Grundlagen der Neurobiologie

Transkript

1 Grundlagen der Neurobiologie Neurowissenschaften: Historischer Rückblick Neurowissenschaften heute Neuronen und Glia (Zellbiologie) Prinzipien der Nervenreizleitung Prinzipien der synaptischen Kommunikation Neurotransmittersysteme und Rezeptoren

2 Neurotransmittersysteme und Rezeptoren Neurotransmittersysteme: Definition Experimentelle Methoden zur Analyse von Transmittersystemen Transmitterbiosynthese: Amine (Catecholamine und Serotonin) Aminosäuretransmitter (GABA, Glutamat) Signaltermination: Wiederaufnahme (Transporter) und Abbau Transmitterrezeptoren Ligandengesteuerte Ionenkanäle Vergleich mit Spannungsabhängigen Kanälen metabotrope Rezeptoren

3 Neurotransmittersysteme Molekulare Maschinerie für: Transmittersynthese Verpackung in Vesikel Transmitterwirkung (Rezeptoren etc) Transmitterwiederaufnahme und Abbau

4 Welche Eigenschaften machen ein Molekül zum Neurotransmitter? Folgende 3 Bedingungen müssen erfüllt sein: synthetisiert in presynaptischen Neuronen und in Vesikeln gespeichert Freisetzung erfolgt nach Stimulation des presynaptischen Neurons an den Axon-Terminalien. experimentell appliziertes Neurotransmittermolekül muss im nachgeschalteten Neuron identisches Signal induzieren wie endogenes Molekül.

5 Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen Immunhistochemie: Antikörper-basiertes Verfahren anatomische Lokalisation von Molekülen (Rezeptoren) in spez.zellpopulationen

6 Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen In situ Hybridisierung: mrna Detektion mit 35 S-markierter RNA-Sonde (Zellkörper werden markiert, nicht die Synapsen!) auch nicht radioaktive Verfahren sind möglich: Einbau Biotin- oder Digoxigenin-modifizierter Oligonucleotide Nachweis z. B. über Antikörper oder Streptavidin/Enzymkomplexe GABA R α1 Untereinheit Ligandenbindung-basierte Methoden: markierter Transmitter (radioaktiv oder fluoreszenz markiert) markierter synth. Rezeptor Agonist markierter synth. Rezeptor Antagonist (e.g.btx-rhodamin, für nachr) Ligand für Opiatrezeptoren

7 Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen Neuropharmakologische Analyse historisch: Rezeptorsubtypen definiert über selektive Agonisten/Antagonisten Beispiel: Pharmakologie des cholinergen Systems Wirkung der Agonisten in vivo entspricht natürlichem Liganden: e.g. Muscarin (aus Fliegenpilzen) reduziert die Herzschlagfrequenz, Blutdruckabfall Skelettmuskel Herzmuskel CNS: beide Subtypen

8 Ausgewählte Methoden zur Analyse von Transmittersystemen biochemische und molekularbiologische Methoden klassisch: Aufreinigung von Rezeptoren über Ligandenbindung Affinitätschromatographie: Aufreinigung von ACh-R aus dem elektrischen Organ des Zitterrochens (Torpedo) über α-bungaratoxinsäule Aufreinigung des inhibitorischen Glycin-Rezeptors über Strychninsäule Molekularbiologie/Genomprojekt: Klonierung von Rezeptoren Rezeptorsubtypen werden heute nicht nur pharmakologisch sondern vor allem strukturell über Sequenzhomologien klassifiziert.

9 Neurotransmitter Biosynthese: Acetylcholin ACh ACh-Synthese erfolgt im Cytosol der Präsynapse durch ChAT: Cholin-Acetyltransferase (spez. Marker cholinerger Neuronen) Geschwindigkeitsbestimmender Schritt ist die ACh Bereitsstellung: Cholin-Wiederaufnahme durch Na + /Cholin-Cotransporter (Symporter)

