Fachmodul Neurobiologie I - Exam

Aufgabe 1)

Ruhepotenzial und Aktionspotenzial: Das Ruhepotenzial einer unerregten Nervenzelle liegt typischerweise bei ca. -70 mV. Ein Aktionspotenzial ist eine kurzzeitige Umkehr des Membranpotenzials nach Depolarisation.

• Das Ruhepotenzial wird durch K\textsuperscript{+}-Leak-Kanäle und die Na\textsuperscript{+}/K\textsuperscript{+}-ATPase aufrechterhalten.
• Das Ruhepotenzial kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden.
• Phasen des Aktionspotenzials: Depolarisation (bei Erreichen eines Schwellenwerts von ca. -55 mV öffnen sich Na\textsuperscript{+}-Kanäle), Repolarisation (Na\textsuperscript{+}-Kanäle schließen, K\textsuperscript{+}-Kanäle öffnen), Hyperpolarisation (verzögertes Schließen der K\textsuperscript{+}-Kanäle).
• Das Alles-oder-nichts-Prinzip besagt, dass ein Aktionspotenzial nur bei Erreichen des Schwellenpotenzials ausgelöst wird.
• Die axonale Weiterleitung erfolgt durch saltatorische Erregungsleitung, welche durch Myelinisierung unterstützt wird.

a)

c) Erläutere das Alles-oder-nichts-Prinzip und erkläre, welche Bedeutung die Myelinisierung und die saltatorische Erregungsleitung für die axonale Weiterleitung von Aktionspotenzialen haben.Beziehe dich dabei auf den Aufbau von myelinisierten Nervenfasern und die Funktion der Ranvier-Schnürringe.

Lösung:

c) Erläutere das Alles-oder-nichts-Prinzip und erkläre, welche Bedeutung die Myelinisierung und die saltatorische Erregungsleitung für die axonale Weiterleitung von Aktionspotenzialen haben.

Alles-oder-nichts-Prinzip: Das Alles-oder-nichts-Prinzip besagt, dass ein Aktionspotenzial nur dann ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert des Membranpotenzials erreicht wird, welcher bei ca. -55 mV liegt. Wird dieser Schwellenwert erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Na\textsuperscript{+}-Kanäle und eine schnelle Depolarisation folgt. Dies führt zu einem vollständigen Aktionspotenzial unabhängig von der Stärke des ursprünglichen Reizes. Ist der Reiz jedoch unterhalb des Schwellenwerts, wird kein Aktionspotenzial ausgelöst, unabhängig davon, wie nah der Reiz an den Schwellenwert herankommt.

Bedeutung der Myelinisierung und saltatorischen Erregungsleitung: Die Myelinisierung von Nervenfasern erhöht die Effizienz und Geschwindigkeit der elektrischen Signalübertragung entlang des Axons. Myelinscheiden sind isolierende Schichten, die von Gliazellen (z.B. Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem oder Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem) gebildet werden. Zwischen diesen Myelinscheiden befinden sich kleine, freiliegende Bereiche des Axons, die als Ranvier-Schnürringe bezeichnet werden.

• Axonaler Aufbau: Ein myelinisiertes Axon besteht aus mehreren Abschnitten, die von Myelinscheiden umgeben sind. Zwischen diesen Myelinabschnitten befinden sich die Ranvier-Schnürringe.

• Funktion der Ranvier-Schnürringe: Die Ranvier-Schnürringe spielen eine entscheidende Rolle in der saltatorischen (sprunghaften) Erregungsleitung. In diesen Bereichen ist die Dichte an spannungsabhängigen Na\textsuperscript{+}- und K\textsuperscript{+}-Kanälen besonders hoch, was eine schnelle Depolarisation und Repolarisation ermöglicht.

Bei der saltatorischen Erregungsleitung „springt“ das Aktionspotenzial von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten. Dies beschleunigt die Erregungsleitung erheblich, da das Aktionspotenzial nicht das gesamte Axon entlang wandern muss, sondern sich sprunghaft bewegt. Dies führt zu einer schnelleren und effizienteren Übertragung der Nervensignale im Vergleich zu nicht-myelinisierte Nervenfasern.

