Kapitel 6.1               Neurotransmitter SystemeEinführungDas menschliche Gehirn ist ein System chemischer Reaktionen, b...
Immuncytochemie: wird verwendet um bestimmte Moleküle bestimmten Zellen zuzuordnen. DasPrinzip hinter diesem Verfahren ist...
Untersuchung der synaptischen Effekte (Studying Synaptic Mimicry)Wenn ein Molekül lokalisiert in, synthetisiert bei und fr...
Die Biochemie der Neurotransmitter (Neurotransmitter Chemistry)Die Forschung hat gezeigt, dass der Großteil der Neurotrans...
[Abb. 6.12, Abb. 6.13]Serotonerge Neuronen (Serotonergenic Neurons)Serotonin wird von der Aminosäure Tryptophan abgeleitet...
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Kapitel 6

  1. 1. Kapitel 6.1 Neurotransmitter SystemeEinführungDas menschliche Gehirn ist ein System chemischer Reaktionen, besonders wichtig sind synaptischeÜbertragungen und im Zusammenhang damit Neurotransmitter (die 3 größten Gruppen: Amine,Aminosäuren, Peptide).Loewi (1920) identifizierte den ersten Neurotransmitter, Acetylcholin (ACh). Henry Dale führte dieBegriffe „cholinergeic“ und „noradrenergic (NE)“ (Neuronen die den Transmitter Norepinephrinverwenden) ein.Heute gibt es weiters: „glutamatergic synapses“ die Glutamate verwenden, „Gabaergic synapses“ dieGABA verwenden, „peptidergic synapses“ die Peptide verwenden, etc…„cholinergic system“: Neurotransmittersysteme die ACh verwendenUntersuchung der Neurotransmittersysteme (Studying Neurotransmitter Systems)Um ein Neurotransmittersystem zu untersuchen, muss man zuerst den Neurotransmitteridentifizieren. Es ist sehr schwierig, diese Neurotransmitter herauszuarbeiten, da im Gehirn sehr vielechemische Reaktionen vor sich gehen.Neurowissenschaftler haben diese Kriterien ausgearbeitet, um Neurotransmitter zu identifizieren: - Das Molekül muss im „presynaptic“ Neuron synthetisiert und gespeichert werden. - Das Molekül muss freigelassen werden, wenn das „presynaptic axon terminal“ stimuliert wird. - Das Molekül muss, wenn es experimentell angewendet wird, eine Antwort in der „postsynaptic“ Zelle produzieren, die eine Nachahmung der Antwort ist bei der Freisetzung des Neurotransmitter in dem „presynaptic“ Neuron. Lokalisierung von Transmittern und Transmittersynthetisierenden Enzymen (Localization of Transmitters and Transmitter-Synthesizing Enzymes)Wenn Wissenschaftler denken, einen Neurotransmitter gefunden zu haben, ist der erste Schritt zubeweisen, dass das Molekül lokalisiert in und synthetisiert von bestimmten Neuronen wird.Die 2 wichtigsten Verfahren dazu sind: Immuncytochemie und In-situ Hybridisierung
  2. 2. Immuncytochemie: wird verwendet um bestimmte Moleküle bestimmten Zellen zuzuordnen. DasPrinzip hinter diesem Verfahren ist recht einfach. Wenn der Neurotransmitterkandidat chemischgereinigt wurde, wird er einem Tier ins Blut injiziert, wo er eine Antwort des Immunwesenshervorruft. Ein Aspekt davon ist, dass diese Immunantworten große Proteine, genannt Antikörper,generieren, an die sich die Neurotransmitterkandidaten gut binden können. Diese Antikörper könnenchemisch markiert werden, werden sie dann im Hirngewebe eingesetzt binden sie sich nur an dieZellen, die den Transmitterkandidaten enthalten. Durch Immuncytochemie kann jedes Molekül, fürdas ein spezieller Antikörper generiert werden kann, identifiziert werden.[Abb. 6.2, 6.3]In-situ Hybridisierung: wird ebenfalls eingesetzt, um festzustellen, ob eine Zelle bestimmte Proteineoder Peptide synthetisiert. Für jedes Polypeptid, das von einem Neuron synthetisiert wird, gibt es einspezifisches mRNA-Molekül. Die mRNA-Abschrift besteht aus 4 unterschiedlichen Nukleinsäuren, dieunterschiedlich aneinander gebunden, einen Strang ergeben. Eine Nukleinsäure bindet sich immerkomplementär zu einer anderen, ist der Strang der m-RNA also bekannt, kann im Labor derkomplementäre Strang hergestellt werden. Dieser Strang wird „probe“ genannt (im deutschen?), derVorgang wenn der Originalstrang und der künstlich hergestellte sich aneinander binden wirdHybridisierung genannt. Der komplementäre Strang wird markiert und anschließend in Gehirngewebeeingesetzt. Nach einer Zeit sucht man die durch den komplementären Strang markierten Neuronen.Normalerweise werden die „probes“ markiert, indem man sie radioaktiv macht. Den Vorgang um dieradioaktive Markierung sichtbar zu machen nennt man Autoradiographie.