Synaptische Transmission - Grundlagen der Zell-, Tier- und Pflanzenphysiologie / Teil Zell- und Tierphysiologie

1. Reizweiterleitung - über das Axon deds Neurons
2. Reizübertragung - dort wo Synaptisches Endköpfchen auf den Dendriten des Folgeneurons trifft

bezeichnet den Prozess der Übertragung von Informationen von einem Neuron zum anderen an einer Synapse, durch die Freisetzung von Neurotransmittern, die dann die Erregung oder Hemmung des nachgeschalteten Neurons beeinflussen.

Übertragung von Nervenimpulsen an Synapsen durch chemische Substanzen 8Neurotransmitter

2 isolierte Froschherzen:

1. elektrische Stimulation auf das erste Herz anwenden = sich zusammenzog und den Herzschlag beschleunigte
2. Flüssigkeit ums erste Herz sammeln, tröpfeln aufs zweite isolierte Herz = dieses Herz auch beginnt, sich zu beschleunigen, obwohl es nicht direkt stimuliert wurde
3. -> Beweis dass chemische Substanzen für die Übertragung von Nervenimpulsen an Synapsen verantwortlich sind

"Vagusstoff", Acethylcholin

1. Chemische
2. Elektrische

Elektrisch: 4nm

chemisch: 20-40 nm (oder größer)

elektrisch: ja

chemisch: nein

elektrisch: gap-junction Kanäle

chemisch: präsynaptische Vesikel & aktive Zone; postsynaptische Dichte mit Rezeptoren

elektrisch: Ionenfluss

chemisch: Neurotransmitter

elektrisch: praktisch keine Verzögerung

chemisch: mind. 0.3 ms, typ. 1-3 ms

elektrisch: bidirektional

chemisch: undirektional

• direkte elektrische Kopplung
• sehr schnell (< 0,2 ms)
• auch Weitergabe von Ereignissen unterhalb des Schwellenwerts (ohne Aktionspotential)
• Weitergabe von Depolarisationen und Hyperpolarisationen
• bidirektionale Weitergabe (⟷)
• teilweise rektifizierendes Verhalten (Diodenverhalten, bestimmte Stromrichtung bevorzugt)

Kanäle zwischen benachbarten Zellen, die den direkten Austausch von kleinen Molekülen und Ionen ermöglichen

Hemikanäle, aus je 6 Unterheiten (Connexine), die für die Bildung von Gap Junctions verantwortlich sind

-> geblockt durch Heptanol

z.T. durch Phosphorylierung, pH, Ca^2+

Proteine/Untereinheit (Bausteine von Connexonen - 6 Unterheiten = 1 Connexon)

21 Connexine (Cx) in Menschen

1. direkten Austausch von kleinen Molekülen (cytoplasmatischen Komponenten): Ionen, cAMP, IP_3 und elektrischen Signalen zwischen benachbarten Zellen = interzelluläre Kommunikation
2. Koordination von Zellaktivitäten
3. Synchronisation von großen zellverbänden
4. Weitergabe von intrazellulären Signalen
5. Stofftransport in schwach durchbluteten Geweben

1. sehr schnelle Signalweitergabe (Fluchtreflexe Giant Motorsynapse im Flusskrebs)
2. Synchronisation großer zellverbände (Tintenfreisetzung im Seehasen/Herzmuskel, Entw. des Nervensystems beim Embryo)
3. Weitergabe von intrazellulären Signalen (Neuro-Glia & Glia-Glia-Signaling (Ca^2+)
4. Stofftransport in schwach durchbluteten Geweben

Freisetzung von Neurotransmitter

→ Aktivierung von Rezeptoren an der

Zelloberfläche

• Ionenkanäle: schnelle Ionenströme

• GPCRs: intrazelluläre Signale

= komplexe Signalverarbeitung,

• Unabhängigkeit der Zellen gewährleistet
• Amplifikation von Signalen
• binäre Signale (Aktionspotential) werden durch verschiedene
• Rezeptoren bewertet und weitergegeben, d.h. Signalintegration

• verschiedene erregende, inhibitorische und

modulierende Inputs

• Frequenzabhängigkeit, spike-timing

• Feedback, synaptische Homöostase

• synaptische Plastizität (Potentierung, Inhibition)

• Ca2+-Signale, second messenger Signale

1. Frequenz eines Aktionspotentials kodiert die Stärke eines Reizes und beeinflusst die Freisetzung von Neurotransmittern an synaptischen Verbindungen.
2. Das zeitliche Muster von Aktionspotentialen, insbesondere das relative Timing zwischen präsynaptischen und postsynaptischen Neuronen, moduliert die Stärke und Richtung der synaptischen Verbindung und trägt zur synaptischen Plastizität und Lernfähigkeit des Gehirns bei.

= essenziell für die Stabilität und Anpassungsfähigkeit neuronaler Netzwerke

• überwachen und regulieren neuronale Aktivitäten, um eine stabile Aktivität aufrechtzuerhalten
• ermöglichen eine angemessene Reaktion auf äußere Reize zu
• tragen dazu bei, übermäßige Erregung oder Hemmung zu verhindern = eine effiziente Informationsverarbeitung zu gewährleisten.

Potenzierung: Stärke eienr synpatischen verbindung gestärkt = erhöhte Übertragung von Signalen zwischen Neuronen -> durch wiederholte Stimulation =langfristige Verstärkung der synaptischen Effizienz (LTP)

Inhibition (Depression)= Schwächung/Unterdrückung synaptischen Übertragung = verminderte Signalübertragung zwischen Neuronen -> Abschwächung der synaptischen Effizienz (LTD)

-synaptische Plastizitätsmechanismen ermöglichen die flexible Anpassung des Gehirns an neue Erfahrungen und die Integration neuer Informationen in bestehende neuronale Schaltkreise

Ca2+-Signale entstehen durch den Eintritt von Calcium-Ionen in das postsynaptische Neuron während der Aktivierung einer synaptischen Verbindung. Diese Signale = wichtige Trigger für synaptische Plastizität, -> Reihe zellulären und molekularen Prozessen in Gang setzen. Bspl: aktiviert erhöhtes Ca2+ die Aktivität von Enzymen wie der Ca2+/Calmodulin-abhängigen Proteinkinase II (CaMKII), die wiederum verschiedene Phasen der LTP einleiten.

1. Der Stoff muss im Neuron synthetisiert werden (bzw. vorliegen).

2. Durch Aktivierung des Neurons muss der Stoff freigesetzt werden und er muss eine Antwort in den Zielzellen hervorrufen.

3. Die exogene Zugabe des Stoffes muss in den Zielzellen eine ähnliche Antwort induzieren.

4. Es muss ein Mechanismus zur Entfernung (bzw. Inaktivierung) des Stoffes existieren.

Jedes Neuron verwendet nur einen bestimmten Transmitter (nicht mehr allgemein gültig)

Aminosäuren:

1. Glutamat, Glycin, Aspartat

Monoamine:

1. Dopamin, Serotonin, Adrenalin (Ephinephrin)

Choline:

1. Acetylcholin

Andere Klassen:

1. Purine (ATP, ..)
2. Neuropetide (Substanz P)
3. Endocannabinoide
4. NO

1. P2X-Rezeptoren (Trimere, ATP)
2. iGluRs (Tetramere, Glutamat)
3. Cys-Loop-Rezeptoren (Pentramere, GABA_a:GABA)

1. ionotrope Rezeptoren

ligandengesteuerte Ionenkanäle

i.d.R. Multimere (Symmetrie)

direkte Transmission

1. metabotrope Rezeptoren

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs)

