Biologische Psychologie I

Transkript

1 Biologische Psychologie I Kapitel 4 Nervenleitung und synaptische Übertragung 3

2 Nervenleitung und synaptische Übertragung Folgendes wollen wir heute lernen: Wie werden Nervensignale erzeugt? Wie werden diese Signale weitergeleitet? Wie werden diese Signale auf andere Neuronen übertragen? Wie und warum wirken Psychopharmaka, Drogen und Nervengift? 4

3 Folgendes wollen wir verstehen (youtube) 5

4 Nervenleitung und synaptische Übertragung Ein Beispiel für die Sinnhaftigkeit, sich mit diesen Fragen zu beschäftigen: Parkinson sche Krankheit (Eidechse im Buch)! 6

5 Nervenleitung und synaptische Übertragung Parkinson Substantia nigra zum Corpus striatum betroffen. In der Substantia nigra wird normalerweise der Neurotransmitter Dopamin produziert, welches an das Corpus striatum abgegeben wird und für eine normale Bewegungssteuerung sorgt. Sekundäre Überfunktion des Striatums, da Ausfall der hemmenden nigrostriatalen Projektionen Ruhetremor (Zittern der Hände) Rigor (erhöhter Museltonus mit Steifheit der Muskeln) Akinese (Bewegungsarmut) 7

6 Nervenleitung und synaptische Übertragung Parkinson schen Krankheit: es wird also zu wenig Dopamin produziert! Dopamin kann nicht von außen zugeführt werden, da es die Blut-Hirnschranke nicht passieren kann. Sehr wohl kann aber L-Dopa, als chemischer Vorläufer die Blut-Hirn-Schranke passieren und wird dann im Gehirn in Dopamin umgewandelt! Der Krankheit kann also durch Biopsychologische Kenntnis entgegengewirkt werden (Klinische Implikation!) 8

7 Nervenleitung und synaptische Übertragung Offene Fragen... Was ist Dopamin? Wie wird es synthetisiert Sollten heute noch geklärt werden. 9

8 Nervenleitung und synaptische Übertragung Auch die Kenntnis der Anatomie kann zur Linderung beitragen: Video Tiefenhirnstimulation. Kenntnisse sowohl der chemischen als auch der elektrischen Eigenschaften der Nervenzelle sehr hilfreich! 10

9 Nervenleitung und synaptische Übertragung supplement, Kringelbach,

10 Nervenleitung und synaptische Übertragung supplement, Kringelbach, 2007 ppn = pedunculopontine nucleus 12

11 Nervenleitung und synaptische Übertragung weiterführend: Kringelbach, M. L., Jenkinson, N., Owen, S. L., & Aziz, T. Z. (2007). Translational principles of deep brain stimulation. Nat Rev Neurosci, 8(8),

12 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Das Ruhemembranpotential Was ist das? Wie entsteht es? Wofür ist es wichtig? Dazu im Folgenden mehr. 14

13 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Aufbau der Zellmenbran: zu Kanal und Signalproteinen später mehr. 15

14 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Ein Membranpotential an sich: = Unterschied in der elektrischen Ladung zwischen Innenseite und Außenseite einer Zelle! Ein Membranpotential kann mithilfe zweier Elektroden gemessen werden, wobei sich die Spitze einer Elektrode im Außenmilieu befindet und die Spitze der anderen Elektrode im Zellinneren! 16

15 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Membranpotential Solange beide Elektrodenspitzen außerhalb eines Neurons sind, messen sie dieselbe Spannung, sobald aber eine Elektrode in ein ruhendes Neuron eingestochen wird, entsteht als Messwert eine Spannungsdifferenz von ca.minus 70mV (Millivolt) Dieses wird als Ruhemembranpotential bezeichnet. 17

16 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Membranpotential Wie entsteht diese Spannungsdifferenz? 18

17 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Zuerst eine chemische Grundlage: Salze (sehr wichtig für lebende Organismen!) sind Kristallgitter aus Ionen (geladene Teilchen!) In Flüssigkeiten sind Salze gelöst! Im gelösten Zustand können sich die Ionen frei bewegen! Außerhalb und innerhalb eines Neurons (eigentlich jeder Zelle!) herrscht ein flüssiges Milieu vor und es befinden sich auf beiden Seiten frei bewegliche Ionen. Nervenleitung und synaptische Übertragung Positiv geladene Ionen nennt man Kationen (meist Metalle) Negativ geladene Ionen nennt man Anionen (meist nicht-metalle) 19

18 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Ruhemembranpotential (-70mV) bedeutet also, dass sich im Inneren eines ruhenden Neurons mehr Anionen als Kationen befinden! Warum ist das so? es sind 4 Faktoren daran beteiligt: aktive Faktoren passive Faktoren. 20

