Kapitel 6: neuronale Koordination

Tiere -> heterotrophe Ernährung (gewinnen ihre Energie durch den Abbau von organischen Substanzen, die sie von anderen Organismen (tote oder lebende) beziehen) -> aktive Bewegung -> erfordert schnelle Reaktionen

Pflanzen -> autotrophe Ernährung (können selbst aus anorganischen Stoffen, CO2, Wasser etc. in organische Stoffe umwandeln: Produzieren eigene Nahrung) -> keine aktive Bewegung, da sie meist sessil sind -> kein neuronales System notwendig

• Das Gehirn macht etwa 2% des Körpergewichts aus

• Das Gehirn verbraucht trotz des geringen Gewichts etwa 20% des gesamten Sauerstoffs, den der Körper aufnimmt

-> Warum? Gehirn hat hohe Stoffwechselaktivität und benötigt kontinuierlich Energie, um Funktion aufrecht zuerhalten

• bevorzugt Glukose als Energielieferant -> kann Blut-Hirn-Schranke passieren (Glukose ist schnell und effizient)

• ausschließlich oxidativer Metabolismus (aerober Stoffwechsel)

Oxidativer Abbau:

• Glucose wird unter Nutzung von O2 vollständig abgebaut in Mitochondrien -> 26-32 Moleküle ATP pro 1x Molekül Glukose

-> Hohe Energiebeute

Anaerober Abbau:

• Umwandlung Glukose zu Lactat -> 2 Moleküle ATP pro 1x Molekül Glukose

-> weniger Energie

warum oxidativ?

-> Gehirn benötigt kontinuierlich eine große Menge an Energie (in Form von ATP), um grundlegende Funktionen aufrechtzuerhalten. Bei anaerob zu wenig ATP Produktion und zu wenig Energie.

Zellen können unter mangelndem O2 kein ATP beim oxidativen Metabolismus herstellen und somit keine Energie gewinnen.

Folge: Störung der Hirnfunktion, weil keine Funktionen ohne Energie ausgeführt werden können.

1. sensorische Neuronen (Sinneszellen) -> afferent -> Leiten Information zum ZNS hin

   • empfangen Information über optische, chemische o. mechanische Reize und übermitteln Information (als elektrisches Signal) an Folgeneuronen

2. motorische Neuronen -> efferent -> Leiten Information vom ZNS weg

   • übertragen Signale vom ZNS an z.B. Muskelzellen, um Bewegung zu steuern

3. Interneuronen (ausschließlich im ZNS)

   • Verbinden Nervenzellen im ZNS miteinander

   • Vermitteln zwischen sensorischen und motorischen Neuronen

   • Rolle bei Informationsverarbeitung

     Beispiel: Beugereflex

     sens. Neuronen:

   • Schmerzreiz (durch Treten auf spitzen Gegenstand) wird von Schmerzrezeptoren in Haut wahrgenommen

   • Leiten Schmerzsignal afferent zum ZNS

     Interneurone:

   • aktivieren motorische Neuronen, die Beugemuskeln des betroffenen Beins ansteuern

   • Gleichzeitig:hemmen sie motorische Neuronen, die für Streckmuskulatur des Beins zuständig sind -> Sicherstellung, dass Bein sich beugen kann und nicht blockiert wird

     motor. Neuronen:

   • aktivierten motorischen Neuronen leiten Signal an die Beugemuskulatur weiter, sodass Muskel sich kontrahiert und das Bein wegzieht von Reizquelle.

=> Interneurone werden nur bei komplexeren Reflexen benötigt!

• kein anderer Zelltyp wird mehr als über 10m lang (einige motorische Nervenzellen bei Walen)

• kein anderer Zelltyp knüpft spezifische Kontakte zu 10^4-10^5 anderen Zellen

1. Zellkörper (Soma)

• zentraler Teil des Neurons

• enthält Nukleus (mit DNA) + verschiedene Organellen wie Mitochondrien, Golgi-Apparat und eR

2. Dendriten (=Rezeptorregion)

• Baumartig verzweigte Fortsätze, die sich vom Zellkörper erstrecken

• Empfangen Signale (elektrische Impulse) von anderen Neuronen oder von Sinneszellen -> leiten diese Signale zum Zellkörper weiter