10 Abbau des ACh durch Acetylcholinesterase AChE Esterhydrolyse Abbau im synaptischen Spalt erfolgt innerhalb von msec!

11 Abbau des ACh durch Acetylcholinesterase AChE Esterhydrolyse Abbau im synaptischen Spalt erfolgt innerhalb von msec! Irreversible Hemmstoffe der AChE (Serinhydrolase) wirken als Nervengase und Insektizide: Phosphorsäureester Bivalente Bindetasche: negativ gelad.glutamatrest: bindet Cholin + (anionische Bindestelle bindet quarternäres Amin ) Serinrest: katalyt. Zentrum reversibel: Carbaminsäure-Derivate Irreversibel: Thiophosphorsäure-D. (Insektizid) Flourophosphate wie DIPF

12 Catecholamine Tyrosin ist die biosynth. Vorstufe der Transmitter:" Dopamine! Catechol Norepinephrin (NE) = Noradrenalin! Epinephrin = Adrenalin" Die Catecholamine sind involviert in Kontrolle" motorischer Funktionen, Aufmerksamkeit, Erregung, " Schlaf/Wach-Zyklus, Gemütszustände, etc." diffuses modulatorisches System des Gehirns" Catecholamine wirken im CNS und PNS," insbesondere im autonomen (= vegetativen)" Nervensystem, das Norepinephrin als Transmitter des " symapthischen Nervensystems ( fight an flight )nutzt." (vgl. Parasympathikus: benutzt ACh als Transmitter. rest and digest )"

13 Catecholamin Biosynthese Alle Catecholaminergen Neuronen enthalten das Enzym Tyrosinhydroxylase TH Synthese: PNS:Nebennierenmark ZNS: Hirnstammkerne Geschwindigkeitsbest. Schritt der Catecholaminbiosynthese unterliegt Endprodukthemmung durch Catecholamine L-DOPA kann über Transporter für aromatische Aminosäuren die Blut/hirnschranke überwinden (Dopamin selbst wird nicht aufgenommen!) Parkinson: Degeneration dopaminerger Neuronen der Substantia Nigra Substitution durch L-DOPA

14 Wurde auch verfilmt

15 Catecholamin Biosynthese II NE, Adrenalin wird nicht nur von CNS Neuronen synthetisiert (Hirnstamm: Locus Coeruleus), sondern auch von der Nebenniere (engl.:adrenal medulla, Nebenierenmark NNM) produziert und in das Blutsystem abgegeben. Es wirkt als Modulator des sympathischen Systems (Teil des autonomen Nervensystems ANS) auf viele Organe fight or flight Reaktion.

16 Catecholaminerge Signaltermination Hauptmechanismus: Wiederaufnahme durch Transporter der Plasmamembran weiterer Mechanismus: Enzymatischer Abbau durch COMT (Catecholaminmethyl-transferase) im synaptischen Spalt und durch MAO Monoaminoxidase (in den Mitochondrien der Präsynapse).

17 Catecholaminerge Signaltermination Psychoaktive Substanzen wie Cocain und Amphetamin blockieren die Wiederaufnahme von NE und DA, verlängern und intensivieren ihre Wirkung Ecstasy (methylendioxy-methamphetamin ) Abb: Bear Cocaine/Amphetamin (Ecstasy)wirkung: gesteigerte Wachheit, Aufmerksamkeit,erhöhte lokomotor. Aktivität gesteigertes Selbstwertgefühl, gesteigerte Durchhaltvermögen, euphorisierend, reduzierter Apetit, sympathomimetisch (d.h. Effekt entspr. Sympatikusaktivierung, erhöhte Herzfrequenz, erhöhter Blutdruck) Problem: Hohes Suchtpotenzial, in hohen Dosen/lange Einnahme neurotoxisch! In sehr hohen Dosen sind Amphetamine halluzinogen (Symptomatik einer Schizophrenie).

