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