[Abb. 6.4]ZusammenfassungImmuncytochemie ist eine Methode um spezielle Moleküle zu lokalisieren, auch Proteine, inbestimmten Hirnregionen. In-situ Hybridisierung lokalisiert spezielle mRNA-Transkripte für Proteine.Zusammen ermöglichen uns diese Methoden festzustellen, ob ein Neuron einenTransmitterkandidaten enthält und synthetisiert. Untersuchung der Transmitterfreisetzung (Studying Transmitter Release)Nun muss gezeigt werden, dass ein Transmitter freigesetzt wird, wenn das Neuron stimuliert wird.Manchmal kann man ein bestimmtes Set aktivieren, um die biologische Aktivität zu testen und zusehen, ob es zu bestimmten Effekten kommt, diese können dann chemisch analysiert werden, um dieStruktur der aktivierten Moleküle zu enthüllen.Im Gegensatz zum peripheren Nervensystem (peripheral nervous system, PNS), das zentraleNervensystem (central nervous system, CNS) beinhaltet eine Mischung aus verschiedenen Synapsenund verschiedenen Neurotransmitter. Dies macht es oft unmöglich, nur einen ganz bestimmtenNeurotransmitter zu stimulieren. Forscher müssen also viele Synapsen in einer Hirnregion stimulierenund alle verschiedenen Chemikalien, die freigesetzt werden, sammeln und messen. Eine Möglichkeitist die „in vitro“ Methode. „brain slices“ werden „in vitro“ aufbewahrt und in einer Lösung gebadet,die eine hohe K+-Konzentration aufweist. Diese Methode bewirkt auch eine Depolarisation innerhalbder Membran. Da eine Transmitterfreisetzung nur stattfindet, wenn Ca2+ im Axonterminalfreigesetzt wird, muss ebenfalls bewiesen werden, dass der Neurotransmitter nur freigesetzt wird,wenn in der Lösung auch Ca2+ enthalten ist.
  3. 3. Untersuchung der synaptischen Effekte (Studying Synaptic Mimicry)Wenn ein Molekül lokalisiert in, synthetisiert bei und freigesetzt von einem Neuron wird, ist dies nochimmer nicht ausreichend um es als Neurotransmitter zu klassifizieren.3. Kriterium: Das Molekül muss die gleiche Reaktion hervorrufen, wie bei der Freisetzung derNeurotransmitter (von presynaptischen Neuron).Methode: „microionophoresis“ (Neurotransmitterkandidat wird in einer Lösung gelöst mitelektrischer Ladung; mit einer sehr feinen Glaspipette werden kleine Mengen des Kandidaten nahebei der postsynaptischen Membran injiziert, wobei die Kandidaten durch einen elektrischen Strommüssen; um die Reaktion in der postsynaptischen Membran zu messen wird eine Mikroelektrodeeingesetzt;) Untersuchungen von Rezeptoren (Studying Receptores)Jeder Neurotransmitter bindet sich an spezielle Rezeptoren (Regel: keine 2 Neurotransmitter könnensich an einen Rezeptor binden, aber ein Neurotransmitter an viele verschiedene Rezeptoren). Dieverschiedenen Rezeptoren, an die sich ein Neurotransmitter bindet, werden „receptor subtypes“genannt.3 Methoden haben sich als erfolgreich erwiesen: Neuropharmakologische Analyse,Ligandenbindungsverfahren, Molekulare AnalyseNeuropharmakologische Analyse: das meiste, das wir über Rezeptoruntertypen wissen, wissen wiraufgrund dieser Methode (zB das Halte- und Stützapparat und Herzmuskeln unterschiedlich aufcholinerge Mittel reagieren); Rezeptoren haben Antagonisten (sind meist nacheinander benannt);Eine Möglichkeit Rezeptoruntertypen zu unterscheiden ist, verschiedene Antagonisten zu verwenden.Ligandenbindungsverfahren: normalerweise beginnt man damit, den Neurotransmitter zuidentifizieren, dank dieser Methode kann man jedoch die Rezeptoren identifizieren, ohne denNeurotransmitter zu kennen;Solomon Snyder (Johns Hopkins University) untersuchte verschiedene Bindungen mit Opiaten. SeiteForschungsfrage war, wie Heroin, Morphin und andere Opiate auf das Hirn wirken. Die Idee war, dassOpiate möglicherweise Agonisten für spezielle Rezeptoren im Gehirn sein könnten. Um die Idee zutesten wurden Opiate radioaktiv markiert, die sich nun an die Rezeptoren im Gehirn binden undwiedergefunden werden konnten.Jegliche chemische Verbindung, die sich nur an eine spezielle Seite des Rezeptors bindet, wird lingandgenannt. Der Lingand kann ein Agonist, ein Antagonist oder der Neurotransmitter selbst sein.Molekulare Analyse: diese Methode half dabei, die Neurotransmitter-Rezeptor-Proteine in 2verschiedene Klassen einzuteilen: „transmitter-gated ion channels“ und „G-protein coupledreceptors“Besonders wichtig ist, dass man sich bewusst ist, dass die große Bandbreite an möglichenKombinationen nicht von Neuronen hergestellt werden und auch falls sie es würden, nicht ordentlichfunktionieren würden.
