3 - Aktionspotential und Synapsen PDF

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Aktionspotential und Synaptische Transmission       

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durch das Auslösen von Aktionspotentialen können Nervenzellen Signale über große Distanzen übertragen Aktionspotentiale werden durch Änderungen der Membranleitfähigkeit für Ionen ausgelöst Ionenkanäle lösen Aktionspotentiale aus über den Prozess der Synaptischen Transmission können Nervenzellen Signale (Informationen) austauschen ein durchschnittliches Neuron bildet etwa 1000 Synaptische Verbindungen aus das Gehirn enthält etwa 1011 Neurone, also 1014 Synaptische Verbindungen erste Versuche zum Aktionspotential am Riesenaxon des Tintenfischs: o 0,5-1 mm Durchmesser (wird benötigt für Fluchtverhalten) o Leitungsgeschwindigkeit 25 m/s o experimentell einfach zugänglich Ionenleitfähigkeit ändert sich während eines Aktionspotentials o Kenneth Cole und Howard Curtis (1938): Ableitungen am Riesenaxon zeigten, dass Ionenfluss über die Membran ein Aktionspotential auslöst o Ionenkanäle übertragen die Ionen

Voltage Clamp Technik        

erfunden von Kenneth Cole (1949) in den 1950ern: Alan Hodgkin und Andrew Huxley verwendeten diese Technik spannungsabhängige Ionenkanäle öffnen (oder schließen) bei Änderung des Membranpotentials mit dieser Methode kann das Membranpotential konstant gehalten werden (clamp = festhalten/klemmen) dies erlaubt das systematische Untersuchen des Zusammenhangs zwischen Membranpotential und Ionenfluss Änderung der Na+-Konzentration ändert die Höhe des APs Alan Hodgkin und Bernard Katz variierten am Riesenaxon die extrazelluläre Na+-Konzentration  Ergebnis: Höhe des AP korreliert mit extrazellulärer Na+-Konzentration „Falling phase“ geht einher mit erhöhter K +-Leitfähigkeit

Selektive Blocker    

Tetrodotoxin (Fugofisch) blockiert spannungsabhängige Na+-Kanäle  nur Strom durch K+-Kanäle kann fließen  K+ fließt nach außen Saxitoxin (aus Dinoflagellaten Gonyaulax) blockiert spannungsabhängige Na+-Kanäle Cocain blockiert spannungsabhängige Na+-Kanäle mit geringerer Affinität als TTX Tetraethylammonium (TEA) blockiert spannungabhängige K+-Kanäle  nur Strom durch Na+-Kanäle kann fließen  Na+ fließt nach innen

Evolutionärer Hintergrund der Kanäle         

Einzeller (1,4 Mrd. Jahre) entwickelten den Prototyp (vermutlich K +-Kanal) die α-Untereinheiten von Na+ und Ca2+-Kanälen bestehen aus vier Domänen die 4 Untereinheiten bilden eine Pore jede Domäne besteht aus sechs membranspannenden Segmenten P-Regionen bilden den Selektivitätsfilter S4 ist der Spannungssensor (gating transition), jede dritte AS ist positiv geladen (die anderen beiden sind hydrophob) Mutationen in S4 führen zu geringerer Spannungssensitivität in Ruhe hält die negative Ladung innen die positivgeladene S4 Helix zusammen mit der negativen Ladung der anderen membranspannenden Segmente in Position bei einer Depolarisation wird die S4 Region in Richtung extrazellulär geschoben und das Aktivierungsgate geöffnet

Lokalisation von Ionenkanälen in Neuronen

Synapsen    

Kontaktstellen zwischen Neuronen oder zwischen Neuronen und Muskel (neuromuskuläre Synapse) der Begriff geht auf Sir Charles Scott Sherrington (1857 – 1952) zurück, der Professor der Physiologie in Oxford war entsprechend der Art ihrer Übertragung unterscheidet man elektrische oder chemische Synapsen prä- und postsynaptischer Teil