Aufgabe 2)

In der Neurobiologie spielen synaptische Übertragungen eine zentrale Rolle bei der Kommunikation zwischen Nervenzellen. Dieser Prozess kann sowohl elektrophysiologisch durch elektrische Synapsen als auch chemisch durch chemische Synapsen stattfinden. Während elektrische Synapsen direkt über Gap Junctions verbunden sind, übertragen chemische Synapsen Signale durch die Freisetzung von Neurotransmittern. Diese Neurotransmitter binden dann an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran, wodurch entweder exzitatorische oder inhibitorische Effekte ausgelöst werden. Bekannte Neurotransmitter wie Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, GABA und Glutamat spielen dabei wichtige Rollen. Die Signalübertragung wird durch verschiedene Mechanismen wie die Wiederaufnahme in die präsynaptische Zelle oder den enzymatischen Abbau der Neurotransmitter beendet.

a)

Beschreibe den Prozess der chemischen Synapse von der Freisetzung des Neurotransmitters aus der präsynaptischen Zelle bis zur Bindung an die postsynaptische Membran. Gehe dabei auf die Mechanismen ein, die zur Vesikelfusion, Freisetzung und anschließender Bindung der Neurotransmitter führen.

Lösung:

Beschreibe den Prozess der chemischen Synapse von der Freisetzung des Neurotransmitters aus der präsynaptischen Zelle bis zur Bindung an die postsynaptische Membran.

• Vesikelfusion:
  • In der präsynaptischen Nervenzelle sind Neurotransmitter in Vesikeln (kleinen Bläschen) gespeichert.
  • Ein ankommendes Aktionspotenzial führt zur Depolarisation der präsynaptischen Membran.
  • Dies bewirkt das Öffnen von spannungsabhängigen Calciumkanälen.
  • Calciumionen (Ca²⁺) strömen in die präsynaptische Zelle, was einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration verursacht.
  • Der erhöhte Calciumspiegel aktiviert Proteine wie Synaptotagmin und den SNARE-Komplex, die die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran vermitteln.
• Freisetzung:
  • Nach der Fusion der Vesikelmembran mit der präsynaptischen Membran erfolgt die Exozytose der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt.
  • Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran.
• Bindung an die postsynaptische Membran:
  • Neurotransmitter binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
  • Es gibt mehrere Arten von Rezeptoren: Ionotrope Rezeptoren (die Ionenkanäle direkt öffnen) und Metabotrope Rezeptoren (die über Second-Messenger-Systeme wirken).
  • Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren kann exzitatorische (erregende) oder inhibitorische (hemmende) Effekte auf die postsynaptische Zelle haben, je nach Art des Neurotransmitters und Rezeptors.
• Beendigung der Signalübertragung:
  • Um die Signalübertragung zu beenden und die Präzision der synaptischen Kommunikation sicherzustellen, müssen die Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt werden.
  • Dies kann durch mehrere Mechanismen geschehen: Wiederaufnahme der Neurotransmitter in die präsynaptische Zelle durch Transporterproteine oder enzymatischen Abbau der Neurotransmitter.
  • Beispielsweise wird Acetylcholin durch das Enzym Acetylcholinesterase zu Cholin und Acetat abgebaut.

b)

Erkläre den Unterschied zwischen exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmittern. Nenne jeweils zwei Beispiele und beschreibe ihre Wirkung auf die postsynaptische Zelle.

