# Neuronale Ca2+-Signale

## Entstehung und Ausbreitung von Ca2+-Wellen

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### Terminologie für Ca2+-Signale
Die Ca2+-Kanäle des endoplasmatischen Retikulums (Ryanodinrezeptoren und IP3- Rezeptoren) können sich gegenseitig aktivieren, indem das durch einen Kanal freigesetzte Ca2+ benachbarte Kanäle öffnet (Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung). Das passiert aber nur bei relativ starker Stimulation. Bei schwachen Stimuli (oder sogar ohne Stimuli) öffnen sich einzelne Kanäle für wenige ms und entlassen eine kleine "Wolke" Ca2+-Ionen ins Zytoplasma. Solche, auf der Öffnung einzelner Kanäle beruhender, Ca2+-Signale werden bei IP3-R Blips und bei RyR Quarks genannt. Bei etwas stärkerer Stimulation bleiben die Kanäle länger offen (ca. 50 ms), setzen dadurch mehr Ca2+ frei und können benachbarte Kanäle aktivieren. Die Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung wird dadurch begünstigt, daß benachbarte IP3-R durch IP3 Ca2+-empfindlicher gemacht werden. Es kommt zur Ausbreitung des Signals über eine lokale Gruppe von Kanälen, so daß weit mehr Ca2+ freigesetzt wird. Solche lokalen Ereignisse werden Puffs bei IP3-R und Sparks bei RyR genannt. Puffs und Sparks können sich nicht über größere Lücken hinweg ausbreiten. Erst bei stärkerer Stimulation sind die Kanäle über weite Bereiche des ER durch hohe IP3-Konzentrationen für Ca2+ sensibilisiert. Jetzt reichen die Ca2+-Mengen einzelnen Puffs/Sparks, um Lücken zu überwinden; es kommt zur regenerativen (dh über weite Strecken hinweg nicht schwächer werdenden) Ausbreitung des Ca2+-Signals - eine Ca2+-Welle läuft durch die Zelle. Die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ca2+-Wellen ist ungefähr 0.1 mm pro Sekunde. Nach: Berridge (1997)

### Ausbreitung von Ca2+-Wellen
Regenerative Ca2+-Signale (Ca2+-Wellen) breiten sich durch Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung entlang von Membranstrukturen des ER aus. Dabei werden Ryanodinrezeptoren und IP3-Rezeptoren durch Ca2+ aktiviert, das von benachbarten Rezeptoren freigesetzt wird. Während der Ca2+-Ausstrom aus dem ER einen Anstieg der zytoplasmamtischen Ca2+- Konzentration verursacht, kommt es gleichzeitig zu einer lokalen Abnahme der Ca2+-Konzentration im Lumen des ER. Der Füllungszustand des ER ist hier farbig symbolisiert. Rot zeigt eine hohe luminale Ca2+- Konzentration, blau eine niedrige. Einem regenerative Ca2+-Signal folgt also eine Region, in dem des ER nur wenig luminales Ca2+ hat. In dieser Region findet keine Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung statt: der Abschnitt des ER ist refraktär. Diese refraktären Zonen bestimmen die Ausbreitungsrichtung der Ca2+-Wellen. Sie sind auch der Grund dafür, daß Ca2+-Wellen, die aufeinander zulaufen, beim Zusammentreffen ausgelöscht werden: Ca2+-Wellen können refraktäre Zonen nicht überspringen. Die Ausbreitung von Ca2+-Wellen über die ER-Membran zeigt mehrere Analogien zur Ausbreitung von Aktionspotentialen über die Plamsamembran. Beide Signale sind regenerativ, gerichtet und können Signale über weite Strecken transportieren. Zudem können beide Signale Zellgrenzen überwinden. Während allerdings die Übertragung von Aktionspotentialen über Synapsen sehr gut verstanden ist, ist es noch weitgehend unklar, wie Ca2+-Wellen Zellgrenzen überwinden.

Homepage Stephan Frings
Institut für Biologische Informationsverarbeitung im Forschungszentrum Jülich