Interneuronale Synapsen Interneuronale Synapsen. Morphologische Grundlagen der neurophysiologischen Vorgänge 11.09.2013. Dr. med. Mark Olah

Pyramidenzell von Hirnrinde Apikaler Dendrit (mit Dornen) Perykarion / Soma Axonhügeln Basaler Dendrit Pyramidenzell von Hirnrinde

Aktionspotenzial

Zell-Zell Verbindungen im Nervensystem Chemische Synapsen(im übliche Sprachgebrauch Synapsen) Elektrische Synapsen Gemischte (selten) Adhäsionskontakte (Keine Signalübertragung) Septierten Junktionen (Kleinhirn, Periferiennerv)

Elektrische Synapse Nexus, Gap Junction Spaltbreite 2-5 nm Oberfläche<1 m Aus Connexon bestehende Halbkanäle Erlauben Passage kleiner Moleküle bis molekular Gewicht (MW) 1000 (zB cAMP, IP3) und ionen Bei der ZNS Reifung abnehmen und nur an bestimmten Orten vorhanden: Gliazellen, Bulbus olfactorius, Retina, Kleinhirnzellen Connexin Mutation: Neuropathie (Charcot-Marie-Tooth)

Die wichtigsten Wachstumsfaktoren Neurotrophine Familie Nerven-WF (NGF) Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) NT-3 bis -5 Überleben und Differenzierung von Nervenzellen NGF wirkt auch trophisch auf Keratinozyten, Lymphozyten, Mastzellen, Pankreasinseln. BDNF reguliert die synaptische Plastizität im adulten Gehirn

Vergleich der Synapseformen elektrische chemische Synaptische Falt: 2.5 - 4nm 20 –30nm Synaptischen Vesikel: - + Erregungsleitung: schneller langsamer Erregungsrichtung: bidirektional unidirektional

Chemische Synapse - Lokalisation Interneuronale Synapsen Neuromuskuläre Synapsen Neuroglanduläre Synapsen Neurosensorische Synapsen (zw.nicht-neuronalen Sinneszellen, zB. Geschmackszellen und dendriten) Neurosekretorische Axonendigung (Kontakte sekretorischer Neurone)

Kontakte sekretorischer Neurone PRODUKTEN: OXYTOCIN, VASOPRESSIN (Hypophyse Hinterlappe) HERRING-Körper (150-300 nm) B L U T G A N G

Häufigsten interneuronalen Synapsen Axo-somatische Axo-dendritische (Dornsynapsen) Axo-axonale

Axodendritic synapse (symmetrical) Axodendritic synapse (en passant) Axo-somatic synapse Axodendritic synapse (asymmetrical) Axodendritic synapse (symmetrical) Axodendritic synapse (en passant) dendrit dendrit Neurohormonal ending Axoaxonal synapse Axodendritic synapse (dendritic spine) Dendrodendritic (electrical) synapse

Chemische Synapse Präsynaptische Membran Synaptischer Spalt Postsynaptische Membran Nur mit Elektronmikroskop, EPSP, IPSP, exocytosis, rezeptoren

I. Präsynaptische Membran (Membrana presynaptica) Post

I. Präsynaptische Membran Synaptischen Vesikeln (SV) PRÄSYNAPTISCHE ZELLE Verdichtungzone (MT) (presynaptisch t-SNARE, spannungsabhängige Ca2+-Kanalen) Synaptischen Spalt (SC) POSTSYNAPTISCHE ZELLE Mitochondrien (MI), Mikrotubuli (mt) und Multivesikulären Körper (MVB)

Synaptisches Vesikel Membranumhüllt, 30-60 nm Abgeschnürt aus dem Endosomen Enthalten unterschiedliche klassische Transmitter (Ach, glycine, GABA, Glutaminsaure), Aminen (noradrenalin, dopamin, serotonin) - Peptiden (VIP) – Peptiderg Vesikeln sind immer in Perykarion gebildet Rezirkulation

Vakuoläre Protonenpumpe H+-Transmitter Austauscher Neurotransmitter (Lokal oder im Perykarion syntetisiert) Vakuoläre Protonenpumpe

Proteine des Synaptischen Vesikels Die für die Anheftung erforderlichen Proteine sind die v-SNARE-Proteine der Vesikelmembran (v von Vesikel)  Tetanus und Botulismus TOXINE! und die t-SNARE-Proteine der aktiven Zone (t von engl. target: Ziel) der präsynaptischen Membran

