Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schnelle Reaktion dank „Präzisions-Protein“

16.08.2016

Wissenschaftler von Freier Universität, Charité und Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie gewinnen neue Erkenntnisse zur Kommunikation zwischen Nervenzellen

Ob wir Autofahren oder Fußball spielen – In vielen Situationen müssen wir blitzschnell auf äußere Reize reagieren. Doch wie wird gewährleistet, dass die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen unseres Körpers in Sekundenbruchteilen geschieht? Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Freien Universität Berlin, der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Leibniz-Institutes für Molekulare Pharmakologie haben jetzt im Rahmen eines internationalen Forschungsverbundes einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung dieses Mechanismus geleistet.


Illustration der Neurotransmitter Freisetzung über Unc13A und Unc13B. Unc13A wird in einem Abstand von 70 nm von der Kalziumquelle (Cac; blau) durch Bruchpilot (BRP; grün) und RBP (rot) positioniert. Unc13B (orange) wird in einem größeren Abstand von 120 nm positioniert. Der Farbübergang von dunkel- zu hellblau im Hintergrund kennzeichnet unterschiedlich hohe Kalziumkonzentrationen, die von Vesikel detektiert werden

Sie fanden heraus, dass ein bestimmtes Protein (Unc13A) an den Verbindungsstellen der Nervenzellen – den Synapsen – für eine extrem präzise molekulare „Verknüpfung“ sorgt und damit für die ultraschnelle Weiterleitung der Reize verantwortlich ist. Die Ergebnisse, die nun in der Fachzeitschrift „Nature Neuroscience“ publiziert wurden, erlauben Einblicke in die Prinzipien, mit denen Synapsen auf molekularer Ebene und mit hoher Genauigkeit Signalübertagung räumlich und zeitlich optimieren.

Nervenzellen kommunizieren mit Hilfe von elektrischen und chemischen Signalen. Die Übertragung der Reize von Zelle zu Zelle erfolgt dabei über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen. Dort wird das ankommende elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt und so über den sehr engen synaptischen Spalt, der zwei benachbarte Zellen voneinander trennt, transportiert, um dann auf der anderen Seite wiederum in ein elektrisches Signal umgebildet und weitergeleitet zu werden.

Die chemische Reizweiterleitung erfolgt über Botenstoffe, die so genannten Neurotransmitter, die sich in kleinen Vesikeln (lat. „Bläschen“) in der Synapse befinden. Kommt ein elektrischer Impuls an der Synapse an, verändert er die Spannung in der Zellmembran, wodurch kurzzeitig Kalziumionen in die Synapse strömen.

Die Erhöhung der Kalziumkonzentration führt wiederum dazu, dass sich die Vesikel zum synaptischen Spalt öffnen und die Botenstoffe freisetzen, die dann in der benachbarten Nervenzelle zu einer Weiterleitung des Signals führen, zum Beispiel zur Kontraktion eines Muskels. All dies passiert innerhalb weniger Millisekunden, was unter anderem nur möglich ist, weil der Abstand zwischen Vesikeln und den Kanälen in der Zellmembran, durch die das Kalzium in die Zelle einströmt, genauestens definiert wird.

Wie exakt der Mechanismus geregelt ist, fanden Wissenschaftler des Exzellenzclusters NeuroCure unter Leitung von Prof. Dr. Stephan Sigrist und Dr. Alexander Walter vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie nun am motoneuronalen Nervensystem der Taufliege (Drosophila melanogaster) heraus.

Sie entdeckten, dass das Protein Unc13A die mit dem Botenstoff gefüllten Vesikel mit Nanometer-Präzision an die Kalzium-Quelle – also die Kalziumkanäle in der Zellmembran – koppelt und so die blitzschnelle und effiziente Signalübertragung ermöglicht. Bei der exakten Positionierung der Vesikel spielen noch zwei weitere Proteine eine Rolle, die mit Hilfe der Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Ulrich Stelzl von der Universität Graz und Prof. Dr. Markus Wahl von der Freien Universität Berlin identifiziert werden konnten: Wie zwei Mess-Schieber auf einem Lineal sorgen diese beiden Eiweiße dafür, dass der wohl definierte Abstand zwischen Vesikel und der Kalzium-Quelle stets eingehalten wird.

Erstaunlich für die Wissenschaftler war, dass das sehr eng verwandte Protein Unc13B für die Signalübertragung eine untergeordnete Rolle spielt. Dies – so legen die Experimente und theoretischen Berechnungen nah – ist vermutlich darin begründet, dass das Protein nicht so nahe an die Kalzium-Quelle gekoppelt ist. Auch Unc13B wird im Verbund eines Proteinkomplexes an Ort und Stelle gehalten, allerdings auf Distanz.