18 Neurotransmittertransporter 2 funktionelle Typen: a) intraneuronal, vesikulär ( Beladen der synaptischen Vesikel) b) Plasmamembrantransporter (in Neuronen und Glia), Entf. des Transmitters aus dem synaptischem Spalt. Triebkraft: nutzen Ionengradienten von Na + oder H + Symporter: Cotransport von Molekül mit Ionengradient (Plasmamembran-T.) Antiporter: Transport von Molekül entgegen dem Ionengradienten (vesikulärer Transporter) wichtig: Ionengradienten werden von ATP getriebenen Ionenpumpen aufrechterhalten

19 Aminosären als Neurotransmitter: Biosynthese von GABA C5 GAD (2 Isoenzyme) ist ein sehr guter spezifischer Marker GABAerger Neuronen. C4 γ# β# α# Auch die vesikulären Transporter (VIAATs= vesicular inhibitory aa transporter) sind spezifisch für inhibitorische (GABAerge und glycinerge) Neuronen. γ-amino-butyric acid (Buttersäure C4 Säure) GABA Funktion: wichtigster inhibitorischer Transmitter des CNS

20 Signaltermination im GABAergen System: Wiederaufnahme: durch GABA-Transporter (mehrere GATs) der Plasmamembran auf Neuronen und auf Gliazellen Wiederaufnahme auch durch Gliazellen ist typisch für alle Aminosäuretransmittersysteme, im Gegensatz zu Catecholaminen bei denen Wiederaufnahme ausschließlich durch neuronale Transporter erfolgt. Metabolisierung: durch neuronale GABA-Transaminase

21 Glutamat als Neurotransmitter EAAT VGluT vesikulärer Glutamat Transporter (Marker!!) Quelle: Purves Signaltermination: Wiederaufnahme von Glu durch Plasmamembrantransporter (EAATs: excitatory aminoacid transporters) auf Neuronen und insbesondere Glia. Gliazellen synthetisieren große Mengen an Gln und konvertieren Glu zu Gln, das den Neuronen zur Verfügung gestellt wird.

22 Neurotransmitterrezeptoren Ligandengekoppelte Ionenkanäle = ligand gated ion channels = ionotrope Rezeptoren Reaktionszeit: millisec. Beispiele: nach-rezeptor, GABA A -R, Gly-R ionotrope Glutamat-R (iglur) metabotrope Rezeptoren, G-Protein gekoppelt Reaktionszeit: Sekunden Beispiele: Adrenerge Rezeptoren, Peptidhormon-R. metabotrope Glutamat-R (mglur), Cannabinoid-R, GABA B -R short cut: β/γ gated channels Gα/ second messenger modulated channels

23 Liganden-aktivierte Diffusion von Ionen durch Kanalproteine entlang des elektrochemischen Gradienten Extrazelluläre Liganden überwiegende Mehrzahl aller Liganden, Amine, Aminosäuren, Purine z.b. Acetylcholine, Glutamat (exzitatorisch), GABA, Glycin (inhibitorisch). Intrazelluläre Liganden: Second messengers", wie camp und cgmp werden bei sensorischen Prozessen generiert. Geruchswahrnehmung: GPCRs camp wirkt auf camp gated Ca 2+ /Na + channels Optische Reize: Licht aktiviert Rhodopsin/Transducin cgmp gated Na + channel). Capsaicin (Chilli) wirkt als intrazellulärer Ligand von nozizeptiven Transduktions-Kanälen

24 Ionenselektivität von Kanälen Kationenselektive Kanäle nichtselektive: permeabel für Na +, K +, Ca 2+ Selektiv: nur für bestimmte Kationen permeabel Funktion: depolarisierend, Einstrom von Na +, Ca 2+, (exitatorisch) repolarisierend/hyperpolarisierend K + Einstrom (inhibitorisch) Anionenselektive Kanäle : Permeabel für Cl-, Funktion: hyperpolarisierend, inhibitorisch

25 Grundtypen ionotroper Neurotransmitter Rezeptoren" nicotinischer Acetylcholin-R iglutamat-r P2X Purin-R Liganden: z. B.ATP, ADP Pentamer Tetramer Trimer Ähnlich zu nachr:! GABA A -R,! Glycin-R,! 5-HT 3, IP 3 R! Porenbildende Domäne: TM2 bzw. P-loop

26 Der nach-r als Prototyp pentamerer Liganden-aktivierter Ionenknäle Ring negativer Seitenketten wirkt abstoßend auf Cl - Anionen, Kationenselektivität Ligandenbindung: In extrazellulärer Domäne zwischen den Untereinheiten α-helices bilden selektive Schleuse: Permeabel für K+, Na+, >> Ca 2+ Adulte Form des Muskel-R: Hetero-Oligomer α 2 βγδ