“Reserve pool“ and “active Zone“ in der Synapse

Transmitter Abgabe I. Ein Vesikel – immer ein Transmitter Ein Neuron – mehreren Transmitter Aktionspotential bei der Axonterminal Öffnung der Spannungsabhängigen Ca2+ Kanälen Fusion mit Präsynaptischen Membran Quantale Transmitterabgabe (5000 Molekülen/Vesikel)

Transmitter Abgabe II. Four models of the role of actin in presynaptic functions. Actin appears to be involved in translocation of vesicles from the reserve pool to the readily releasable pool. Actin may serve as a track for the movements between the two pools. Depolymerization of actin may allow vesicles to move between the two pools. Actin may maintain synaptic vesicles in a cloud near the active zone. Doussau F, Augustine GJ. Biochimie. 2000 Apr;82(4):353-63.

Synaptischer Spalt -Zwischen prä- und postsynaptischer Membran -Meistens 20-30 nm weit -Die extrazelluläre Matrix (Substantia intrafissuralis) ist hier mäßig elektronendicht und enthält feine Filamente (4-6 nm dick). -Bei cholinergen Synapsen kommt im synaptischen Spalt das Enzym Acetylcholinesterase vor

Postsynaptische Membran - Verdichtungszone

Postsynaptische Membran (Membrana postsynaptica) Verdichtungszone: Actin, Spectrin, Tubulin Transmitter Rezeptoren Adaptormoleküle (Verbindung zw. Rezeptoren und Cytoskelettelemente)

Postsynaptische Membran Verdichtungszone (Actin, Spectrin, Tubulin) Transmitter Rezeptoren Adaptormoleküle (die an Transmitterrerzeptoren binden) Perforationen Gray-Typ-I-Synapsen oder asymmetrische Synapsen: Die postsynaptische Verdichtungszone ist breiter als die präsynaptische (asymmetrisch), die synaptischen Vesikel sind rund und der synaptische Spalt ist 20 nm weit und mehr. Diese Synapsen sind meist exzitatorisch. Gray-Typ-II-Synapsen oder symmetrische Synapsen: Die postsynaptische Verdichtungszone ist ähnlich breit wie die präsynaptische (symmetrisch), die synaptischen Vesikel sind ellipsoid und der synaptische Spalt ist weniger als 20 nm weit. Diese Synapsen sind meist inhibitorisch

REZIRKULATion DER Synaptisches Vesikel Endosomale Kompartiment (Rezirkulierung) Proteinen in Vesikel Membrane: V-SNARE, synaptobrevin, synaptophysine (hormonenvesikeln)

Chemische Synapsen im PNS interneuronale (z.B. in sympathischen und parasympathischen Ganglien) neuromuskuläre (in glatter Muskulatur und Skelettmuskulatur) neuroglanduläre (an endokrinen und exokrinen Drüsenzellen) neurosensorische Synapsen (z.B. an Geschmackszellen der Zunge und Haarzellen des Innenohrs)

Autonom neuro-muskuläre Synapsen - Varikositäten Nervenfasern sind nicht myelinisiert und verzweigen sich im Innervationsgebiet sehr stark Neurotransmitter erregen mehrere dieser Zellen gleichzeitig. Glatte Muskelzellen meistens durch Nexus elektrotonisch gekoppelt sind

Motorischen Endplatte

Die Neurotransmitter Exzitatorisch: Inhibitorisch: Depolarisation der Hyperpolarisation der postsynaptischen postsynaptischen membran Membran (EPSP) (IPSP) Excitatorisch: Acetylkolin, Glutamate, Aspartate Inhibitorisch: Glycine, GABA Biogene Amine: dopamin, adrenalin, noradrenalin,serotonin,histamin Peptiden: opioid, VIP, PACAP… Die Neurotransmitter

I. Schicksal der Neurotransmitter Synaptische Abbau (z.B Acetylkolin-esterase)

II. “Presynaptic Inhibition“ X α2R Agonist: CLONIDIN (Blutdrucksenker)

III. Rezeptorial Wiederaufnahme (Reuptake)

Neurotransmitter Rezeptoren I. “Ligand-gated“ /Ionotrop Rezeptoren Chemisches Signal Elektrisches Signal (Membranpotenzial) EPSP oder IPSP Glutamat Aspartat Glycin GABA Spezieller Typ: Streck-Abhängigen Ionkanalen (Mechanorezeptoren)

Spannungs-Abhängigen Ionkanalen EPSP und IPSP Axonhügel Synapse Spannungs-Abhängigen Ionkanalen AP Bildung!!!

