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 MHH-Forscher entdeckt: Ein Muskelprotein hilft bei der Eizellteilung
14.10.2019 | Medizinische Hochschule Hannover

nachricht Forscher entschlüsseln Wirkung von Ebola-Impfstoff - Virologen der Uniklinik Köln identifizieren neue Antikörper
08.10.2019 | Uniklinik Köln

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: 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