  4. 4. Die Biochemie der Neurotransmitter (Neurotransmitter Chemistry)Die Forschung hat gezeigt, dass der Großteil der Neurotransmitter Aminosäuren, Amine und Peptidesind. Evolution hat sich als konservativ und opportunistisch erwiesen und sie verwendetalte/bekannte neue Dinge oft auf eine neue Art und Weise (zB Neurotransmitter: bestehen großteilsaus den Basischemikalien des Lebens, denselben Substanzen, die alle Lebewesen für ihrenStoffwechsel verwenden);Die Idee, dass ein Neuron nur einen Neurotransmitter hat, wird oft „Dale´s Prinzip“ genannt (vieleNeurone, die Peptide enthalten missachten dieses Prinzip, diese Neurone setzen oft eineAminosäure bzw. ein Amin und ein Peptid frei). Wenn ein Nervenende 2 oder mehr Transmitterfreisetzt, werden diese Co-Transmitter genannt.Cholinerge Neuronen (Cholinergic Neurons)Acetylcholin (ACh): Rückenmark, Hirnstamm; ACh-Synthese benötigt ein spezielles Enzym: „cholinacetyltransferase (ChAT)“[siehe Box 6.1: Pumpen für Ione und Transmitter; Abb. 6.10, Abb. 6.11]Catecholaminerge Neuronen (Catecholaminergic Neurons)Die Aminosäure Tyrosin ist die Vorläuferverbindung für 3 verschiedene Amine/ Neurotransmitter, diealle aus einer chemischen Struktur bestehen, die „catechol“ genannt wird, diese Neurotransmitterwerden allgemein Catecholamine genannt (zB Dopamin, Norepinephrin, Epinephrin, Adrenalin).Catecholaminerge Neurone spielen eine Rolle bei der Motorik, Stimmung, Aufmerksamkeit undverschiedenen Funktionen der Eingeweide.Alle Catecholaminergen Neurone enthalten „tyrosine hydroxilase (TH)“. TH katalysiert den erstenSchritt in der catecholaminergen Synthese, die Umwandlung von Tyrosin in eine Verbindung, die„dopa“ genannt wird. Die Aktivität der TH wird vom Cytosol bestimmt. Die Regulation wird „end-product inhibition“ genannt. Dopa wird durch das Enzym „dopa decarboxylase“ zumNeurotransmitter Dopamin gewandelt (denke an die Krankheit Parkinson).Neuronen, die Norepinephrin als Neurotransmitter enthalten, benötigen das Enzym „dopamine beta-hydroxylase (DBH)“, welches Dopamin zu Norepinephrin umwandelt. Dies wurde oft in den „synapticvesicles“, nicht aber im Cytosol gefunden.Epinephrin (Adrenalin) benötigt das Enzym „phentolamine N-methyltransferase (PNMT), welchesNorepinephrin zu Epinephrin umwandelt. Überraschenderweise kommt PNMT im Cytosol vonadrenergenen Axonenden vor. Norepinephrin wird zuerst in den „vesiclen“ synthetisiert undanschließend im Cytosol freigesetzt, um in Epinephrin umgwandelt zu werden. Danach wird dasEpinephrin zurück in die Vesikel transportiert, um dort freigesetzt zu werden. Epinephrin wirdebenfalls in den Nebennieren freigesetzt.Die chatecholaminergen Systeme haben kein Enzym analog zur AChE. Stattdessen werden dieAktivitäten im synaptischen Spalt begrenzt durch die Rückführung der Neurotransmitter zumAxonende.
