EINFÜHRUNG IN DIE NEUROCHEMIE       19.06.00
Betreuerin: Eleonore Rohloff

Thema:  PRAE- UND POSTSYNAPTISCHE MEMBRANEN

Zusammenfassung:

Die Stärke des Gehirns basiert auf den außerordentlichen Fähigkeiten der Nervenzellen, an spezialisierten interzellulären Verbindungsstellen miteinander zu kommunizieren, den Synapsen.

 Die Nervenzelle
 Jede Nervenzelle besteht aus einem „Empfänger“-bereich, der somato-dendritischen Region, in dem eintreffende Informationen verarbeitet und in elektrische Signale umgesetzt werden sowie einem „Sende“-bereich, der axonalen Region mit den axonalen Nervenenden, in dem die elektrischen Signale wieder in chemische Signale umgesetzt werden.
Die Axone variieren außerordentlich in der Länge, einige mit einer Größe von mehr als 1 m. Die meisten Axone im ZNS sind sehr dünn (zwischen 0,2 und 20 µm), verglichen mit dem Zellkörper (50µm oder mehr im Durchschnitt). Am Axonhügel, die Region des Zellkörpers aus dem das Axon entspringt, wird das Aktionspotential ausgelöst.

Die Synapse
Die Elementareinheit der Kommunikation zwischen Nervenzellen ist die Synapse, wo ein präsynaptisches Nervenende der Senderzelle auf eine postsynaptische Membran der Empfängerzelle trifft. Als Reaktion auf ein präsynaptisches Aktionspotential werden Neurotransmitter von den Nervenenden der Senderzelle freigesetzt. Sie diffundieren über den synaptischen Spalt und binden dann an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran der Empfängerzelle, wodurch deren Funktionszustand verändert wird. Die postsynaptische Membran gibt keine Transmitter ab. Synapsen geben Signale also nur in eine Richtung weiter. Sie besitzen damit eine Ventilfunktion, ohne die eine geordnete Informationsübertragung nicht möglich wäre.
 
 


Umwandlung eines elektrischen Signals in ein chemisches > Freisetzen der Neurotransmitter
 Die Exozytose (Fusion des Membrankompartiments der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Plasmamembran) wird durch ein komplexes Netzwerk von geordneten und sequenziell ablaufenden Protein-Protein-Wechselwirkungen bewirkt. Voraussetzung der Exozytose ist die Öffnung spannunsabhängiger Ca2+-Kanäle. Vom Einstrom der Ca2+-Ionen bis zur Fusion der Vesikel vergehen weniger als 500 µs. D.h. nur diejenigen synaptischen Vesikel kommen zur Exozytose, die bereits an der präsynaptischen Membran angedockt sind. Die molekularen Schritte, die zur Exozytose führen, sind:
· Transport der Vesikel an die Orte, die für die Membranfusion spezialisiert sind:
Die synaptischen Vesikel sind in der Nervenendigung angehäuft. Im Ruhezusteand werden sie über Synapsin-1 in das Aktinskelett der Nervenendigung eingebunden. Nach Eintreffen eines Aktionspotentials wird die präsynaptische Membran depolarisiert, wodurch sich spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen. Es kommt zu einem raschen Einstrom von Ca2+-Ionen in die Nervenendigung, der eine Calmodulin-abhängige Phosphorylierung des Synapsins bewirkt. Daraufhin ändert sich die Konformation des Synapsins, Synapsin löst sich von der Vesikeloberfläche und entlässt das Vesikel aus seiner Verankerung im Zellskelett.
· Andocken an die Plasmamembran:
rab3 (Vesikelprotein) ist vermutlich mit für das gezielte Auffinden der Dockingstelle verantwortlich.
Synaptotagmin (Vesikelprotein) bindet an Neurexine, interagiert mit Syntaxin und enthält die für die Exozytose entscheidende Ca2+-Bindungsstelle.
· Membranfusion:
Wenn die Vesikelmembran an die Plasmamembran gebunden ist, kommen das ungefaltete biegsame Synaptobrevin mit einem bereits gefalteten Syntaxin-SNAP-25 Komplex in Berührung. Es bilden sich ternäre Komplexe, wobei Synaptobrevin in eine Helix aufgerollt wird und damit die Membranen zueinander hingezogen werden. In Neuronen bildet sich ein gespannter Zwischenzustand aus, der nur noch eines kleinen Anstoßes bedarf (vermutlich vermittelt durch den Ca2+-Rezeptor Synaptogamin), um den letzten Schritt zur Fusion auszulösen.
 