3. Axonhügel

• Verbindungsstelle zwischen Zellkörper und Axon

• Verarbeitung der Summen aller eingehenden Signale von den Dendriten -> Bei best. Schwellenpotenzial wird Aktionspotential erzeugt und weitergeleitet

4. Axon (= Verzweigungsregion)

• langer, schlanker Fortsatz, der sich vom Zellkörper aus erstreckt und sich am Ende in Axonendigungen aufteilt

• leitet elektrische Impulse (Aktionspotentiale) weiter bis zum synaptischen Endknöpfchen

• Enthält Kollateralen (Seitenäste), um Signal an mehrere Zellen zu übertragen

5. Myelinscheide

• Viele Axone sind von Myelinscheide umgeben, die aus speziellen Zellen besteht:

• Myelinschicht wird von Zellen gebildet (Schwann-Zellen und Oligodendrozyten)

• Wirkt als Isolationsschicht und sorgt dafür, dass elektrischen Signale schneller entlang des Axons weitergeleitet werden

• ermöglicht saltatorische Erregungsleitung -> Aktionspotential springt von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten

6. Ranvier'sche Schnürringe

• Unterbrechungen in der Myelinscheide entlang des Axons

• Ionenfluss findet durch Zellmembran statt -> Weiterleitung

  
  

7. präsynaptische Endigung (=synaptisches Endknöpfchen)

• Endabschnitt eines Axons

• Enthalten synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Beim Ankommen des AP im Endknöpfchen --> Neurotransmitter werden im synaptischen Spalt freigesetzt

8. Synapsen

• Übertragungsort zwischen zwei Nervenzellen, besteht aus:

• Präsynaptischer Membran (Teil des synaptischen Endknöpfchens)

• Synaptischer Spalt: Neurotransmitter Abgabe

• Postsynaptische Membran: Membran der empfangenden Zelle (z. B. Dendrit einer anderen Nervenzelle), die Rezeptoren für die Neurotransmitter enthält

Durch spezielle Zellen, die das Axon umhüllen.

• Schwann-Zellen: Myelin-produzierende Zellen im Peripheren Nervensystem (PNS)

• Oligodendrozyten: Myelin-produzierende Zellen im zentralen Nervensystem (ZNS)

=> Beide gehören zu der Gruppe der Glia-Zellen

Myelinisierung entsteht, wenn die o.g. Zellen Myelin (lipidreiche Substanz) produzieren und sich dann um das Axon wickeln. Dabei lagern sich die Zellmembran mehrfach übereinander, wodurch eine “dicke Schicht” entsteht, die reich an Myelin ist.

• Golgi-Färbung -> Injizierung von Fluoreszenzfarbstoffen -> willkürliche Erfassung von Neuronentypen

• Einbau von Genen, die für fluoreszenzmarkierte Proteine kodieren, in DNA von Neuronen -> Produktion von fluoreszenzmarkierten Proteinen -> best. Lichtverhältnisse werden sie sichtbar gemacht

• Mikrotubuli -> fungieren als Schienen, auf denen spezielle Transportproteine (Motorproteine) wie Kinesin und Dynein die Ladung transportieren

• Aktinfilamente -> unterstützen die Zellform und Ladungsverteilung

• Intermediärfilamente -> Stabilität und mechanische Festigkeit des Axons

  => netzartiges Proteingerüst

Mikrotubuli = TRANSPORT

Aktin- und Intermediärfilamente = STABILITÄT UND STRUKTUR (bezogen auf Nervenzellen)

• Cytochalasin B: Stopp Axonwachstum => gebildetes Axon bleibt erhalten

• Colchicin: Stopp Axonwachstum => Axon zieht sich zum Soma zurück

=> axonaler Transport (=gerichteter Transport) von Molekülen und Organellen entlang der Mikrotubuli im Axon

=> Einschleusung erfolgt über den Golgi-Apparat

• Kann in zwei Richtungen erfolgen:

1) Anterograder Transport:

=> Bewegung vom Zellkörper (Soma) zum Axonterminal

• Durchführung des Transports durch Motorprotein Kinesin

• Transportiert werden z.B. Neurotransmitter-Vesikel, Enzyme, Mitochondrien, und Membranbausteine -> Versorgung für Signalübertragung

2) Retrograder Transport:

