Molekulare Zellbiologie I (Stofftransport)

· Calcium-Kanäle:

  · entscheidend für die synaptische Übertragung

  · Grundlage des Calcium-Aktionpotentials

  · regulieren biochemische Pfade

· Chlorid-Kanäle:

  · kontrollieren Ruhepotential und Erregbarkeit

  · regulieren u.a. das Zellvolumen

· elektrotonische Ausbreitung

  · passive "elektrische Kabel"

  · nach 1λ (Membranlängskonstante*) ist die Spannung auf 37% abgefallen

    → schnelle Erregungsleitung, aber nur für kurze Strecken geeignet

· aktive Ausbreitung von Aktionspotentialen

  · spannungsabhängige Ionenkanäle verstärken laufend das Signal

  · ist das Axon myelinisiert, wird das Signal saltatorisch weitergeleitet

* nimmt wurzelförmig mit d, R_m und 1/R_i zu (R_m = Membranwiderstand, wird durch Myelinisierung erhöht)

· in myelinisierten Axonen

  · Myelinscheide ist jeweils nach  ~1mm unterbrochen (Nodus / Knoten / Ranvier-Schnürring)

  · an den Knoten befinden sich in hoher Dichte Na⁺-Kanäle und Na⁺/K⁺-ATPasen

· Geschwindigkeiten bis zu 120 m/s möglich (bei d ~20µm)

· Multiple Sklerose (MS)

  · entzündliche degenerative Erkrankung des ZNS (zweithäufigste neurologische Erkrankung)

  · Abbau der Myelinscheiden und Schädigung der Axone

· Channelopathies (Ionenkanalkrankheiten)

  · Hyper- oder Hypoerregbarkeit

  · Mutationen in Genomen, die für Ionenkanäle kodieren (kann vererbt werden)

· Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen / einer Nerven- und einer Muskelzelle

· elektrische Synapsen:

  · Gap Junctions (häufig zwischen Astrozyten oder Oligodendrozyten / Signalweiterleitung und Synchronisierung)

  · bidirektionale oder unidirektionale Übertragung (meistens erregend, Depolarisation wird weitergeleitet)

  · Übertragung kleinmolekularer Substanzen (< 1kDa / cAMP / IP₃ / Ca²⁺)

· chemische Synapsen:

  · wichtigste Transmitter:

    · Acetylcholin (in neuromuskulären Endplatten / im vegetativen Nervensystem)

    · Glutamat (erregend, im ZNS)

    · GABA (hemmend, im ZNS)

    · Glycin (hemmend, im Rückenmark)

· präsynaptische Endigung (bouton terminal) / Varikosität (en passant boutons)

· Ansammlung von synaptischen Bläschen (Vesikel / ø ~35nm)

   · kernhaltig

   · hell (clear) / S (spherical) / F (flat)

   · small dense core (50nm) / large dense core (150nm)

· prä- und postsynaptische Membranen liegen ungefähr parallel

· synaptischer Spalt (~25nm) ist weiter als normaler ICR (~10nm)

· Typ I:

  · asymmetrisch / postsynaptische Verdichtung

  · meistens erregend / axodendritisch

  · runde synaptische Vesikel

· Typ II:

  · symmetrisch

  · meistens hemmend / axosomatisch (befinden sich am Perikaryon)

  · abgeflachte synaptische Vesikel

· räumliche und zeitliche Summation der erregenden und hemmenden Nervenimpulse

  · räumliche Summation: Summe der Potentiale, die gleichzeitig von mehreren Synapsen am Neuron eintreffen

  · zeitliche Summation: Summe schnell hintereinander eintreffender Potentiale einer Synapse

  · übersteigt die Summe der eintreffenden Potentiale einen Schwellenwert, wird ein Aktionpotential ausgelöst

     · ein EPSP von Motoneuronen hat ~0.3 mV, aber für AP wird 10 mV Depolarisation benötigt → es braucht ~30 EPSP für AP

  · Nettoeffekt ist abhängig von Ort, Grösse, Form und relativer Stärke der Synapse

· ZNS-Neurone können je nach Typ nur wenige oder mehrere Zehntausend synaptische Eingänge erhalten

1.  Budding (Entwicklung / Synthese)

2.  Docking (Andocken)

3.  Priming (Vorbereitung):

     · Bildung des SNARE-Komplexes (Synaptobrevin der Vesikelmembran + SNAP-25 / Syntaxin der Plasmamebran)

       · Tetanus- und Botulinumtoxin verhindern die Ausbildung eines SNARE-Komplexes

     · Synaptotagmin (Ca²⁺-Sensor) stärkt bei einem Ca²⁺-Einstrom die Bindung des SNARE-Komplexes →

4.  Fusion (Fusion / Freisetzung):

     · damit die beiden Membranen miteinander fusionieren können, muss das Wasser dazwischen verdrängt werden

        → SNARE-Komplexe (synaptosome-associated protein receptor)

     → Sekretion des Neurotransmitters

5.  Budding (Entwicklung):

     · "kiss-and-stay": Vesikel wird nach Fusion nicht endozytiert

     · "kiss-and-run": Vesikel wird nach Fusion endozytiert und nimmt wieder Neurotransmitter auf

     · "endosomal recycling": Vesikel wird endozytiert und fusioniert mit dem Endosom

        1.  Wiederaufnahme des Vesikels mittels Clathrin-Mantel

        2.  Dynamin schnürt ummanteltes Vesikel ab

        3.  Clathrin-Mantel wird abgestossen und Vesikel wird recycled

1.  Präsynaptisches Aktionspotential → Öffnen der Ca²⁺ - Kanäle (0.3 ms)

2.  Ca²⁺ - Einstrom → Vesikel fusionieren mit Plasmamembran (0.5 ms)

3.  Exozytose → Neurotransmitter binden an postsynaptische Rezeptoren (0.4 ms)

4.  EPSC (evoked postsynaptic current) → Summe der EPSCs lösen postsynaptisches Aktionspotential aus (0.1ms)

→ Total ca. 1.5ms

· Membranpotentialänderungen, die durch postsynaptische Transmitterbindung ausgelöst werden

  · depolarisierend / hyperpolarisierend ≠ erregend / hemmend

· EPSPs (exzitatorisches postsynaptisches Potential)

  · erregend (im ZNS Glutamat-erge Synapsen)

  · Entstehung durch kurzzeitige Leitfähigkeitserhöhung für kleine Kationen wie Na⁺, K⁺ und z.T. Ca²⁺

· IPSPs (inhibitorisches postsynaptisches Potential)

  · hemmend (im ZNS GABA-erge Synapsen)

  · Entstehung durch kurzzeitige Leitfähigkeitserhöhung für Cl^--Ionen*

· Umkehrpotentiale sind charakteristisch für PSP (Ruhemembranpotential: -65 mV)

  · EPSP bei  ~  0 mV  (ab > 0 mV → Hyperpolarisation / ab  < -15 mV → Depolarisation)

  · IPSP bei ~ -70 mV  (ab > -70 mV → Hyperpolarisation / ab < -80 mV → Depolarisation)

* bei langsamen IPSP auch durch K⁺ Leitfähigkeiten via Aktivierung von GABA-Rezeptoren

· enthalten nur NMDA und keine AMPA Rezeptoren → können wegen dem Mg²⁺ - Block nicht selbst aktivieren

· Vorkommen: in unreifen Synapsen / vermutlich auch im adulten Gehirn

· Zellschädigung / Zelltod durch massiven Calcium-Einstrom

· verursacht durch Überaktivierung von NMDA-Rezeptoren

· ionisierte Form der L-Glutaminsäure (Glutamin → Phosphat-aktivierte Glutaminase → Glutamat)

  · PAGase befindet sich in den Mitochondrien

  · Gliazellen nehmen mittels Glu-Transportern (EAAT1-5) Glutamat auf und synthetisieren daraus Glutamin

· Hauptbestandteil der schnellen, erregenden, synaptischen Übertragung im ZNS

· bestehen aus 4 Untereinheiten (GluR1-7 → GluR2 bewirkt schlechte Ca²⁺-Permeabilität)

· jede UE besitzt nur 3 TMD, weil zweite TMD eine intramembr. Schlaufe bildet (andere ionotr. UE besitzen 4 TMD)

· es gibt 3 Arten (Liganden-aktivierte Kationen-Kanäle):

  · NMDA:

     · permeabel für Na⁺ / K⁺ / Ca²⁺  (besteht aus 2 NR1- und 2 NR2-Untereinheiten)

     · öffnen und schliessen nur langsam → späte Phase des EPSP

     · Liganden- und Spannungs-gesteuert → Koinzidenzdetektor bei gleichzeitiger prä- und postsynaptischer Aktivität

     · bei Ruhepotential ist Öffnung des Kanals durch Mg²⁺ blockiert

  · non-NMDA:

     · AMPA:   permeabel für Na⁺ / K⁺ (aber meistens nicht für Ca²⁺ / besteht aus verschiedenen Kombinationen aus GluR1-4)

     · Kainat:  meistens permeabel für Na⁺ / K⁺ / Ca²⁺ 

verminderte Ca²⁺-Permeabilität bewirkt lineare I-V-Kurve (z.B. wenn GluR2 vorhanden ist)

· weitverbreitet im Gehirn (prä- und postsynaptisch)

· besitzen 7 Transmembransegmente

· Glutamat-Bindungsstelle befindet sich in der N-terminalen, extrazellulären Domäne

· G-Protein-Kopplung im Gegensatz zu anderen metabotropen Rezeptoren v.a. über C-terminale Domäne

· wichtigster hemmender Transmitter im Gehirn (kommt v.a. in kleinen Interneuronen und Purkinjezellen vor)

· aber GABA ist nicht immer hemmend (fötal und 1. Woche postnatal wirkt GABA depolarisierend)