27 Acetylcholin induziert Öffnung der Kanalschleuse: Liganden-induzierte Rotationsbewegung läßt hydrophobe Leucinseitenketten (L) zur Seite gleiten, hydrophile Serine werden exponiert. Zutritt für solvatisierte Kationen Aktivierung

28 Strukturelle Komplexität oligomerer Rezeptoren Kanal besteht aus verschiedenen Untereinheiten: z. B α, β, γ, δ, etc Es existieren für einen Typ Untereinheit weitere Subtypen, die von verschiedenen Genen Kodiert werden z. B. α(1), α (2), α(3)... etc (zusätzlich existieren häufig auch noch Splicevarianten) prinzipielle Fragen: Aus welchen Untereinheiten ist der Rezeptor in vivo aufgebaut? Gibt es Zelltyp-spezifische Varianten? In welchen Regionen des Nervensystems werden diese exprimiert? Haben diese Varianten unterschiedliche funktionelle Eigenschaften? Analyse durch: Elektrophysiologie, Pharmakologie, transgene -Mäuse, klinischer Phenotyp von Mutanten (Krankheitsassoz. oder gentechnisch erzeugte z. B Knockout-Mäuse, Knockin Mäuse).

29 Elektophysiologische Analyse von Rezeptoren nach Expression in Xenopusoozyten

30 Elektophysiologische Analyse von Rezeptoren nach Expression in Xenopusoozyten 1. Herstellung von in vitro transkribierter mrna (z. B. T7, SP6-Polymerase/promotor) für bestimmten Rezeptor (z. B. bestimmte Kombination von Rezeptorsubtypen, oder Rezeptorvarianten mit Mutationen z. B in Ligandenbindestelle, etc) 2. Injektion von mrna in Oocyten von Xenopus 3. Effiziente Translationsmaschinerie der Oocyte erzeugt große Mengen an Rezeptor 4. nach 1-3 Tagen: Elektrophysiologische Abtleitungen: einfach zu patchen, große whole cell Ströme, teilt sich nicht Injektion von mrna Translation

31 Strukturelle Komplexität: Art der Untereinheiten bestimmt Kanaleigenschaften z. B. Öffnungskinetik (wie schnell öffnet und schließt sich der Kanal? % % % % % rise time, decay time, Leitfähigkeit (wie groß ist der Ionenstrom I max und damit der Effekt?), Desensitisierung, Bindung von Agonisten und Antagonisten Adulte Form des Muskel-R: α(1) 2 βγδ β Untereinheit ersetzt embryonale ε Unter. embryonale Form des Muskel-R.: α(1) 2 εγδ Neuronaler Typ im ZNS: hauptsächlich α 2 β 3 es existieren daneben verschiedene Subtypen der Untereinheiten: α1-9, β1-4 theoretisch tausende Kombinationsmöglichkeiten... aber nur bestimmte werden zelltyp-spez. exprimiert, z. B: Hetero-oligomere Homo-oligomer

32 Inhibitorische Neurotransmitter Rezeptoren! GABA A -R und GlyR:" liganden gekoppelte Cl - Kanäle" Pentamer, nach-typ, Hetero-oligomere" postsynaptische Proteine clustern" Rezeptoren in der Postsynap. Membran" Cl - Cl - Cl - Cl - β Cl - Cl - Cl - GABAerges System: im gesamten CNS Kontrolliert Wachheitszustand, Angstkontrolle, Muskelspannung, epileptische Aktivität, Lernen +Gedächtnis Glycinerges System: v. A. im Hirnstamm und Rückenmark, Reguliert sensorische und motorische Funktionen, den Muskeltonus, Nozizeption Gegenspieler zum schnellen, exzitatorischen, glutamatergen System!

33 Pharmakologische Modulation von Kanaleigenschaften 1) 2) zu 2): Modulatoren wirken inhibitorisch oder potenzierend (bezogen auf jeweiliges Rezeptor-Signal) Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology allosterische Modulatoren: binden außerhalb der Ligandenbindestelle, regulieren über eine Konformationsänderung die Rezeptoreigenschaften kompetitive Antagonisten/Agonisten konkurrieren mit endogenem Liganden um die Bindestelle.

