Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie ermöglichen die blitzschnelle Reizweiterleitung und komplexe Informationsverarbeitung, die für unsere Wahrnehmung, unser Denken und Handeln unerlässlich sind. Um die Funktionsweise dieser bemerkenswerten Zellen zu verstehen, ist es wichtig, ihren molekularen Aufbau, insbesondere den der Zellmembran, genauer zu betrachten.
Die Neuronale Zellmembran: Eine Doppelschicht mit vielfältigen Funktionen
Die Zellmembran eines Neurons, wie die aller Zellen, besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht. Diese Doppelschicht bildet eine flexible und undurchlässige Barriere, die das Innere der Zelle vom äußeren Milieu abgrenzt. Die Phospholipide sind amphiphile Moleküle, das heißt, sie besitzen einen hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und einen hydrophoben (wasserabweisenden) Schwanz. Im wässrigen Milieu ordnen sie sich so an, dass die hydrophilen Köpfe nach außen zum Wasser zeigen, während die hydrophoben Schwänze einander zugewandt im Inneren der Membran liegen. Dies führt zur Bildung einer Doppelschicht, die eine effektive Barriere für den Durchtritt von polaren Molekülen und Ionen darstellt.
Zusätzliche Bestandteile der Zellmembran
Neben den Phospholipiden enthält die Zellmembran eines Neurons eine Vielzahl weiterer Moleküle, die für ihre Funktion von entscheidender Bedeutung sind:
- Integrale Proteine: Diese Proteine sind in die Phospholipid-Doppelschicht eingebettet und können sich vollständig durch die Membran erstrecken. Sie haben vielfältige Funktionen, wie z. B. den Transport von Molekülen und Ionen über die Membran, die Verankerung des Zellskeletts oder die Signalübertragung.
- Periphere Proteine: Diese Proteine sind an die Oberfläche der Membran angelagert, entweder direkt an die Phospholipide oder an integrale Proteine. Sie können an der Stabilisierung der Membranstruktur oder an der Durchführung von Enzymreaktionen beteiligt sein.
- Kohlenhydrate: Kohlenhydratketten können an Proteine (Glykoproteine) oder Lipide (Glykolipide) auf der Außenseite der Zellmembran gebunden sein. Diese Glykokonjugate spielen eine wichtige Rolle bei der Zell-Zell-Erkennung und -Kommunikation.
Die Bedeutung von Membranproteinen für die neuronale Funktion
Die Membranproteine sind entscheidend für die spezialisierten Funktionen von Neuronen. Einige wichtige Typen von Membranproteinen sind:
- Ionenkanäle: Diese Proteine bilden Poren in der Membran, die selektiv für bestimmte Ionen wie Natrium (Na+), Kalium (K+), Calcium (Ca2+) oder Chlorid (Cl-) durchlässig sind. Ionenkanäle ermöglichen den kontrollierten Ionenfluss über die Membran, der für die Erzeugung und Weiterleitung elektrischer Signale (Aktionspotentiale) unerlässlich ist.
- Rezeptoren: Diese Proteine binden spezifische Botenstoffe (Neurotransmitter) oder andere Signalmoleküle an der Außenseite der Zelle. Die Bindung eines Liganden an einen Rezeptor löst eine Kaskade von intrazellulären Ereignissen aus, die zu einer Veränderung der Zellaktivität führen können.
- Transporter: Diese Proteine transportieren spezifische Moleküle über die Membran, entweder in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus. Transporter spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase und bei der Regulation der Neurotransmitterkonzentration im synaptischen Spalt.
- Enzyme: Einige Membranproteine sind Enzyme, die chemische Reaktionen an der Membranoberfläche katalysieren. Diese Enzyme können an der Synthese von Membranlipiden oder an der Modifikation von Proteinen beteiligt sein.
Die Synapse: Ort der Signalübertragung
Neuronen kommunizieren miteinander an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. An einer Synapse wird ein elektrisches Signal (Aktionspotential) in ein chemisches Signal (Neurotransmitterfreisetzung) umgewandelt, das die Information über den synaptischen Spalt zur nächsten Zelle überträgt.