=> Bewegung vom Axonterminal zurück zum Zellkörper

• Durchführung des Transports durch Motorprotein Dynein

• Rückführung von abgenutzten Organellen und Recycling von Materialien z.B. abgebaute Zellbestandteile, Wachstumsfaktoren o. Signale, die im Zellkörper verarbeitet oder abgebaut werden müssen

• Golgi-Apparat => Einschleusung der Syntheseprodukte

1) Peptid-Neurotransmitter: z.B. Endorphine (kurze Aminosäureketten)

• Werden im Zellkörper (ER und Golgi-Apparat) produziert, in Transportvesikel verpackt und ins Axonterminal transportiert.

2) Primäre niedermolekulare Neurotransmitter: Dopamin, Acetylcholin, Glutamat, GABA (einzelne Moleküle, meist Aminosäurederivate)

• Werden oft lokal im Axonterminal synthetisiert, aber die für ihre Produktion benötigten Enzyme werden im Zellkörper produziert, verpackt und transportiert.

z.B. Cholinacetyltransferase (ChAT) -> verantwortlich für Synthese von Acetylcholin

• Funktion als Bindegewebe, da sie die Nervenzellen umhüllen

• ektodermaler Herkunft

Wirbellose Tiere:

• Verhindern direkten Kontakt der Nervenzellen mit der Hämolymphe -> Verhinderung schädlicher Substanzen aus Hämolymphe in Nervenzelle

Wirbeltiere:

• sternförmige Astrozyten umgeben Nervenzellen und Blutkapillaren

• entscheidend für Bildung und Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke

  -> Indem sie die Blutkapillaren umschließen, regulieren sie den Austausch von Stoffen zwischen Blut und Gehirn und entscheiden, welche Substanzen durchgelassen werden oder nicht

  -> Nehmen nämlich Nährstoffe aus dem Blut auf, um sie an andere Neuronen weiterzugeben

• Funktion: dienen der elektrischen Isolierung und Erhöhung der Nervenleitung + Produktion von Myelin

• Vorkommen: im peripheren NS

• Zugehörigkeit: Art von Gliazellen

Einfache Nervennetze (z.B. bei Cnidaria)

• Diffuses Netz von Nervenzellen ohne Zentrale

Einfach strukturierte Nervensysteme (z.B. bei Plattwürmern)

• Zwei Längsnervenstränge mit einfachen Ganglien an Kopfregion

ZNS (z.B. Vertebraten und Arthropoden) - höchst entwickelte Form

• Wirbeltier: Gehirn + Rückenmark

• Arthropoden: Paarige Ganglien entlang des Körpers, verbunden durch Nervenstränge (Strickleiternervensystem)

• ektodermaler Herkunft (Ganzes ZNS)

• Aus Ektoderm bildet sich zunächst eine Struktur namens Neuralplatte

• Neuralplatte (formt sich aus Ektoderm) und faltet sich zur Neuralrinne und schließlich Neuralrohr

• Neuralrohr = Vorläufer des gesamten ZNS (Gehirn + Rückenmark)

1) Migration der Zellkörper

• Während Embryogenese:

  Neuroblasten (Vorläuferzellen von Nervenzellen) wandern mithilfe von Stützgliazellen und extrazellulärer Matrix im Neuralrohr und erreichen ihre Zielposition

• extrazelluläre Matrix: Moleküle die Migration lenken

• Stützgliazellen: fungieren als “Schienen/Gerüst” für Neuroblasten

• Entstehung verschiedener Schichten und Zelltypen in Großhirnrinde und Kleinhirn

  • Großhirnrinde und Kleinhirn sind “vorstrukturiert” durch Hox-Gene -> Positionierung und Differenzierung der Neuroblasten innerhalb dieser vorgezeichneten Bereiche führt dann zur Ausbildung der charakteristischen Schichten

2) Auswachsen der Axone

• Angekommen am Zielort -> Auswachsen der Axone der Neuronen!