19 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Passive Vorgänge: beruhen darauf, dass sich Ionen nach bestimmten Prinzipien verteilen oder auf Eigenschaften der neuronalen Membran, kein Energieverbrauch Aktive Vorgänge: beruhen auf energieverbrauchende Transportmechanismen der Teilchen. 21

20 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Faktor 1: Brown sche Molekularbewegung: Ionen bewegen sich ständig zufällig durch das Bestreben nach Konzentrationsausgleich bewegen sich Ionen deshalb von Gebieten hoher Konzentration in Gebiete niedriger Konzentration (Diffusionsdruck!) Faktor 2: elektrostatische Kraft begünstigt ebenso eine gleichmäßige Verteilung der Ionen! gleichartig geladene Ionen stoßen sich gegenseitig ab, während sich entgegengesetzt geladene anziehen! trotz dieser homogenisierenden Effekte existiert ein Ungleichgewicht auf beiden Seiten der Membran eines ruhenden Neurons! 22

21 Das Ruhemembranpotential eines Neurons An diesem Ungleichgewicht sind 4 Arten von Ionen maßgeblich beteiligt: Natriumionen (Na + ) (außen viel) Kaliumionen (K + ) (innen viel) Chloridionen (Cl - ) (außen viel) verschiedene negativ geladene Proteinionen (Protein - ) (innen viel) 23

22 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Na + K + Cl - Protein - 24

23 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Faktor 3: selektive Permeabilität Ionenkanäle sorgt passiv für einen Teil des Ungleichgewichts! im Ruhezustand können... K + - und Cl - -Ionen relativ leicht die Membran passieren! Na + - Ionen können nur sehr schwer durch die Membran Protein - Ionen können nicht passieren. verschiedene Ionenkanäle sind für die Passage jeweils eines bestimmten Ions spezialisiert!) 25

24 Das Ruhemembranpotential eines Neurons A - bezeichnet die großen intrazellulären Eiweißionen. Die offenen Verbindungen durch die Membran, die Poren oder Kanäle, sind gerade groß genug, um den K + -Ionen den Durchtritt zu gestatten. (Birbaumer) 26

25 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Faktor 4: Natrium-Kalium-Pumpe Warum bleiben dann die Na+ - und K+ -Ionen bezogenen Konzentrationsunterschiede konstant? weil die Natrium-Kalium-Pumpe dieses Ungleichgewicht aktiv aufrechterhält! 27

26 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Die Natrium-Kalium-Pumpe... schleust kontinuierlich in einem Verhältnis von 3/2 (Na + /K + ) Na + -Ionen aus dem Neuron heraus und K + -Ionen in das Neuron hinein! so kann außerhalb eines ruhenden Neurons eine hohe Na + -Ionen Konzentration aufrecht erhalten werden und innerhalb eines ruhenden Neurons eine hohe K + - Ionen Konzentration aufrecht erhalten werden. Dieses Ungleichgewicht ist das Ruhemembranpotential Dieser Vorgang ist aktiv, da Energie verbraucht wird. 28

27 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Faktor 4: Natrium-Kalium-Pumpe Cl- Ionen (außen viele) Gleichgewicht, da Tendenz,...»... sich aufgrund des Konzentrationsgradienten in das Neuron hinein zu bewegen...»... und entgegengesetzte Tendenz, sich aufgrund der Potentialdifferenzen von -70mV aus dem Neuron hinauszubewegen, gleich stark ist. Es ist also kein aktiver Mechanismus notwendig. 29

28 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Ruhepotential = ca. -70mV positiver negativer 30

29 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Faktor 4: Natrium-Kalium-Pumpe K + -Ionen (innen viel) Konzentrationsgradient drängt sie nach außen Ruhemembranpotential hält sie jedoch innen» Der Konzentrationsgradient ist stärker Da die Membran K + -Ionen kaum hindert, drängen diese nach außen! 31

30 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Ruhepotential = ca. -70mV negativer positiver 32

31 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Genaueres zu den 4 Faktoren: Faktor 4: Natrium-Kalium-Pumpe Na + -Ionen (außen viel) Konzentrationsgradient drängt sie passiv nach Innen Ruhemembranpotential drängt sie auch passiv nach Innen.» Im Ruhezustand wirkt auf Na + -Ionen das Äquivalent einer Potentialdifferenz von -120mV und versucht, sie durch die Membran in die Zelle zu zwingen! Trotz der geringen Permeabilität der Membran für Na + -Ionen (im Ruhezustand) gelangen einige durch diese passiven Mechanismen Druck in das Zellinnere! 33

