Membranpotential und Stoffwechsel

Wichtig für die Erforschung der Ionenkaäle ist die Patch-Clamp-Methode. Dabei wird ein einzelner Ionenkanal mit einer Pipette angesaugt und die Spannungsänderungen zu einer Haltespannung in der Zelle,  gemessen. Es gibt mehrere Techniken. Das Membranpotential unterliegt der Leitfähigket der Membrane für Ionen und damit der spannungsgesteuerten Zustände der Ionenkanäle.

Der Natriumkanal hat drei Zustände, offen, geschlossen und offen blockier. Er kann zwischen diesen Zuständen wechseln. Der Summenstrom setzt sich aus vielen Einzelströmen zusammen, die ganz unterschiedliche Ausprägungen haben können. Der Natriumkanal besitz einen kleine Zusatz, der von verschiedenen Giften als Angriffpunkt gewählt wird. Es gibt verschieden Natriumkanäle.

Der Kaliumkanal ist entweder offen oder geschlossen. Bleibt länger offen und der Summenstrom ist wenigr markant. Das Halbaktivierungspotential definiert die Spannungsschwelle. Wichtig ist dessen Wert und die Steilheit der Kurve.

Zur Verfügung stehen Mutagense von Frosch Oozyten, Klonierung, Rasterelektronenmikroskopie und Elektrophysologische Charakterisierungen. DIe Kanäle sind spannungssensitiv, weil transmembrane Helices im vierten Segment positive geldaen sind. Bei einer Änderung des Membranpotentiales ändert sich auch die Konformation der Helices und der Kanal öffnet sich. Die selektiven Kanäle verfügen über einen Selekttionsfilter. Mechanische Grundvoraussetzung ist die Anpassung der Porenöffnung an die grösse des Iones. Beim Eintritt in die Pore streift das Ion seine Hydrathülle ab, die es erst wider nach der Pore bekommt. Dazwischen simuliert das Protein die Hydrathülle. Das sorgt für Selektivität. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind besonders oft von Giften betroffen.

Es gibt Spannungsgeseteuerte und Ligandengesteuerte Ionenkanäle. Bei Letzteren unterschiedet man Ionotrope, wobei ein Ligand an den Rezeptor bindet und den Kanal öffnet, von metabotropen, bei denen ein Ligand intrazellulär einen Signalweg aktiviert, der über Zwischenschritte zum Öffnen eines Kanales führt. Ionotrope Rezeptoren sind Röhren mit Bindungsstellen auf den extrazellulären Abschnitten. Der nACHR ist eine Pentamer mit vier Transmembranuntereinheiten. Es lässt sich ein Zusammenhang zwischen Ligandenkonzentration und Strom feststellen.

Das Aktionspotential entsteht generell am Axonhügel, kann aber auch aus den Dendriten stammen. Es kann sich entalng des Axons passiv, wie in einem Kabel, oder aktiv durch Ionenkanäle, die so auch Tempo und Intensität regulieren können, ausbreiten. Passiv nimmt das Potential aufgrund des Wiederstandes und diverser "Lecks" exponentiel ab. So können Potentiale nur über wenige mm weitergeleitet werden. Für die länge eines normalen Axons, mehrer duzend cm, braucht es den aktiven Transport. Dabei "öffnet" ein Aktionspotential benachbarte Ionenkanäle, das Potential breitet sich so in diese Richtung aus.  Die andere Richtung ist nicht möglich, weil dort die Ionenkanäle noch in der Refrektärzeit stecken.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt vom Axondurchmesser und dem elektrischen Wiederstand ab. Um diesen zu senken, sind die Axonen durch Myelin isoliert. Das Axon wird von mehreren nacheinanderliegenden Melinscheiben eingehüllt und so die Leitungsgeschwindigkeit erhöt. Zwischen den Meyelinscheiben, bei den Ranvierschen Schnürringen ist keine Isolation und das Aktionspotential kann verstärkt werden. In den myelinisierten Abschnitten breitet sich das Aktionspotential durch Diffusion von Ionen aus. Im Zusammenhang mit dem Nervensystem kann es zu zahlreichen Pathologien kommen. Beschäädigte Myelinscheiben äussern sich in MS, fehlerhafte Kanäle sind auch kritisch.