• Spitze des wachsenden Axons -> Wachstumskegel

• Wachstumskegel: reagiert auf Wachstumsfaktoren/Leitmoleküle, wie Laminin oder Netrin-1, die als “Wegweiser” fungieren, um Axon in richtige Richtung zu lenken (zur Zielzelle für Synapsenbildung)

3) Knüpfung synaptischer Verbindungen (Synaptogenese)

• Axone erreichen Zielzellen -> Synapsenbildung

• Bildung übermäßiger Synapsen (oft mehr als notwendig)

• Durch regelmäßige Aktivität und sensorische Erfahrungen werden nützliche Verbindungen verstärkt und stabilisiert, während unnötige Synapsen zurückgebildet werden

-> Sensorische Erfahrungen: Sehen, Hören, Fühlen, Riechen und Schmecken

Netzwerke von Neuronen, die über Synapsen miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten, um Informationen zu verarbeiten, Signale zu übertragen und Verhaltensreaktionen zu steuern.

=> mind. 3 Zellen

1) Sensorisches Neuron

2) (Interneuron) -> nicht immer!

3) Motorisches Neuron

4) Effektorzelle (Zelle, die auf Signal von m. Neuron reagiert)

• Mit Interneuron: 3 Synapsen sind zwischengeschaltet

  -> polysynaptischer Reflex

• Ohne Interneuron: 2 Synapsen zwischengeschaltet

  -> monosynaptischer Reflex

-> Cnidarier haben einfaches Nervennetz

-> Keine strikte Trennung von sensorischen und motorischen Neuronen

-> Nesselzellen (Cnidozyten) erkennen Reiz und reagieren sofort

-> sensorische Wahrnehmung und motorische Antwort in 1x Schritt

=> Meeresschnecke -> Kiemenrückzugreaktion

Sensorisches Neuron:

• Aktivierung durch Berührung an Kiemen -> Erzeugt AP und wird weitergeleitet an nächstes Neuron im Schaltkreis

Interneuron:

• empfängt Signale von sensorischem Neuron und leitet sie an motorisches Neuron weiter

Motorisches Neuron:

• empfängt Signal von Interneuron -> Aktivierung der motorischen Neuronen für Kontraktion der Muskeln

• Signalweiterleitung an Effektorzelle z.B. Muskelzelle

Effektorzelle:

• Aufnahme des Signals -> Muskeln ziehen Kiemen zurück

  -> Schutz vor Verletzung o.ä.

Broca-Areal: Sprachproduktion

Schädigung:

-> Schwierigkeiten bei Sprachproduktion

-> jedoch relativ gutes Sprachverständnis

Wernicke-Areal: Sprachverständnis

Schädigung:

-> Schwierigkeiten im Sprachverständnis anderer Menschen

-> flüssige und grammatikalisch korrekte Sprache, aber bedeutungslose Aussagen

• Embryonal: Bildung des Neuralrohrs

  Aufteilung in…

  -> Gehirn (Vorderer Teil des Rohrs)

  -> Rückenmark (Hinterer Teil des Rohrs)

• Vorderer Teil entwickelt sich zu Primärbläschen (Prosencephalon, Rhombencephalon)

Spätere Entwicklung: -> Entwicklung in Sekundärbläschen

Prosencephalon -> Telencephalon und Diencephalon

Rombencephalon -> Mesencephalon, Metencephalon und Myelencephalon

Grundlegende und lebenswichtige Funktion:

• Regulation der Atmung, Herzschlag, Weiterleitung von sensorischen und motorischen Signalen zwischen Gehirn und Rückenmark

Bestandteile:

• Tegmentum aus Mesencephalon

• Pons (Brücke) aus Metencephalon

• Medulla oblongata aus Myelencephalon

wichtiger Bestandteil!

=> Formatio reticularis -> Netzwerk von Neuronen

• Steuerung von Wachheit, Aufmerksamkeit, Schlaf

• Zerstörung: dauerhaftes Koma

Zerstörung = keine Aktivität = keine Steuerung des Schlaf-wach-Rhythmus

Ohne F.R. Kann die Aktivität für waches Bewusstsein nicht aufrechterhalten werden

1. Magnetresonanztomographie (MRT)

2. Elektroenzephalographie (EEG)

3. Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

4. Magnetoenzephalographie (MEG)

etc….

