Neuronen und Synapsen - stud.neuro- ...stud.neuro- · PDF file2 1. Stunde: Wiederholung der...

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Neuronen und Synapsen 1. Stunde: bersicht ber Eigenschaften des Neurons und des Axons. Elektrische Synapsen. 2. Stunde: Die chemische Synapse. Die neuromuskulre Endplatte als Beispiel. 3. Stunde: Die Mechanismen der Exozytose. 4. Stunde: Die Mechanismen der Endozytose. 5. Stunde: Postsynaptische Rezeptoren. 6. Stunde: Synaptische Integration: Summierung, Inhibition. 7. Stunde: Synaptische Plastizitt. 8. Stunde: Gliazellen. Lehrbcher: Klinke/Pape/Kurtz/Sibernagl, Physiologie: Kapitel 3: Membranpotential und Signalbertragung in Zellverbnden Schmidt/Lang/Heckmann: Physiologie des Menschen: Kapitel 5: Synaptische bertragung Notiz: Das => ist als fhrt zu zu verstehen im Text.

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1. Stunde: Wiederholung der Eigenschaften von Neuron und Axon. Elektrische Synapsen. Folgendes wird diskutiert, aber nicht im Detail erklrt (es ist bereits in frheren Vorlesungen erklrt worden): Membranen, ihre Eigenschaften und Permeabilitt fr verschiedene Elemente Membran = Lipiddoppelschicht, schwer permeabel, mit integrierten Proteinen

Lipide besitzen unpolare Schwnze (auch hydrophob oder lipophil genannt) und polare Kpfe (hydrophil oder lipophob genannt). Die Lipide arrangieren sich spontan in Mizellen oder Lipiddppelschichten.

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Ionen knnen Membranen nur schwer passieren, weil sie hydriert sind. Die Hydratation = Anlagerung von Wassermoleklen an Ionen oder polare Molekle. Damit Ionen Membranen passieren knnen, sind in Membranen Ionenkanle integriert, die generell aus Poren-frmigen Proteinkomplexen bestehen, welche bestimmte primre, sekundre, tertire und quaternre Strukturen aufweisen:

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Spannungsabhngige Na+-Kanle und K+-Kanle: K+-Kanle sind einfach: Sie ffnen sich wenn die Membran depolarisiert und schlieen sich wenn die Membran repolarisiert. Eine kleine Anzahl an K+-Kanlen sind in Ruhe immer aktiviert und daher ist das K+-Gleichgewichtpotenzial dem Ruhemembranpotenzial hnlich. Na+ - Kanle sind komplizierter: Bei Depolarisation ab etwa -55 mV geschehen zwei Prozesse: die Kanle ffnen sich (Poren offen) wenig spter (ca. 1 ms spter) inaktivieren sich die Kanle: die Poren bleiben offen, aber

ein Teil auf der Membraninnenseite blockiert den Kanal. In diesem Zustand knnen keine Ionen den Kanal passieren. Er ist noch offen, aber inaktiviert.

Spter, nach der Repolarisation, schlieen sich die Kanle und der inaktivierende Teil dissoziiert ab. Die Kanle sind geschlossen und nicht-inaktiviert, was bedeutet, dass sie bei einer neue Depolarisation bereit sind sich zu ffnen (was bedeutet, dass die Na+ Kanle aktivierbar sind).

Das Aktionspotenzial (AP) Es ist eine dendritische, elektrotonisch bis zum Soma fortgeleitete Erregung, die stark genug ist, die Na+ - Kanle zu aktivieren: der durch die Na+ - Kanle strmende Strom verstrkt die Depolarisation am Soma, was zur weiteren ffnung von Na+ - Kanlen und zu weiterem Na+ -Einstrom fhrt, was die Depolarisation weiter verstrkt daraus resultiert ein Mitkopplungsmechanismus (positive feedback) => Aufstrich des

Aktionspotenzials Nach kurzer Zeit (ca. 1 ms) werden die Na+ - Kanle inaktiv, was die Depolarisation stagnieren lsst, und K+ Kanle werden aktiviert, was zur Repolarisation fhrt. AP Phasen:

elektrotonische Depolarisation, Aufstrich, berschuss, Repolarisation.

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Das Aktionspotenzial

Die Na+ und K+ Leitwerte whrend des Aktionspotenzials

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Refraktrphasen fr Aktionspotenziale: Absolute Refraktrphase: de Na+-Kanle sind inaktiviert und deswegen kann kein neues Aktionspotenzial generiert werden. Relative Refraktrphase: die Na+-Kanle sind aktivierbar. Eine neue Stimulation kann ein Aktionspotenzial generieren, aber es wird eine kleinere Amplitude haben, weil viele K+-Kanle noch offen sind. Das neue Aktionspotenzial wird trotz K+-Ausstrom gebildet, solange eine starke Stimulation gegeben ist, da auch diese dem K+-Ausstrom entgegenwirken muss.

Organisation des Neurons: Zellkrper, Dendriten, Axonhgel, Axon

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Myelin und seine Funktion Fortleitung von APs in myelinisierten Nervenfasern ist schneller. Der Einstrom an einer Stelle des Axons und die kapazitive Aufladung des Nachbarsegments finden gleichzeitig statt. Die endliche Fortleitungsgeschwindigkeit resultiert einzig aus der Zeit, die zur Umladung des jeweils folgenden Segments bis zur Schwelle bentigt wird. Das bedeutet, dass es eine Verschiebung (Sprung) in das jeweils nchste zu depolarisierende Segment in einiger Entfernung gibt und es somit zu einer schnelleren Fortleitung kommt.