In ihrem "Leben" erfahren sie 5 Stadien. Synthese, Speicherung, Freisetzung, Bindung an Rezeptor und Inaktivierung. Ionotrope Rezeptoren sind Teile von Ionenkanälen, an die Neurotransmitter binden könne und zu einer direkten änderung des postsynaptischen Membranpotentiales führen. Metabotrope Rezeptoren kontrollieren die intrazelluläre Freisetzung von Enzymen, die die Ionenkanäle beeinflussen und haben so indirekte Kontrolle über das Membranpotential.

Ist im Säuger-ZNS für den Hauptteil der schnellen erregenden Übertragung zuständig. In den Mitochondrien der Nervenenden wird Glutamat mittels PAG aus Glutamin synthetisiert. Das Glutamin stammt aus den umgebenden Gliazellen, die das Ausgeschüttete Glutamat aufnehmen und daraus Glutamin synthetisieren. Glutamat gelangt zusammen mit Natrium als Co-Transporter in die Vesikel. Die Inaktivierung von Glutamat erfolgt wiederum durch die Aufnahme via Transporter. Es gibt gliale und neuronale Glutamat-Transporter.

Ionotrope Glutamatrezeptoren sind teil eines Ligandenaktivierten Kationenkanales. Es gibt drei Typen. NMDA (alle drei Kationen hohe Leitfähigkeit), AMPA(Calcium nicht, geringe Leitfähigkeit) und Kainat (alle drei). AMPA und Kainat werden auch als nicht-NMDA-Rezeptor bezeichnet. NMDA ist dahingehend speziell, dass er sowohl liganden- als auch spannungsgesteuert ist. Zum Ruhepotential tragen sie nichts bei, weil sie durch Magnesium blockiert werden. Sie treten erst bei Depolarisation in erscheinung, aber auch dann nur langsam. Die strukturelle Besonderheit der Glu-Untereinheiten ist, dass sie nicht vier Transmembranuntereinheiten aufweisen, sondern nur drei und die zweite eine intramembranäre Schlaufe bildet.

AMPA-Rezeptoren setzen sich in verschiedenen Verhältnisen aus vier Untereinheiten zusammen. 1 und 3 haben eine starke Einwertsrektifizierung und eine hohe Permeabilität für Calcium. 2 hat einen linearen Strom/Spannungsverlauf und ist kaum durchlässig führ Calcium. 2 ist weit verbreitet, deshalb sind viele AMPA für Calcium nicht durchlässig. Die besonderheit von 2 liegt darin, das zwischen Transkription und Translation ein Q/A-Switch stattfindet, bei 1,3und 4 geschieht dies nicht. "Unreife" Synapsen enthalten nur nur NMDA und kein AMPA. Das NMDA kann aber aufgrund des Magnesium gar nicht aktiviert werden. Diese Synapsen reagieren deshalb nicht und werden als "still" bezeichnet.

NMDA-Rezeptoren haben Bindungsstellen für viel verschiedene,kompetitive agonistische wie antagonistische Substanzen. Der Kanal ist Calcium-permeabel. Glutamat ist der potenteste Agonist, Glyzin ein Co-Agonist. Es gibt auch Kanalblocker, die den Kanal verschliessen. Wichtig sind NMDA-Rezeptoren, da sie mit dem spannungsabhängigen Magnesiumblocker als Koinzidenzindikatoren für prä-und postsynaptische Aktivität dienen. Wenn prä, wie post aktivität stattfindet, wird die Übertragungsstärke erhöt, die bedeutung der Synapse wächst. Lernprozess. Überaktivierung von NMDA führt zu massivem Calciumeinstrom. Exzitotoxizität der Apoptose.