Lösung:

Unterschied zwischen exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmittern:

• Exzitatorische Neurotransmitter: Exzitatorische Neurotransmitter erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotenzial auslöst. Dies geschieht durch das Öffnen von Ionenkanälen, was zu einem Einstrom von positiv geladenen Ionen (z. B. Na⁺ oder Ca²⁺) in die postsynaptische Zelle führt und die Membran depolarisiert.
  • Beispiele:
  • Glutamat: Glutamat ist der primäre exzitatorische Neurotransmitter im Zentralnervensystem. Es bindet an glutamaterge Rezeptoren wie AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptoren und führt zur Depolarisation der postsynaptischen Zelle.
  • Acetylcholin: Acetylcholin wirkt exzitatorisch an nikotinischen Rezeptoren, insbesondere in neuromuskulären Synapsen, und führt zur Öffnung von Na⁺-Kanälen, was eine Depolarisation der Muskelzelle verursacht.
• Inhibitorische Neurotransmitter: Inhibitorische Neurotransmitter verringern die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotenzial auslöst. Dies wird meist durch das Öffnen von Kanälen für negativ geladene Ionen (z. B. Cl^-) oder durch das Öffnen von K⁺-Kanälen erreicht, was eine Hyperpolarisation der Membran verursacht.
  • Beispiele:
  • GABA (Gamma-Aminobuttersäure): GABA ist der primäre inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Es bindet an GABA_A-Rezeptoren und führt zur Öffnung von Cl^--Kanälen, was die postsynaptische Membran hyperpolarisiert.
  • Glycin: Glycin ist ein weiterer wichtiger inhibitorischer Neurotransmitter, der hauptsächlich im Rückenmark und Hirnstamm wirkt. Es bindet an glycinerge Rezeptoren, was ebenfalls zur Öffnung von Cl^--Kanälen und somit zur Hyperpolarisation der postsynaptischen Zelle führt.

c)

Angenommen, ein neuronales Netz enthält eine Synapse, bei der der Neurotransmitter Glutamat ausgeschüttet wird. Modellieren und berechnen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotenzial in der postsynaptischen Zelle ausgelöst wird, wenn die Freisetzungswahrscheinlichkeit des Neurotransmitters 0.3 und die Wahrscheinlichkeit der Bindung an ionotrope Rezeptoren 0.4 beträgt. Welche Gesamtsignifikanz hat der Neurotransmitter Glutamat in neuronalen Netzwerken?

Lösung:

Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotenzial in der postsynaptischen Zelle ausgelöst wird:

• Festgelegte Wahrscheinlichkeiten:
  • Freisetzungswahrscheinlichkeit des Neurotransmitters (P\textsubscript{Freisetzung}): 0,3
  • Wahrscheinlichkeit der Bindung an ionotrope Rezeptoren (P\textsubscript{Bindung}): 0,4
• Berechnung der Gesamtwahrscheinlichkeit: Um die Gesamtwahrscheinlichkeit dafür zu berechnen, dass ein Aktionspotenzial in der postsynaptischen Zelle ausgelöst wird, wenn Glutamat freigesetzt wird und sich an ionotrope Rezeptoren bindet, multiplizieren wir die beiden Wahrscheinlichkeiten:

  Gesamtwahrscheinlichkeit (P\textsubscript{Gesamt}) = P\textsubscript{Freisetzung} × P\textsubscript{Bindung}

  = 0,3 × 0,4

  = 0,12
• Die wahrscheinlich ist also 0,12 oder 12%, dass ein Aktionspotenzial ausgelöst wird, wenn Glutamat freigesetzt wird und sich an ionotrope Rezeptoren bindet.

Gesamtsignifikanz des Neurotransmitters Glutamat in neuronalen Netzwerken:

• Glutamat ist der häufigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und spielt eine entscheidende Rolle bei Lern- und Gedächtnisprozessen.
• Es bindet an verschiedene Rezeptoren (z. B. AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptoren), die alle zur Depolarisation der postsynaptischen Membran beitragen können, indem sie die Permeabilität für positiv geladene Ionen erhöhen.
• Als exzitatorischer Neurotransmitter sorgt Glutamat dafür, dass Nervenzellen leichter ein Aktionspotenzial auslösen können. Es ist an der Verstärkung synaptischer Verbindungen beteiligt, was als Langzeitpotenzierung (LTP) bekannt ist und eine Grundlage für neuronale Plastizität bildet.
• Eine Überaktivität von Glutamat kann jedoch zu neuronalen Schädigungen führen, was mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie und neurodegenerativen Krankheiten (z. B. Alzheimer-Krankheit) in Verbindung gebracht wird.