Die Längenunterschiede bewegen sich lediglich auf der Nanometer-Skala (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter), sie konnten nur mit einem besonders hochauflösenden Mikroskop im Laboratorium von Chemie-Nobelpreisträger Prof. Dr. Stefan Hell vom Max Plack Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen überhaupt detektiert werden. Dennoch führe das zu vollkommen unterschiedlichen Funktionalitäten, sind die Wissenschaftler überzeugt: Während Unc13A eine schnelle und effiziente Signalleitung ermöglicht, spielt Unc13B aufgrund seiner minimal größeren Entfernung von der Kalzium-Quelle hierbei kaum eine Rolle. Es werde aber wohl in der Entwicklung der Synapse benötigt.

Mit Ihrer Arbeit sind die Forscher einem sehr wesentlichen, jedoch mechanistisch noch wenig verstandenen Prinzip auf die Spur gekommen: wie Synapsen durch räumliche Kontrolle der Vesikelposition ihre Transmissionseigenschaften steuern.

Das Paper ist veröffentlicht in: Nature Neuroscience 10.1038/nn.4364.

Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dr. Alexander M. Walter
Molecular and Theoretical Neuroscience
Leibniz Institute für Moleculare Pharmakologie
Charité Campus Mitte
Charitéplatz 1
10117 Berlin
Tel.: +49 (0)30-450-639-026
awalter@fmp-berlin.de

Prof. Dr. Stephan Sigrist
Institut für Biologie / Genetik
NeuroCure Exzellenzcluster
Takustraße 6
14195 Berlin,
Tel.: +49 (0)30-838-56940
stephan.sigrist@fu-berlin.de

Silke Oßwald | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Chemikern der Universität Münster gelingt Herstellung neuartiger Lewis-Supersäuren auf Phosphor-Basis
22.10.2019 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Adipositas-Risikobestimmung: ein Sprung in die Zukunft durch die Kombination von KI und Lipid-Forschung
22.10.2019 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Forschern ist es gelungen, mithilfe eines mikroskopischen Hohlraumes eine effiziente quantenmechanische Licht-Materie-Schnittstelle zu schaffen. Darin wird ein einzelnes Photon bis zu zehn Mal von einem künstlichen Atom ausgesandt und wieder absorbiert. Das eröffnet neue Perspektiven für die Quantentechnologie, berichten Physiker der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift «Nature».

Die Quantenphysik beschreibt Photonen als Lichtteilchen. Will man ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Atom interagieren lassen, stellt dies aufgrund der...

Im Focus: A cavity leads to a strong interaction between light and matter

Researchers have succeeded in creating an efficient quantum-mechanical light-matter interface using a microscopic cavity. Within this cavity, a single photon is emitted and absorbed up to 10 times by an artificial atom. This opens up new prospects for quantum technology, report physicists at the University of Basel and Ruhr-University Bochum in the journal Nature.

Quantum physics describes photons as light particles. Achieving an interaction between a single photon and a single atom is a huge challenge due to the tiny...

Im Focus: Freiburger Forschenden gelingt die erste Synthese eines kationischen Tetraederclusters in Lösung

Hauptgruppenatome kommen oft in kleinen Clustern vor, die neutral, negativ oder positiv geladen sein können. Das bekannteste neutrale sogenannte Tetraedercluster ist der weiße Phosphor (P4), aber darüber hinaus sind weitere Tetraeder als Substanz isolierbar. Es handelt sich um Moleküle aus vier Atomen, deren räumliche Anordnung einem Tetraeder aus gleichseitigen Dreiecken entspricht. Bisher waren neben mindestens sechs neutralen Versionen wie As4 oder AsP3 eine Vielzahl von negativ geladenen Tetraedern wie In2Sb22– bekannt, jedoch keine kationischen, also positiv geladenen Varianten.

Ein Team um Prof. Dr. Ingo Krossing vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg ist es gelungen, diese positiv geladenen...

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungen

Serienfertigung von XXL-Produkten: Expertentreffen in Hannover

22.10.2019 | Veranstaltungen

Digitales-Krankenhaus – wo bleibt der Mensch?

21.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Studenten entwickeln einen Koffer, der automatisch auf Schritt und Tritt folgt

22.10.2019 | Innovative Produkte

Chemikern der Universität Münster gelingt Herstellung neuartiger Lewis-Supersäuren auf Phosphor-Basis

22.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics