Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse über Prozesse bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen

24.08.2000


Göttinger Max-Planck-Wissenschaftler messen die Kalziumempfindlichkeit bei der Fusion synaptischer Vesikel. Die Kommunikation zwischen Nervenzellen bildet die wesentliche Grundlage der Funktion unseres Gehirns. Zellen geben ihre Signale an andere Zellen weiter, so werden Sinneseindrücke verarbeitet und so entstehen Gedanken. Die Signalübertragung erfolgt dabei meist nur in einer Richtung, über sogenannte Synapsen. Einlaufende Signale bewirken, dass aus sogenannten Vesikeln Übertragungsstoffe ausgeschüttet werden, die in der nachgeschalteten Zelle ein neues Signal erzeugen. Göttinger Forscher aus der Abteilung des Nobelpreisträgers Erwin Neher konnten jetzt das intrazelluläre Kalziumionen-Signal bestimmen, das die Verschmelzung synaptischer Vesikel einleitet. Die Kenntnis von Zeitverlauf und Stärke dieses Signals trägt dazu bei, die Prozesse der Informationsübertragung zwischen Nervenzellen besser zu verstehen.
(Schneggenburger, R. andNeher, E. (2000). Intracellular calcium dependence of transmitter release rates at a fast central synapse. Nature 406, 889-893.)

Das menschliche Gehirn besteht aus mehr als 100 Milliarden Nervenzellen, die in komplexen Netzwerken miteinander verschaltet sind und über hochspezialisierte Kontaktstellen (sogenannte "Synapsen") miteinander kommunizieren. Die schnelle und zuverlässige Signalübertragung zwischen den Nervenzellen ist die Grundlage eines funktionierenden Gehirns. Die Signalübertragung selbst ist ein komplizierter Vorgang mit vielen, zum Teil noch ungeklärten Einzelprozessen. Auf einen dieser Prozesse hat jetzt die Göttinger Forschergruppe etwas mehr Licht geworfen.

An der Synapse nähern sich zwei Nervenzellen bis auf ca. 20 nm (1 nm = 1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) aneinander an. Um ein Signal zu übertragen, setzt die eine (die "aussendende") Zelle einen Transmitterstoff frei, der bei der anderen (der "empfangenden" Zelle) ein neues Signal erzeugt. Nach den gängigen Vorstellungen öffnet dabei eine elektrische Entladung ("Aktionspotential") in der aussendenden Zelle Ionenkanäle, durch die Kalziumionen (Ca2+) in das Zellinnere einströmen. Auf der Innenseite der Zellhülle bindet Ca2+ dann an einen noch nicht eindeutig identifizierten Ca2+ Rezeptorkomplex, wodurch die Verschmelzung kleiner (30-40 nm Durchmesser), in der Nervenendigung vorhandener, synaptischer Vesikel mit der Plasmamembran ausgelöst wird. Dadurch gelangt ein in den Vesikeln gespeicherter Überträgerstoff in den synaptischen Spalt. Der Überträgerstoff aktiviert Ionenkanäle in der empfangenden Nervenzelle und beeinflusst so ihr Membranpotential. Sind diese Änderungen groß genug, wird bei der "empfangenden" Zelle ein neues Aktionspotential ausgelöst.

Obwohl die Grundzüge dieser Signalkette bereits durch bahnbrechende Arbeiten, u.a. von Sir Bernhard Katz, in den 60er Jahren deutlich wurden, sind jedoch entscheidende Teilschritte der synaptischen Übertragung noch unbekannt. So ist bisher weder geklärt, aus welchem Grunde normalerweise nur ein kleiner Teil der insgesamt zur Verfügung stehenden Transmittervesikel mit der Membran verschmilzt, noch ist bekannt, welche Konzentration das Ca2+ in der Zelle erreichen muss, damit Vesikel überhaupt wirksam mit der Plasmamembran verschmelzen können.