34 Pharmakologische Modulation von Kanaleigenschaften: am Beispiel des GABA A -Rezeptors GABA A -R: Grundtyp α 2 β 2 γ-pentamer (vielfältige Rezeptorvarianten und Subtypen) Positive (allosterische) Modulatoren Benzodiazepine:. z. B. Valium: Potenzierung der GABA-Affinität (EC 50 ) erhöhte Inhibition Dämpfung der Erregbarkeit klinische Anwendung: angstlösend, sedierend, muskelrelaxierend, antikonvulsiv (krampflösend) α 2 β 2 γ-pentamer Barbiturate z. B Pentobarbital erhöhen Cl- Einstrom, (auch ohne Gegenwart von GABA wirkt als Agonist, nicht als Modulator) sedierend, starke Schlafmittel (Gefahr der Überdosierung, Tod Anesthetika z.b Isofluran, Propofol: wirken potenzierend auf GABA-R, binden an TM Region (wirken auch auf viele andere Rezeptoren) Ethanol: wirken potenzierend auf GABA-R sedierend, reduzierte Aufmerksamkeit und langsamere Motorik (wirkt auch auf viele andere Rezeptoren)

35 Pharmakologische Modulation von Kanaleigenschaften: am Beispiel des GABA A -Rezeptors Inhibitoren Picrotoxin: Kanalblocker verhindert Cl - -Einstrom Bicucullin: hemmt kompetitiv die GABA-Bindung α 2 β 2 γ-pentamer Picrotoxin und Bicucullin wirken konvulsiv (werden klinisch nicht verwendet, aber wichtige Substanzen für Elektrophysiologie) Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology

36 Typen von Glutamat-Rezeptoren! ionotrope! iglurs! nicht-nmda-r! (Kainat-R, AMPA-R)! NMDA-R! physiol. Ligand selektive Agonisten selektiver Agonist metabotrope! mglurs! (GPCR)! Abb 13.9 Kandell, Neurowissenschaften

37 Typen von Glutamat-Rezeptoren! ionotrope! nicht-nmda-r! (Kainat-R, AMPA-R)! NMDA-R! frühe Komponente des EPSC, sehr schnelle Öffnungs- Kinetik Na +, K +, (Ca 2+ ) späte Komponente des EPSC, langsame Öffnungs- Kinetik Na +, K +, Ca 2+ Gly essentieller Coagonist Ionotrope Glutamat-Rezeptoren vermitteln den Großteil der schnellen exzitatorischen Neurotransmission im Gehirn. NMDA und AMPA Rezeptoren sind häufig postsynaptisch colokalisiert. NMDA: N-methyl-D-Aspartat; AMPA: L-a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid EPSC: excitatory postsynaptic current

38 Glycin wird am NMDA-R für effizienten Ionenfluß benötigt wirkt als essentieller Co-Agonist C, D: AMPA und Kainatrezeptoren werden durch Glycin nicht potenziert Quelle: Abb 32.5 Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology

39 Klonierung der Glutamat-Rezeptorgenfamilie zeigt die molekulare Diversität der iglurs AMPA-R: GluA1-4 (alte Nomenklatur GluRA-D) Kainat-R: GluK1-5 (alte Nomenklatur GluR5-7, KA1, KA2) NMDA-R: GluN1, GluN2A-N2D, GluN3A-GluN3B obligate N1/N2 oder N1/N3 hetero-oligomere (alte Nomenklatur NR1, NR2A-D, NR3A-B) AMPA und Kainat-Kannäle können jeweils aus homo-oligomeren oder hetero-oligemeren verschiedener Untereinheiten funktionelle Kanäle bilden. viele kombinatorische Möglichkeiten...daneben mglurs: mglur1-8

40 Struktur der Glutamatrezeptoren alle iglur homolog auf Sequenzebene und strukturell verwandt iglur Kanal wird durch ein Rezeptortetramer aufgebaut Struktur der Untereinheiten: nicht 4 sondern nur 3 TMs, Pore-loop statt TM2 kleidet die Pore aus Ligandenbindung: nicht zwischen den Untereinheiten, sondern innerhalb einer UE funktionell wichtige Domänen: ATD: Aminoterminal domain (bestimmt Homo-Hetero-Oligomerisierung, Transport zur Oberfläche) LBD: Ligand binding domain (TM3/TM4 Loop plus membranproximale Region des N-terminus) Quelle: Squire et al., Fundamental Neuroscience