Elektrische Synapsen  

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sehr enger Spalt (3,5 nm), Gap Junctions bei Wirbeltieren: Connexine bilden Poren (Durchmesser 2 nm) zwischen prä- und postsynaptischer Zelle, leiten elektrisch in beide Richtungen ohne zeitliche Verzögerung Connexon = Verband von Connexinen auf einer Membranseite Austausch von niedermolekularem Material möglich (Ionen, bestimmte Farbstoffe) kommen bei Neuronen für sehr schnelle Erregungsleitung vor, z.B. zur Steuerung von Fluchtreflexen, aber auch während der Entwicklung des Nervensystems (zwischen Neuroblasten) an Organen v.a. Muskeln, die schnell kontrahieren müssen z.B. Herz, Uterus  Weiterleitung sehr schnell auch sehr zahlreich im zentralen Nervensystem (welche Rolle sie hier spielen ist noch wenig klar)

Chemische Synapsen      

synaptischer Spalt etwa 20-40 nm präsynaptische Zelle mit Vesikeln setzt Botenstoff (Neurotransmitter) frei, der durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Zelle diffundiert und dort an spezifische Rezeptormoleküle bindet Menge des freigesetzten Transmitters ist abhängig von der Zahl der einlaufenden Aktionspotentiale chemische Synapsen sind gleichrichtend (Leitung nur in eine Richtung) und arbeiten mit einer Zeitverzögerung (delay) von etwa 1 ms direkte und indirekte Wirkung des Transmitters auf den Rezeptorkanal zwei Arten von Rezeptormolekülen o ionotrope Rezeptoren sind Ionenkanäle und bewirken schnelle, im Millisekundenbereich liegende Änderungen des Membranpotentials der postsynaptischen Zelle o metabotrope Rezeptoren lösen in der postsynaptischen Zelle Signalkaskaden aus  langsame Änderung des Membranpotentials im Hunderte Millisekunden- und Sekundenbereich und oft längerfristig  dabei wird immer ein intrazellulärer Botenstoff (sekundärer Botenstoff, secondary messenger) gebildet  Aufgabe von metabotropen Rezeptoren: Signal modifizieren  Wirkung auf einen bestimmten Kanal  kann geöffnet oder geschlossen werden

Übertragung an der neuromuskulären Synapse Die neuromuskuläre Synapse als Modell   

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viele unserer Erkenntnisse über Synapsen verdanken wir den Untersuchungen von Katz, Mileki, Del Castillo in den 1950er Jahren an der neuromuskulären Synapsen des Frosches an der neuromuskulären Synapse bei Wirbeltieren freigesetzter Transmitter ist Acetylcholin (ACh), bei Wirbellosen Glutamat (Glu) auf der Muskelmembran (postsynaptischer Seite) gibt es zwei Arten von Rezeptormolekülen: o Nikotinischer ACh-Rezeptor (nAChR) ist ein ionotroper Rezeptor, Nikotin ist Agonist o Muskarinischer Rezeptor (mAChR) ist ein metabotroper Rezeptor, Muskarin als Agonist die Dichte der nAChR ist an der Postsynapse sehr hoch, 104/m2, sonst nur 5/m² Dichte wurde bestimmt mit Bungarotoxin, welches radioaktiv war und das irreversibel an nAChR bindet

Die neuromuskuläre Endplatte (NME) als Prototyp einer schnellen chemischen Synapse         