Noch zusammensuchen.

Verbreitet im Gehirn, bestehen aus 7 Transmembransegmenten. 8 Glutamatrezeptoren aus drei Klassen. Die BIndungsstelle ist immer N-Terminal und extrazellulär. Die Kopplung vom Glu mit dem Zeilprotein erfolgt also über den meist relativ grossen C-Terminus. Allgemein sind die ionotropen Rezeptoren zentral, die metabotropen peripher in der Synapse gelegen.

Wichtigster hemmender Transmitter im Hirn, gilt aber nicht immer. In Föten ist die Chloritkonzentration so  stark erhöt, dass GABA depolarisierend wirkt. Postnatal sinkt die intrazelluläre Chloridkonzentration, nach einer Woche ist der Schwellenwert unterschritten.  Wird der Kalium- und Chlor-Cotransporte KCC2 exprimiert, sinkt die Chlorkonzentration und das GABA-Gleichgewicht wird zu hyperpolarisierenden Werten verschoben. GABA wird von Glutaminsäure-Decarboxylase aus Glutamat synthetisiert und gemeinsam mit Glyzin transportiert. Inaktivierung erfolgt durch gliale und neuronale Aufnahme. GABA-Neurone sind entweder viele kleine Interneuronen oder oder lange Projektionsneuronen.

Die synaptische Inihibition wird vorallem durch GABAa-Rezeptoren vermittelt. Es sind Pentamere, die sich aus verschiedenen Untereinheiten zusammensetzten. Die Vielzahl an verschiedenen Untereinheiten ergibt ein hohe Rezeptor-Diversität. Die GABA-Rezeptoren können moduliert werden. Bezodiazepin hat zB an verschiedenen Rezeptoren unterschiedliche Einflüsse. An Alpha 1 ist sedativ, alpha 2 auxialytisich alpha3 muskelrelaxierend.

GABAb-Rezeptoren sind metabotrope Rezeptoren, die prä- sowie postsynaptisch Vorkommen, prä vor allem um die Ausschüttung von Transmitter zu hemmen. Sie weisen grosse Sequenzähnlichkeit mit metabotropen Glutamatrezeptoren auf. Die GABA-Bindungsstelle ist extrazellulär N-Terminal. GABAb-Rezeptoren sind heterodimere. Baclofon ist der beste Agonist.

Der Energiezustand ist für die Zelle von höchster Bedeutung, nur eine Zelle mit genügend Energie ist überlendendsfähig. Zur Errechnung der Energieladung gibt es eine praktische Formel. Beu 0 ist nur AMP vorhanden, bei 1 nur ATP.

Glyzin ist ein Intermediat und Aminosäure. Es ist ein Produkt des Stoffwechsels und wird nicht extra hergestellt. Glyzin und GABA werden in den gleichen Vesikel transportiert. Inhibition erfolgt durch Aufnahme via Glyzintransporter. Glyzin ist der wichtigste Inhibitor des Rückemarkes. Der Glyzinrezeptor weist Ähnlichkeiten mit dem GABAa-Rezeptor auf. Es gibt nur ionotrope Glyzinrezeptoren. Wie bei GABAa sind sie teil eines Chlorit-Kanales. Strychnin blockt den Rezeptor.  Die Rezeptoren sind  mittels Gephyrin am postsynaptischen molekularen Gerüst verankert.

Wird aus Cholin und Acetyl-CoA von Acetylcholintransferase synthetisiert und durch Acetylcholinesterase inhibitiert. ACHE ist statinär und das Ziel vieler Kampfgifte. Acetylcholin ist der Transmitter an neuromuskulären Verbindungsstellen und der wichtigste Transmitter des Vegetativen Nervensystem.

