Zelluläre Kommunikation
Elektrische Signale- Kommunikation über größere Entfernungen- Schnell: rasches Anstieg,
schnelle Abnahme und Erreichen des Ausgangszustandes- Berechnungen, Informationsverarbeitung, usw.
Zellen sind von einander elektrisch isoliert (außer bei Synzytien) -> Übertragung von elektrischen Signalen zwischen den Zellen
Experimentelle Aufbau
A
B
Strominjektion in A Strominjektion in B
keine Verbindung
elektrischeSynapse
chemischeSynapse
Elektrische Synapsen Signalübertragung an elektrischen Synapsen:direkter Stromfluß zwischen den Zellen
Synaptische Übertragung an der elektrischen Riesensynapse im ZNS des Süßwasserkrebses
Eigenschaften und Funktionelektrischer Synapsen
- Gap Junctions (3-4 nM)- direkter elektrischer Kontakt- keine Verzögerung- gewöhnlich in beiden Richtungen- Abnahme des Signals
Synchronisierung der Zellaktivität
- cytoplasmatische Kontinuität Austausch von kleinen Molekülen
- Steuerung: Potential; Ca++, pH
Chemische Synapsen
Präsynapse: Vesikel, aktive Zonen, Mitochondrien, Ca++ Kanäle
Synaptischer Spalt: ca. 20-40 nM
Postsynapse: postsynaptische Dichte,Rezeptoren, Ionenkanäle
Präsynapse
Postsynapse
Exozytose von synaptischen Vesikeln an einem Synaptischen Spalt
Signalübertragung an chemischen Synapsen
Nerven-endigung
postsynaptischeZelle
1. präsynaptisches Aktionspotential,Depolarisation
Ca2+ Ca2+
2. Öffnung von Ca++ Kanäle, Ca++ Einstrom
3. Vesikelfusion,Transmitter-ausschuttung,Diffusion
Na+ Na+post-synaptischesPotential
4a. Transmitterbindungan Rezeptoren, Öffnung von Kanälen,Ionenstrom,Potentialänderung
4b.
Vesikel werden recycelt
Direkte und indirekte Wirkung von Neurotransmitter
ACh nACh-RezeptorGlutamat AMPA-Typ GluRGABA GABA-A-Rezeptor
ACh mACh-RezeptorGlutamat mGluRGABA GABA-B-Rezeptor
Übertragung an der neuromuskulären SynapseVorteile (Versuchstechnische):- 1 Axon per Muskelfase- große Strukturen- starke elektrische Signale
motorischesAxon
Muskelfaser
Potential oder Strom
2
Gesamtstrom der sechs Kanäle0 pA
64
35
1
2 ms3 pA
Idealisierter Zeitverlauf des Schaltverhaltens von sechs Ionenkanälen
AChgeschlossen
offenKanal 1
2
4
5
3
6
Gesamtstrombesteht aus derAktivierung (Öffnung) mehrerer Kanäle(>200 000)
Endplatten-potential ca. 60mV, AP in Muskelfase
Übertragung an der neuromuskulären Synapse
Endplatten-potential Gesamtstrom Einzelkanal-
strom
E + 55 mVNa
+30 mV
E 0 mVEPSP
-30 mV
-70 mV
-90 mV
E -100 mVK
RuheMP
Na+ undK+Ionenfließendurch die Kanäle
( beidedurch denselben Kanal )
Vergleich: elektrische und chemische Synapsen
direkter elektrischer und cytoplasmatischer Kontakt elektrisch und chemisch isoliert Austausch von kleinen Molekülen
Ultrastruktur: präsynaptische Strukturen, Ultrastruktur: Gap Junctions Vesikel, aktive Zone; Synaptischer Spalt;
postsynaptische Dichte, Rezeptoren, Kanäle
Übertragiung: elektrisch, Ionenstrom Transmitter, biochemische Kaskaden beteiligtkeine Inversion Excitatorisch oder Inhibitorisch
gewöhnlich in beiden Richtungen, eine Richtung, prä- to post-, graduelle Übertragung AP in der Präsynapse notwendigkeine Verzögerung Verzogerung (0.2 bis 2...3 ms)
Synchronisierung der ZellaktivitätAmplitude des postsynaptischen Antwort hängt