Dieser Frage hat sich eine Arbeitsgruppe um Ralf Schneggenburger und Erwin Neher am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen zugewandt. Sie benutzten dafür als Modellsystem eine spezielle synaptische Verbindung zwischen zwei Nervenzellen in der Hörbahn von Ratten. Diese Synapse, der nach dem Morphologen Held benannte "Heldsche Kelch" (oder "Calyx") zeichnet sich durch die ungewöhnliche Größe der "aussendenden" Nervenendigung aus. Dies ermöglichte es den Forschern, feine Glaspipetten direkt auf die Nervenendigung aufzusetzen und im so genannten "patch-clamp" Verfahren elektrische Ströme in der Nervenendigung zu registrieren. Außerdem wird bei diesem Verfahren eine Verbindung zwischen dem Pipetteninnern und dem Innern der Nervenendigung hergestellt, so dass die Wissenschaftler fluoreszierende Farbstoffe und Kalzium-bindende Substanzen in das Zellinnere einführen konnten (s. Abbildung). Durch rasche Photolyse der kalziumbindenden Substanz konnten sie so die Kalziumkonzentration im Innern der Nervenendigung räumlich gleichmäßig anheben und über die Fluoreszenz des Kalzium-Indikatorfarbstoffes direkt die für die Vesikelfusion relevante Ca2+ Konzentration bestimmen. Gleichzeitig wurden mit einer weiteren "patch-clamp" Pipette die Signale in der empfangenden Nervenzelle gemessen (s. Abbildung) und daraus die Menge der Transmitterfreisetzung, also die Rate der Vesikelverschmelzung, abgeschätzt.

Die mit dieser Methode erstmals erhaltenen Einblicke in das intrazelluläre Kalziumsignal für die Vesikelverschmelzung in Nervenzellen sind in vielerlei Hinsicht überraschend. In ihrer jetzt erschienenen Veröffentlichung in Nature berichten Schneggenburger und Neher, dass bereits bei intrazellulären Kalziumkonzentrationen von ca. 10 µM (Mikromol) ein erheblicher Teil der fusionsbereitenVesikeln zur Verschmelzung gelangt. Dieses Ergebnis, das zeitgleich von einer Arbeitsgruppe am Heidelberger Max-Planck-Institut für medizinische Forschung und an der Universität Amsterdam gefunden wurde (Bollmann, J.H., Sakmann, B. und Borst, J.G.G. (2000). Calcium sensitivity of glutamate release in a calyx-type terminal. Science 289 , 953-957), zeigt dass die Kalzium-Empfindlichkeit der Vesikelfusion höher ist als aus vorhergehenden Studien erwartet wurde. Die jetzt gemessene Ca2+ Empfindlichkeit des Verschmelzungsprozesses wird es anderen Arbeitsgruppen erleichtern, die Gene zu identifizieren, die für den Ca2+ Rezeptorkomplex kodieren.

Schneggenburger und Neher fanden außerdem, dass während eines Aktionspotentials, also des natürlichen Stimulus in der aussendenen Zelle, nur ca. 10% aller fusionsbereiten Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen. Sie schlossen aus dieser relativ niedrigen Verschmelzungsrate, dass während eines Aktionspotentials nur ein kleiner Teil der Ca2+-Rezeptorkomplexe mit Kalzium abgesättigt wird. Nervenzellen behalten also einen Großteil ihrer sekretionsbereiten Vesikel als Reserve zurück, um auch auf ein zweites, nachfolgendes Aktionspotential noch mit effektiver Transmitterausschüttung reagieren zu können. Die Modifizierbarkeit der Übertragungsstärke an Synapsen wird von vielen Forschern derzeit als die Grundlage des Lernens angesehen. Die jetzt vorliegenden Ergebnisse erlauben einen ersten Einblick, wie das intrazelluläre Kalziumsignal für die Vesikelverschmelzung zur Modifizierbarkeit der synaptischen Übertragungsstärke beiträgt.

Für Rückfragen:


Dr. Ralf Schneggenburger, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Abt. Membranbiophysik, 37070 Göttingen; Tel.: 0551 201 1632; Fax: 0551 201 1688, E-Mail: rschneg@gwdg.de
Prof. Dr. Erwin Neher, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Abt. Membranbiophysik, 37070 Göttingen; Tel.: 0551 201 1675; Fax: 0551 201 1688, : eneher@gwdg.de

Diesen Text und ein Bild finden Sie auch im Internet unter dem URL http://www.mpibpc.gwdg.de/abteilungen/293/PR/00_04/kalzium.html

Weitere Informationen finden Sie im WWW:


Dr. Christoph R. Nothdurft |

Weitere Berichte zu: Nervenendigung Nervenzelle Signalübertragung Synapse Vesikel Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Tollwutviren zeigen Verschaltungen im gläsernen Gehirn
19.01.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Sicher und gesund arbeiten mit Datenbrillen
13.01.2017 | Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise