Quantenanalyse an der Synapse: präsynaptisch oder postsynaptisch?
In einem Oberstufenpraktikum wird die Übertragung an einer cholinergen Synapse mit intrazellulärer Ableitung untersucht. Bei Reizung des präsynaptischen Neurons entstehen bei 1 mmol/L Ca²⁺ im Bad EPSPs mit einer Amplitude von 2,0 mV. Ohne Reiz werden spontane Miniatur-Potentiale (mEPSPs) von 0,4 mV registriert. Substanz A (10 µmol/L) senkt das reiz-evozierte EPSP auf 0,4 mV, die mEPSPs bleiben bei 0,4 mV. Substanz B (10 µmol/L) senkt das EPSP auf 1,0 mV und die mEPSPs auf 0,2 mV. Wird bei Anwesenheit von A die Ca²⁺-Konzentration im Bad auf 4 mmol/L erhöht, steigt das EPSP wieder auf 1,6 mV, während die mEPSP-Amplitude unverändert 0,4 mV beträgt. Ein Mitschüler behauptet, beide Substanzen seien postsynaptische Blocker, weil in beiden Fällen das EPSP kleiner wird. Die Ruhemembranleitfähigkeit und der Eingangswiderstand der Muskelfaser bleiben in allen Versuchen konstant.
1. Berechnen Sie den Quanteninhalt m für Kontrolle, Substanz A und Substanz B und entscheiden Sie, ob die Substanzen prä- oder postsynaptisch wirken. Begründen Sie mit dem Quantenkonzept.
Read the worked answer
Rechnung: m = Amplitude des evozierten EPSP / Amplitude des mEPSP.
- Kontrolle: 2,0 / 0,4 = 5
- Substanz A: 0,4 / 0,4 = 1
- Substanz B: 1,0 / 0,2 = 5
Deutung: Ein mEPSP entspricht der Freisetzung eines einzelnen Vesikels; seine Amplitude ist ein Maß für die Quantengröße, also für die Zahl der Rezeptoren und deren Leitfähigkeit. m ist die Zahl der pro Aktionspotential freigesetzten Vesikel.
Substanz A senkt m von 5 auf 1, lässt die Quantengröße aber unverändert. Die Freisetzungswahrscheinlichkeit bzw. die Zahl funktioneller Freisetzungsorte ist reduziert – das ist ein präsynaptischer Angriffspunkt.
Substanz B lässt m bei 5, halbiert aber die Quantengröße. Jedes Vesikel enthält gleich viel Acetylcholin, erzeugt aber nur noch den halben Strom – die postsynaptische Empfindlichkeit ist gesunken (weniger Rezeptoren, geringere Einzelkanalleitfähigkeit oder Kanalblock).
Fazit: Die Behauptung des Mitschülers ist falsch. Beide Substanzen senken das EPSP, aber über verschiedene Mechanismen; unterscheidbar ist das nur über die mEPSPs. Voraussetzung ist, dass mini-Ereignisse und evozierte Ereignisse unter denselben Bedingungen (gleiches Membranpotential, keine Desensibilisierung) gemessen wurden.
2. Erklären Sie den Effekt der Ca²⁺-Erhöhung bei Anwesenheit von Substanz A und leiten Sie ab, welcher Schritt der Transmitterfreisetzung betroffen ist.
Read the worked answer
Befund: Bei 1 mmol/L Ca²⁺ und Substanz A ist m = 1; bei 4 mmol/L Ca²⁺ steigt das EPSP auf 1,6 mV, also m = 4, während die mEPSP-Amplitude bei 0,4 mV bleibt. Die Quantengröße ist also unverändert, nur die Freisetzung erholt sich.
Interpretation: Die Freisetzungswahrscheinlichkeit hängt steil von der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration ab, weil mehrere Ca²⁺-Ionen an den Sensor Synaptotagmin binden müssen (kooperative Abhängigkeit,Hill-Koeffizient > 1). Steigt das Ca²⁺-Angebot von außen, können Ca²⁺-Kanäle trotz Blockade mehr Ca²⁺ einströmen lassen, oder ein kompetitiver Antagonist am Ca²⁺-Sensor wird verdrängt. Beides erklärt die teilweise Wiederherstellung.
Angriffspunkt: Substanz A greift in die Ca²⁺-abhängige Vesikelfusion ein – am wahrscheinlichsten an spannungsgesteuerten Ca²⁺-Kanälen der Präsynapse (z. B. partieller Block) oder am Ca²⁺-Sensor. Eine Wirkung am postsynaptischen Rezeptor ist ausgeschlossen, weil mEPSPs unverändert bleiben.
Einschränkung: Die Erholung ist unvollständig (1,6 statt 2,0 mV). Das spricht gegen eine einfache kompetitive Verdrängung und eher für einen nicht-kompetitiven oder partiell kompetitiven Mechanismus. Alternativ könnte A die Aktionspotential-Amplitude in der Präsynapse senken; dann würde eine höhere Ca²⁺-Konzentration ebenfalls teilweise kompensieren. Zur Abgrenzung müsste man das präsynaptische Aktionspotential direkt ableiten.
3. Prüfen Sie, ob Substanz B ein kompetitiver Antagonist des Acetylcholin-Rezeptors sein kann, und schlagen Sie ein Experiment vor, das Ihre Hypothese entscheidet.
Read the worked answer
Vereinbarkeit: Ein kompetitiver Antagonist besetzt die Ligandenbindungsstelle, ohne den Kanal zu öffnen. Bei gleicher Acetylcholinmenge pro Vesikel sind dann weniger Rezeptoren frei; die postsynaptische Antwort pro Vesikel sinkt. mEPSP-Abnahme bei konstantem m ist damit vereinbar.
Aber nicht eindeutig: Dieselbe Signatur entsteht, wenn weniger Acetylcholin pro Vesikel gespeichert wird (präsynaptisch, z. B. gehemmte Beladung der Vesikel), oder wenn B die Kanäle offen blockiert (nicht-kompetitiv). Die mEPSP-Amplitude allein lokalisiert den Angriffspunkt daher nicht sicher – im Gegensatz zu Substanz A, bei der die Präsynapse belegt ist.
Entscheidendes Experiment: Eine Dosis-Wirkungs-Kurve für Acetylcholin (oder ein nicht hydrolysierbares Analog wie Carbachol), aufgetragen gegen die hervorgerufene Stromstärke, jeweils mit und ohne B.
- Kompetitiver Antagonist: Die Kurve wird nach rechts verschoben (EC50 steigt), die maximale Antwort bleibt gleich, weil sich bei sehr hoher Agonistenkonzentration alle Rezeptoren trotz Antagonist besetzen lassen.
- Nicht-kompetitiver Antagonist oder Kanalblock: Die maximale Antwort sinkt, die EC50 bleibt weitgehend gleich.
Zusatzprüfung: Lokale iontophoretische Applikation von Acetylcholin direkt auf die postsynaptische Membran umgeht die Präsynapse vollständig. Bleibt die Antwort auch dort reduziert, ist die Präsynapse als Ort ausgeschlossen.