Die Synapse Das Aktionspotenzial leitet Informationen in Form elektrischer Signale in einer Zelle. Um Informationen zwischen Zellen weiterzuleiten, ist eine spezialisierte Kontaktstruktur zwischen den beiden Zellen notwendig: die Synapse. Es gibt im Wesentlichen zwei Formen von Synapsen:

chemische Synapsen, an denen das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt wird, um anschlieend wieder in ein elektrisches bersetzt zu werden.

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elektrische Synapsen, an denen das elektrische Signal ber direkte Membrankontakte zwischen zwei Neuronen bertragen wird.

Organisation elektrischer Synapsen: werden von sogenannten Gap-junctions geformt 6 Connexine in jeder der beiden verbundenen Membranen formen je 1 Connexon,

auch Halbkanal (Hemichannel) genannt 2 Connexone gegenberliegender Membranen bilden eine Gap-junction

Realbild einer elektrischen Synapse mit geffneten (A, links) oder geschlossen (B, rechts) Gapjunctions. Gemessen mit Atomkraftmikroskopie.

Die elektrischen Synapsen haben eine hohe Permeabilitt. Kleine Molekle (von Ionen bis zu Aminosuren) knnen von einer Zelle in die andere bertreten. Zum Beispiel: Na+, K+, Ca2+, cAMP, IP3, Glucose. Viele solche Molekle agieren in der Nachbarzelle als Transmitter.

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Nachbarzellen haben in etwa ein hnliches Potenzial (isopotenzial). Die Porengre kann, z.B. durch Vernderungen im pH-Wert oder der elektrischen Spannung moduliert werden. Die Gap-junctions sind besonders in Herzmuskel- und in Gliazellen wichtig. In Neuronen findet man sie nicht so hufig wie chemische Synapsen, aber sie knnten fr die Synchronisation bestimmter Neuronengruppen essentiell sein und knnen oft in oszillierenden oder rhythmuserzeugenden Systemen gefunden werden. Die elektrischen Synapsen haben den chemischen Synapsen zwei Vorteile: Geschwindigkeit und Einfachheit. Aber auch viele Nachteile gegenber den chemischen Synapsen:

begrenzte Modulierbarkeit Umkehrung des Signals praktisch unmglich: Depolarisation kann nicht in

Hyperpolarisation umgesetzt werden elektrische Synapsen sind bi-direktional, was wiederum die Modulation von Signalen

erschwert Gap-junctions sind keine Tight-junctions! Tight-junctions sind Verbindungen zwischen Membranen benachbarter Zellen, deren Funktion es ist, das Passieren von Material durch das Gewebe zu verhindern. Sie schirmen das Gewebe gegen den Ein- oder Austritt von verschiedenen Elementen ab.

Tight-junctions.

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2. Stunde: Die chemische Synapse. Am Beispiel der neuromuskulren Endplatte Die chemische Synapse wird von zwei Zellen (Neuronen) geformt: eine prsynaptische und eine postsynaptische Zelle. Die prsynaptische Zelle setzt Botenstoff frei. Diese Botenstoffmolekle aktivieren Rezeptoren an der postsynaptische Zelle.

Organisation: das Axon des prsynaptischen Neurons innerviert ein oder mehrere Dendriten des postsynaptischen Neurons. Zwischen dem Axon und einem Dendriten liegt der synaptische Spalt (auf Englisch, synaptic cleft), wo der Botenstoff freigesetzt wird. Die Botenstoffmolekle aktivieren oder hemmen die Dendriten (depolarisieren oder hyperpolarisieren die Dendriten). Es gibt KEINE Spannungsabhngigen Na+-Kanle in Dendriten und deswegen knnen dort keine Aktionspotenziale gebildet werden. Die Depolarisation wird hier elektrotonisch weitergeleitet und erreicht so den Zellkrper. Wenn die Depolarisation stark genug ist, knnen am Neuropilus Aktionspotenziale generiert werden. Ein Spezialfall ist die Nerven-Muskel Synapse, die sogenannte

neuromuskulre Endplatte (Neuromuscular Junction, NMJ, auf Englisch). Muskeln werden von Motoneuronen efferent innerviert. Ein Motoneuron innerviert mehrere Muskelfasern. Ein Motoneuron und alle Muskelfasern die es innerviert formen eine motorische Einheit. Die Muskelzelle, die in dieses Fall als Postsynapse agiert, besitzt spannungsabhngige Na+-Kanle und generiert Aktionspotenziale. berblick ber die Struktur verschiedener Elemente pr- und postsynaptischer Zellen: Prsynapse: Es gibt folgendes:

synaptische Vesikel, gefllt mit Botenstoff Mitochondrien, zur Energie-Gewinnung eine sogenannte prsynaptische aktive Zone an der die Vesikel fusionieren In der aktiven Zone gibt es spannungsabhngige Ca2+-Kanle, die whrend der

Depolarisation Ca2+ in die Prsynapse einstrmen lassen Zytoskelett (Mikrotubuli, Actin), welches die Vesikelbewegung und deren Transport

erlaubt.

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Postsynapse: eine postsynaptische aktive Zone, in der es Botenstoffrezeptoren gibt Mitochondrien, zur Energie-Gewinnung Zytoskelett (Mikrotubuli, Aktin) Ribosomen und raues endoplasmatisches Retikulum, was die lokale Synthese von

Rezeptoren erlaubt. Deswegen ist die Proteinsynthese ein wichtiger Unterschied zwischen der Pr- und der Postsynapse und findet meistens auf der postsynaptischen Seite statt.

Die neuromuskulre Endplatte, aber Dendriten nicht, besitzt Na+-Kanlen (wie oben schon erwhnt).

Elektronmikroskopisches Bild einer neuromuskulren Endplatte (Frosch). Auf der folgenden Seite ist diese sc