Es gibt sowohl ionotrope als auch metabotrope Rezeptoren. Der nikotinische ACH-Rezeptor ist ionotrop. Der muscarinische ist metabotrop, Antropin ist der generelle Antagonist von mACHR. Muscarin aus Fliegenpilzen aktiviert diese Rezeptoren. Sie kommen vor allem im Gehinr vor. Prä- als auch postsynatpisch, prä steuern sie die Transmitterausschüttung. Die Transmission in Sympatikus und Parasympatikus unterscheidet sich dahingehend, dass im Sympatikus wird der ACH wiederaufgenommen, im Parasympatikus durch Acetylcholinesterase abgebaut.

Die Chatelochamine sind Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin. Aus Tyrosin wird mittel Tyrosin-Hydroxylase L-DOPA. Diese wird unter Hilfe von  AACD zu Dopamin, dass das Substrat für Noradrenalin unter Einfluss von Dopamin-beta-Hydroxylase. Phenylethanolamin-N-Methyltransferase katalsiert die Reaktion von Noradrenalin zu Adrenalin. Chatelochamine werden zusammmen mit ATP in kleine Bläschen gespeichert. Diese Transporter können sich bewegen und sind oft das Ziel von Medis. Chatelochamine werden allgemein durch Monoaminooxidasen inhibitiert. Die hauptsächlich Form der Inihibiterung erfolgt jedoch über Wiederaufnahme. Die einzelnen transporter können auch spezifisch gehemmt werden.

Finden sich prä- wie postsynaptisch. D1-artige (D1 und D5) aktivieren die Adenylazyklase, D2-artige (D2,D3und D4) hemmen die Adenylazyklase. Bei Parkinos leidet der Patient an einem Mangel an Dopaminmangel. Zur Behnadlung wird dem Patient L-DOPA zusammen mit einem Decarboxylase verbabreicht, um die Decarboxylierung von L-DOPA zu verhinder. L-DOPA kann im vergleich zu Dopamin die Hirn-Schranke überwinden und im Gehirn heilend wirken.

5-Hydroxytryptamin alias Serotonin ist ein Transmitter mit ähnlichen Eigenschaften wie die Catelochamine. Tryptophan ist die Vorläufersubstanz für Serotonin. Tryptophan wird hydroxyliert zu 5-Hydroxytryptophan und dann von AACD decarboxyliert. Speicherung und Transport gleich wie bei den Catelochaminen.

Serotonin wird durch SERT-Transporter aufgenommen, aber auch enzymatisch inhibitiert. Die Seratoninrezeptoren können ionotrop aber auch metabotrop sein.

Eine Synapse ist eine Kontaktstelle zwischen zwei Nerven oder einem Nerv und einem Muskel, bei dem ein Signal von der präsynaptischen Zelle auf die postsynaptische weitergeleitet wird. Bezüglich den Nervensystem gab es Ende des 19 Jhr. zweo konkurenzierende Theorie. Nach der Retikulumtheorie sei das Nervengewebe ein kontinuierliche Netzwerk.  In der Neuronentheorie ist das Nervengewebe aus einzelnen Zellen, den Neuronen aufgebaut. Letztere hat sich durchgesetzt. Die Diskontinuität der Neuronen konnte jedoch erst mit der Entwicklung des EM und der entdeckung der Synapsen einwandfrei belegt werden.

Es gibt zwei Typen von Synapsen, zum einen die elektrischen Synapsen, wie man die bei Gap Junctions findet. Die Plasmamebranen nähern sich aneinander an. Die Connexone, aufgebaut aus sechs (auch unterschiedlichen) Connexinen berühren sich (fast?). Finden sich vor allem in Hirn zwischen Astrozyten und Oligodendrozyten aber auch zwischen Neuronen. Sie unterstützen die Sinchronisierung. An elektrischen Synapsen wird die übertragung nicht verlangsamt, die Weiterleitung erfolgt durch Ionenfluss durch den Kanal. Übertrag erfolgt in beide Richtungen, meist wirken sie erregend. An den elektrischen Synapsen können auch kleine Moleküle von Zelle zu Zelle gelangen.