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das Endplattenpotential ist in der Regel ein erregendes post-synaptisches Potential (EPSP), es kann an der Muskelzelle ein Aktionspotential auslösen Spontaneinstrom von Na+  Anstieg des Ruhemembranpotentials das EPSP wird umso flacher, je weiter weg von der Synapse (wegen leaky potassium channels; K +-Kanäle) das EPSP wird von simultanen Na+- und K+-Ionen hervorgerufen, Umkehrpotential -10 mV Natrium-Einstrom reicht alleine nicht (sonst wäre das Umkehrpotential +55 mV) es können die Ströme einzelner aktivierter ACh-Kanäle aufgezeichnet werden (Patch-Clamp-Experimente) erhöht man das Membranpotential, öffnen sich die Kanäle gleichzeitig und die einzelnen Strompulse addieren sich linear auf ein erhöhtes Membranpotential reagieren die einzelnen Kanäle alle gleichzeitig (Alles-oder-nichts-Prinzip der nAChKanäle), haben aber eine unterschiedlich lange Offenwahrscheinlichkeit das Endplattenpotential, der Gesamtstrom und die Einzelkanalströme hängen alle vom Membranpotential ab

der nikotinische, embryonale ACh-Rezeptor ist ein Prototyp für ligandengesteuerte, schnelle Membrankanäle o Öffnung nach Bindung von 2 ACh-Molekülen o Desensitisierung: Offenstatus, bei dem aber keine Ionen einströmen können o Abbau von ACh durch eine Acetylcholin-Esterase o R-AR-A2R-A2O (offen) ↔ D-AD-A2D (desensitisiert) o D bindet A besser als R, A2D sehr stabile Konformation 4 Faktoren bestimmen das EPSP: o Zahl der Endplattenkanäle o Leitfähigkeit eines Kanals o Triebkraft, die auf jedes Ion wirkt o Offenwahrscheinlichkeit Antagonisten: o Curare (d-Tubocurarin), verhindert ACh-Bindung, aber keine Konformationsänderung zur Kanalöffnung, kompetitive Hemmung, reversibel o Bungarotoxin: irreversible Bindung o allosterische Blocker: Kokain, Novocain (hemmen nicht an der ACh-Bindungsstelle)

Transmitterfreisetzung 

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Kriterien für die Identifizierung eine Stoffes als Transmitter: o Applikation des Transmitters muss die gleiche Wirkung an der postsynaptischen Zelle auslösen wie die elektrische Reizung des präsynaptischen Neurons o präsynaptische Terminale müssen Transmitter freigesetzt werden o postsynaptische Membran muss Rezeptoren für den Transmitter besitzen Acetylcholin o herstellendes Enzym ist die Cholin-Acetyltransferase (wichtiger Marker für Motoneurone / NME) o Cholin wird mit der Nahrung aufgenommen (Leber, Eier, Weizenkeime, Schweinefleisch) o Cholin wird über spezifische Cholintransporter in Präsynapse aufgenommen  ACh-Bildung o Acetylcholin wird aus dem Zytosol über einen Protonen/AChAntiporter in Speichervesikel aufgenommen o Acetylcholin ist der Neurotransmitter der Motoneurone des Rückenmarks und der neuromuskulären Synapse der Wirbeltiere o im vegetativen Nervensystem in alle präganglionären Neuronen des Sympathikus (postganglionär Noradrenalin, adrenerges System) sowie in den postganglionären Neuronen des Parasympathikus (cholinerges System) Biogene Amine o Noradrenalin, Adrenalin (Catecholamine) o Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) o wichtige Transmitter im Gehirn Aminosäuren o (Gamma) g-Aminobuttersäure (GABA), Glycin o Glutamat: neuromuskuläre Synapse der Wirbellosen Tiere und wichtiger Transmitter im Gehirn Peptide o FMRF-amid, Opioide: Opiocortine, Enkephaline, Dynorphin (endogene, körpereigene Opiate) o Peptide der Neurohypophyse: Vasopressin, Oxytocin, Neurophysine o Tachykinine: Substanz P o Insuline: Insulin, insulinähnliche Wachstumsfaktoren I und II o Somatostatine: Somatostatin, Polypeptide der Bauchspeicheldrüse o Gastrine: Gastrin, Cholecystokinin uvm. Gasförmige Transmitter o Stickoxid (NO) o Kohlenmonoxid (CO) wichtige Werkzeige zur Untersuchung von Transmittern sind tierische Gifte und Drogen o Latrotoxin  Gift der Spinne, Schwarze Witwe  verursacht massive Ausschüttung des Transmitters aus der Präsynapse  alle Vesikel leer  keine Neurotransmission mehr o Skorpionsgifte, Wespengifte, Botulinustoxin  verhindern Freisetzung von Transmittern aus der Präsynapse (Wirkung auf Ca-Kanäle)  Botulinus-Toxin aus Bakterium Clostridium botulinum sehr effektiv o Eserin, Organophosphate („E605“, Rattengift)  blockieren abbauendes Enzym Acetylcholin-Esterase  dadurch längere Bindung der ACh-Moleküle an den postsynaptischen Rezeptor o Curare (indianisches Pfeilgift, Amazonas)  besetzt Bindungsstelle am nAChR und blockiert damit Ionenkanal, damit wird kein Muskelpotential gebildet und die Kontraktion verhindert  kompetitive Hemmung, das heißt Wirkung ist konzentrationsabhängig o Bungarotoxin  Schlangengift, Krait, Kobraverwandte  bindet irreversibel an den nAChR  wurde zur Isolierung des nAChR verwendet o Atropin (aus der Tollkirsche) o Conotoxine (Gifte von Meeresschnecken)  besetzt Bindungsstellen am mAChR  Peptide, blockieren Bindungsstellen am Rezeptor  blockiert auch Kalziumkanäle