Aufgabe 3)

Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD) sind zwei grundlegende physiologische Prozesse, die die synaptische Übertragung in Nervenzellen verstärken beziehungsweise abschwächen. Diese Mechanismen sind entscheidend für die synaptische Plastizität, die als zelluläre Grundlage des Lernens und Gedächtnisses betrachtet wird.

• LTP: Steigerung der synaptischen Effizienz nach hoher Aktivität.
• LTD: Verringerung der synaptischen Effizienz nach niedriger Aktivität.
• LTP: Abhängig von NMDA-Rezeptoren und Ca²⁺-Einstrom.
• LTD: Meist durch AMPA-Rezeptor-Dephosphorylierung und Endozytose bedingt.
• Beide Mechanismen sind zentral für synaptische Plastizität und Lernprozesse.

a)

Erkläre den Mechanismus der Langzeitpotenzierung (LTP). Diskutiere dabei die Rolle der NMDA-Rezeptoren und die Bedeutung des Ca²⁺-Einstroms.

Lösung:

Langzeitpotenzierung (LTP) ist ein Prozess, durch den die synaptische Übertragung nach einer Phase hoher Aktivität verstärkt wird. Dies ist ein zellulärer Mechanismus, der als Grundlage für das Lernen und das Gedächtnis angesehen wird.

Der Mechanismus der LTP kann in mehreren Schritten erklärt werden:

• Aktivierung durch hohe synaptische Aktivität: LTP wird eingeleitet, wenn eine Synapse wiederholt und kräftig stimuliert wird. Dies führt zu einer starken Depolarisation der postsynaptischen Membran.
• NMDA-Rezeptoren: Bei einer starken Depolarisation der postsynaptischen Membran wird die Mg²⁺-Blockade des NMDA-Rezeptors aufgehoben. Dieser Schritt ist entscheidend, da NMDA-Rezeptoren für die LTP unverzichtbar sind. Die NMDA-Rezeptoren sind Glutamatrezeptoren, die sowohl ligandengesteuert als auch spannungsgesteuert sind.
• Ca²⁺-Einstrom: Nach der Aktivierung der NMDA-Rezeptoren strömen Kalziumionen (Ca²⁺) in die postsynaptische Zelle ein. Der Eintritt von Ca²⁺ spielt eine zentrale Rolle in der LTP, da er als sekundärer Botenstoff fungiert.
• Aktivierung von Signalwegen: Der Anstieg der Ca²⁺-Konzentration aktiviert mehrere intrazelluläre Signalwege, darunter die CaMKII (Kalzium-/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II) und die PKA (Proteinkinase A). Diese Kinasen phosphorylieren verschiedene Zielproteine, was zu strukturellen und funktionellen Veränderungen in der Synapse führt.
• Verstärkung der synaptischen Übertragung: Die phosphorylierten Zielproteine können unter anderem die Anzahl und Empfindlichkeit der AMPA-Rezeptoren in der postsynaptischen Membran erhöhen. Dies führt zu einer erhöhten synaptischen Antwort auf nachfolgende elektrische Stimulationen.

Zusammenfassend spielt der Einstrom von Ca²⁺ durch NMDA-Rezeptoren eine zentrale Rolle bei der Einleitung der Langzeitpotenzierung. Dieser Einstrom löst eine Kaskade biochemischer Reaktionen aus, die letztlich zu einer verstärkten synaptischen Übertragung und somit zu einer verbesserten synaptischen Plastizität führen.

b)

Beschreibe den biochemischen Prozess der Langzeitdepression (LTD) und erkläre, wie die Dephosphorylierung und Endozytose von AMPA-Rezeptoren zur Verringerung der synaptischen Effizienz beiträgt.

Lösung:

Langzeitdepression (LTD) ist ein Prozess, durch den die synaptische Übertragung nach einer Phase niedriger Aktivität abgeschwächt wird. Dieser Mechanismus ist ebenfalls wichtig für das Lernen und das Gedächtnis, indem er überschüssige oder ungenutzte synaptische Verbindungen abbaut.