41 Struktur der Glutamatrezeptoren Quelle: Squire et al., Fundamental Neuroscience Ionenselektivität: Reste im Pore-loop sind entscheidend (Q/R site): z. B. GluA1,3,4: Glutamine (Q, neutral): Ca 2+ permeabel bei GluA2: Arginin (R) positive Ladung, nicht Ca permeabel, GluA2 enthaltende AMPA-R sind nicht für Ca permeabel, häufigste Variante in ZNS; Vergleiche mit NMDA-R: Asparagin N (neutral), verantwortlich für Ca 2+ Permeabilität

42 Nature 462, 745 (2009) Aufsicht auf ATD ATD: Aminoterminal domain (bestimmt Homo-Hetero-Oligomerisierung, Transport zur Oberfläche) LBD: Ligand binding domain TMD: Transmembrane domain

43 NMDA-R ist im Grundzustand durch Mg 2+ -Block verschlossen, Membrandepolarisation entfernt Mg 2+, Ca 2+ Einstrom Öffnung des Kanals bei: Glu (NMDA) + Gly + Depolarisation! Quelle: Squire et al., Fundamental Neuroscience NMDA-R wird moduliert: e. g. Co-Agonist Gly, Modulation durch Zn 2+ ; Phosphorylierung

44 Der NMDA Rezeptor ist sowohl Liganden-abhängig als auch Spannungs-abhängig!! normale syn. Transmission! (bei Ruhepotential)! nach Depolarisation! (z. B. nach vorherigem Na + Einstrom über AMPA-R)! Kandell, Neurowissenschaften Ca 2+ abhängige! Signalkaskade!

45 Bedeutung des NMDA-R abhängigen Ca 2+ Signals: Anstieg der intrazell.ca-konzentration führt zu vielfältigen Effekten u.a: Aktivierung von Kinasen: PKC, CaM-KinaseII, IV (Ca-Calmodulin dependent kinase) Induktion der Genexpression (CREB, camp responsive element binding protein) reguliert das Öffnen von Kanälen Physiologisch: essentiell für das Überleben: NMDA-R KO Mäuse lethal (Atemzentrum defekt) essentiell für Lernprozesse, synaptische Plastizität (LTP) Pathologisch: involviert in neuronale Übererregbarkeit, Epilepsie neuronaler Zelltod (Exzitotoxizität) durch Glutamat/Ca Einstrom bedingte Übererregung, z.b, bei bei Schlaganfall und neurodegenerative Krankheiten, wie Alzheimer (daher wird Kanalblocker Memantine bei Demenzen eingesetzt)

46 Pharmakologische Angriffsmöglichkleiten am NMDA-R AP5, AP7 Kompetitive Antagonisten (nur experimentell wichtig) Kynurenic acid Kanalblocker: Ketamine Phencyclidine (= PLP) Dizocilpine MK801 (Problem: alle halluzinogen) Memantine: nicht halluzinogen Klinische Anwendung: Dementielle Syndrome Spätstadien Alzheimer Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology

47 Überblick: Molekulare Architektur von Ionenkanälen Porenbildende TM2-Domäne, P-loop TM4: Spannungsensor Quelle: Abb3.16 Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology Blau: Domänen, die in der Kanalpore lokalisiert sind Selektivitätsfilter

48 Molekulare Architektur von Ionenkanälen: Kanalbildende und modulierende e.g. β-untereinheiten Quelle: Purves

49 Wie kann man Lernen definieren? Lernen ist eine durch Erfahrung bedingte adaptive Veränderung des Verhaltens...aber auch das Aneignen von Fertigkeiten und Fakten Was hat lernen mit Synapsen zu tun?