 


 


· Wiederherstellung der Ausgangssituation
 Bei jeder Exozytose würde sich die Membranoberfläche vergrößern. Damit dies nicht passiert, wird die Membran der synaptischen Vesikel durch Endozytose wieder aufgenommen und durchläuft ein lokales „Recycling“, d.h. sie wird wieder zur Bildung von synaptischen Vesikeln verwendet. Obwohl der genaue Mechanismus für die Wiedergewinnung der Vesikel bis jetzt noch nicht klar ist, ist offensichtlich die durch Klathrin vermittelte Endozytose darin verwickelt, da mit Klathrin ummantelte Vesikel innerhalb von wenigen Sekunden, nachdem die Nervenendigungen den Neurotransmitter ausgeschieden haben, in sehr großem Überschuß vorhanden sind.

  • Umwandlung des chemischen Signals in ein elektrisches Signal

    • Die Membran grenzt den Reaktionsraum „Zelle“ ein und reguliert den Stoffaustausch zwischen der Zelle und dem Extrazellularraum. An dieser Membran bildet sich eine elektrische Potentialdifferenz aus, ein Membranpotetial. Das Membranpotential wird bestimmt durch die Gleichgewichtspotentiale der durch die Membrankanäle fließenden Ionen, und durch den Anteil des betreffenden Ionenflusses am Gesamtionenfluß.

    EPSP (Exzitatorisches postsynaptisches Potential)
    Durch einen Transmitter, z.B. Acetylcholin, kommt es an der postsynaptischen Membran zu einer Öffnung von unspezifischen Kanälen für Kationen, so daß Na+ in die Zelle einströmen kann. Der Grund hierfür ist der Unterschied zwischen dem Membranpotential der Zelle (-60 bis -80 mV) und dem Gleichgewichtspotential von Na+ (+55 mV). Der schwächere Ausstrom von K+ (Gleichgewichtspotential bei -90 mV) wirkt der Depolarisation entgegen, kann den positiven Ladungseinstrom jedoch nicht ausgleichen. Die entstehende lokale Depolarisation wird als EPSP bezeichnet und heißt an der motorischen Endplatte auch Endplattenpotential. Im Gegensatz zum Aktionspotential ist das EPSP nicht spannungsabhängig, sondern durch die Zahl der durch den Transmitter geöffneten Kanäle bedingt. Nebeneinanderliegende Synapsen oder kurz aufeinanderfolgende EPSPs einer Synapse gehorchen nicht dem "Alles-oder-Nichts"-Gesetz und können sich überlagern, dieser Vorgang heißt Summation. Auf diese Weise entsteht ein großes EPSP, das die gesamte postsynaptische Zelle depolarisieren kann. Erreicht ein solches EPSP einen Axonhügel oder eine motorische Endplatte, entsteht ein Aktionspotential. Ein einzelnes EPSP kann kein Aktionspotential auslösen.

    IPSP (Inhibitorisches postsynaptisches Potential)
    Öffnet ein Transmitter Kanäle, die selektiv den Durchtritt von K+ und Cl- ermöglichen, verstärkt der entstehende Ionenstrom das Ruhepotential. Bindet ein Transmitter an den K+-Kanal, erhöht sich dessen Leitfähigkeit und es kommt durch das Potentialgefälle zu einem K+-Ausstrom. Häufiger sind Cl--Kanäle, durch die Cl- nach Bindung eines Transmitters aufgrund des Potentialunterschiedes in die Zelle einströmt. Die in beiden Fällen entstehende Hyperpolarisation wirkt einer Erregung entgegen und wird deshalb als IPSP bezeichnet.
    EPSP und IPSP beeinflussen sich an benachbarten Synapsen zur selben Zeit oft gegenseitig.

    Die Patch-clamp-Technik
    Der erste direkte Nachweis der Existenz von Ionenkanäle gelang durch die Einführung der Patch clamp Technik durch E. Neher und B. Sakmann im Jahre 1976. Mit der patch-clamp-Methode können Membranströme an etwa 1 µm2 großen Membranstücken mit hoher Amplituden- und Zeitauflösung gemessen werden. Niederohmige Glaselektroden werden auf die Zellmembran aufgesetzt. Durch Anlegen eines Unterdruckes wird dann zwischen Membran und Elektrodenrand ein sehr hoher Abdichtungswiderstand von mehreren GW erzeugt. Das Membranstückchen unter der Spitze der Elektrode (patch) wird so elektrisch isoliert, und Ionenströme im Bereich von wenigen pA können gemessen werden.


