Natrium-, Kalium- und Calciumkanäle

Nervenimpulse bestehen aus einer Welle transienter Membrandepolarisation/Repolarisation, die die Nervenzelle durchquert und als Aktionspotential bezeichnet wird. Wie wir in Kapitel 9, Natrium und Kalium – Kanäle und Pumpen, Alan Hodgkin und Andrew Huxley 1952 gezeigt haben, demonstrierten Alan Hodgkin und Andrew Huxley, dass eine Mikroelektrode, die in das Riesenaxon (den langen Prozess, der vom Körper einer Nervenzelle ausgeht) des Tintenfischs implantiert ist,3 ein solches Aktionspotential aufzeichnen kann (Hodgkin und Huxley, 1952, Abb. 9.1). An der Anregungsschwelle beginnen sich Na + -Kanäle zu öffnen, gefolgt von der anschließenden Öffnung von K + -kanälen. Wenn Na + -Ionen eintreten, verlassen K + -Ionen die Zelle. Das Ergebnis ist, dass in den ersten ~ 0,5 ms das Membranpotential vom Ruhepotential von etwa -60 mV auf etwa + 30 mV ansteigt. Die Na + -Kanäle werden nun feuerfest, und kein Na + mehr tritt in die Zelle ein, während K + die Zelle weiterhin verlässt, was zu einer schnellen Repolarisation führt, wodurch das Membranpotential das Ruhepotential (Hyperpolarisation) überschreiten kann, bevor es sich auf seinen Anfangswert erholt. Die spannungsgesteuerten Na + – und K + -Ionenkanäle über die axonalen Membranen erzeugen die Aktionspotentiale (im Wesentlichen elektrochemische Gradienten), die den Informationstransfer ermöglichen und auch die Zellfunktion regulieren.Säugetierneuronen exprimieren ein großes Repertoire an spannungsabhängigen Ionenkanälen (VDICs), die eine Fülle von Zündverhalten über einen weiten Bereich von Stimuli und Zündfrequenzen aufweisen, wodurch die intrinsischen elektrischen Eigenschaften und die schnelle Verarbeitung und Übertragung von synaptischen Signalen in Säugetierneuronen sichergestellt werden. Die meisten VDICs sind selektiv für Na + -, K + – und Ca2 + -Ionen und befinden sich an bestimmten Stellen im neuronalen Zellkörper, in Dendriten und Axonen. Die selektive Platzierung spezifischer VDIC-Typen an präzisen Stellen in Säugetierneuronen und ihre dynamische Regulation über lokale Signalwege ermöglichen die Komplexität der neuronalen Funktion, die der Gehirnfunktion zugrunde liegt.

Säugetier-Kalium-VDICs (Kv-Kanäle) bestehen aus tetrameren Anordnungen von sechs Transmembran-α-Untereinheiten, die jeweils mit einer zusätzlichen β-Untereinheit assoziiert sind. Das menschliche Genom enthält insgesamt 40 Gene, die für Kalium-Kv-Kanal-α-Untereinheiten kodieren. Einige dieser Gene erzeugen Nachrichten, die alternativem Spleißen unterliegen. Im Säugetiergehirn ist die Expression vieler dieser Kv-Kanal-α-Untereinheiten auf Neuronen beschränkt, obwohl Gliazellen eine Teilmenge des neuronalen Repertoires exprimieren können. Kv-Kanäle gehören zu den unterschiedlichsten Mustern der subzellulären Segregation. Kv1-Kanäle sind überwiegend in Axonen lokalisiert. Kv1-Kanäle befinden sich vorwiegend auf Axonen und Nervenenden, Kv2-Kanäle auf den Zellkörpern und Dendriten, Kv3-Kanäle in dendritischen oder axonalen Domänen, abhängig von der Untereinheit und dem Zelltyp, und Kv4-Kanäle sind in dendritischen Membranen des Zellkörpers konzentriert.

Wie wir in Kapitel 9, Natrium– und Kaliumkanäle und Pumpen, gesehen haben, bestehen Natriumkanäle (Nav-Kanäle) aus einer porenbildenden α-Untereinheit, die für die funktionelle Expression ausreicht, verbunden mit zusätzlichen β-Untereinheiten, die sowohl die Kinetik als auch die Spannungsabhängigkeit des Kanal-Gating des Kanals modifizieren. Es sind neun Säugetier-Nav-Kanal-Isoformen bekannt, von denen Nav1.1 und Nav1.3 überwiegend in neuronalen Zellkörpern und proximalen Dendriten lokalisiert sind, wo sie die neuronale Erregbarkeit steuern und die Schwelle für die Initiierung und Ausbreitung des Aktionspotentials auf die dendritischen und axonalen Kompartimente festlegen. Nav1.2 wird überwiegend in unmyelinisierten Axonen exprimiert, wo es Aktionspotentiale leitet. Nav1.6 befindet sich prominent an Knoten von Ranvier, wo es Aktionspotentiale ausbreitet, und an Axon-Anfangssegmenten, wo Aktionspotentiale initiieren. Die Modulation von Nav1-Strömen ist zweifellos in vivo wichtig, und Mutationen, die die Nav1-Kanalfunktion subtil verändern, können zu menschlichen Erkrankungen der Übererregbarkeit wie Epilepsie führen.

Calciumkanäle (Cav-Kanäle) vermitteln den Calciumzufluss in neuronalen Zellen als Reaktion auf die Membrandepolarisation und vermitteln eine Vielzahl intrazellulärer Prozesse wie die Aktivierung von calciumabhängigen Enzymen, die Gentranskription und die Exozytose / Sekretion von Neurotransmittern. Ihre Aktivität ist eine wesentliche Voraussetzung für die Kopplung elektrischer Signale in der neuronalen Plasmamembran an physiologische Vorgänge innerhalb der Zellen. Die biochemische Charakterisierung nativer Hirnkavitationskanäle ergab, dass es neben der großen α1-Hauptuntereinheit auch zahlreiche Hilfsuntereinheiten gibt. Die α1-Untereinheit ist die größte und wichtigste Untereinheit, die die Ionenleitungspore, den Membranspannungssensor und die Angussvorrichtung enthält. Im Nervensystem von Säugetieren wurden eine Reihe verschiedener α1-Untereinheiten identifiziert und charakterisiert, die jeweils spezifische physiologische Funktionen und elektrophysiologische und pharmakologische Eigenschaften aufweisen.