32 Das Ruhemembranpotential eines Neurons Ruhepotential = ca. -70mV positiver negativer 34

33 Das Ruhemembranpotential eines Neurons kurz zusammengefasst: Durch aktive und passive Mechanismen herrscht an der Membran ein Potentialunterschied, der als Ruhemembranpotential bezeichnet wird. Zusammenfassung S. 104 im Pinel 35

34 Postsynaptische Potentiale... noch feuert das Neuron nicht... Im nächsten Abschnitt lernen wir Die Entstehung postsynaptischer Potentiale (PSPe) kennen, die für die Entstehung von Aktionspotentialen notwendig sind. 36

35 Postsynaptische Potentiale Zur Orientierung: Wo befinden wir uns? (Birbaumer) Hier! 37

36 Postsynaptische Potentiale Die Generierung PSPe: Aktive Neurone setzen an ihren Endknöpfchen Neurotransmitter frei, die durch den synaptischen Spalt diffundieren und an spezialisierten Rezeptormolekülen an der postsynaptischen Membran eines folgenden Neurons andocken. Eine solche Bindung eines Neurotransmitters mit einem Rezeptor hat im Folge-Neuron eine von insgesamt zwei Wirkungen... 38

37 Postsynaptische Potentiale Die Generierung PSPe: Die Wirkung ist abhängig von der Struktur des Neurotransmitters und von der Art des Rezeptors! die postsynaptische Membran (Folge-Neuron) kann depolarisiert werden (d.h. ihr Ruhepotential von -70 mv wird herabgesetzt (z.b. auf -67mV)! die postsynaptische Membran kann hyperpolarisiert werden (d.h. ihr Ruhepotential von -70mV wird angehoben (z.b. auf -72mV)! 39

38 Postsynaptische Potentiale 40

39 Postsynaptische Potentiale Die Generierung PSPe: Eine postsynaptische Depolarisation wird als Exzitatorisches Postsynaptisches Potential (EPSP) bezeichnet! es erhöht die Feuerwahrscheinlichkeit im entspr. Neuron! Eine postsynaptische Hyperpolarisation wird als Inhibitorisches Postsynaptisches Potential (IPSP) bezeichnet! es verringert die Feuerwahrscheinlichkeit im entspr. Neuron 41

40 Postsynaptische Potentiale Die Ausbreitung PSPe: Beide Potentiale sind graduelle Reaktionen! ihre Amplituden sind proportional zur Intensität der Signale, die sie auslösen! sie breiten sich im Zellkörper des Folge-Neurons elektrotonisch (passiv) aus! 42

41 Postsynaptische Potentiale Die Ausbreitung PSPe: Aus der Übertragung ergibt sich: PSPe werden schnell übertragen (beinahe unverzögert!) PSPe werden mit der Distanz schwächer! Die Amplitude PSPe nimmt ab, während sie über das Neuron wandern! 43

42 Postsynaptische Potentiale Integration der PSPe (wichtig für die Generierung eines Aktionspotentials!): Die PSPe einer einzelnen Synapse sind klein und haben für gewöhnlich keinen Effekt! Die Rezeptorbereiche eines Neurons sind aber meist mit tausenden Synapsen übersäht! Sehr viele der PSPe ergeben eine Gesamtbilanz, wie die Membran polarisiert ist. 44

43 Postsynaptische Potentiale Zur Erinnerung: sehr viele Synapsen enden auf das Soma und auf die Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle. (Birbaumer) Anfangsbereich des Axons 45

44 Postsynaptische Potentiale Integration PSPe die Bilanz am Anfang des Axons ist entscheidend, ob die Membran ausreichend depolarisiert wird (negatives Potential herabgesetzt!) Ausreichend depolarisiert bedeutet Depolarisierung über eine gewisse Schwelle! (Erregungsschwelle bei ca. -65mV) Wird diese Schwelle überschritten, wird ein Aktionspotential (AP) generiert! 46

45 Postsynaptische Potentiale und AP Ein Neuron addiert also alle EPSPe und IPSPe, die sein Axon erreichen! Diese Aufsummierung wird Integration (oder Summation) der PSPe genannt! Die Integration passiert RÄUMLICH als auch ZEITLICH! Räumliche Integration (oder räumliche Summation): Das gleichzeitige Auftreten von ESPen an verschiedenen Stellen der rezeptiven Membran auf der postsynaptischen Seite addiert sich auf, um in Summe ein größeres EPSP zu bilden! Das gleiche Phänomen gilt auch für IPSPe! Zuletzt können sich natürlich auch EPSPe und IPSPe in Summe aufheben! 47

46 Postsynaptische Potentiale und AP Die 3 Möglichkeiten der räumlichen Summation! Zwei exitatorische Synapsen A und B Zwei inhibitorische Synapsen C und D 48