  5. 5. [Abb. 6.12, Abb. 6.13]Serotonerge Neuronen (Serotonergenic Neurons)Serotonin wird von der Aminosäure Tryptophan abgeleitet. Serotonerge Neuronen sind relativ selten,spielen aber eine große Rolle im Gehirn bezüglich Stimmung, Schlaf und emotionalen Verhaltens.[siehe Abb.6.14, Synthese des Serotonins von Tryptophan]Aminoaciderge Neuronen (Amino Acidergic Neurons)Die Aminosäuren Glutamat, Glycin, GABA dienen als Neurotransmitter in den meisten Synapsen desZentralnervensystems (Abb. 6.15).Glutamat und GABA werden synthetisiert von Glucose und Vorläuferverbindungen, durch Aktionenvon Enzymen, die in allen Zellen vorhanden sind. Unterschiede in der Synthese sind eher quantitativals qualitativ (zB ist die Glutamatkonzentration in dem Cytosol vom glutamatergenen Axonendeungefähr 20mM (2-3 Mal) höher als in nicht-glutamatergenen Zellen;).Da GABA nicht eine der 20 Aminosäuren, die benötigt werden um Proteine herzustellen, ist, wird esnur in großen Mengen von Neuronen, die es als Neurotransmitter verwenden synthetisiert. DieVorläuferverbindung von GABA ist Glutamat und das Enzym um es zu synthetisieren ist „glutamaticacid decarboxylase (GAD)“. Immunocytochemie zeigte, das GABA –ergene Neuronen weit verbreitetim Gehirn sind, sie sind die Quelle der „synaptic inhibition“ im Nervensystem.[Abb. 6.16]Andere Neurotransmitter und interzelluläre Signalmoleküle (Other Neurotransmitter Candidates and Intercellular Messengers)Abgesehen von Aminosäuren und Amine gibt es noch eine Reihe weiterer kleinerer Moleküle, die alschemische Botenstoffe agieren, zB ATP, ein sehr wichtiges Molekül für den zellulären Stoffwechsel, isteinem Neurotransmitter sehr ähnlich. ATP gibt es in Vesikeln in vielen Synapsen des CNS und des PNS.Es wird ebenfalls in den Spalt freigesetzt, Ca2+ abhängig, wie die klassischen Neurotransmitter. Ofttritt ATP mit den klassischen Transmittern auf. ATP regt einige Neurone direkt an, indem es einenKationkanal erzeugt, manche Funktionen des ATP sind dem des Glutamates sehr ähnlich. ATP bindetsich an „purinergic receptores“, von denen einige „transmitter-gated ion channels“ sind.Sehr interessant sind kleine Lipidmoleküle, sogenannte Endocannabinoide, die von postsynaptischenNeuronen freigesetzt werden und eine Reaktion in der presynaptischen Zelle hervorrufen (siehe Box6.2 Das Gehirn ist von Endocannabinoiden abhängig). Endocannabinoide sind „retrogardemessengers“ (Richtung: post zu pre).3 ungewöhnliche Qualitäten von Endicannabinoiden: - Nicht verpackt in Vesikel, sondern „on demand“ - Klein und membrandurchlässig; sobald sie synthetisiert sind können sie durch die Membran ihrer Originalzelle diffundieren und so zu den Nachbarzellen gelangen
  6. 6. - Binden sich an CB1-Typ (G-protein coupled receptores; Haupteffekt: Reduzierung des Öffnens der presynaptischen Kalziumkanäle; dieser generelle Mechanismus wird im Gehirn weiterverbreitet genutzt, Forscher beginnen gerade langsam damit diese Funktionen zu verstehen, siehe Box 6.3 Die Entschlüsselung der Sprache der Neuronen) von cannabinoiden RezeptorenEin weiterer chemischer Botenstoff: das Gasmolekül Stickoxid (nitric oxid, NO):Synthetisiert von der Aminosäure Arginin, sehr wichtig für den Blutfluss; im Nervensystem einweiteres Bsp. für „ retrograde messengers“; kann leicht durch Zellen diffundieren, kann sogar in eineZelle eindringen, um die Zelle hinter dieser zu stimulieren;Außerdem: Kohlenmonoxid (Beweise noch sehr mager)Viele der Chemikalien, die für Neurotransmitter verwendet werden, sind in den anderen Körperteilenebenfalls in höher Konzentration vertreten, wo sie ganz andere Aufgaben haben können.