• PNS: alle Nervenfasern und Nervenzellen, die sich vom ZNS in die Gliedmaßen oder Organe erstrecken

• afferenten Bahnen (sensorische Nerven), die Informationen von den Sinnesorganen und anderen Körperteilen zum ZNS leiten

• efferenten Bahnen (motorische Nerven), die Signale vom ZNS zu den Muskeln, Organen und Drüsen bringen

• ZNS: enthält alle Nervenzellen und Nervenbahnen, die sich innerhalb von Gehirn und Rückenmark befinden und dort Informationen verarbeiten und untereinander austauschen

1) Somatisches Nervensystem: “bewusst”

• Überträgt sensorische Informationen von den Sinnesorganen zum ZNS und leitet motorische Befehle zu den Skelettmuskeln -> Motorische Befehle steuern Bewegungen wie Gehen, Greifen, Sprechen und andere bewusste Bewegungsabläufe

2) Vegetatives Nervensystem: “unbewusst”

• Steuert unbewusste Prozesse wie Stoff- und Energiewechsel, oder auch inneren Organe (z.B. Herzfrequenz, Blutdruck, Atmung und Verdauung)

• arbeitet autonom (“automatisch”) -> passt Aktivität der Organe an aktuelle Bedürfnisse an

1) Symphatikus “Kampf-Flucht-System”

• wird bei Stress, Gefahr oder körperlicher Anstrengung aktiviert

  -> Erhöhung Herzschlagfrequenz

  -> Steigerung Blutdruck

  -> Erweiterung der Bronchien zur Verbesserung der Atmung

• Freisetzung von Hormonen (Adrenalin, Noradrenalin) verstärken Symptome des Symphatikus

2) Parasymphatikus “Ruhe-und Verdauungssystem”

• wird in Ruhe- und Entspannungsphasen aktiviert

  -> Senkung Herzfrequenz

  -> Senkung Blutdruck

  -> Verengung Bronchien und Pupillen

  -> Anregung Verdauungsfunktion

=> Systeme arbeiten zusammen, um inneren Organe im Gleichgewicht zu halten und den Körper an wechselnde Anforderungen anzupassen.

• Ein Aktionspotenzial oder ein elektrischer Impuls, der eine Veränderung des Membranpotenzials einer Zelle darstellt.

• Unterschied im elektrischen Potential zwischen dem Inneren und dem Äußeren einer Zelle, der durch die ungleiche Verteilung von Ionen (insbesondere von K⁺ und Na⁺) über die Zellmembran entsteht.

Zellinnern: eher negativ (-)

• K+ Ionen

• A- Ionen -> organische Anionen/Proteine

Extrazellulär: eher positiv (+)

• Na+ Ionen

• Cl- Ionen

=> Verursacht durch K-Leckstrom in Zellmembran

• K+ Ionen strömen durch K-Kanäle in extrazellulären Bereich und wollen chemisches Potenzial ausgleichen

Chemisches Potenzial: = Konzentrationsgradient

K+ neigt dazu aus der Zelle zu diffundieren (Leckströme), da es von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration will

1. Chemisches Potenzial (Konzentrationsgradient):

   • K+ neigt dazu aus der Zelle zu diffundieren (K-Leckströme) und vom Bereich hoher Konzentration (innen) zu niedriger Konzentration (außen) wandert

     
     

2. Elektrisches Potenzial (Membranpotenzial):

   • K+ Ausstrom: Zellinnere wird negativer, Außen positiver

   • Ladungsdifferenz erzeugt elektrisches Potenzial

   • K+ strömt wieder in Zelle hinein, wird von negativer Innenseite angezogen

     
     

3. Elektrochemisches Gleichgewicht:

   • Wird erreicht, wenn chemisches und elektrisches Potenzial im Gleichgewicht stehen und sich ausgleichen

   • Kein netto K-Fluss (genauso viele K⁺-Ionen nach außen wie nach innen)

     => Zustand sorgt für stabiles Ruhepotenzial

     
     

• Na+ Ionen können ebenfalls durch diffundieren

• Na+ Leckströme!

Rücktransport: Na+/K+ Pumpe

• unter ATP-Verbrauch!