Neurotransmitter Rezeptoren II Neurotransmitter Rezeptoren II. “G-protein coupled“ /Metabotropische Rezeptoren I. 7-Transmembran Rezeptor zum: -Neurotransmitter (v.a. Glutamat) -Hormonen, Peptiden -Geschmack -Geruch -Feromonen II. G-Protein (Trimer) -”Trancducer” zwischen Rezeptor und III. Effector Ein- und Ausschaltung der intracellulären Signalketten (zB) Protein Kinase A (PKA)

Bekanntester sekundäre Botenstoff der GPCR Rezeptoren: cAMP

Synapsen und DrogEN

CoCAINE

Klassische Transmitter: Ausgangsmoleküle, Syntheseenzyme, neuronale Rezirkulierung, enzymatischer Abbau Transmitter Ausgangsmolekül(e) Syntheseenzym(e) Neuronale Eliminierung und Rezirkulierung Eliminierung durch extra- oder intra- zellulären Abbau Acetylcholin (ACh) Cholin und Acetyl-Coenzym A Cholinacetyltransferase (ChAT) - präsynaptischer Cholintransporter - Resynthese von ACh durch ChAT - vesikulärer ACh-Transporter (VAChT) Cholinesterasen (Acetylcholinesterase) im synaptischen Spalt (ACh → Cholin + Acetat) Monoamine   Dopamin Tyrosin (Tyr) Tyrhydroxylase (TH) (Tyr → L-Dopa) l-aromatische Aminosäuredecarboxylase (AADC) (L-Dopa→ Dopamin) - präsynaptischer Dopamintransporter (DAT) und/oder Norepinephrin- transporter (NET) und/oder organischer Kationen- transporter 2 (OCT2) - vesikulärer Monoamin- transporter 2 (VMAT2) intrazelluläre Mono-aminoxidasen (MAO) oder Catechol-o-Methyltrans- ferase (COMT) Noradrenalin (Norepinephrin) Dopamin (s.o) Dopamin-β-Hydroxylase (DBH) (Dopamin → Noradrenalin) wie Dopamin (s.o.) Adrenalin (Epinephrin) Noradrenalin (s.o.) Phenyläthanolamin-N-Methyltransferase (PNMT) (Noradrenalin→Adrenalin) - präsynaptischer Dopamin-transporter (DAT) und/oder Norepinephrin- transporter (NET) - vesikulärer Monoamin-transporter 2 (VMAT2) Serotonin- (5-Hydroxytryptamin) Tryptophan (Tryp) Tryphydroxylase (Tryp → 5-Hydroxytryp) l-aromatische Aminosäuredecarboxylase (AADC) (5-Hydroxytryp → 5-Hydroxytryptamin) - präsynaptischer Serotonin- transporter (SERT) und/oder organischer Kationen-transporter 2 (OCT2) - vesikulärer Monoamin-transporter 2 (VMAT2) intrazelluläre Mono-aminoxidasen (MAO)

Klassische Transmitter: Ausgangsmoleküle, Syntheseenzyme, neuronale Rezirkulierung, enzymatischer Abbau II. Aminosäuren   Glutamat (Glu) Glutamin (Gln) α-Ketoglutarat u.a. Glutaminase (Gln → Glu) Aspartataminotransferase (α-Ketoglutarat Glu) - präsynaptische und gliale Glu-Transporter (EAAT1-5) - vesikuläre Glu-Transporter vor allem in Gliazellen: Glutaminsynthetase (Glu→ Glutamin) Gludehydrogenase (Glu → α-Ketoglutarat) γ-Aminobuttersäure (GABA) Gludecarboxylasen (GAD65 und 67) - präsynaptische und gliale GABA-Transporter (GAT1-4) - vesikulärer GABA-Transporter in Neuronen und Gliazellen: GABA-Transaminase Glycin (Gly) D-3-Glycerophosphat oder Serin verschiedene u. a. Serinhydroxy- methyltransferase (SHMT) (Serin → Gly) - präsynaptische und gliale Gly-Transporter (GlyT 1a, 1b, 2) - vesikulärer Gly-Transporter verschiedene