An chemischen Synapsen führt ein Aktionspotential präsynaptisch zur Ausschüttung von Transmitter, die den synaptischen Spalt durchquert und postsynaptisch wieder ein Aktionspotential auslösen. Otto Lewi konnte beweisen, das das Aktionpotential von einem Botenstoff weitergeleitet wird weil ein Herz, dessen Behälter mit einem weiteren mit einem Herz verbunden war auch schlug, nach dem der Herzschlag beim ersten angeregt wurde. Der Botenstoff diffundierte also durch das Wasser. Ein solcher Transmitter muss präsynaptisch vorhanden sein, Calciumgesteuert ausgeschüttet und postsynaptisch registriert werden können.

Die Synapsen im ZNS und die motorischen Endplatten unterscheiden sich, funktional sind sie aber gleich. Die Synapse wird aufgebaut von einer präsynaptischen Endigung, die können nicht nur am Ende des Axons sondern auch am Strang auftreten. Sie sind gefüllt mit verschiedenen synaptischn Bläschen, den Vesikel. Dann ist die prä- und die postsynaptisch Membrane etwa parallel. Dazwischen liegt interzellularer Raum, der synaptische Spalt. Es gibt den Typ I, Synapse asymmetrisch, meist erregen, und den Typ II, symmetrisch und meist hemmend.

ZNS haben je nach Typus sprich lokalisation im Gehirn wenige bis zehntausende synaptische Eingänge. Sie empfangen sowohl erregende als auch hemmende Potentiale und verrechne sie, wird als neuronale Integration bezeichnet. Der Nettoeffekt ist abhängig von der Grösse, der Form und der Umgebung der Synapse. Allgemein ist die Integration hochkomplex. Eine Synapse muss Transmitter synthetisieren, speichern, die Exziation mit der Ausschüttung koppeln, Ausschütten, Membranenen Recyclen, die Proteine müssen mit den Transmitter integrieren, postsynaptisch muss ein Potential ausgelöst werden und die Transmitter inaktiviert werden können.

Synaptobrevin, ein Protein der Vesikelmembran, bildet im Komplex mit Syntaxin und SNAP-25, zwei Proteinen der Plasmamembran, den SNARE-Komplex. Wenn nun Calcium  durch Calciumkanäle einströmt, verbindet sich die Vesikelmembrane mit dem Zellmembrane und die Transmitter werden in den Spalt ausgeschüttet. Clostridien-Toxine wie Tetanus oder Botulinum greiffen entweder das Synaptobrevin, oder das SNAP-25 oder das Syntaxin an und verhinder so die Ausschüttung des Transmitters.

In einer Synapse lassen sich verschieden Vesikeltypen unterscheiden. Im Reservepool liegt der grösste Teil der Vesikel als langfristiges Lager. Die zweite Reihe bildet der Recyclingpool, der den ersten Pool bei verbrauch beliefert. Im ready-to-realise-pool (RRP) sind die Vesikel schon locker an der Zellmembrane und bereit zur Ausschüttung. Es gibt verschieden Recyclingkonzepte. Bei kiss-and-stay bleibt das Vesikel praktisch an der Membran, wird nur wieder aufgefüllt. Bei kiss-and-run entfert sich das Vesikel und wird im Hinterland aufgefüllt. Beim endosomalen recycling fusioniert das Vesikel mit anderen Organellen. Irgendwann löst sich ein neues Vesikel, wird gefüllt und bewegt sich in Richtung Membrane.

Das Vesikel wird mit Hilde des Clathrin-Mantel wieder aufgenommen, Dynamin schnürt das Vesikel ab. Der Clathrin-Mantel wird abgestossen und das Vesikel recyclet.

Ein Aktionspotential führt zur Öffnung von Calciumkanälen.Als Folge binden die Vesikel stramm an die Membrane und schütten die Transmitter aus. Das Vesikel löst sich und wird recyclet. Postsynaptisch binden die Transmitter an die Rezeptoren. Postsynaptisch wird das Membranpotential erhör. Bei einem aussreichend starken Reiz wird dieser als ein neues Aktionspotential weitergeleitet.