Der biochemische Prozess der LTD kann folgendermaßen beschrieben werden:

• Induktion durch niedrige synaptische Aktivität: LTD wird eingeleitet, wenn eine Synapse wiederholt und schwach stimuliert wird, was zu einer geringeren Depolarisation der postsynaptischen Membran führt.
• Aktivierung von Glutamatrezeptoren: Bei LTD spielen AMPA- und NMDA-Rezeptoren ebenfalls eine Rolle, doch die Stärke der Stimulation reicht nicht aus, um eine signifikante Ca²⁺-Einstrom durch NMDA-Rezeptoren zu bewirken. Stattdessen wird eine moderate Erhöhung der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration beobachtet.
• Signalwege und Dephosphorylierung: Der moderate Anstieg der Ca²⁺-Konzentration aktiviert proteinphosphatasen, wie PP1 (Protein-Phosphatase 1) und PP2B (Protein-Phosphatase 2B oder Calcineurin). Diese Phosphatasen dephosphorylieren spezifische Zielproteine, einschließlich AMPA-Rezeptoren.
• Endozytose von AMPA-Rezeptoren: Die dephosphorylierten AMPA-Rezeptoren werden von der Zellmembran in das Innere der Zelle internalisiert (Endozytose). Der Prozess der Endozytose entfernt die AMPA-Rezeptoren von der postsynaptischen Membran, was zu einer Abnahme der postsynaptischen Antwort auf das freigesetzte Glutamat führt.
• Abnahme der synaptischen Übertragung: Durch den Verlust der AMPA-Rezeptoren an der postsynaptischen Membran wird die synaptische Effizienz vermindert. Dies bedeutet, dass nachfolgende elektrische Stimulationen eine geringere postsynaptische Antwort hervorrufen.

Zusammenfassend führt die LTD über die Aktivierung von proteinphosphatasen zur Dephosphorylierung und Endozytose von AMPA-Rezeptoren. Durch die Entfernung dieser Rezeptoren von der postsynaptischen Membran wird die synaptische Übertragung geschwächt, was zur Verringerung der synaptischen Effizienz beiträgt und damit die synaptische Plastizität reguliert.

Aufgabe 4)

Beschreibe den Prozess der Signaltransduktion und die Rolle der Second Messenger anhand einer Zelle, die auf ein externes Signal über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) reagiert.

a)

Erläutere, wie ein externes Signal über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) in ein intrazelluläres Signal umgewandelt wird. Gehe dabei auf die Aktivierung des Rezeptors und die Umwandlung von GDP in GTP ein.

Lösung:

Der Prozess der Signaltransduktion über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) ist ein entscheidender Mechanismus, durch den Zellen auf externe Signale reagieren. Hier ist eine detaillierte Beschreibung, wie ein externes Signal über einen GPCR in ein intrazelluläres Signal umgewandelt wird:

