Zellphysiologie - Modul B6 PDF

SFU MED MODUL B6 Grundlagen des Lebens Univ. Prof. Dr. Manfred Schmidbauer 24.09.2024 1 GRUNDFORMEN VON ZELLVERBINDUNGEN Figure 20-22 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) TIGHT JUNCTION = ZONUL...

SFU MED MODUL B6 Grundlagen des Lebens Univ. Prof. Dr. Manfred Schmidbauer 24.09.2024 1 GRUNDFORMEN VON ZELLVERBINDUNGEN Figure 20-22 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) TIGHT JUNCTION = ZONULA OCCLUDENS  DIE ZNS – KAPILLARE BILDET TIGHT JUNCTIONS (Ausnahme: Zirkumventrikuläre Organe mit fenestrierten Kapillaren) Aus: NEUROIMMUNE DISEASES. H. Mitoma, M. Manto Eds. Springer 24.09.2024 5 FUNKTIONELLE ZELLPOLARISATION DURCH DEN DICHTUNGSRING DER TIGHT JUNCTIONS Figure 12-18 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 20-23a, b Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) DESMOSOM Figure 20-24 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 20-27 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) GAP JUNCTION Die Verbindungskanäle zwischen benachbarten Zellen in den GAP JUNCTIONS koppeln elektrische und tw. auch metabolische Vorgänge, Zilienschlag, Oszillation u.a. und synchronisieren so die Zellfunktion im Verband. Aus: Lehrbuch Histologie. Z. Welsch und W. Kummer unter Mitarbeit von Th. Deller. Urban&Fischer Figure 20-29b Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS In elektrisch reizbaren Zellen erfolgt die elektrische Koppelung via GAP Js. Neuronale Aktionspotentiale die von chemischen Synapsen in Gang gesetzt werden können sich so in manchen Neuronen - Populationen rasch und ohne Verzögerung = synchronisiert von Zelle zu Zelle fortsetzen. (Beispiel: Ncl. suprachiasmaticus) Synchronisation von Herzmuskelzellen und glatten Muskelzellen der Darmwand. Synchronisation in Leberzellen von denen nur ein Teil neuronale Lenkungssignale erhält.  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS In elektrisch NICHT erregbaren Zellen erfolgt der Austausch von kleinen Metaboliten und Ionen via GAP Js. So werden Zellverbände in ihrer Aktivität synchronisiert und Milieuschwankungen ausgeglichen. (Beispiel: Astrozytensyncytium)  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS Synchronisation von undifferenzierten Zellen in der Embryogenese durch GAP Js. Während der Embryogenese der Vertebraten sind die meisten Zellen zunächst elektrisch gekoppelt. Sobald bestimmte Zellgruppen ihre spezifischen Eigenschaften entwickeln und mit ihrer Differenzierung beginnen, werden die GAP - Kontakte zur Umgebung abgebrochen.  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS Synchronisation von undifferenzierten Zellen in der Embryogenese durch GAP Js. Beispiel: Mit der Faltung der Neuralplatte zum Neuralrohr koppeln sich ihre Zellen vom darüber liegenden Ektoderm ab. Die Zellen innerhalb der jeweiligen Gruppen bleiben aber untereinander durch GAPs verbunden und folgen als kooperierende Einheiten ihrem identischen Entwicklungsweg.  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS GAP Js. wechseln zwischen offenem und geschlossenem Zustand. Senkung des cytosolischen Ph - Werts oder stark erhöhte Ca - Ionen - Konzentration verringern binnen Sekunden reversibel die Durchlässigkeit. D.h.: Bei Schädigung der Zellmembran treten Na - und Ca - Ionen in großer Menge ein. Wertvolle Metabolite werden dagegen nach extrazellulär verloren. Die Schließung der GAPs ist der Schotenfunktion im Schiffsrumpf vergleichbar.  