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die Transmitterfreisetzung wird nicht durch Na+ und K+-Kanäle kontrolliert o der Beitrag der spannungsgesteuerten Na+-Kanäle zur Transmitterfreisetzung lässt sich ermitteln, indem man die Kanäle blockiert o Messelektroden in einer Riesensynapse im Stellarganglion des Tintenfisches o TTX-Blockade: nach 15 min wird präsynaptisches und postsynaptisches Potential schwächer; unter 40 mV kein postsynaptisches Potential o potentieller Zusammenhang zwischen prä- und postsynaptischem Potential o komplett Blockade von Na+- und K+-Kanälen beeinflusst Amplitude und Dauer des präsynaptische Aktionspotentials und des postsynaptischen Potentials o die Transmitterfreisetzung wird nicht blockiert  Na+- und K+-Kanäle sind für die Transmitterfreisetzung nicht nötig Transmitterfreisetzung wird durch den Kalziumeinstrom gesteuert o in Nervenzellen liegt ein einwärts gerichteter Ca2+-Gradient vor, der nach Öffnung der Ca2+-Kanäle zu einem starken Ca2+-Einstrom führt o Ca2+-Kanäle findet man hauptsächlich im Wachstumskegel, weniger in den Axonen o Ca2+-Kanäle bleiben solange offen (werden nicht wie die Na+-Kanäle inaktiviert), solange die präsynaptische Depolarisation anhält o im Gegensatz zu Na+- und K+-Kanälen sind die Ca2+-Ströme gering o im Bereich der aktiven Zonen ist der Ca2+-Einstrom 10-fach größer als in anderen Bereichen der Synapse o die in den synaptischen Endigungen befindlichen Ca2+-Kanäle sind spannungsabhängig o während eines Aktionspotentials kann die Ca2+-Konzentration an der aktiven Zone innerhalb weniger hundert µs auf ein tausend-faches ansteigen o der schnelle und starke Anstieg stimmt mit der zeitgleichen Transmitterfreisetzung überein Transmitterfreisetzung allein auch ohne AP  AP wird nur benötigt, um Ca-Kanäle zu öffnen der Kalziumeinstrom in die präsynaptische Zelle beeinflusst den zeitlichen Verlauf der synaptische Übertragung in den meisten Nervenzellen gibt es verschiedene Typen von Calcium-Kanälen o N-Typ: embryonal o P-Typ: postnatal o L-Typ: nicht in der aktiven Zone o T-Typ: im Herz o P/Q- und N-Kanäle tragen hauptsächlich zur Transmitterfreisetzung bei Neurotransmitter werden in Portionen (Quanten) freigesetzt o ein Quant (= Transmittermenge pro Vesikel) ist immer gleich groß o jedes Transmitterquant löst ein postsynaptisches Einheitspotential von festgelegter Amplitude aus o die Amplitude des postsynaptischen Potentials entspricht dem Produkt aus der Amplitude des Einheitspotentials mal der Anzahl an freigesetzten Transmitterquanten o spontan auftretende MEPPs (Miniature End-plate Potentials) sind so groß wie ein Einheitspotential o dieses Einheitspotential hat die gleiche Amplitude wie ein spontanes MEPP der Transmitter wird durch Exocytose des synaptisches Vesikels an der aktiven Zone freigesetzt Kapazität: Messung, wie stark sich die Membran nach Vesikelfusion vergrößert hat synaptische Vesikel werden recycelt o 30 s nach Endozytose, hält länger als 1 min an o die überschüssige Membran enthält Clathrin umhüllte Gruben, die sich anschließend als kleine Vesikel abschnüren o die endozytierten Vesikel verschmelzen dann mit Endosomen und es entstehen neue Vesikel CAM-Kinase phosphoryliert Synapsin  Vesikel geht ab Synaptobrevin und Synaptotagmin suchen Gegenspieler auf Postsynapse