• Bindung des externen Signals: Das Signal (z.B. ein Hormon oder Neurotransmitter) bindet an den GPCR auf der Zellmembran. Dieser Rezeptor besteht aus sieben transmembranen Helices, die eine Konformationsänderung durchlaufen, wenn das Signal bindet.
• Aktivierung des GPCR: Die Bindung des externen Signals führt zu einer Konformationsänderung im GPCR, die seine intrazelluläre Domäne beeinflusst.
• Interaktion mit dem G-Protein: Der aktivierte GPCR interagiert mit einem heterotrimeren G-Protein, das aus drei Untereinheiten besteht: alpha, beta und gamma. Im inaktiven Zustand ist GDP an die alpha-Untereinheit gebunden.
• GDP-GTP-Austausch: Durch die Konformationsänderung des GPCR wird die Alpha-Untereinheit des G-Proteins dazu veranlasst, GDP gegen GTP auszutauschen. Dies geschieht, weil die Bindung des GPCR die Affinität der Alpha-Untereinheit für GDP verringert und die Affinität für GTP erhöht.
• Aktivierung des G-Proteins: Sobald GTP an die Alpha-Untereinheit bindet, trennt sich das G-Protein in eine aktivierte Alpha-Untereinheit (gebunden an GTP) und einen Beta-Gamma-Komplex. Beide Teile können verschiedene intrazelluläre Signalwege aktivieren.
• Signalweiterleitung: Die aktivierte Alpha-Untereinheit oder der Beta-Gamma-Komplex interagiert mit verschiedenen Effektoren, wie z.B. Adenylylcyclase oder Phospholipase C, was zur Produktion von Second Messengern wie cAMP oder IP3 führt.
• Beendigung des Signals: Die intrinsische GTPase-Aktivität der Alpha-Untereinheit hydrolysiert das gebundene GTP zu GDP, wodurch das G-Protein wieder in seinen inaktiven Zustand zurückversetzt wird. Das G-Protein reassoziiert sich dann wieder zu einem heterotrimeren Komplex, bereit für einen neuen Zyklus.

b)

Beschreibe die Rolle von cAMP als Second Messenger in diesem Signalweg. Wie wird cAMP synthetisiert und welche Enzyme werden dadurch aktiviert?

Lösung:

Die Rolle von cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) als Second Messenger in Signaltransduktionswegen, die über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) laufen, ist wichtig und vielseitig. Hier ist eine detaillierte Beschreibung der Rolle von cAMP und wie es synthetisiert wird:

• Synthese von cAMP: Wenn ein GPCR durch ein externes Signal aktiviert wird und die Alpha-Untereinheit des G-Proteins GTP gebunden hat, interagiert diese mit dem Effektorenzym Adenylylcyclase. Die Aktivierung von Adenylylcyclase erfolgt durch die Bindung der GTP-beladenen Alpha-Untereinheit. Die Adenylylcyclase katalysiert dann die Umwandlung von ATP (Adenosintriphosphat) in cAMP.
• Funktion von cAMP: cAMP fungiert als Second Messenger, der Signale innerhalb der Zelle weiterleitet und verstärkt. Es kann mit einer Vielzahl von Zielmolekülen interagieren und zahlreiche zelluläre Prozesse regulieren.
• Aktivierung von Enzymen durch cAMP: Ein Hauptzielmolekül von cAMP ist die Proteinkinase A (PKA). cAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten von PKA, was zur Freisetzung und Aktivierung der katalytischen Untereinheiten der PKA führt. Diese katalytischen Untereinheiten können dann verschiedene Substrate phosphorylieren, die unterschiedliche Zellantworten hervorrufen können.
• Signalausbreitung: Durch die Aktivierung der PKA kann cAMP indirekt zahlreiche zelluläre Funktionen beeinflussen. Dazu gehören beispielsweise die Regulation des Glykogenabbaus, die Kontrolle des Stoffwechsels, die Modulation der Genexpression und die Beeinflussung der Zellproliferation.
• Deaktivierung von cAMP: Der cAMP-Signalweg wird durch das Enzym Phosphodiesterase (PDE) fein reguliert, das cAMP in AMP (Adenosinmonophosphat) abbaut. Dadurch wird das Signal beendet und die Aktivität der von cAMP abhängigen Enzyme wird reduziert.

c)

Erkläre, wie der Second Messenger Ca²⁺ in die Signaltransduktion eingebunden wird. Gehe dabei auf die Funktion von IP₃ und die Quellen von intrazellulärem Ca²⁺ ein.