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS GAP - Regulation über extrazelluläre Signale. Dopamin verringert die Kommunikation durch GAP Js. zwischen manchen Retinaneuronen als Antwort auf erhöhte Lichtintensität. Dies entspricht einem Umschaltmechanismus von Stäbchen die bei geringer Lichtstärke gut arbeiten auf Zapfenbetrieb für Farbsehen und erhöhte Sehschärfe in hellem Licht.  Nach: Molekularbiologie der Zelle. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter eds. 5. Auflage; Wiley-VCH FUNKTION VON GAP - JUNCTIONS Mutationen von Connexinen (Aufbauelemente der GAP Js.) verursachen unterschiedlichste Störungen. Unfruchtbarkeit Taubheit Grauer Star Demyelinisierungserkrankung peripherer Nerven BEISPIELE FÜR ZELLFUNKTIONEN IM VERBAND - GEWEBE Figure 20-2 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 20-36a Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 20-36b Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) KOLLAGEN, MECHANISCHES STRUKTURELEMENT IN VERSCHIEDENEN GEWEBEN Figure 20-9 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  INTEGRINE Glykoprotein - Moleküle in allen tierischen Zellen (außer Erythrozyten) Verbinden Zellen mit anderen Zellen bzw. mit der extrazellulären Matrix Bilden u.a. mit dem Glykoprotein Fibronectin eine Halterungskonstruktion für Kollagen Figure 20-15a Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 20-14 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  EHLERS – DANLOS – SYNDROM (Aufbaustörung von Kollagen oder den Kollagen – Verbindungsproteinen) Genetisch heterogen Überbeweglichkeit der Gelenke Überdehnbare Haut Figure 20-11 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) DIE HAUT – DAS GRÖSSTE ORGAN UNSERES ORGANISMUS Figure 20-33a Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 20-37 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) DIE ENDSTROMBAHN Durch die starke Zunahme des GESAMT – Durchmessers in der kapillaren Ramifikation wird der Durchfluss verlangsamt und die „Kontaktzeit“ verlängert. So entstehen ideale Bedingungen für den Substrataustausch. Präkapilläre Sphincter regulieren den Durchfluss in die Kapillare Endothelfunktion im Zirkulationssystem  Sicherung der laminären Strömung Interaktion mit Blutzellen und Plasmamolekülen Hormonsekretion Expression von immunologischen Oberflächenerkennungsmolekülen Thromboseprophylaxe Passagemodulation von immunologischen Zellen, Wasser, Substanzen zwischen Blut und angrenzenden Geweben. LERNEN UND GEDÄCHTNIS – MODELLE AUF ZELLEBENE  Prinzipien von Lernen und Wiederherstellung von Funktionen im adulten Gehirn in Gesundheit und Krankheit Dentritische/Synaptische/Axonale Plastizität Neurogenese Figure 12-31 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) SCHEMA EINER NERVENZELLE MIT PROXIMALEN ABSCHNITTEN DER DENDRITEN UND DES AXONS Aus: Lehrbuch Histologie. U. Welsch, W. Kummer unter Mitarbeit von Th. Deller. Urban&Fischer Als Neuropil bezeichnet man den zwischen den Nerven- und Gliazellen liegenden Neuronenfilz aus Dendriten, Axonen und Gliafortsätzen.  Dendritenfunktionen Empfangsstrukturen für synaptischen Input Integratorstruktur für lokale Aktivität in umschriebenen Synapsenfeldern  Synaptische Plastizität Synaptische Plastizität ist eine intrinsische Funktion von Dendriten und deren Spines. Activitätsabhängige synaptische Plastizität ist ein fundamentales Charakterisitikum von Lernen und Gedächtnis neben anderen Hirnfunktionen.  Die Majorität von Synapsen ist an Dendriten lokalisiert, die meisten excitatorischen Synapsen an den Dendritic Spines. In Dendriten und Spines sind AMPA- und NMDA-Rezeptoren lokalisiert.  AMPA – Rezeptoren und NMDA – Rezeptoren sind die verbreitetsten Neurotransmitter - Rezeptoren im Zentralnervensystem. AMPA – Rezeptoren (engl. Alpha – amino – 3 – hydroxy – 5 – methyl – 4 – isoxazolepropionic acid receptor) und NMDA – Rezeptoren (N – methyl – D – aspartat – receptor) bilden (neben Kainsäurerezeptoren) eine Untergruppe von Glutamatrezeptoren.  