Abnahme des Signals von Anzahl der Kontakten, kann postsynaptisches(postsynaptisch - Bruchteil Aktionspotential evozieren (NMJ)des präsynaptischen Signals) Signalverstärkung möglich
Steuerung: Potential; Ca++, pH vielfach, Beeinflußung und Steuerung am mehrerenStellen möglich
Plastizität
Freisetzung des Transmitters:- aus Vesikel- Ca++ abhängig- Wahrscheinlichkeitsprozeß
Signalübertragung zwischen zentralen Neuronen
Zellkörper imSpinalganglion
motorische Axone
Motoneuronen des Streckers(links) und des Beugers (rechts)
inhibitorischesInterneuron
Schaltkreis des Patellarreflexes
1a-afferente Bahn
M. biceps(Beuger)
M. quadriceps(Strecker)
Patella(Knie-scheibe)
E F
Moto-neuron
Ia-Afferenz
+40 mV
0 mV
-55 mV-65 mV
Schwelle
EEPSP
+55 mV
+20 mV
0 mV
-20 mV
-65 mV
-70 mV
-80 mV
PostsynaptischesPotential
Postsynaptischer Strom
Aus
wär
tsst
rom
Ein
war
tsst
rom
Ruhe MP
EEPSP
EK
ECl
ENa
PräsynaptischesAktionspotential
Vm
Signalübertragung an zentralen erregenden SynapsenGlutamat
Moto-neuron
IPSP
InhibitorischesInterneuron
(E )IPSP
+50 mV
-40 mV
-65 mV
-70 mV
-80 mV
-100 mV
PostsynaptischesPotential
Ruhe MP
EEPSP
EK
ECl
ENa
PräsynaptischesAktionspotential
Vm
Signalübertragung an zentralen hemmenden Synapsen
Glycin(öfter: GABA)
Moto-neuron
Ia-Afferenz
IPSP
EPSP
InhibitorischesInterneuron
+40 mV
0 mV
-55 mV-65 mV
Schwelle
EEPSP
-70 mV EIPSP
IPSPEPSP EPSP+ IPSP
Interaktion zwischen erregenden und hemmenden Synapsen
c1
a b
präsynaptisch postsynaptisch
Ca -Einstrom in daspräsynaptische Neuron
2+
AP EPSP
inhibiert
Kontrolle
+
Präsynaptische HemmungPostsynaptische Hemmung
Axo-somatischeSynapse
Axo-axonischeSynapse
Axo-dendritischeSynapsen:
Schaft-synapse
Dornen-synapse Dendrit
Axon
Soma
Dendrit
Axon
Hemmende AxodendritischeSynapsen
Hemmende AxosomatischeSynapsen
-65mV
V1
V2
-65mV
Axon Initialsegment
Synaptische Integration: Lage der Synapse
Synaptische Integration: Zeitliche und räumliche Summation
B
A
AxonA
Axon
Zeitliche Summation Räumliche Summation
post-synap-tischerStrom 2 10 A-10
A A A B
postsynapti-sches Potential
große Zeit-konstante(100ms) Vm
kleine Zeit-konstante(20 ms) Vm
goße Langs-konstante(1 mm)
kleine Längs-konstante(0,33 mm) Vm 2 mV
25 ms
2 mVVm
Faktoren der synaptischen Integration:
Zeitliche SummationRäumliche Summation
Zeitliche und räumlicheZusammensetzung von Erregung und Hemmung
Morphologie der ZelleAktive dendritische Prozesse
Erregbarkeit der ZelleRuhe Membranpotential
Indirekte Wirkung von Neurotransmitter: Steuerung von K+ Kanäle
Indirekte Wirkung von Neurotransmitter: Präsynaptische (Auto-) Rezeptoren
Vergleich: Übertragung an der neuromuskulären Synapseund an zentralen Synapsen
Elektrogenese in Neuronen( Ruhemembranpotential, Aktionspotential, postsynaptische Potentiale, Rezeptorpotentiale ) :Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Literatur und Bilderquellen:
ER Kandel, JH Schwartz, TM Jessel Neurowissenschaften: eine Einführung, Spektrum 1995
JG Nicholls, AR Martin, BG Wallace, P. Fuchs From Neuron To Brain, Sinauer Assoc. 2001
RF Schmidt, B Lang, G Thews Physiologie des Menschen, Springer 2004
R Klinke, S Silbernagl Lehrbuch der Physiologie, Thieme 2000
Ca++ Abhängigkeit der Transmitterausschuttung:Ca++ Kanäle liegen nah an dem Release-Sensor
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