47 Postsynaptische Potentiale und AP Zeitliche Integration (oder zeitliche Summation!) Eine schnelle Abfolge EPSPe kann durch Aufsummieren der einzelnen kleinen Potentialänderungen zu einem größeren EPSP führen! Gleiches gilt wieder auch für IPSPe, sowie sich das resultierende Potential auch wieder durch eine Mischung EPSPe und IPSPe ergeben kann! eine Konsequenz zeitlicher Integration ist, dass ein unterschwelliger Reiz ein Neuron zum Feuern veranlassen kann, wenn er in rascher Folge wiederholt passiert! 49

48 Postsynaptische Potentiale und AP Die 2 Möglichkeiten der zeitlichen Summation! eigentlich könnte es hier wohl auch eine 3. Möglichkeit geben? 50

49 Postsynaptische Potentiale und AP allgemein kann gesagt werden... Ein Neuron wird ständig über tausende Synapsen mit Potentialänderungen, die über Raum und Zeit summiert werden, bombardiert! Dies kann auf die postsynaptische Membran depolarisierend wirken (d.h. das Ruhemembranpotential von -70mV auf z.b. -67 mv herabsetzen)... oder hyperpolarisierend wirken (d.h. das Ruhemembranpotential von -70mV auf z.b. -72 mv anheben) 51

50 Postsynaptische Potentiale und AP Was ist ein Aktionspotential (AP)? eine massive, kurzzeitige Umkehrung des Membranpotentials (ca.1ms) vom Ruhepotential (ca. -70mV) auf ungefähr +50mV! APs sind keine abgestuften Potentiale (im Gegensatz zu den PSPen), d.h. ihre Stärke steht in keiner Beziehung zur Intensität der Signale, die sie auslösen! Ape sind Alles-oder-Nichts-Reaktionen! 52

51 Postsynaptische Potentiale und AP Was ist ein AP? APe sind Alles-oder-Nichts-Reaktionen! Analogie der Pistole! Erregungsschwelle 53

52 Generierung eines APs Wie wird ein AP generiert? Grundsätzlich geschieht dies über die Aktivität spannungsgesteuerter Ionenkanäle! Zur Erinnerung: Während des Ruhepotentials (-70mV) herrscht ein großer Drang der Na+ -Ionen vor, in die Zelle hineinzuströmen! Dies wird durch die geringe Permeabilität der Membran für Na+ -Ionen und durch die Aktivität der Na-Ka-Pumpe verhindert! 54

53 Generierung eines APs Wie wird ein AP generiert? Na+ -Ionen drängt es also in das Zellinnere, sie werden aber abgehalten! Diese Situation ändert sich schlagartig, sobald das Membranpotential am Anfang des Axons bis zur Erregungsschwelle von ca. -65mV herabgesetzt (depolarisiert!) wird! Bei Erreichen der Erregungschwelle öffnen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und Na + -Ionen können in das Zellinnere einströmen! 55

54 Generierung eines APs Wie wird ein AP generiert? Daraus resultiert eine plötzliche Potentialumkehr auf ca. +50mV! Das nun plötzlich vorherrschende Membranpotential von ca. +50mV öffnet spannungsgesteuerte Kaliumkanäle! als Folge davon strömen K+ -Ionen aus der Zelle hinaus! Der Ausstrom der K+ -Ionen erfolgt einerseits wegen ihrer hohen intrazellulären Konzentration und andererseits wegen der nun plötzlich aufgetretenen positiven Ladung im Zellinneren! 56

55 Generierung eines APs Wie wird ein AP generiert? Nach ca. 1ms schließen sich die Natriumkanäle wieder! Dieses Ende der AP-Anstiegsphase ist gleichzeitig auch der Beginn der Repolarisation (durch K + - Ionen-Ausstrom) nach Erreichen der Repolarisation schließen sich auch die Kaliumkanäle wieder! Das Schließen der Kaliumkanäle erfolgt relativ langsam, deshalb kommt es zu einer kurzen Hyperpolarisation! 57

56 Generierung eines APs Schwelle Interessante Bemerkungen: Die Zahl der Ionen, die während eines Aps in Bewegung sind, ist verglichen mit der Gesamtzahl der Ionen innerhalb und außerhalb eines Neurons sehr gering! Nur die Ionen nahe der Membran sind an einem AP beteiligt! 58

57 Generierung eines APs Birbaumer: 59

58 Weiterleitung eines APs außen innen 60

59 Refraktärzeiten Absolute Refraktärzeit Nach einem AP ist es für ca. 1 2ms nicht möglich, ein weiteres AP zu generieren! Nach der absoluten Refraktärzeit folgt die relative Refraktärzeit! relative Refraktärzeit es ist prinzipiell möglich, ein AP zu generieren, jedoch nur bei stärkerer Reizung! Die rel. Refraktärzeit ist beendet, wenn ein normal starker Reiz wieder ausreicht, um erneut ein AP zu generieren. 61