  7. 7. Kapitel 6 Teil 2 1/9Ligandengesteuerte Kanäle (Transmitter-Gated Channels)(Liganden (von lat. binden) eines Rezeptors sind alle chemischen Verbindungen die an diesenbinden.)ACh und die Aminosäureneurotransmitter bewirken eine schnelle synaptische Übertragung weilsie auf ligandengesteuerte Kanäle einwirken.Ein Kanal: • empfindlicher Detektor für chemische Verbindungen und Spannungen • starke Ionenströme mit großer Genauigkeit regulieren • er kann zwischen sehr ähnlicher Ionen unterscheiden und sie selektieren • kann von anderen Rezeptorsystemen reguliert werden. • Nur etwa 11 nm (nanometer) lang und selbst mit computerunterstützten Systemen kaum zu erkennen. • Verschiedene Transmitterbindungsstellen bewirken dass ein Kanal auf Glutamat und ein anderer auf GABA reagiert. • Aminosäurereste um die engen Ionenporen lassen nur Na+ und K+ hindurch oder Ca2+ oder Cl-
  8. 8. Kapitel 6 Teil 2 2/9[ Entschlüsselung der Sprache der Neuronen: (nur wichtige Infos) • früher wurde an den einfachen Nervensystemen von Intervebraten (Tiere ohne Wirbelsäule, z.B: Quallen) geforscht • es lassen sich vom Gehirn dünne Schnitte herstellen die viele Stunden in vitro gehalten werden können. → erlaubt das Arbeiten mit dem Gehirn von Säugetieren • depolarisationsinduzierte Unterdrückung der Hemmung (depolarizationinduced suppression of inhibition, DSI) • DSI wird durch eine postsynaptische Depolarisation induziert und die GABA Freisetzung hemmt. (retrograde Signalübertragung) • eine Erhöhung der postsynaptischen Calciumkonzentration reicht aus um DSI auszulösen • Endocannabinoide könnten daran (als Botenstoffe) beteiligt sein • Agonisten bilden DSI nach (indem sie GABA Freisetzung blockieren) • Antagonisten können DSI vollständig verhindern ]Grundstruktur der ligandengesteuerten Kanälenikotinische ACh-Rezeptor: • am besten untersuchte ligandengesteuerte Ionenkanal • befindet sich an motorischen Endplatten der Skelettmuskulatur • fünf Proteinuntereinheiten bilden eine Pore (Pentamerer komplex) ◦ vier verschiedene Arten von Polypeptiden (α, β, γ, δ) ◦ Ein Kanal besteht aus zwei α und jeweils einem β, γ und δ (kurz: α2βγδ) ◦ auf jeder α Untereinheit gibt es eine Bindungsstelle. ◦ Wenn an beide Bindungsstellen je ein ACh Molekül angebunden wird öffnet sich der Kanal • (Im Gegensatz dazu bestehen die meisten Rezeptoren nur aus vier (α2 β2) Untereinheiten) • jede Untereinheit hat eine andere PrimärstrukturEs gibt Gemeinsamkeiten zwischen anderen ligandengesteuerten Ionenkanälen und ACh-Rezeptoren: ◦ vier hydrophobe Abschnitte die wahrscheinlich die Membran durchspannen. ◦ Pentamere Komplexe, ähnlich zum nikotischen ACh-RezeptorAußnahmen: • glutamatabhängige Kanäle (Glutamat-Rezeptoren): ◦ Tetramer, vier Untereinheiten bilden einen funktionsfähigen Kanal. ◦ M2 Region durchspannt die Membran nicht sondern bildet eine Haarnadelschleife die von der Zellinnenseite her in die Membran ein und auch wieder austritt ◦ Die Struktur ähnelt der von Kaliumkanälen. (→ Hypothese dass die beiden Kanäle von einem gemeinsamen Ionenkanalvorläufer stammen.) • purinerge (ATP-)Rezeptoren: ◦ jede Untereinheit enthält nur zwei membrandurchspannende Abschnitte ◦ die Anzahl der Untereinheiten ist unbekannt.Aminosäureabhängige Kanäle (Amino Acid-Gated Channels ): • im ZNS die meisten der schnellen synaptischen Signalübertragungen. • Einfluss von der Struktur auf die Eigenschaften: ◦ Aufgrund der Pharmakologie ihrer Bindungsstellen lässt sich beschreiben, welche Transmitter sie beeinflussen und wie die Substanzen und Medikamente mit ihnen in