 SNARE-Komplex = Voraussetzung für Exozytose Die Anzahl der durch ein Aktionspotential freigesetzte Transmittervesikel wird durch den Calciumeinstrom bestimmt  die Effektivität von chemischen Synapsen kann für längere und kürzere Zeit verändert werden (synaptische Plastizität)  Kurz- und Langzeitänderungen  Kurzzeit: Änderung des Calciumeinstroms oder Akkumulation von Calcium in der präsynaptischen Endigung, Menge des ausgeschütteten Transmitters

Posttetanische Potenzierung  

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nach hochfrequenter Stimulation des präsynaptischen Neurons steigt die Amplitude der postsynaptischen Potentiale kontinuierlich an, homosynaptische Bahnung Vermutung: o kurzzeitige Sättigung der Ca2+-puffernden Systeme in der Nervenendigung o endoplasmatisches Retikulum und Mitochondrien o Ca2+-Überschuss in der Zelle o Aktivierung der Ca2+/Calmodulin abhängigen Kinase o mehr Vesikelfreisetzung  mehr Transmitterfreisetzung einfach Form von zellulärem Gedächtnis Verstärkung der Synapse für einige Minuten

Präsynaptische Inhibition     

synaptische Verbindungen an der präsynaptischen Endigung beeinflussen die Konzentration des intrazellulären freien Calciums ein hemmendes Neuron (a) hat synaptischen Kontakt mit der Endigung eines zweiten präsynaptischen Neurons ein Aktionspotential in C1 hemmt den Calciumeinstrom in (a), wodurch sich die durch (a) freigesetzte Transmittermenge reduziert als Folge wird das postsynaptische Potential von (b) kleiner 3 Mechanismen der Inhibition: o Schließen der Ca2+-Kanäle und Öffnen der K+-Kanäle o Leitfähigkeitssteigerung für Clo verringer te Ca2+-

Sensitivität  weniger Transmitter

Präsynaptische heterosynaptische Bahnung (presynaptic facilitation)   

ein bahnendes Neuron (c2) hemmt K+-Ausstrom aus (a) und verlängert dadurch das Aktionspotential es strömt mehr Ca2+ in (a) ein und setzt mehr Transmitter frei als Folge ist das postsynaptische Potential der Zelle (b) größer

