Neuronale Ca²⁺-Signale

Ca²⁺-Kanäle im endoplasmatischen Retikulum

Postsynaptische Ca²⁺-Signale entstehen durch Ca²⁺-Einstrom und Ca²⁺-Freisetzung

Beim Eintreffen von Aktionspotentialen in der präsynaptischen Nervenendigung entsteht ein Ca²⁺-Signal durch Aktivierung spannungsgesteuerter Ca²⁺-Kanäle. Die dadurch ausgelöste Freisetzung von Neurotransmitter aktiviert metabotrope Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Einige dieser Rezeptoren aktivieren das Enzym Phospholipase C, das aus Phospholipiden der Plasmamembran den Botenstoff IP₃ (Inositol-1,4,5-trisphosphat) abspaltet. IP₃ aktiviert Ca²⁺-Kanäle in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER), die sogenannten IP₃- Rezeptoren. Da die Ca²⁺-Konzentration im Innern des ER weit höher (ca 100-1000 µM) ist als im Zytoplasma (ca. 0.1 µM), strömt Ca²⁺ aus dem ER, und es entsteht ein zytoplasmatisches Ca²⁺-Signal. Dieser Vorgang wird als Ca²⁺-Freisetzung (engl.: Ca²⁺-release) bezeichnet. In vielen Neuronen werden Ca²⁺-Signale durch eine zweite Art von Ca²⁺-Kanäle im ER verstärkt. Diese Ryanodinrezeptoren werden durch Bindung von Ca²⁺ aktiviert. Ca²⁺-Signale werden also durch eine positive Rückkopplung verstärkt, ein Prozess, der als Ca²⁺-induzierte Ca²⁺-Freisetzung (engl.: Ca²⁺-induced Ca²⁺ release, CICR) bezeichnet wird. CICR ist ein wichtiger Faktor bei der Entstehung von Ca²⁺-Wellen.

Postsynaptische Ca²⁺-Signale entstehen durch Ca²⁺-Einstrom und Ca²⁺-Freisetzung

Beim Eintreffen von Aktionspotentialen in der präsynaptischen Nervenendigung entsteht ein Ca²⁺-Signal durch Aktivierung spannungsgesteuerter Ca²⁺-Kanäle. Die dadurch ausgelöste Freisetzung von Neurotransmitter aktiviert metabotrope Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Einige dieser Rezeptoren aktivieren das Enzym Phospholipase C, das aus Phospholipiden der Plasmamembran den Botenstoff IP₃ (Inositol-1,4,5-trisphosphat) abspaltet. IP₃ aktiviert Ca²⁺-Kanäle in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER), die sogenannten IP₃- Rezeptoren. Da die Ca²⁺-Konzentration im Innern des ER weit höher (ca 100-1000 µM) ist als im Zytoplasma (ca. 0.1 µM), strömt Ca²⁺ aus dem ER, und es entsteht ein zytoplasmatisches Ca²⁺-Signal. Dieser Vorgang wird als Ca²⁺-Freisetzung (engl.: Ca²⁺-release) bezeichnet. In vielen Neuronen werden Ca²⁺-Signale durch eine zweite Art von Ca²⁺-Kanäle im ER verstärkt. Diese Ryanodinrezeptoren werden durch Bindung von Ca²⁺ aktiviert. Ca²⁺-Signale werden also durch eine positive Rückkopplung verstärkt, ein Prozess, der als Ca²⁺-induzierte Ca²⁺-Freisetzung (engl.: Ca²⁺-induced Ca²⁺ release, CICR) bezeichnet wird. CICR ist ein wichtiger Faktor bei der Entstehung von Ca²⁺-Wellen.