60 Refraktärzeiten Was haben die Refraktärzeiten für Konsequenzen? Ein AP kann nur in eine Richtung weitergeleitet werden da die Abschnitte eines Axons, über die ein AP weitergeleitet wurde, kurz refraktär sind, kann das AP seine Richtung nicht ändern! Die Entladungsrate ist begrenzt und steht im Zusammenhang mit der ursächlichen Reizintensität! Bei andauernder (starker) Stimulation wird gefeuert, sobald die absolute Refraktärzeit vorüber ist. Bei geringer Reizintensität feuert das Neuron erst dann wieder, wenn auch die relative Refraktärzeit vorüber ist! 62

61 Weiterleitung eines APs 2 wichtige Merkmale des APs: Die Weiterleitung entlang eines Axons erfolgt... ohne Abschwächung!... relativ langsam! Beide Merkmale unterscheiden ein AP von einem EPSP und einem IPSP! (die Weiterleitung eines APs erfolgt hauptsächlich aktiv, ein EPSP und ein IPSP passiv!) 63

62 Weiterleitung eines APs Wie erfolgt die Weiterleitung eines APs? Nachdem ein AP generiert wurde, wird dieses kurz passiv bis zu den nächsten Natriumkanälen weitergeleitet, wo es dann erneut zur aktiven Entstehung eines APs kommt! Diese Ereignisse laufen wiederholt ab, sodass daraus eine Erregungswelle resultiert! 64

63 Weiterleitung eines APs Wie erfolgt die Weiterleitung eines APs? zur Erinnerung: Ranvier sche Schnürringe (Benannt nach dem französischen Anatomen Louis-Antoine Ranvier ( ), der sie im Jahre 1878 entdeckte) 66

64 Weiterleitung eines APs Wie erfolgt die Weiterleitung eines APs? Weiterleitung in myelinisierten Axonen: Erinnerung an Oligodendrozyten und an Schwann sche Zellen! Hier können Ionen die axonale Membran nur an den Ranvier schen Schnürringen passieren! 67

65 Weiterleitung eines APs Wie erfolgt die Weiterleitung eines APs? Ionenkanäle kommen vermehrt an den Ranvier schen Schnürringen vor! Ein generiertes AP breitet sich passiv entlang des ersten Myelinsegments bis zum ersten Schnürring aus! Obwohl es dadurch etwas an Stärke verliert, reicht es immer noch aus, um die spannungsgesteuerten Natriumkanäle zu öffnen und so ein neues AP generieren zu können! Dadurch kommt es zur springenden oder saltatorischen Erregungsleitung! 68

66 Weiterleitung eines APs Analogie zur axonalen Weiterleitung: Mausefallen! 69

67 Weiterleitung eines APs Reizweiterleitung mit und ohne Myellin... 70

68 Weiterleitung eines APs Wie erfolgt die Weiterleitung eines APs? Was bringt die saltatorische Erregungsweiterleitung? höhere Geschwindigkeit! Da sich ein AP entlang eines Myelinabschnitts passiv ausbreitet und passive (elektrotonische) Ausbreitung rascher erfolgt als aktive, erhöht sich die Geschwindigkeit der Weiterleitung eines APs! Was für Geschwindigkeiten sind möglich? von 1m/s (z.b. unmyelinisiert und dünn) bis zu 100m/s (dick und myelinisiert)! Neueste Entdeckungen: Auch einige Dendriten sind in der Lage, APe zu generieren! So genannte Dornen teilen einen Dendriten in Kompartimente! Die Gestalt und die Zahl der Dornen änder sich schnell als Reaktion auf neuronale Stimulation! 71

69 Weiterleitung eines APs Geschwindigkeiten: 72

70 Weiterleitung eines APs Wdh: was wir schon wissen (und was noch nicht) 73

71 Synaptische Transmission Was wir noch nicht wissen: Wie lösen APe, die an den Endknöpfchen der Axone ankommen, die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt aus (chemische Signalübertragung)? 5 wichtige Aspekte: 1) Struktur der Synapsen 2) Synthese, Verpackung und Transport von Neurotransmittern 3) Freisetzung von Neurotransmittern 4) Aktivierung von Rezeptoren 5) Wiederaufnahme der Neurotransmitter 74

72 Synaptische Transmission 1) Struktur der Synapsen Axodendritische Synapsen (meist an dendritischen Dornen!) Axosomatische Synapsen Dendrodendritische Synapsen Axoaxonale Synapsen (wichtig für präsynaptische Hemmung!) 75