    Ein Übersichtsartikel zum Thema "Molekulare Organisation der Synapsen" findet sich im Juniheft von "Chemie in unserer Zeit":
    Susanne tom Dieck, Eckart D. Gundelfinger
    Chemische Synapsen des Zentralnervensystems
    Chemie in unserer Zeit 34, No. 3, 140-148 (2000)


    Referat 1 (Michael Blau)
    Lao G et al.(2000) Neuron 25: 191 - 201 "Syntaphilin: A Syntaxin-1 Clamp that controls SNARE Assembly"
    Syntaxin-1 ist eine Schlüsselkomponente der synaptischen Vesikel-Andock-und-Fusions-Maschinerie, die den SNARE-Komplex mit Synaptobrevin und SNAP-25 bildet. Das Identifizieren der Proteine, die die SNARE-Komplex-Bildung modulieren, ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Neurotransmitter-Freisetzung und seiner Modulation zu Grunde liegen. Lao und seine Mitarbeiter haben ein Protein, Syntaphilin, kloniert und charakterisiert, daß selektiv im Gehirn exprimiert wird.
    Syntaphilin konkurriert mit SNAP-25 um die Bindung zu Syntaxin-1 und hemmt die SNARE-Komplex-Bildung durch die Aufnahme von freiem Syntaxin-1. Transiente Überexpression von Syntaphilin in kultivierten Hippokampus-Neuronen reduzierte signifikant die Neurotransmitter-Freisetzung. Außerdem hemmt die Einführung von Syntaphilin in die präsynaptischen, oberen zervikalen Ganglion-Neuronen in Kultur die synaptische Transmission.
    Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, daß Syntaphilin als eine molekulare Klemme funktionieren kann, die die freie Syntaxin-1-Verfügbarkeit für die Zusammensetzung des SNARE-Komplexes steuert und dadurch die synaptische Vesikel-Exozytose reguliert.

    Referat 2 (Anne-Lore Schlaitz):
    Firestein et al. (1999) Neuron 24: 659-672   "Cypin : A Cytosolic Regulator of PSD-95 Postsynaptic Targeting"
    Die postsynaptische Dichte (postsynaptic density, PSD) ist eine Spezialisierung des Zytoskeletts an der synaptischen Verbindung, die aus regulatorischen und Zytoskelett-Proteinen besteht und der Organisation der Signaltransduktionsmaschinerie an der postsynaptischen Membran dient. PSD-95, eine Hauptkomponente der PSD, dient wie andere membranassoziierte Guanylatkinasen (MAGUKs) dem Aggregieren von Neurotransmitterrezeptoren und nachgeordneten Enzymen und gewährleistet so die selektive Aktivierung verschiedener Signalkaskaden. MAGUKs verfügen über verschiedene Protein-Protein-Interaktionsdomänen, u.a. über drei PDZ-Domänen, die Liganden mit der C-terminalen Konsensus-Sequenz Thr/Ser-X-Val/Ile-COOH binden.
    Die Autoren der Arbeit berichten über die Isolierung und Charakterisierung eines neuartigen, zytoplasmatischen Liganden von PSD-95, Cypin.
    Cypin interagiert über seinen der Konsensus-Sequenz für PDZ-Bindung entsprechenden C-Terminus, -SSSV, mit den Domänen PDZ1 und PDZ2 von PSD-95. Durch Koimmunopräzipitation wurde belegt, daß Cypin auch mit den MAGUKs SAP-97 und SAP-102 assoziiert. Eine Überexpression von Cypin in Zellkulturen von Hippocampus-Zellen führte zu eingeschränkter Clusterung von PSD-95 und Verlust der Clusterung von SAP-102 an den synaptischen Stellen.
    Cypin könnte somit PSD-95-assoziierte Signaltransduktionskaskaden modulieren, indem es mit PSD-95-Liganden in der PSD um die PDZ-Bindungsdomäne konkurriert.


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    Seite erstellt von Chris Weise, Juli 2000