Das Gehirn: Eine Einführung in die Molekulare Neurobiologiearndbaumann.com/veranst/gehirn/pdf/vl3.pdf · -Kanal Nomenklatur / Vorkommen Gen Typ Gewebeexpression SCN1A Na v 1.1 CNS,

Das Gehirn:

Eine Einführung in die

Molekulare Neurobiologie

A. Baumann

Ionenkanäle

Das Gehirn

Übersicht Ionenkanäle

Aktivierung Ionenselektivität

Membranspannung

K+ Kanäle Na+ Kanäle Ca2+ Kanäle Cl- Kanäle HCN Kanäle TRP Kanäle

Mechanische Kräfte Kationenkanal

G-Proteine K+ Kanäle Ca2+ Kanäle

HCN = Hyperpolarization activated and cyclic nucleotide-gated TRP = Transient receptor potential

Das Gehirn

Übersicht Ionenkanäle

Acetylcholin nAChR Kationen/Ca2+ GABA GABAR Cl- Ionen Glyzin GlyR Cl- Ionen Glutamat GluR Kationen/Ca2+

Serotonin 5-HT3R Kationen ATP P2XR Kationen/Ca2+

Ca2+ Ionen Kalium cAMP/cGMP CNG Kationen/Ca2+ IP3 IP3R Kationen/Ca2+

Ca2+ Ionen RyR Ca2+

Ligand

nAChR = nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor; GABA = g-Aminobuttersäure; Gly = Glyzin; Glu = Glutamat; 5-HT = 5-Hydroxytryptamin/Serotonin; P2X = Purinerger-Rezeptor; CNG = cyclic nucleotide-gated; IP3 = Inositol 1,4,5-trisphosphat; RyR = Ryanodine-Rezeptor

Das Gehirn

Aktivierung Ionenselektivität

Natrium Kanäle

Das Gehirn

Spannungsaktivierte Kanäle

Das Gehirn

Klonierung des ersten spannungsabhängigen Na+ Kanals

Noda et al. (1986); Shosaku Numa

Elektrisches Organ = reich an Na+ Kanälen

Das Gehirn

Catterall, W.A. (2014) Exp. Physiol. 99, 35ff

Kanalbildende α-Untereinheit mit vier zueinander sequenzhomologen

Abschnitten (Motiv I-IV); je sechs Transmembransegmente (S); Porenregion (P)

Natrium (Nav)-Kanal Topologie

Das Gehirn

Große Proteine: ~260 kDa (α)-Untereinheiten

Zentrale Elemente: Spannungsfühler (R/KXX)n (S4)

Porenregion (P)

Accessorische (β)-Untereinheiten

Funktion: Depolarisation (Aktionspotenzial)

Mittlere Offenzeit ~2 msec

Nav-Kanal Eigenschaften

Das Gehirn

Das Gehirn

Nav-Kanal Nomenklatur / Vorkommen

Gen Typ Gewebeexpression

SCN1A Nav1.1 CNS, PNS, Herz, DRG

SCN2A Nav1.2 CNS, PNS, DRG

SCN3A Nav1.3 CNS, PNS, Herz, DRG

SCN4A Nav1.4 Skelett Muskel, Herz, DRG

SCN5A Nav1.5 CNS, Herz, DRG, Skelett Muskel

SCN8A Nav1.6 CNS, PNS, Herz DRG

SCN9A Nav1.7 DRG

SCN10A Nav1.8 DRG

SCN11A Nav1.9 DRG

SCN1B β1 CNS, PNS, Herz, DRG, Glia

SCN2B β2 CNS, PNS, Herz, DRG



SCN1B β1B Fötales CNS, PNS, Herz, DRG

mammalian

non-mammalian vertebrate

invertebrate

Nav-Kanal Phylogenie

Das Gehirn

Goldin, A.L. (2002) J. Exp. Biol. 205, 575ff

Nav-Kanal Strukturelemente

Das Gehirn

Tetramerer Aufbau VSD: Voltage Sensing Domain

PD: Pore Domain

Ahern, C.A. et al. (2016) J. Gen. Physiol. 147, 1ff

Das Gehirn


Nav-Kanal Strukturelemente

VSD = S1 – S4

PD = S5 / P / S6

Das Gehirn

Nav-Kanal Aktivierung

S4 Transmembransegment Na1: ISALRTFRVLRALKTITVIPGLKTIV

Na2: LSVLRSFRLLRVFKLAKSWPTLNMLI

Na3: LGPIKSLRTLRALRPLRALSRFEGMR

Na4: PTLFRVIRLARIGRVLRLIRGAKGIR

Konsensusmotiv: (R/KXX)n

nach Blaustein, R.O. & Miller, C. (2004) Nature 427, 499f

Bewegung S4 Segment bei Depolarisation

Das Gehirn

Nav-Kanal Aktivierung / (Inaktivierung)