Ca²⁺-Kanäle des endoplasmatischen Retikulums

Ryanodinrezeptoren sind sehr große, tetramere Proteine (4 x 565 kDa). Sie werden nicht durch IP₃, wohl aber durch zytoplasmatisches Ca²⁺ und durch die Botenstoffe cycloADP-Ribose (cADPR) und Nicotinsäure-Adenindinucleotidphosphat (NAADP) aktiviert. Ryanodin, ein Alkaloid aus der Pflanze Ryana speciosa, aktiviert RyRs bei niedrigen, blockiert aber bei hohen Konzentrationen. In physiologischen Experimenten können RyRs mit Koffein aktiviert und mit Ruthenium-Rot blockiert werden. IP₃-Rezeptoren sind etwas kleiner als RyRs (4 x 313 kDa). IP₃Rs können auch durch Ca²⁺ aktiviert werden, der wichtigste Aktivator ist aber IP₃. cADPR, Ryanodin und Ruthenium-Rot wirken nicht auf IP₃Rs, und Koffein hat nur einen schwachen Effekt. Heparin dagegen blockiert IP₃Rs, nicht aber RyRs. Die hohe Ca²⁺-Konzentration im ER wird durch Ca²⁺-ATPasen aufrechterhalten. Ca²⁺- Bindeproteine wie Calsequestrin sorgen für eine hohe Speicherkapazität des ER-Lumens. Bei Aktivierung der Ca²⁺-Kanäle fließt Ca²⁺-Strom durch die Kanäle und erzeugt ein zytoplasmatisches Ca²⁺-Signal. Ähnlich wie bei den Ca²⁺- Kanälen der Plasmamembran wird der Ca²⁺-Strom durch Calmodulin abgeschaltet, das an die Kanäle bindet und sie inaktiviert.

Ca²⁺-Kanäle des endoplasmatischen Retikulums

Ryanodinrezeptoren sind sehr große, tetramere Proteine (4 x 565 kDa). Sie werden nicht durch IP₃, wohl aber durch zytoplasmatisches Ca²⁺ und durch die Botenstoffe cycloADP-Ribose (cADPR) und Nicotinsäure-Adenindinucleotidphosphat (NAADP) aktiviert. Ryanodin, ein Alkaloid aus der Pflanze Ryana speciosa, aktiviert RyRs bei niedrigen, blockiert aber bei hohen Konzentrationen. In physiologischen Experimenten können RyRs mit Koffein aktiviert und mit Ruthenium-Rot blockiert werden.
IP₃-Rezeptoren sind etwas kleiner als RyRs (4 x 313 kDa). IP₃Rs können auch durch Ca²⁺ aktiviert werden, der wichtigste Aktivator ist aber IP₃. cADPR, Ryanodin und Ruthenium-Rot wirken nicht auf IP₃Rs, und Koffein hat nur einen schwachen Effekt. Heparin dagegen blockiert IP₃Rs, nicht aber RyRs.
Die hohe Ca²⁺-Konzentration im ER wird durch Ca²⁺-ATPasen aufrechterhalten. Ca²⁺- Bindeproteine wie Calsequestrin sorgen für eine hohe Speicherkapazität des ER-Lumens. Bei Aktivierung der Ca²⁺-Kanäle fließt Ca²⁺-Strom durch die Kanäle und erzeugt ein zytoplasmatisches Ca²⁺-Signal. Ähnlich wie bei den Ca²⁺- Kanälen der Plasmamembran wird der Ca²⁺-Strom durch Calmodulin abgeschaltet, das an die Kanäle bindet und sie inaktiviert.

Neuronale Ca2+-Signale

Ca2+-Kanäle im endoplasmatischen Retikulum

Postsynaptische Ca2+-Signale entstehen durch Ca2+-Einstrom und Ca2+-Freisetzung

Ca2+-Kanäle des endoplasmatischen Retikulums

Neuronale Ca²⁺-Signale

Ca²⁺-Kanäle im endoplasmatischen Retikulum

Postsynaptische Ca²⁺-Signale entstehen durch Ca²⁺-Einstrom und Ca²⁺-Freisetzung

Ca²⁺-Kanäle des endoplasmatischen Retikulums