50 Lernen auf zellulärer Ebene Wie können Neuronen Informationen speichern? alte Theorie: Proteine als Gedächtnismoleküle...?? aktuelle Theorie: durch Verstärkung bzw. Abschwächung bestimmter synaptischer Verbindungen durch Neubildung oder Abbau von Synapsen durch Neubildung von Neuronen, adulte Neurogenese im Hippocampus

51 Wichtige anatomische Struktur für Lernen und Gedächtnis: Der Hippocampus (im medialen Temporallappen) Hippocampus besteht aus Gyrus dendatus und Ammonshorn (Cornu ammonis) CA1, CA3-Region 1) Neuronen des entorhinalen Cortex projizieren auf Körnerzellen im Gyrus dendatus. Das entsprechende Axonbündel wird als pp perforant path bezeichnet. pp Zellsomata in DG und CA1, CA3 2) Zellen des Gyrus dentatus projizieren mit Moosfaseraxonen (mossy fibers) auf Neuronen der CA3 Region 3) CA3 Neuronen bilden Axonprojektionen, die sich verzweigen: ein Ast verlässt den Hippocampus (in Richtung Fornix, Hypothalamus), der andere Ast, die Schaffer Kollateralen bilden Synapsen mit Dendriten der CA1 Pyramidenzellen Fig: Bear

52 Ein berühmter neurologischer Patient: Henry M. Nach schwerer Epilepsie (generalisierte Krampfanfälle, Zungenbeißen, Bewußtlosigkeit) beidseitige Entfernung des medialen Schläfenlappens (Cortex und Hippocampus); (1953, Dr. Brenda Milner als behandelnder Arzt) Quelle: Kap. 24, Baer

53 Ein berühmter neurologischer Patient: Henry M. Ergebnis: Besserung der Epilepsie, aber... schwere anterograde Amnesie: - episodisches (autobiographies)lernen und Lernen neuer Ereignisse und - Faktengedächtnis/lernen völlig zerstört retrograde Amnesie anterograde Amnesie nur leichte retrograde Amnesie, Kindheitserinnerungen intakt hingegen: normale Sprache und Intelligenz Arbeitsgedächtnis (z. B. kurzfristige Wdh. von Zahlenfolgen) nicht beeinträchtigt motorisches, prozedurales Lernen normal: lernte Stern nachzuzeichnen, wobei er sich dabei nur im Spiegel beobachten konnte. Quelle: Kap. 24, Baer

54 Dekalaratives (explizites) und nichtdeklaratives (implizites) Gedächtnis Gedächnisinhalte gelangen ins Bewußtsein Gedächnisinhalte gelangen NICHT ins Bewußtsein semantisches Gedächtnis Episodisches Gedächtnis z. B chem. Strukturformeln, Hauptstädte etc Fahradfahren Schnürsenkelbinden

55 Zusatzfolien Nicht klausurrelevant

56 Elektrophysiologie am Hippocampusschnitt CA3/CA1: - Stimulation der Schaffer Axonkollateralen (Axone der CA3 Neuronen), - Detektion der postsynaptischen Potentiale in den CA1 Pyramidenzellen CA1 Neuronen zeigen LTP (long term potentiation) nach hochfrequenter Stimulation Quelle: Fig 18.2 Byrne and Roberts, From Molecules to Networks Anmerkung: in dieser Abb ist DG/CA3, CA1 gespiegelt gegenüber letzter Folie

57 Langzeitpotenzierung LTP: langanhaltende Verstärkung der postsynap. Potentiale nach hochfrequenter Stimulation (long term potentiation) z.b. Tetanus von stimuli, 100 Hz Quelle: Purves Fig 8.7 schwacher Stimulus induziert konst EPSP (baseline: pathway 1, vor Tetanus,) Tetanus (high frequency stimulus) induziert verstärktes EPSP, das auch nach Ende des Tetanus und lediglich basaler Stimulation für Stunden bis Tage anhält. Pathway 2 dient als Kontrolle, wurde nicht durch Tetanus stimuliert Diese long term potentiation LTP entspricht Verstärkung der Synapsenstärke Modell für Lernvorgänge

58 Mechanismus: NMDA-R abhängig Pharmakologische Blockade des NMDA-R oder genetischer Knockout verhindern LTP. Molekulare Effekte beim early LTP: Ca 2+ Einstrom durch NMDA-R: [Ca 2+ ] > 5 µm 1. Ca 2+ aktiviert Kinasen (PKC, CaMK), die AMPA-R phosphorylieren höhere Leitfähigkeit der individuellen Kanäle 2. Ca 2+ induziert die Neuinsertion von AMPA-R in die Postsynapse (induziert receptor trafficking ) höherer Ganzzellstrom