73 Synaptische Transmission Schon bekannt aus vorheriger Sitzung: Birbaumer. Verbindungsarten 76

74 Synaptische Transmission Axodendritische Synapse 77

75 Synaptische Transmission Es gibt des weiteren... direkte Synapsen Ort der Neurotransmitterfreistzung und der postsynaptische Rezeptorort liegen nahe beieinander indirekte Synapsen der Ort der Neurotransmitterfreisetzung liegt in einiger Entfernung vom Rezeptorort! Neurotransmitter werden aus Varikositäten entlang des Axons und seiner Äste freigesetzt; diese werden dann weit auf umgebende Ziele verteilt!) 78

76 Synaptische Transmission Direkte und indirekte Synapsen: 79

77 Synaptische Transmission Ad 2) Synthese, Verpackung und Transport der Neurotransmitter (NTs) Es gibt große und kleine NTs große Neurotransmitter bestehen immer immer Peptide, also Aminosäureketten Für Proteine sind sie recht klein, für NTs recht groß... Kleine Neurotransmitter niedermolekular, davon gibt es verschiedene Typen. Dazu später mehr. 80

78 Synaptische Transmission Ad2: Kleine und große NTs Kleine Neurotransmitter werden in den Endknöpfchen synthetisiert und in synaptische Vesikel verpackt (Funktion des Golgi-Apparats) 81

79 Synaptische Transmission Ad2: Kleine und große NTs große Neurotransmitter (Peptide) werden im Zellkörper von Ribosomen zusammengesetzt (Vergleich mit Genexpression!)! Der Golgi-Apparat im Zellkörper verpackt die Peptide dann ebenso in Vesikel! Die Vesikel werden dann über Mikrotubuli zu den Endknöpfchen gebracht! (ca. 40cm/Tag!) Die größeren Vesikel mit Peptiden lagern sich nicht so nahe an der präsynaptischen Membran an wie die kleinen Vesikel! Manche Neuronen synthetisieren beide Neurotransmitter-Typen (Koexistenz!) 82

80 Synaptische Transmission Große NTs Mikrotuboli Vesikel nicht ganz nah an Membran Kleine NTs im Endknöfchen gebildet Vesikel nahe an Membran 83

81 Synaptische Transmission Ad 3) Freisetzung der Neurotransmitter (Exocytose) Im Ruhezustand sammeln sich mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel an der präsynaptischen Membran! Dort gibt es viele spannungsgesteuerte Calciumkanäle! Bei Eintreffen eines APs in einem Endknöpfchen einer axonalen Endigung öffnen sich diese Calciumkanäle und Ca 2+ -Ionen strömen ins Innere des Endknöpfchens! Dieser Ca 2+ -Ionen-Einstrom lässt die gefüllten Vesikel mit der Membran verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt freisetzen! 84

82 Synaptische Transmission 85

83 Synaptische Transmission Exocytose: Wichtiger Unterschied zwischen der Freisetzung kleiner und großer NTs: Kleine NTs werden impulsartig im Zusammenhang mit dem Eintreffen der APe freigesetzt, Neuropeptide werden allmählich freigesetzt Ihre Wirkung ist länger anhaltend, dazu später mehr. 86

84 Synaptische Transmission Ad 4) Rezeptoraktivierung: PSPe (EPSPs und IPSPs!) werden durch die Bindung von Neurotransmittern an Rezeptoren der postsynaptischen Membran erzeugt! Ein Rezeptor besteht aus einem Protein mit Bindungsstellen für nur bestimmte Neurotransmitter! Ein Neurotransmitter braucht immer einen spezifischen Rezeptor, um Wirkung zu zeigen! Meist kann ein Neurotransmitter aber an mehrere verschiedene Rezeptoren binden! Subtypen des spezifischen Rezeptors! Bsp: Dopamin, Bislang 5 Rezeptoren bekannt, D1 bis D5 87

85 Synaptische Transmission 2 Arten von Rezeptoren: ionotroper Rezeptor: Die Bindung des NTs öffnet sofort den daran gekoppelten Ionenkanal, sodass unmittelbar ein PSP induziert wird! 88

86 Synaptische Transmission 2 Arten von Rezeptoren metabotroper Rezeptor hat ein Signalproteins angekoppelt, Bindung des NTs veranlasst die Abspaltung einer Untereinheit eines innen angekoppelten G- Proteins. 89

87 Synaptische Transmission 2 Arten von Rezeptoren metabotroper Rezeptor Die abgespaltete Unterheit kann dann innen an nahe gelegene Ionenkanäle binden, oder sie kann die Synthese eines sekundären Botenstoffs auslösen! Der sekundäre Botenstoff (second messenger) diffundiert durch das Zytoplasma und kann beispielsweise in den Zellkern eindringen und Genexpression beeinflussen!. 90

88 Synaptische Transmission Spezielle Art von Rezeptoren: Autorezeptoren: gehen eine Bindung mit NT des eigenen Neurons ein (präsynaptisch!). Sie können so die Freisetzung der NTs in den synaptischen Spalt reduzieren oder verstärken! 91