Das Gehirn


Nav-Kanal Aktivierung / Inaktivierung

Nav-Kanal Modulation/Pharmakologie

Das Gehirn


Nav-Kanal Pharmakologie

Das Gehirn


100 nM; Tarnatelgift; Öffnung inhibiert

1 µM; Spinnengift; Öffnet bei neg. Vm

100 nM; Skorpiongift; Inaktivierung blockiert

20 nM; Schlangengift; Na+ Einstrom blockiert

1 µM; Batrachotoxin; Pfeilgift-Frosch;

Inaktivierung blockiert

VSD PD

Verlängerte Zeitkonstante der Inaktivierung: hyperexcitabilty

Ragsdale (2008), Brain Res. Rev. 58, 149 ff

Natrium Kanal Fehlfunktion

Das Gehirn

Neuroscience, 3rd ed (2004)

GEFS = generalized epilepsy fibrile seizures

Natrium Kanal Fehlfunktion

Das Gehirn

Kalium Kanäle

Das Gehirn

Klonierung des ersten spannungsgesteuerten K+ Kanals (1987)

Labs: Mark Tanouye (US); Lily Jan (US); Olaf Pongs (Bochum)

Drosophila Shaker Mutanten

Das Gehirn

Kalium Kanäle

Shaker Mutation

Kalium Kanäle

Das Gehirn

Pongs, O. (1999) FEBS Lett. 452, 31ff

Kalium (Kv)-Kanäle (A-Typ)

Das Gehirn

Kv-Kanal Topologie

Einzelne kanalbildende Untereinheiten mit je sechs Transmembransegmenten

(S); Porenregion (P)

Drosophila: Alternatives Spleißen → sehr viele verschiedene Untereinheiten

Funktionelle Kanäle = Homo- / Hetero-Tetramere

Das Gehirn

Kleine Untereinheiten: ~70 kDa

große Vielfalt durch alternatives

Spleißen bzw. viele Gene

Zentrale Elemente: Spannungsfühler (R/KXX)n

Porenregion

Accessorische Untereinheiten

Funktion: Repolarisation

bestimmen Ruhepotenzial

große Genfamilie

Das Gehirn

Kv-Kanäle

Das Gehirn

Kv-Kanal Genfamilien

Shaker = Kvα1.x

Shal = Kvα4.x

Shab = Kvα2.x

Shaw = Kvα3.x

Kalium-Kanal Varianten

Kalium Kanäle

Das Gehirn

Kalium Kanal Genfamilien

Das Gehirn

Zusätzlich viele acessorische ()-Untereinheiten

Das Gehirn

Nav-Kanal Aktivierung





RCK: LAILRVIRLVRVFRIFKLSRHSKGLQ

ShK: LAILRVIRLVRVFRIFKLSRHSKGLQ




Das Gehirn

Kv-Kanal Struktur

Doyle, D.A.et al. (1998) Science 280, 69ff

Das Gehirn

Kanal Selektivitätsfilter

Ionenradien

Poreneigenschaften

Das Gehirn

Kv-Kanal Selektivitätsfilter

Zhou, Y. et al. (2001) Nature 414, 43ff nach: Kuang, Q. et al. (2015) Cell. Mol. Life Sci. 72, 3677ff

Konsensussequenz:

TVGYG

Das Gehirn

Kv-Kanal Selektivitätsfilter

Miller, C. (2001) Nature 414, 23f

K+ Permeation; mehrere Ionen in der Pore

Das Gehirn

Kv-Kanal Inaktivierung

Rasmusson, R.L. (1998) Circulation Res. 82, 739ff

„Chain & Ball“ Prinzip

Das Gehirn

Kv-Kanal : Nav-Kanal Inaktivierung

Rasmusson, R.L. (1998) Circulation Res. 82, 739ff

Kv-Kanal Nav-Kanal


Das Gehirn

Kv-Kanal : Nav-Kanal Inaktivierung

Stotz, S.C. & Zamponi, G.W. (2001) Trends Neurosci. 24, 176ff

Das Gehirn

Kv-Kanal Inaktivierung

Aldrich, R.W. (2001) Nature 411, 643f

Generell: Repolarisation des Vm beeinflusst (→ Shaker)

Kv1.1 Mutationen; Episodische Ataxie (= Shaker equivalent);

KCNQ Mutationen; u.a. Epilpsie; Herz-Arrhythmie

Kalium-Kanal Fehlfunktionen

Das Gehirn

Calcium Kanäle

Das Gehirn

Neurotransmitterfreisetzung

Klonierung des ersten spannungsabhängigen Ca2+ Kanals;