GLUTAMAT IM ZELLULÄREN LERNPROZESS AMPA – und NMDA – Rezeptor binden Glutamat. Am AMPA Rezeptor bewirkt dies Na+ - Einstom und so Membrandepolarisation an der postsynaptischen Zelle. Dadurch erfolgt die Öffnung des NMDA – Rezeptors, es kommt zu Ca++ - Einstrom und in dessen Folge zu vermehrter Expression von AMPA – Rezeptoren = Steigerung der Signalempfindlichkeit.  MOLEKULARBIOLOGIE DER ZELLE Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter WILEY - VCH (Übersetzung herausgegeben von U. Schäfer) Der NMDA-Rezeptor wird nur durch starke Depolarisation der Membran geöffnet. NEUROSCIENCE IN THE 21st CENTURY (Vol 1) D. W. Pfaff Springer  Lernvorgänge können die Spine-Oberfläche um bis zu 50 % vergrößern! Beginn etwa Minuten nach Stimulation, Dauer mehrere Stunden. Langzeitwirkungen sind Zunahme der Spine- Dichte bzw. Ausbildung von Spine- Bifurkationen mit struktureller Dauerhaftigkeit.  Der Plastizitätsprozess ist hoch sensitiv für ein großes Spektrum von Signalgebern Transkriptionsfaktoren Paracrine Signalmoleküle Extracelluläre Matrix Gap junctions Neurotransmitter Wachstumsfaktoren Hormone Zytokine Der NMDA-Rezeptor ist auch sensitiv für Glycin Zink Polyamide Histamin Redoxagentien Steroide Calmodulin Kinasen Phosphatasen, etc. (relevante Kandidaten in geschädigtem Gewebe?)  Hormonwirkungen Östrogen = Regulator synaptischer Verbindungen und struktureller dendritischer Plastizität im entwickelnden und reifen Gehirn.  Östrogenwirkungen Strukturelle Veränderungen in zahlreichen Hirnregionen in Abhängigkeit von fluktuierenden Östrogenspiegeln in: Verschiedenen Hypothalamuskernen Mittelhirnkernen Lateralem Septum Hippocampus  Östrogenwirkungen Effekte auf axosomatische und axodendritische Inputs Zyklusabhängige Ab- und Zunahme GABA- erger Synapsen Proliferation oder Detraktion von Gliafortsätzen im Hypothalamus.  Aus: “Hormonsensitive molekulare Mechanismen der Entwicklung des Gesangsystems“ (Diplomarbeit) Benjamin Wasmer Max – Planck – Institut für Ornithologie, Seewiesen SINGVÖGEL SINGEN MIT ABSICHT! Das Gesangssystem der Singvögel ist sexualdimorph. Am Beispiel Zebrafink beim Männchen deutlich prominent ausgebildet. Übergeordneter Gesangskern ist das „Higher Vocal Center“ (HVC)  Aus: “Hormonsensitive molekulare Mechanismen der Entwicklung des Gesangsystems“ (Diplomarbeit) Benjamin Wasmer Max – Planck – Institut für Ornithologie, Seewiesen Der HVC erhält auditorischen Input von zahlreichen Hirnarealen. Exprimiert als einziger Gesangskern Östrogenrezeptoren und ist daher östrogensensitiv. Beeinflusst die Entwicklung und Funktion nachgeschalteter Gesangskerne. Aus: “Hormonsensitive molekulare Mechanismen der Entwicklung des Gesangsystems“ (Diplomarbeit) Benjamin Wasmer Max – Planck – Institut für Ornithologie, Seewiesen Die zwei neurogenen Regionen des adulten Säugergehirns Bulbus olfactorius (Riechkolben) Hippocampus (Phylogenetisch alte Struktur im Schläfenlappen)  DIE GESCHICHTE DER ADULTEN NEUROGENESE 1960er Joseph Altman Neurogenese im Hippocampus der adulten Ratte. 1977 Joseph Altman und Michael Kaplan Zellproliferation in der Ventrikelwand produziert neue Neurone für den Bulbus olfactorius. 1990er Stammzellnachweis im adulten Gehirn 1998 Erstbeschreibung neuer Neurone im adulten Hippocampus des Menschen  Phylogenetische Entwicklungsstufen vom Igel über den Makaken zum Menschen  HIRNSCHNITTSERIE CORONAR ( = FRONTAL) Pfeil: Vorderer Hippocampus Univ. Prof. Dr. M. – C. Sora, mit freundlicher Genehmigung Re.