  9. 9. Kapitel 6 Teil 2 3/9 Wechselwirkung treten. ◦ Die Kinetik der Transmitterbindung und der Kanalsteuerung bestimmen die Dauer ihrer Wirkung. ◦ Die Selektivität der Ionenkanäle bestimmt, ob sie eine Erregung oder eine Hemmung auslösen und ob Ca2+ in ausreichenden Mengen in die Zelle gelangt. ◦ Die Leitfähigkeit des offenen Kanals bestimmt, als einer von mehreren Faktoren, die Größe der Effekte in der postsynaptischen Zelle.Glutamatabhängige Kanäle (Glutamate-Gated Channels): • Subtypen (benannt nach ihren Agonisten): ◦ AMPA, NMDA, Kainat. ◦ AMPA- und NMDA-abhäng. Kanäle...schnelle exzitatorische Synapsenübertragung ◦ Kainat-Rezeptoren kommen überall im Gehirn vor, aber Funktion noch nicht geklärt. ◦ AMPA- und NMDA-Rezeptoren oft gemeinsam an Synapsen im Gehirn. ◦ AMPA sind für Na+ als auch für K+ permeabel jedoch nicht für Ca2+. Nettoeffekt: Durch das Einströmen von Na+ kommt es zu einer schnellen und starken Depolarisation. (genauso wie bei nikotischen ACH-Rezeptoren) ◦ NMDA: ebenfalls Na+ durchlässig aber zwei große Unterschiede: ▪ sie sind auch für Ca2+ durchlässig → langfristige Veränderungen ▪ einwärts gerichteter Ionenstrahl ist spannungsabhängig. (neben Transmitterabhängigkeit) ◦ NMDA: Ca2+ und Na+ strömen in die Zelle und K+ störmt aus der Zelle aus. Aber Einwärtsstrom hängt von postsynap. Membranpotenzial ab. → bei normalem Ruhepotenzial blockiert Mg2+ die Ionen.(=Magnesiumblocker) Erst bei Depolarisation (wenn sich AMPA-Kanäle öffnen) verlässt Mg2+ die Pore. • Ca2+ : ◦ löst Freisetzung von Neurotransmittern aus ◦ (Postsynaptisch) Enzyme aktivieren ◦ Öffnen verschiedener Kanäle regulieren ◦ Genexpression beeinflussen ◦ im Übermaß: Tod einer Zelle auslösen
  10. 10. Kapitel 6 Teil 2 4/9[Übererregung: Gift für Nervenzellen (Of Special Interest: The Brain´s Exciting Poisons) • Neuronen des Gehirns regenerieren sich nicht. • Glutamat, der wichtigste Neurotransmitter im Gehirn ist auch einer der wirksamsten Zerstörer von Neuronen. • Glutamat in allen Zellen enthalten, nur in Zellen wo es nicht als Neurotransmitter genutzt wird in niedriger Konzentration. Aber selbst dort ist die Konzentration sehr hoch. • Isolierte Neuronen die von außen einer so hohen Glutamatkonzentration ausgesetzt sind sterben innerhalb weniger Minuten ab. • Das Gehirn benötigt eine ständige Sauerstoffzufuhr. Ist die Blutversorgung unterbrochen stellen die Neuronen innerhalb weniger Sekunden ihre Tätigkeit ein, zu dauerhaften Schäden kommt es innerhalb weniger Minuten. • Sauerstoffmangel, Hirnschlag, Herzstillstand,... → Neuronen können nicht genug ATP regenerieren → Depolarisation der Membran → Ca2+ gelangt in die Zelle → Ausschüttung von Glutamat → Depolarisation der Membran → … Außerdem kann auch der Glutamattransport umgekehrt werden → Austritt von Glutamat aus Zelle • Exzitotoxizität (exzitatorisch = anregend und toxisch = giftig.) Glutamat in hohen Konzentrationen tötet Neuronen ab in dem es sie zu sehr erregt. ◦ Glutamat aktiviert Rezeptoren → Einströmung von großen Mengen Na+, K+ und Ca2+ → (NMDA-Kanal spielt zentrale Rolle da er der Hauptweg der Ca2+ Zufuhr ist.) ◦ Zur Schädigung oder Absterben kommt es wenn das Neuron durch die Aufnahme von Wasser anschwillt und Ca2+ -Ionen Enzyme in der Zelle stimuliert die Proteine, Lipide und Nucleinsäure abbaut. • → Neurodegenerative Krankheiten: ◦ amyotrophe Lateralsklerose (ALS) … betrifft Motoneuronen des Rückenmarks ◦ Alzheimer-Krankheit … betrifft Neuronen im Gehirn • → Umweltgifte: ◦ Kichererbsen → Lathyrismus: Degenerierung motorischer Neuronen ◦ vergiftete Muscheln → Domoinsäure: Krampfanfälle Gehirnschäden ◦ Pflanzengift β-Methylaminoalanin: Symptome von ALS, Alzheimer und Parkinson]GABA-abhängige und glycinabhängige Kanäle (GABA-Gated and Glycine-Gated Channels): • GABA vermittelt den größten Anteil der synaptischen Hemmungen im ZNS und Glycin den größten Teil der übrigens Hemmung. • GABAA und Glycin-Rezeptor ähnliche Struktur wie nikotinischer ACh-Rezeptor aber für Anionen (Cl-) selektiv → α (die den Transmitter binden) und β Untereinheiten • übermäßige Hemmung → Bewusstlosigkeit, Koma • zu geringe Hemmung → Krampfanfällen. • Es gibt neben GABA (nicht Glycin) auch noch für andere Moleküle Bindungsstellen: ◦ Benzodiazepine (Wirkstoff-Klasse; Vertreter z.B.: Diazepam, Valium,...) ◦ Barbiturate (Wirkstoff-Klasse; Vertreter sind Sedativer und Krampf lösende Mittel) ◦ alleine haben sie nur geringe Wirkung aber zusammen mit GABA erhöhen sie die Frequenz mit der sich der Kanal öffnet (Benzodiazepine), oder verlängern die Zeit die der Kanal geöffnet ist (Barbiturate). → vermehrter inhibitorischer CL- Strom → stärkeres IPSP → stärkere Hemmung ◦ Ethanol: (Alkohol in Getränken) komplexe Funktion, verstärkt in bestimmten Hirnregionen die Hemmung aber in anderen nicht.