• 3 Na+ von innen werden nach außen transportiert

• 2 K+ von außen werden nach innen transportiert

=> Zellinnere wird immer negativer

=> arbeitet gegen den Konzentrationsgradienten von Na+ und K+

=> Beide werden von niedriger Konzentration zu höherer Konzentration transportiert

1) Membranleitfähigkeit -> wie leicht Ionen durch Membran fließen

2) Membranpotenzial -> Je größer die Differenz zwischen innen und außen, desto größer ist der Antrieb für die Ionen, die Membran zu durchqueren

1. Ruhepotenzial

• etwa -70 mV

• Spannungsabhängige Na+ und K+ Kanäle sind geschlossen ohne Reiz

  
  

2. Überschreitung Schwellenwert

• Wenn Reiz den Axonhügel erreicht und stark genug ist, wird der Schwellenwert bei ca. -40mV überschritten

• Membranpotenzial des Axonhügels muss durch Reiz auf ca -40mV kommen für Auslösung eines AP

  
  

1. Depolarisation

   • Öffnung spannungsgesteuerter Na+ Kanäle -> Na+ strömt ins Zellinnere

   • Spannung verändert sich auf ca. +30mV

     
     

2. Repolarisation:

   • Schließung der Na+ Kanäle -> Stopp Einstrom

   • Zeitgleich Öffnen der spannungsabhängigen K+ Kanäle

   • K+ strömt aus dem Zellinneren aus

   • Spannung verändert sich und wird wieder negativer

     
     

3. Hyperpolarisation:

   • K+ Kanäle schließen sich verzögert

   • Überschuss an K+ Ausstrom aus der Zelle

   • Membranpotenzial wird negativer als Ruhepotenzial

     
     

4. Wiederherstellung des Ruhepotenzials

   • durch Na+/K+ Pumpe

1) Voltage-Clamp-Methode

• Technik -> bei der das Membranpotenzial einer Zelle konstant gehalten („geklammert“) wird.

• Ziel -> Messung des elektrischen Stroms (Ionenstrom), der benötigt wird, um das Membranpotenzial einer Zelle bei diesem konstanten Wert aufrechtzuerhalten.

• Verwendung -> 2 Elektroden: 1x in Zelle, 1x in Flüssigkeit außerhalb der Zelle

  
  

2) Patch-Clamp Methode

• Technik -> Weiterentwicklung von Voltage-Clamp-Methode

• Ziel -> Messung der Ionenströme einzelner Ionenkanäle in Zellmembran

• Verwendung -> 1x Glaspipette

=> es gibt chemische und elektrische Synapsen

Elektrische Synapsen:

=> Ermöglichen direkte Weiterleitung eines elektrischen Signals (z.B. AP) zwischen benachbarten Zellen durch Gap Junctions

Ablauf:

• Jede Zelle besitzt ein Connexon-Komplex, bestehend aus 6 Connexin-Proteinen, die einen Kanal bilden

• Wenn sich zwei Connexone von zwei Zellen vereinen, entsteht ein durchgehender Kanal => Gap Junction

=> ermöglichen eine sehr schnelle, direkte Kommunikation zwischen Zellen

Chemische Synapsen:

=> keine direkte Weiterleitung eines elektrischen Signals

Ablauf:

• Umwandlung eines elektrischen Signals (AP) in…

• chemisches Signal (Freisetzung von Neurotransmittern) in…

• erneutes elektrisches Signal (Veränderung Membranpotenzial in nachfolgender Zelle)

elektrische Synapsen:

• Riesenfasern (spez. Nervenzellen) bei Anneliden für Fluchtverhalten -> benötigen sehr schnelle Reaktion auf Reize

  
  

chemische Synapsen:

Neuromuskuläre Synapse: Verbindung m. Neuron - Skelettmuskeln

• Acetylcholin wird freigesetzt und bindet an Rezeptor von Muskelzellmembran -> Depolarisation führt dann zur Muskelkontraktion

1) “primäre” niedermolekulare Neurotransmitter

=> Kleine Moleküle, meist Aminosäurederivate, in kleinen Vesikeln gespeichert

• Serotonin, Acetylcholin, Adrenalin, Dopamin, GABA, Glutamat

  
  

-> Aminosäurederivate entstehen, wenn die Grundstruktur einer Aminosäure durch chemische Modifikationen verändert wird.