89 Synaptische Transmission Zusammenhang NTs, Rezeptoren: Kleine (niedermolekulare) Neurotransmitter werden eher an direkten Synapsen ausgeschüttet aktivieren eher ionotrope Rezeptoren oder direkt auf Ionenkanäle wirkende metabotrope Rezeptoren! Sie sind in schnelle Sigalübertragung eingebunden! Große NTs (Neuropeptide) werden eher diffus freigesetzt (indirekte Synapsen) binden an metatrope Rezeptoren, die über sekundäre Botenstoffe wirken! Sie sind in langsame und lang anhaltende Signalübertragung eingebunden! 92

90 Synaptische Transmission Ad 5) Wiederaufnahme, Abbau und Recycling Damit ein Neurotransmitter nicht unaufhörlich aktiv bleibt gibt es eine Wiederaufnahme (oft) und einen enzymatischen Abbau (selten) von NTs! Die Wiederaufnahme der NTs in die präsynaptischen Endknöpfchen findet sofort nach ihrer Freisetzung statt! Im Zuge eines enzymatischen Abbaus werden die Neurotransmitter in der Synapse aufgespalten und ihre Abbauprodukte wieder in die Endknöpfchen aufgenommen! 93

91 Synaptische Transmission Wiederaufnahme und Recycling der NTs 94

92 Synaptische Transmission Einfluß der Gliazellen: 10 mal mehr Glias als Neurone! Astrocyten setzen auch chemische Botenstoffe frei, haben auch Rezeptoren für Neurotransmitter, leiten Signale weiter und sind an der Wiederaufnahme von Neurotransmittern beteiligt! Astrocyten sind mit Neuronen über Gap junctions verbunden Gap junctions sind enge Räume zwischen Zellen, die über röhrenförmige und mit Cytoplasma gefüllte Kanäle verbunden sind! = Elektrische Synapsen! Elektrische Synapsen sind im Nervensystem wirbelloser Tiere weit verbreitet! 95

93 Neurotransmitter Neurotransmitter, Gliederung Es gibt 4 Klassen kleiner (niedermolekularer) Neurotransmitter: Aminosäuren Monoamine Lösliche Gase Acetylcholin und es gibt hochmolekularen Neuropeptide 96

94 Neurotransmitter 97

95 Neurotransmitter Kleine (niedermolekulare) NTs: Aminosäuren: Die meisten schnell reagierenden, direkten Synapsen verwenden Aminosäuren (Proteinbausteine) als Neurotransmitter! Die bekanntesten 4 sind: Glutamat, Aspartat, Glycin Gamma-Amino-Buttersäure (GABA) 98

96 Neurotransmitter 99

97 Neurotransmitter Kleine (niedermolekulare) NTs: Aminosäuren: Glutamat ist der am weitesten verbreitete exzitatorische Neurotransmitter im ZNS der Säugetiere! GABA ist der am weitesten verbreitete inhibitorische Neurotransmitter im ZNS der Säugetiere! 100

98 Neurotransmitter Kleine (niedermolekulare) NTs: die Monoamine: Monoamine kommen in kleinen Neuronengruppen, deren Zellkörper sich hauptsächlich im Hirnstamm befinden, vor! 4 NTs gehören zu den Monoamine Dopamin, Adrenalin (od. Epinephrin), Noradrenalin (od. Norepinephrin und Serotonin (5-HT) 101

99 Neurotransmitter Kleine (niedermolekulare) NTs: die Monoamine lassen sich strukturell in 2 Gruppen einteilen: Catecholamine Dopamin Noradrenalin Adrenalin Indolamine Serotonin Die Monoamine werden alle aus der Aminosäure Thyrosin synthetisiert 102

100 Neurotransmitter 103

101 Neurotransmitter Die Catecholamine werden alle aus der Aminosäure Tyrosin synthetisiert! Erinnerung: Parkinson! Serotonin wird aus der Aminosäure Tryptophan 104 synthetisiert!