59 Synapsenstärke ist modulierbar:! NO induziert ein retrogrades Signal in der Präsynapse! aus Kandell, Principles of Neurposcience Ca2+ induziert sekundäre Signalkaskaden: Neu-Insertion von AMPA-R und Phosphorphorylierung von AMPA-R verstärkt die Postsynaptische Antwort, LTP induziert NO-Synthetase NO diffundiert zur Präsynapse vermehrte präsynaptischen Glu-Freisetzung Retrograde Signalgebung

60 Spätphase late LTP ist translationsabhängig: blockierbar durch Cycloheximid, Anisomycin Quelle: Purves

61 Spätphase der LTP Ca 2+ Signalkaskade: Induziert Genexpression, Ausbildung zusätzlicher Synapsen (spines). wichtiges Signalmolekül für LTP und strukturelle synaptische Plastizität BDNF brain derived neurotrophic factor Quelle: Purves

62 Funktionelle Veränderungen können zu strukturellen Veränderungen führen Rez. Phosphorylierung Rez. Insertion Ausbildung mehrer PSDs Ausbildung mehrer Spines Presynaptische Remodellierung mehrere aktive Zonen

63 Strukturelle Plastizität läßt sich experimentell live in transgenen EGFP exprimierende Mäusen beobachten: dendritische Spine-Struktur ist hochdynamisch

64 Biosynthese von Serotonin (5-HT) aus Tryptophan Synthese limitiert durch Verfügbarkeit von Tryptophan im Blut essentielle Aminosäure proteinreiche Nahrung Transporter für hydrophobe Aminosäuren reguliert Aufnahme ins Gehirn. 5-HT Funktionen: reguliert Stimmungen, Emotionen, Schlaf Glückshormon

65 Serotonerge Signaltermination Hauptmechanismus: Wiederaufnahme durch Transporter der Plasmamembran einige Antidepressiva wie Prozac (fluoxetin) wirken durch Hemmung des 5HT- Plasmamembrantransporters. (SSRI= selective serotonin reuptake inhibitor) weiterer Mechanismus: Enzymatischer Abbau durch MAO Monoaminoxidase (in den Mitochondrien der Präsynapse). auch Hemmstoffe der MAO werden als Antidepressiva eingesetzt.

66 Spannungsabhängige Ionenkanäle Spannungs-induzierte Drehgleitbewegung von TM4 führt zu Kanalöffnung Quelle: Löffler, Petrides, Biochemie und Pathobiochemie

67 Pharmakologische Interventionsmöglichkeiten am Na + - Kanal Permamente Membrandepolariation, Verlust der neuronalen Erregbarkeit Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology

68 Lokalanästhetika sind amphiphil (schwache Basen, pka=8-9) LA wirken in protonierter Form und binden von der Cytosolischen Seite innerhalb der Kanalpore. Der Transport durch die Membran erfolgt jedoch in unprotonierter Form. Na-Kanäle werden gebrauchsabhängig inaktiviert: Bessere Zugang des LA nach mehreren Öffnungszyklen. Quelle: Rang, Dale, Ritter, Moore: Pharmacology chapter 40 Analgesic drugs

69 Eigenschaften von K + -Kanälen K + Kanäle: 4 Untereinheiten, Pore loop bildet den Selektivitätsfilter Selektivitätsfilter hochkonserviert zw. Spezies

70 Kanal selektiv permeabel für K +: Perm. K mal größer also Perm Na +!!!! Extrem hohe Leitfähigkeit, nahe Diffusionsgrenze: K + /Sec Problem: Wie wird bei hoher Selektivität (die auf starken, hochenergetischen molekularen Wechselwirkungen beruht) gleichzeitig diese extrem hohe Durchflussrate der K + Ionen erzielt?

71 Wie wird die hohe Durchflussrate erreicht? Es befinden sich mehre Ionen in der Pore Bindung erfolgt hochkooperativ Switch zw. 1,3 und 2,4 Konfiguration