Neuronale Ca²⁺-Signale

Entstehung von Ca²⁺-Wellen

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)

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.

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.

Neuronale Ca2+-Signale

Entstehung von Ca2+-Wellen

Terminologie für Ca2+-Signale

Ausbreitung von Ca2+-Wellen

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Entstehung von Ca²⁺-Wellen

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Ausbreitung von Ca²⁺-Wellen