  11. 11. Kapitel 6 Teil 2 5/9 • Diese künstlichen Wirkstoffe geben Hinweis darauf, dass es auch natürliche NT eben muss die an diese Stellen binden können. • Mögliche Kandidaten die als Modulatoren für GABAa-Rezeptoren dienen könnten sind Neurosteroide (natürliche Metabolite von Steroidhormonen). Einige davon verstärken die inhibitorische Funktion andere unterdrücken sie.G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und Effektoren (G-Protein Coupled Receptors andEffectors)G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (The Basic Structure of G-Protein-Coupled Receptors)Sie sind alle Varianten eines gemeinsamen Bauprinzips. • Sie bestehen alle aus einem einzigen Polypeptid, das sieben die Membran durchspannende Alpha-Helices enthält. • Zwei der extrazellulären Schleifen des Polypeptids bilden die Transmitterbindungsstellen, Strukturelle Varianten bestimmen, welche NT, Antagonisten und Agonisten binden können. • Zwei der intrazellulären Schleifen können G-Proteine binden und aktivieren. • Strukturelle Varianten bestimmen welche G-Proteine und Effektorsysteme aktiviert werden.
  12. 12. Kapitel 6 Teil 2 6/9Weite Verbreitung der G-Proteine (The Ubiquitous G-Proteins): • Abkürzung für Guanosintrophosphat- (GTP-) bindendes Protein • 20 verschiedene Typen • ein G-Protein kann von mehreren Rezeptoren aktiviert werden • 2 Einteilungen: ◦ stimulierende G-Proteine (Gs): aktivieren Effektorproteine ◦ inhibitorische G-Proteine (Gi): hemmen Effektorproteine • drei Untereinheiten (α,β,γ) • alle haben den selben Funktionsmechanismus: ◦ Im Ruhezustand ist an die Gα-Untereinheit ein Molekül Guanosindiphosphat (GDP) gebunden und der gesamte Komplex bewegt sich entlang an der inneren Oberfläche der Membran. ◦ G-Protein mit GDP stößt auf einen zugehörigen Rezeptor mit gebundenem Transmittermolekül ◦ → das G-Protein tauscht GDP gegen ein GTP aus dem Cytosol aus. ◦ Das G-Protein mit GTP teilt sich dann in zwei Fragmente, eine Gα-Untereinheit mit GTP und einen Gβγ-Komplex beide können sich nun weiterbewegen und verschiedene Effektorproteine beeinflussen. ◦ Gα-Untereinheit ist selbst ein Enzym, das seine eigene Aktivität abschaltet, indem es das gebundene GTP in GDP umwandelt. ◦ Gα und Gβγ vereinigen sich wieder.