Dihydropyridin-Rezeptor Kaninchen Skelettmuskel

Tanabe et al. (1987); Shosaku Numa

Das Gehirn

Nach Tanabe, T. et al. (1987) Nature 328, 313ff

Große Proteine: ~170 kDa; (1987) Numa

Zentrale Elemente: Spannungsfühler (R/KXX)n

Porenregion

Accessorische Untereinheiten (2, , g, )

Funktion: Neurotransmisssion

Aktionspotenzial (Muskel)

Calcium Kanal Eigenschaften

Das Gehirn

Das Gehirn

Ca2+(α1)v-Kanal Nomenklatur / Vorkommen

Gen/Kanal Typ Aktivierung Gewebeexpression

Cav1.1 L HVA Skelett Muskel

Cav1.2 L HVA Herz; Neurone; Endokrine Zellen

Cav1.3 L HVA Neurone; Endokrine Zellen

Cav1.4 L HVA Retina

Cav2.1 P/Q intermediate Nerven Endigung; Dendriten

Cav2.2 N HVA Nerven Endigung; Dendriten

Cav2.3 R intermediate Nerven Endigung; Dendriten

Cav3.1 T LVA Herz; Neurone; Skelett Muskel

Cav3.2 T LVA Herz; Neurone

Cav3.3 T LVA Neurone

L = long lasting; T = transient; N = neuronal; P/Q = Purkinje cell; R = residual

Catterall, W.A. (2011), Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 3, a003947

Ca2+v-Kanal Aufbau

Das Gehirn

Ca2+v-Kanal Zusammensetzung

L-Typ: α1; α2; δ; β; γ

P/Q-Typ: α1; α2; δ; β; (γ ?)

N-Typ: α1; α2; δ; β1/3/4; (γ ?)

R-Typ: α1; α2; δ; β; (γ ?)

T-Typ: α1

Das Gehirn


Das Gehirn

Ca2+v-Kanal Aktivierung





RCK: LAILRVIRLVRVFRIFKLSRHSKGLQ

ShK: LAILRVIRLVRVFRIFKLSRHSKGLQ

Ca1: GLDVKALRAFRVLRPLRLVSGVPSLQ

Ca2: ISVLRCIRLLRLFKITKYWTSLSNLV

Ca3: ISVVKILRVLRVLRPLRAINRAKGLK

Ca4: RISSAFFRLFRVMRLIKLLSRAEGVR




Das Gehirn

Ca2+v-Kanal (Cav1.1) Struktur

Wu, J. et al. (2016), Nature 537, 191ff

Kanalstruktur Porenbereich

Das Gehirn

Ca2+v-Kanal Funktionen

Engelman, H.S. & MacDermott, A.B. (2004) Nature Rev. Neurosci. 5, 135ff


Ca2+v-Kanal (α1) Mutationen:

Familiäre hemiplegische Migräne (FHM),

Ataxie (Ca2+V2.1)

Das Gehirn

Ca2+v-Kanal Fehlfunktionen

Reduzierte Amplitude des Endplatten Potenzials:

Reduzierte Acetylcholin Ausschüttung an NMS

Nagoya mouse

Das Gehirn

Ca2+v-Kanal Fehlfunktionen

Chlorid Kanäle

Das Gehirn

Cl--Kanäle

Cl--Pumpen

einwärts Cl--Pumpen

auswärts

Duran, C. et al. (2010) Annu. Rev. Physiol. 72, 95ff

Klonierung des ersten spannungsabhängigen Cl- Kanals

Jentsch et al. (1990)

Elektrisches Organ = reich an (Na+) und Cl--Kanälen

Das Gehirn

Lehmann-Horn, F. & Jurkat-Rott, K. (1999), Physiol. Rev. 79, 1317ff

Chlorid Kanal-Klassen

Das Gehirn

Verkman, A.S. & & Luis J. V. Galietta, L.J.V. (2009), Nature Rev. Drug Discovery 8, 153ff

spannungsabh. →

Chlorid Kanal Fehlfunktionen

Das Gehirn

Verkman, A.S. & & Luis J. V. Galietta, L.J.V. (2009), Nature Rev. Drug Discovery 8, 153ff

Mukoviscidose

Myotonie, (Epilepsie), Proteinurie,

Taubheit, Macula Degeneration

CaCC (Olfaktion)

Epilepsie, Hyperekplexie (Hypertonie)

Zusammenfassung

Das Gehirn

Nav und Cav-Kanäle Kv-Kanäle

S4-Segment: (R/KXX)n Selektivitätsfilter: TVGYG Inaktivierung

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Das Gehirn: Eine Einführung in die Molekulare Neurobiologiearndbaumann.com/veranst/gehirn/pdf/vl3.pdf · -Kanal Nomenklatur / Vorkommen Gen Typ Gewebeexpression SCN1A Na v 1.1 CNS,