Inhibitore (SSRI) hemmen in bestimmten Synapsen die Rücknahme des Serotonins. (2)
Enzym degradierung Andere Neurotransmitter, wie z.B. Acetylcholin oder bestimmte Monoamine
werden durch enzymatischen Abbau aus dem Synaptischen Spalt entfernt: das Acetylcholin-Estherase
baut Acetylcholin ab, das Mono-Amino Oxidase (MAO) ist für den Abbau von Dopamin, Serotonin,
und Norepinefrin zuständig. (3) Diffusion Die Peptid Neurotransmitter werden in der Regel durch
Diffusion aus dem Synaptischen Spalt entfernt, später werden sie dann von bestimmten Proteasen
abgebaut.
3de. Long-term Potential (Langzeit-Potential;0) (Folien 53-) langzeitige verstärkung von der
Verbindung von zwei Zellen. In Folge von vielen Stimulationen verstärken sich die Synapsen, das kann
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Neurale Kommunikation
Minutenlang, aber auch stundenlang dauern. In lebenden Zellen kommt LTP auch normalerweise vor,
und kann minutenlang, aber auch stundenlang anwesend sein. Der biologische Mechanismus von LTP
wird hauptsächlich von der Veränderung der Proteinkinasen, Phosphatasen und der Genexpression
gesichert. Das LTP macht die Plastizität des Nervensystems möglich. In der Neurobiologie bilden LTP,
und dessen entgegengesetzter Prozess, „Long-term Depression“ (LTD) die zellulare Grundlage des
Lernens und der Memorie.
3f. Die funktionalen Nervensysteme können auf mehrere Arten klassifiziert werden (Folie 60):
zentrales- und periferisches Nervensystem, somatisches- und vegetatives (autonomes) Nervensystem.
Das somatische Nervensystem kann in weitere Klassen aufgeteilt werden, dies sind senso-, moto-, und
assioziative Systeme; das vegetative Nervensystem kann in das sympatische und parasympatische
Nervensystem geteilt werden.
Wörterverzeichnis
Axonhügel, der Axonhügel ist ein spezialisierter Abschnitt des Axons, welches für die Herstellung des
Aktionspotentials zuständig ist.
Unter Aktionspotenial versteht man eine elektronische Ladungswelle, die am Membran des Axons
entlangwandert.
Depolarisation: Elektrischer Zustand der Zellen, in welchem das Innere der Zellen mit dem Ruhepotential
verglichen weniger negativ wird. Eine Depolarisation einer Neuron-Membran ist möglich, wenn ein Stimulus die
Spannung von -70mV in Richtung 0 senkt.
Diffusion: Ist eine spontane Tendenz von einer niedrigen Konzentration in die Richtung einer höheren
Konzentration (am Konzentrationsgradient entlang).
Der elektrochemische Gradient verfügt über zwei Komponente. (1) Den elektrischen Komponenten bildet der
Unterschied zwischen den Ladungen der zwei Seiten der Lipid-Membran. (2) Die chemischen Komponente
stammen wiederum aus dem Unterschied der Konzentration der zwei Seiten der Membran. Die Kombination der
zwei Faktoren schreibt die thermodynamisch optimale Richtung der Wanderung der Ionen vor.
Stufenartiges Membranpotential: der Unterschied des Membranpotentials ist an einem Gradienten verteilt.
Die Connexine (Gap junktion Proteine) sind Proteine die über vier transmembrane Domaine mit cytoplasmischen
C und N Endungen, verfügen. Sechs Connexine bilden einen Connexon.
Long-Term depression (LTD) ist eine dauerhafte (kann tagelang dauern) Abschwächung der Signalübertragung
an den Synapsen von Nervenzellen.
Sekundäre Transmitter sind Moleküle, die über ein niedriges Molekülegewicht verfügen, und die an
Signaltransduktion teilnehmen, und die Umwandlung der eintreffenden Signale durchführen.
Die semipermeable (halbdurchlässige) Membran ist eine Membran, die bestimmten Molekülen oder Ionen
selektiven Durchgang durch Diffusion durchlässt.
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