· Glutamat → GAD / Glutaminsäure-Decarboxylase → GABA     (GABA-Synthese findet in der Präsynapse statt)

· GABA wird von den Gliazellen über GABA-Transporter aufgenommen (→ Inaktivierung)

· aus 5 heteromeren Untereinheiten mit 4 TMD (N- und C- Terminus sind extrazellulär) / bildet Cl^- - Kanal

· Barbiturate (Narcotica) und Benzodiazepine (Sedativa) verstärken GABA-Wirkung

· Heterodimere (grosse Sequenzähnlichkeiten mit metabotropen Glutamat-Rezeptoren)

· prä- und postsynaptisch (präsynaptisch v.a. Hemmung der Transmitter-Freisetzung)

· GABA-Bindungsstelle liegt in der N-terminalen Domäne

· wird mit vesikulären Transportern für GABA und Glycin transportiert

· Glycin-Rezeptoren bilden die wichtigsten inhibitorischen Rezeptoren des Rückenmarks

· nur ionotrope Glycin-Rezeptoren bekannt (ähnliche Struktur wie ionotroper GABA_A-Rezeptor)

· enthält Cl^- - Kanal

· Strychnin blockiert Rezeptor 

· Cholin + Acetyl-CoA → Cholinacetyltransferase (ChAT) → Acetylcholin

· Acetylcholin → Acetylcholinesterase (AChE) → Cholin + Acetyl-CoA

  (AChE ist Ziel von Kampfgiften → Dauerdepolarisation → Krämpfe → Lähmung)

· wichtigster Transmitter im vegetativen Nervensystem

· Transmitter an der neuromuskulären Übertragungsstelle

· ionotroper Rezeptor:         nikotinischer ACh-Rezeptor (Pentamer)

· metabotroper Rezeptor:  muscarinischer ACh-Rezeptor (v.a. im Gehrin / Atropin ist Antagonist)

· nikotinischer Acetylcholinrezeptor (in der postsynaptischen Membran)

· 5 Untereinheiten mit je 4 Transmembransegmenten (N- und C-Terminus liegen extrazellulär)

· ionotroper Rezeptor (2 Bindungsstellen für ACh)

· Ligand-gesteuerter Kanal (selektiv für Na⁺ / K⁺ / Ca²⁺ )

· Dopamin / Noradrenalin / Adrenalin

· Tyrosin → Tyrosin-Hydroxylase (TH) → L-DOPA → aromatic amino acid decarboxylase (AADC) → Dopamin

· Dopamin → Dopamin-β-Hydroxylase → Noradrenalin

· Noradrenalin → Phenylethanolamin-N-Methyltransferase (PNMT) → Adrenalin

· Noradrenalin = Adrenalin ohne Methyl-Gruppe

· Kokain inhibiert Wiederaufnahme von Catecholaminen + Serotonin

· bei α-adrenergen Rezeptoren ist Noradrenalin besserer Agonist als Adrenalin (Phentolamin ist Antagonist)

· bei β-adrenergen Rezeptoren ist Adrenalin besserer Agonist als NA (β-Blocker / Propanolol ist Antagonist)

· Merkhilfe:    Adrenalin-ABC:   Adrenalin → Beta-Rezeptoren → cAMP

· D1-artige: D1 + D5 / Aktivierung der Adenylatzyklase

· D2-artige: D2 - D4 / Hemmung der Adenylatzyklase

· Dopamin-Mangel → Parkinson (L-DOPA-Therapie weil nur L-DOPA Blut-Hirn-Schranke überwinden kann, Dopamin nicht)

· Serotonin = 5-Hydroxytryptamin (ähnlich wie Catecholamine)

· Tryptophan → Tryptophan-Hydroxylase → 5-Hydroxytryptophan → AADC → Serotonin

· ionotrop (→ Ionenkanäle) oder metabotrop

· leitet Impulse vom Zellkörper zu einem anderen Neuron

· enthält Mitochondrien / Microtubuli / Neurofibrillen / RNA / Proteine / Organellen

· entspringt dem Axonhügel (mit dem "initial segment")

· zwischen dem Axonhügel und dem "initial segment" wird meistens das AP ausgelöst → trigger zone

· Axoplasma / Axolemma

· vom Axon können seitlich Äste abzweigen ("collaterals")

· Axon endet in kleinen Fortsätzen, die Endknöpfchen (gefüllt mit Neurotransmittern) besitzen

· anterograd (schnell):

   · 50 - 500 mm pro Tag

   · Vesikel / Organellen

· anterograd (langsam):

   · 0.1 - 10 nm pro Tag

   · lösliche Proteine / Enzyme / Cytoskelett ( Aktin / Clathrin / ... )

· retrograd (schnell):

   · 200-500 mm pro Tag

   · Lysosomen / Organellen / lösliche Proteine

· mittels Microtubuli:      Kinesin + Dynein / für weite Transportdistanzen

· mittels Aktin:                   Myosin / für kurze Distanzen

· mittels der Membran:   in Synapsen / Proteinsynthese, -modifikation / Membranrecycling