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Der synaptische Spalt
Die Zellen sind durch einen schmalen synaptischen Spalt voneinander getrennt. Die präsynaptische Endigung ist gefüllt mit Membranvesikeln, die Neurotransmitter enthalten. Auf der postsynaptischen Membran sitzen zahlreiche Rezeptoren, die diese Neurotransmitter binden können. Kommt ein Signal in der präsynaptischen Endigung an, werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Die Transmitter binden an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran und lösen dort eine entsprechende Reaktion aus. Das postsynaptische Potenzial kann erregend oder hemmend sein.
Neurotransmitter und Rezeptoren
Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und lösen dort eine Reaktion aus. Es gibt zwei Arten von Rezeptoren: ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Ionotrope Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die bei Bindung des Neurotransmitters (=Ligand) durchlässig werden und Ionen passieren lassen. Dies führt zu einer Änderung des Membranpotenzials (abhängig von den Kanälen ist die Änderung exzitatorisch (= erregend) oder inhibitorisch (= hemmend)). Die Öffnungsgeschwindigkeit dieser Kanäle ist hoch und ermöglicht eine schnelle synaptische Übertragung. Metabotrope Rezeptoren wirken über Second-Messenger-Systeme. Die Bindung des Neurotransmitters aktiviert ein G-Protein, das entweder Ionenkanäle öffnet oder dies indirekt über cAMP oder IP3 bewirkt. Diese Rezeptoren sind langsamer, da sie erst eine Signalkaskade in Gang setzen müssen. Jedoch kann durch die Kaskade eine deutliche Verstärkung erreicht werden.
Beendigung der Signalübertragung
Die Signalübertragung in einer Synapse endet aufgrund von verschiedenen Mechanismen: Repolarisation der präsynaptischen Membran: Die Exozytose der Transmitter nimmt ab, wenn sich die spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle während der Repolarisation nach dem Aktionspotenzial wieder schließen. Die eingeströmten Ca2+ -Ionen werden durch Na+/Ca2+ -Austauscher oder Ca2+-ATPasen wieder zurück in den Extrazellulärraum gepumpt. Inaktivierung und Abbau: Einige Transmitter wie Acetylcholin werden durch Enzyme wie die Acetylcholinesterase schnell inaktiviert und abgebaut. Das Cholin wird wiederverwendet. Wiederaufnahme in die präsynaptische Endigung: Andere Transmitter wie Noradrenalin werden als ganzes Molekül wieder in die präsynaptische Endigung aufgenommen. Autoinhibition: Der ausgeschüttete Transmitter bindet an Rezeptoren auf der präsynaptischen Membran und hemmt so seine weitere Freisetzung. Noradrenalin zum Beispiel hemmt seine Ausschüttung durch Bindung an α2-Rezeptoren an der präsynaptischen Membran.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens und der Gedächtnisbildung
Die synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit der synaptischen Verbindungen im Gehirn, ihre Stärke und Effizienz anzupassen. Diese ist grundlegend für das Lernen, die Gedächtnisbildung und die Anpassungsfähigkeit des Nervensystems. Kurzzeitpotenzierung ist eine kurzfristige Verstärkung der Transmitterfreisetzung bei hohen Aktionspotenzialfrequenzen.
Neuartige therapeutische Ansätze zur Beeinflussung der neuronalen Funktion
Forschende des DZNE haben gemeinsam mit Fachleuten aus Großbritannien und Japan einen neurologisch wirksamen Eiweißstoff namens CPTX entwickelt und in Laborstudien getestet. Bei Mäusen linderte das künstliche Protein die Symptome bestimmter neurologischer Verletzungen und Erkrankungen; auf mikroskopischer Ebene konnte es Verbindungen zwischen Nervenzellen herstellen und reparieren. Die Studie legt nahe, dass CPTX beim Aufbau und der Verstärkung von Nervenverbindungen sogar besser als einige seiner natürlichen Pendants wirken kann. Somit könnte CPTX den Prototyp für eine neue Klasse von Wirkstoffen mit klinischem Potenzial darstellen. Die Anwendung läge demnach bei Erkrankungen, die mit einer gestörten neuronalen Vernetzung einhergehen.
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