102 Neurotransmitter Kleine (niedermolekulare) NTs: Lösliche Gase : Stickstoffmonoxid (NO) und Kohlenmonoxid (CO) Beide löslichen Gase werden im Cytoplasma entsprechender Neuronen produziert und diffundieren direkt durch die Zellmembran in benachbarte Zellen! Sie lösen die Produktion eines sekundären Botenstoffes aus und werden rasch deaktiviert (wenige Sekunden!), indem sie in andere Moleküle umgewandelt werden! Sie sind an der so genannten retrograden Transmission beteiligt: Das heisst, sie regulieren postsynaptisch die Aktivität präsynaptischer Neuronen, indem sie Feedbacksignale abgeben! 105

103 Neurotransmitter 106

104 Neurotransmitter Kleine (niedermolekulare) NTs: Acetylcholin: Acetylcholin ist der Neurotransmitter neuromuskulärer Synapsen, vieler Synapsen des autonomen (PNS) und auch des zentralen Nervensystems! 107

105 Neurotransmitter Neuropeptide: Es gibt an die 100 verschiedene Neuropeptide! Ein Beispiel sind die Endorphine (endogene Opiate!) Endorphine aktivieren neuronale Systeme, die an der Schmerzunterdrückung beteiligt sind (Analgesie!) und auch solche, die das Erleben von Freude vermitteln! 108

106 Neurotransmitter 109

107 Neurotransmitter Nachtrag zur letzten Stunde: die Katecholamine werden aus der Aminosäure Tyrosin synthetisiert das Indolamin Serotonin aus der Aminosäure Tryptophan, die mit der Nahrung aufgenommen wird. 110

108 Psychoaktive Substanzen: Kurze Zusammenfassung: Was ist wichtig für die Neurotransmitteraktivität? Pharmaka und Drogen 111

109 Neurotransmitter Pharmakologie synaptischer Übertragung: Durch die neurowissenschaftliche Erkenntnis über die Mechanismen synaptischer Übertragung ergeben sich viele Möglichkeiten, Substanzen zu entwickeln, die diese modifizieren! Pharmakologische Substanzen wirken immer entweder erleichternd (Agonist) oder hemmend (Antagonist) auf eine synaptische Übertragung! 112

110 Pharmaka und Drogen 5 Beispiele psychoaktiver Substanzen: Kokain Benzodiazepine Atropin Curare Botulinustoxin (Botox) 113

111 Pharmaka und Drogen Kokain (ein Agonist): Kokain erhöht die Aktivität von Dopamin und Noradrenalin, indem es die Wiederaufnahme dieser Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt in die präsynaptischen Endknöpfchen hemmt! Durch Kokain ist also die Wirkung von Dopamin und Noradrenalin an den postsynaptischen Rezeptoren länger anhaltend! Psychische Effekte: Euphorie, Appetitverlust und Schlaflosigkeit! 114

112 Pharmaka und Drogen Kokain 115

113 Pharmaka und Drogen Benzodiazepine (Agonisten): binden an den ionotropen GABA A -Rezeptor an einer anderen Stelle als die normalen GABA- Moleküle und verstärken so die Bindung von GABA und somit den inhibitorischen Effekt So wird der Einstrom von Cl - -Ionen erhöht und die Zelle hyperpolarisiert)! Ein AP ist also schwieriger auzulösen! 116

114 Pharmaka und Drogen Benzodiazepine Diazepam, seit 1963 als Valium verkauft. Nach Chlordiazepoxid (Librium) 1960 war es das zweite Benzodiaz. In Deutschland war Diazepam noch 2005 das am häufigsten verordnete Benzodiazepin 117

115 Pharmaka und Drogen Benzodiazepine Valium: zur symptomatischen Behandlung von akuten Spannungs-, Erregungs- und Angstzuständen zur Prämedikation vor chirurgischen und diagnostischen Eingriffen. Muskelrelaxant und als Notfalltherapeutikum zur Behandlung epileptischer Anfälle. Gefahr einer Abhängigkeit! 118

116 Pharmaka und Drogen Atropin (ein Antagonist!): Atropin ist der pharmakologisch aktive Bestandteil der Tollkirsche (Atropa belladonna)! bindet an den muskarinergen Rezeptor (ein Subtyp des Acetylcholinrezeptors) und wirkt so als Rezeptorblocker für Acetylcholin! Da es viele cholinerge Gedächtnisprozesse gibt, lösen hohe Dosen von Atropin Gedächtnisbeeinträchtigungen hervor! 119

117 Pharmaka und Drogen Atropin Beschleunigung der Herzfrequenz Weitstellung der Bronchien Weitstellung der Pupillen (vgl. auch Atropa Belladonna, Schwarze Tollkirsche) Austrocknung der Schleimhäute und stark verminderte Schweißbildung 120

118 Pharmaka und Drogen Curare (ein Antagonist): Curare bindet an den nikotinergen Rezeptor (ein weiterer Subtyp des Acetylcholinrezeptors) und blockiert so die Übertragung an neuromuskulären Synapsen! Curare führt zu Lähmungen und kann über die Hemmung der Atmung zum Tod führen! 121

119 Pharmaka und Drogen Botulinustoxin (Botox, ein Antagonist): Botulinustoxin ist genauso wie Curare ein nikotinerger Antagonist! Es blockiert auch die Übertragung an der neuromuskulären Synapse und führt zu Lähmungserscheinunge 122