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Bsp. Mollusken: Serotonin bewirkt ein Schließen der K+-Kanäle über eine cAMP-abhängige Phosphorylierung, wodurch Aktionspotential und Ca2+-Einstrom länger anhalten

Sensitivierung 

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Modellorganismus Aplysia o Bildung eines langsamen synaptischen und großen Aktionspotentials durch Schließen der S-Typ K+-Kanäle durch cAMP (PKA) o dadurch erhöhter Ca2+-Einstrom Stimulierung über Schwanz/Siphon alleine zu langsam  Interneurone (serotonerg)  Sensitivierung o Phosphorylierung des Kalium-Kanals  geschlossen o stärkere Depolarisation o Ca-Kanäle länger offen o alles viel schneller Berührung des Siphons führt bei Sensitivierung zu verstärktem Kiemenrückzug

Bildung und Regeneration von Synapsen  

das meiste Wissen kommt von der neuromuskulären Endplatte Entwicklung der Neuromuskulären Endplate (NME)

o o

o der Wachstumskegel nähert sich einer Myotube Bildung eines morphologisch unspezialisierten, aber funktionellen Kontakts

Anhäufung von synaptischen Vesikeln und Ausbildung einer Basallamina; die Basallamina ist reich an ACh o polysynaptische Innervierung o synaptische Eliminierung (in Mäusen 2 Wochen postnatal) die Interaktion zwischen Motoneuron und Skelettmuskel organisiert die Entwicklung der NME am Ende: 1 Endplatte pro Muskelfaser (Pretzel-Struktur) o überzählige Synapsen werden eliminiert (s.o.) o polysynaptische Innervierung nur wichtige Zwischenstufe) der Motornerv organisiert die Differenzierung der postsynaptischen Muskelmembran das ACh-R-Clustering ist abhängig von regulierter Translokation und Transkription neuronale Aktivität unterdrückt die Synthese von ACh-R in nicht-synaptischen Arealen bei Paralyse/Denervation werden stille Kerne wieder aktiv Komponenten in der Basallamina lösen das ACh-RClustering aus auch wenn die Re-Innervierung verhindert ist, kommt es zu einem erneuten Clustering o

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das

von der Nervterminalen freigesetzte Agrin interagiert mit MUSK und Rapsyn und führt zu ACh-R-Aggregaten in der Muskelfaser o Agrin¸ ein Proteoglykan lokalisiert MUSK o MUSK (muscle specific tyrosin kinase)

führt zum AChR-Clustering Neuregulin = Ligand für erb-Kinase (MAP-Kinase) o AChR wird hochreguliert o wenn Ligand nur zur Hälfte da  halbe Muskelkraft verschiedene Aspekte der post-synaptischen Differenzierung werden durch das Motoraxon kontrolliert ACh-Rezeptor-Clustering: o Aktivität und Neuregulin stimulieren Genexpression o Agrin, MSUK und Rapsyn führen zum Clustering Agrin stimuliert Aggregation von ACh-Esterase, aber ACh-Esterase-Synthese benötigt Muskelaktivität aber auch der Muskel ist durch retrogrades Signaling an der Differenzierung der Motornerv-Terminalen beteiligt Zelladhäsionsmoleküle, neurotrophe Faktoren, Substanzen aus der Basallamina, Laminin-221 (Laminin-4, Merosin) wirken stimulierend Laminin-Mutante  keine Pretzelstruktur  keine richtigen Endplatten  sterben an Ateminsuffizienz Muskelfasern organisieren die Differenzierung der Motornerv-Terminalen an denervierten und re-innervierten Muskeln von Individuen formieren sich neue NME an den alten Stellen (alte Basallamina), obwohl sie nur 0.1% der Oberfläche der Muskelfaser ausmachen (spezielle Signale) bei Eliminierung der Polysynaptischen Innervierung überlebt nur die stärkste Synapse (am besten innerviert) die synaptische Zielerkennung ist sehr spezifisch (sehr wenig bekannt) o z.B. innervieren se...