Lösung:

Der Second Messenger Calcium (Ca²⁺) spielt eine wichtige Rolle in der Signaltransduktion, insbesondere in Signalwegen, die über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) vermittelt werden. Hier ist eine detaillierte Erklärung, wie Ca²⁺ in die Signaltransduktion eingebunden wird, einschließlich der Rolle von IP₃ (Inositol-1,4,5-trisphosphat):

• Aktivierung des GPCR: Ein externes Signal bindet an den GPCR, was zu einer Aktivierung des G-Proteins führt. Die Alpha-Untereinheit des G-Proteins (insbesondere G_q) aktiviert das Enzym Phospholipase C (PLC).
• Erzeugung von IP₃: Die Phospholipase C katalysiert die Hydrolyse des Membranlipids PIP₂ (Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat) zu zwei Second Messengern: Diacylglycerol (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP₃).
• Funktion von IP₃: IP₃ diffundiert durch das Zytosol und bindet an IP₃-Rezeptoren auf dem endoplasmatischen Retikulum (ER), einem intrazellulären Ca²⁺-Speicher.
• Freisetzung von Ca²⁺: Die Bindung von IP₃ an seine Rezeptoren führt zur Öffnung von Ca²⁺-Kanälen im ER, was eine Erhöhung der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration zur Folge hat. Ca²⁺ strömt aus dem ER in das Zytosol.
• Funktion von Ca²⁺ als Second Messenger: Erhöhte Ca²⁺-Konzentrationen im Zytosol aktivieren eine Vielzahl von zellulären Prozessen. Ca²⁺ bindet an verschiedene Calcium-bindende Proteine wie Calmodulin, und diese Komplexe können dann verschiedene Enzyme und Proteine aktivieren, die für die zelluläre Antwort notwendig sind.
• Signalweiterleitung: Aktiviertes Calmodulin kann beispielsweise die Calmodulin-abhängige Proteinkinase (CaMK) aktivieren, die wiederum viele zelluläre Prozesse durch Phosphorylierung von Zielproteinen regulieren kann.
• Regulierung der Ca²⁺-Konzentration: Die Zelle reguliert die Ca²⁺-Konzentration durch verschiedene Mechanismen, einschließlich der Ca²⁺-Pumpen und -Transporter, die Ca²⁺ zurück ins ER oder aus der Zelle transportieren, um die Ruhekonzentration wiederherzustellen.
• Zusammenfassung: Zusammenfassend ist IP₃ ein entscheidender Second Messenger, der Ca²⁺ aus dem ER freisetzt, wodurch eine Kaskade von Ca²⁺-abhängigen Signalwegen aktiviert wird, die vielfältige zelluläre Antworten hervorrufen können.

d)

Berechne die Konzentration von Ca²⁺ in einer Zelle, wenn IP₃ die Freisetzung von 1 µmol Ca²⁺ pro Liter aus dem endoplasmatischen Retikulum bewirkt und die Zelle ein Volumen von 200 pL (Picoliter) hat.

Lösung:

Um die Konzentration von Ca²⁺ in einer Zelle zu berechnen, wenn IP₃ die Freisetzung von 1 µmol Ca²⁺ pro Liter bewirkt und die Zelle ein Volumen von 200 pL (Picoliter) hat, gehen wir schrittweise vor.

1. Gegebene Werte:

• Freisetzung von Ca²⁺: 1 µmol/L
• Volumen der Zelle: 200 pL

2. Umrechnung des Zellvolumens in Liter:1 Picoliter (pL) = 10^-12 LiterVolumen der Zelle = 200 pL = 200 × 10^-12 Liter = 2 × 10^-10 Liter

3. Berechnung der Menge an freigesetztem Ca²⁺ in der Zelle:Freisetzung von Ca²⁺ = 1 µmol/LMenge an Ca²⁺ in der Zelle = (1 µmol/L) × (2 × 10^-10 L)= 2 × 10^-10 µmol

4. Umrechnung der Menge an Ca²⁺ in mol:1 µmol = 10^-6 mol2 × 10^-10 µmol = 2 × 10^-10 × 10^-6 mol = 2 × 10^-16 mol

5. Berechnung der Konzentration von Ca²⁺ in der Zelle:Konzentration = Menge / VolumenKonzentration von Ca²⁺ = (2 × 10^-16 mol) / (2 × 10^-10 L)= 1 × 10^-6 mol/L = 1 µM (Mikromolar)

Die Konzentration von Ca²⁺ in der Zelle beträgt daher 1 µM.