2) Neuropeptide = Peptid-Neurotransmitter

=> kurze Ketten von Aminosäuren (2-50) in größeren Vesikeln

• Endorphine, Enkephaline, Substanz P

1) Ionotrope Rezeptoren:

• ligandenabhängige Ionenkanäle

  => Öffnen nach Bindung eines Liganden (Neurotransmitter)

  => z.B. Glutamatrezeptoren (wie NMDA-Rezeptoren)

  
  

2) Metabotrope Rezeptoren:

• keine eigenen Kanäle, sondern G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

  => Bindung von Neurotransmitter an diesen Rezeptor

  => G-Protein von Innenseite der Membran löst Signalkaskade aus und bedingt Öffnung oder Schließung von Ionenkanälen

  => z.B. Serotoninrezeptoren (wie 5-HT2-Rezeptoren)

1) Aktionspotenzial erreicht präsynaptisches Endknöpfchen

2) Depolarisation der präsynaptischen Membran (durch Ankunft von AP) führt zur Öffnung spannungsgesteuerter Ca2+ Kanäle —> Ca2+ strömt in Zelle ein

3) Erhöhter Ca2+ Einstrom dient als “Signal” für Verschmelzung von Neurotransmittervesikeln mit präsynaptischer Membran durch SNARE-Proteine

4) Freigabe der Neurotransmitter im synaptischen Spalt (=Exocytose)

5) Neurotransmitter binden an spez. Rezeptoren an postsynaptischer Membran der anderen Zelle (ionotrope oder metabotrope Rezeptoren)

6) Je nach Art des Neurotransmitters und des Rezeptors führt es zu einem Einstrom von positiven Ionen (z.B. Na+) oder Ausstrom von positiven Ionen (K+) oder Einstrom negativer Anionen (Cl-)

• führt entweder zur Depolarisation (EPSP)

  -> exzitatorisches postsynaptisches Potenzial

• oder zur Hyperpolarisation (IPSP)

  -> inhibitorisches postsynaptisches Potenzial

7) Beendigung des Signals: Neurotransmitter werden aus synaptischem Spalt entfernt durch Enzyme oder Diffusion

EPSP => exzitatorisches postsynaptisches Potenzial

• wird durch erregenden Neurotransmitter wie Glutamat ausgelöst

• Glutamat bindet an Glutamatrezeptor (NMDA, Kainat, AMPA) -> sind permeabel für NA+, CA2+

  -> Na+/ CA2+ strömt in Zelle ein

• Depolarisation -> wenn stark genug über Schwellenwert, wird AP ausgelöst in Postsynapse

IPSP => inhibitorisches postsynaptisches Potenzial

• wird durch hemmenden Neurotransmitter wie GABA ausgelöst

• GABA bindet an GABA-Rezeptoren -> ist permeabel für Cl-

  -> Cl- strömt in Zelle ein, K+ aus Zelle raus

• Hyperpolarisation in Postsynapse -> verringert, dass Aktionspotenzial entsteht

=> Neues Aktionspotenzial in Postsynapse hängt von der Summe der EPSP und IPSP ab

Skelettmuskelzellen:

-> Acetylcholin bindet an ionotrope (nikotinische) Rezeptoren

-> wirkt exzitatorisch (EPSP) und führt zur Muskelkontraktion

Herzmuskelzellen:

-> Acetylcholin bindet an metabotrope (muskarinische) Rezeptoren

-> wirkt inhibitorisch (IPSP) und senkt die Herzfrequenz

=> NMDA-Glutamatrezeptoren (ionotrop) besitzen die Fähigkeit, von ligandenabhängigen- und spannungsabhängigen Rezeptoren

• Glutamat als Ligand -> mit Glutamat wird EPSP erzeugt

• postsynaptische Membran muss depolarisiert sein, um Mg-Block vom Rezeptor zu entfernen

=> erst wenn beide Bedingungen erfüllt sind, kann NMDA Ionen (z.b. Na, Ca) durchlassen und seine Funktion erfüllen

=> Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke zu ändern, was entscheidend für Lern- und Gedächtnisprozesse ist.

Langzeitpotenzierung (LTP):

• dauerhafte Erhöhung der synaptischen Stärke

  -> Neuronen werden stark und wiederholt aktiviert

  -> Aktivierung fördert das Einfügen von mehr Glutamatrezeptoren

=> Form von homo- und heterosynaptischem LTP

Langzeitdepression (LTD):

• dauerhafte Verringerung der synaptischen Stärke

  -> synaptische Übertragung wird abgeschwächt

  -> Führt zur Verringerung der Glutamat-Rezeptoren