  13. 13. Kapitel 6 Teil 2 7/9G-Protein-gekoppelte Effektorsysteme (G-Protein-Coupled Effector Systems):zwei Typen Effektorproteine: • G-Proteine-abhängige Ionenkanäle („verkürzter Signalweg“) • G-Proteine aktivierte EnzymeVerkürzter Signalweg (The Shortcut Pathway): • Bsp.: muscarinische Rezeptoren im Herzen: (verringern die Herzfrequenz) ◦ Ach-Rezeptoren sind über G-Proteine an Kaliumkanäle gekoppelt • die schnellsten Signalwege im G-Protein-gekoppelten Effektoren -System (30-100ms nach Bindung eines NT) und schneller als Second Messenger Kaskaden, aber sie sind langsamer als ligandengesteuerte Kanäle. • räumlich stark begrenzte Wirkung (nur nahe Kanäle beeinflusst)Second Messenger Kaskaden (Second Messenger Cascades): • G-Proteine können bestimmte Enzyme direkt aktivieren. • = Vorgang der den NT über mehrere Schritte mit der Aktivierung eines nachgeschalteten Enzyms verknüpft. • Oder anders gesagt: eine komplexe Reihe biochemischer Reaktionen die häufig zur Aktivierung weiterer Enzyme führt. • Zwischen dem ersten und letzten Enzym liegen mehrere Second Messenger. • „Push-Pull-Prinzip“: Prozesse von einem Effekt stimuliert und von anderem gehemmt. • Bsp.: Second Messenger Kaskade von cAMP: ◦ durch Aktivierung des NA-β-Rezeptors ausgelöst → aktiviert stimulatorische G-Protein (Gs) → stimuliert das membrangebundene Enzym Adenylatcyclase → wandelt ATP in cAMP um → Zunahme von cAMP im Cytosol → aktiviert nachgeschaltetes Enzym: Proteinkinase A (PKA) ◦ Aktivierung von NA- α2-Rezeptor → inhibitorisches G-Protein (Gi) → hemmt Adenylatcyclase → kann stimulatorisches Gs überwiegen und Effekt verhindern • Second Messenger Kaskade können sich auch verzweigen • Bsp.: Phospholipase C (PLC; in Membran bewegliches Enzym wie Adenylatcyclase) → wirkt auf Membranphospholipid (PIP2) und spaltet es in 2 Second Messenger Moleküle... ◦ ...Diacylglycerin (DAG; fettlöslich → verbleibt in Membranebene) → aktiviert nachgeschaltete Proteinkinase C (PKC)
  14. 14. Kapitel 6 Teil 2 8/9 ◦ ...Inositol-1,4,5-Trisphosphat (IP3 ; wasserlöslich → diffundiert in Cytosol) → bindet an IP3-abhängige Ca2+-Kanäle von Organellenmembranen → Organellen entleeren ihre Ca2+ Speicher → Erhöhung von Ca2+ im Cytosol → Aktiviert das Enzym Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase (CaMK) → CaMK hat u.a. Einfluss auf das Gedächtnis.Phosphorylierung und Dephosphorylierungbei vielen Second Messenger Kaskaden sind die aktivierten Enzyme Proteinkinasen (PKA, PKC,CaMK) diese übertragen Phosphatgruppen von dem im Cytosol frei beweglichen ATP auf Proteine.Dies bezeichnet man als Phosphorylierung → Phosphorylierung bei Ionenkanälen z.B kann dieWahrscheinlichkeit stark verändern, ob sie sich öffnen oder schließen.Die Umkehrung, Dephosphorylierung, wird bewirkt durch Enzyme, die Phosphatasen, welche inder Lage sind Phosphatgruppen schnell zu entfernen.Vorteil/Funktion der Signalkaskaden: • komplexer langsamer Vorgang, welcher aber das Signal (auf mehreren Stufen) verstärken kann. • Bsp: Aktivierung eines G-Protein gekoppelten Rezeptors → Aktivierung vieler Ionenkanäle ◦ ein NT-Molekül das an einen Rezeptor bindet → aktiviert 10-20 G-Proteine ◦ ein G-Protein → aktiviert ein Adenylatcyclase → zahlreiche cAMP-Moleküle erzeugt → Aktivierung vieler (Protein-)Kinasen → Phosphorylierung vieler Kanäle • Wirkung auf größeren Membranbereich • viele Möglichkeiten für weitere Regulierungen • Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Kaskaden möglich • langfristige chemische Veränderungen von Zellen → z.B. Erinnerungen
  15. 15. Kapitel 6 Teil 2 9/9Divergenz und Konvergenz in Neurotransmittersystemen • Glutamat ist der häufigste exzitatorische NT aber ... • GABA ist der vorherrschende inhibitorische NT aber ... • … Divergenz: Fähigkeit der NT mehr als einen Subtyp von Rezeptoren zu aktivieren und mehr als eine synaptische Reaktion auszulösen. Divergenz ist die Regel unter NT. Sie kann auf jeder Stufe der Kaskade der Transmittereffekte auftreten, z.B. G-Proteine und Effektorsysteme. • Konvergenz: Mehrere NT die jeweils ihren eigenen Rezeptortyp aktivieren, können zusammentreffen und gemeinsam auf das selbe Effektorsystem einwirken. • Möglich auf der Ebene der: G-Proteine, Second Messenger Kaskaden oder beim Typ des modellierten Ionenkanals auftreten. • Neuronen können divergente und konvergente Neuronensysteme integrieren.

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