7 Transmembranhelices (z.T. Dimere)

versch. Signalwege (direkte Öffnung von Ionenkänlen... modulatorische Effekte

Ionotrope Rezeptoren vs. metabotrope Rezeptoren

1. Gylcinrezeptoren, NMDA-Rezeptoren vs. ------
2. ----- vs. Dopaminrezeptoren 1-5
3. 5-HT_3-Rezeptor vs. 5HT_1,2,3,4-7-Rezeptoren
4. ----- vs. Histaminrezeptoren: 1-4
5. P2X-Rezeptoren: 1-7 vs. P2Y-Rezeptoren
6. nikotinische AChRs: Nm, Nn vs. muskarinische AChRs: M_1-M_5

Nicht die Eigenschaft des Transmitters, sondern die beteiligten Rezeptoren entscheiden über die Wirkung des Transmitters.

1. Aktivierung (erregung) - Depolarisation der zellmembran - Begünstigt AP
2. Inhibition (Hemmung) - Hyperpolarisation/ Stabilisation („shunting“) des Membranpotentials- Aktionspotentiale werden weniger begünstigt
3. Modulation - indirekter Einfluss auf das Membranpotential oder auf andere Aspekteder Neurotransmission

1. Nach Funktion (exzitatorisch / inhibitorisch / modulatorisch)
2. nach zelltyp/Kontakten

interneuronale (Neuron-Neuron) Synapsen

- axo-dendritisch/-soamtisch/-axonisch

Sensorzell-Neuron-Synapsen, z.B.

- von Haarzellen im Innenohr

Neuron-Effektorzell-Synapsen, z.B.

- Steuerung endokriner Drüsen

- neuromuskuläre Endplatte

Information aus dem Umkehrpotential (Erev):

Erev = 0 mV → die EPSP-Depolarisation wird durch einen Na+-Einstrom und gleichzeitigen K+-Ausstrom verursacht → “unspezifischer” Kationenkanal

erfolgt in festen Einheiten

Freisetzung diskreter Mengen (Quanta) an

Neurotransmitter

excitatory postsynaptic potentials

-> erst nach Blockierung des postsynaptischen Aktionspotentials

1. Unit
2. Douple
3. Triple
4. Quadruple
5. Failure

aus Cholin und Acetyl-CoA

(Cholinacetyltransferase, ChAT)

vesikul. Acetylcholintransporter

Ca2+-abhängige Ausschüttung

1. nikotische & muskarinische AChR

durch ACh-Esterase

Na+/Cholin-Transporter

Zitterrochen (Torpedo californica)

- genauer in seinem Organ Elektroplax, welches eine elektrische Spannung erzeugt

• Elektrische Platten: Muskelfasern, die nicht kontrahieren können (!)

• jede Schicht ∼0,15 V (ACh-Rezeptor EPSP)

• in Extremfällen bis zu 860 V oder 50 A

• Pentamere

• Klasse der Cys-Loop Rezeptoren

• Heteromere aus 5 Untereinheiten

• 2 ACh Bindungsstellen

• unspez. Kationenkanal

• mean open time nach Aktivierung:

1 ms ≈ 17.000 Ionen/Kanal

5% Trockenmasse des Gifts

Abbau (Inaktivierung) des freigesetzten Acetylcholins, Acetylcholinesterase & Wasser spalten (ca. 25.000 Spaltungen) Cholin & Acetyl voneinander

1. Insektizide (Parathion, Malathion)
2. Kampfstoffe (Sarin, Tabun, Soman, VX, Nowitschok,…)
3. Neostigmin (Aufhebung von Muskelrelaxanzien nach Narkosen)
4. Antidementiva (Rivastigmin, Donepezil, Tacrin)

Antagonisten

α-Cobratoxin

α-Bungarotoxin (aus Giftnattern)

Curare (Pfeilgift aus Lianen)

Agonisten

Nicotin

Glutamat

wirkt auf erregende ionotrope Glutamatrezeptoren