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26) Sensor- (Receptor-) physiologie – Transductionsprozeß

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1. Definition des Sensors

Zuerst sei bemerkt, daß sich die Sinnesleistungen in drei Funktionsprozesse gliedern lassen:

1.) in die Sensorerregung

2.) in die Leitung und Verarbeitung von Information und

3.) in bewußte Sinneswahrnehmungen. Es wurden zwar schon alle drei Ebenen bezüglich der Sensibilität angeführt, doch auf die Transduction und Translation, die für alle Sinnessyswteme wesentlich ist, muß noch etwas genauer eingegangen werden.

.) Molekularbiologischer Receptor – darunter versteht man membranständige Molekülkomplexe, z.B. Hormonreceptoren.

.) Pharmakologische Receptoren – als Kriterium wird hier die pharmakologische Wirksamkeit herangezogen; die Molekülstruktur des Receptors muß dabei nicht bekannt sein; z. B.: nicotinartige und muscarinartige ACH-Receptoren, welche durch Nicotin bzw. Muscarin stimulierbar sind.

.) Anatomische Receptoren – darunter wird allgemein eine Sinneszelle verstanden, welche Reize aufzunehmen vermag.

.) Sinnesphysiologischer Receptor – man versteht darunter eine Zelle oder einen Teil einer Zelle, der für die Transduction (Übersetzung) von Reizen in ein Sensorpotential bzw. in nervöse Erregung verantwortlich ist. Oft handelt es sich dabei um periphere Axon- bzw. Dendritenendigungen afferenter Nervenfasern. Für Haarzellen (z.B. Zellen der cochlea – nicht neuronalen Ursprungs) trifft die Definition ebenso zu, wie z.B. für die Zäpfchen und Stäbchen der Retina. In der Haut, Viscera und in den Muskeln sind die afferenten Nervenendigungen selbst Ort der Transduction (sie können auch in Strukturen [Korpuskel der Mechanosensoren oder Muskelspindel] eingebettet sein).

Von primären Sensoren (Receptoren) spricht man z.B. beim N. olfactorius; (Die bipolare Sinneszelle ist neuronalen Ursprungs und zeigt apikal Dendriten mit Riechhaaren und basal findet man ein zum Bulbus olfactorius führendes Axon);

von sekundären Sensoren hingegen wird der Reiz an andere Zellen (Neurone) weitergegeben und erst in diesen wird ein AP generiert. Durch Mikroableitungen lassen sich Potentialänderungen feststellen. Der PC-Sensor (vater-Pacini-Körperchen) z.B. ist das Axonterminale. Denn auch nach Abtragung der Hüllzelle werden bei Druckeinwirkung Sensorpotentiale ausgebildet.

Bei der Haarzelle z.B. ist die Zelle selbst der Sensor, hier muß das Sensorpotential über Synapsen übertragen werden, weshalb man auch von sekundären Sensoren spricht.

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2. Transduction – das Sensorpotential

Die Reizenergie wird am Sensor durch Permeabilitätsänderung der Sensorenmembran zum Sensorpotential umgewandelt, genauer gesagt, verursacht sie die Entstehung des Sensorpotentials, da die Reizenergie eher eine dem Basis- oder Steuerstrom einer Triode ähnliche Funktion hat.

Bestimmte Molekülstrukturen (je nach Sensor) sprechen auf einen bestimmten (adäquaten) Reiz an, wodurch die Permeabilitätsänderung der Memmbrankanäle bewirkt wird. Es entsteht ein Ionenstrom. Diese Permeabilitätsänderung (Dg) führt zur Potentialänderung = Receptorpotential = Generatorpotential (da es in afferenten Nerven ein AP generiert) = Sensorpotential.

Bei Mechanosensoren erfolgt die Permeabilitätsänderung z.B. durch Dehnung der Membran, mit folgendem Öffnen von Membrankanälen, wodurch ein depolarisierendes Sensorpotential entsteht.

Bei Zäpfchen und Stäbchen der Retina z.B. besteht der Ionenstrom im Dunkeln, wenn ein Lichtstrahl auf die Scheibenmembran der Sensorglieder fällt, so wird dieser blockiert, wodurch in diesem Fall ein hyperpolarisierendes Sensorpotential entsteht.

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3. Eigenschaften von Sensorpotentialen

1.) Örtliches Vorkommen: Sie werden in den Nervenendigungen selbst erzeugt; die Transduction ist dabei nicht auf Na+-Kanäle beschränkt; ersichtlich bei TTX- (Tetrodotoxin) Blockierung, wodurch nur die Fortleitung von AP, nicht die Entstehung der Sensorpotentiale verhindert wird.

2.) Das Sensorpotential ist eine abgestufte Antwort. Die Größe des Reizes wird mit der Amplitude des Sensorpotentials abgebildet. Der Reiz ist aber nicht selbst die Energiequelle der Potentialänderung, sondern er dient lediglich als Steuerstrom. Mit der Transduction ist ein Verstärkungsprozeß verbunden (bereits ein Lichtquant beeinflußt nachgeschaltete Ganglienzellen meßbar).

3.) das Sensorpotential ist ein lokales Potential, das sich elektrotonisch über die Membran ausbreitet, und nicht aktiv fortgeleitet wird (vergleiche „lokale Erregung“).

4.) Sensorpotentiale können sich zeitlich und räumlich aufsummieren.

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4. Transformation von Generatorpotentialen zu AP-Folgen

Die Ausbreitung des Generatorpotentials zum 1. Schnürring (bei nicht myelinisierten Endigungen ist der Ort der Transformation unbekannt) erfolgt, wie die elektrotonische Ausbreitung synaptischer Potentiale an der Zellkörpermembran von Neuronen zum Axonhügel. Bei sekundären Sensoren sind noch synaptische Prozesse dazwischengeschaltet. Generatorpotentiale im strengeren Sinn, sind hier die postsynaptischen Potentiale (z.B. in den ganglienzellen der Retina).

Beim Generatorpotential wird die Reizgröße über die Amplitude abgebildet, im Gegensatz dazu wird die Information der AP-Serien (Alles-oder-Nichts-Gesetz) über die Frequenz abgebildet. In zentralnervösen Synapsen findet wieder eine ähnliche Umcodierung von einem lokalen Potential, dessen Amplitude variiert, zu einem fortgeleitetem Signal, dessen Frequenz sich ändert, statt. Die Umcodierung dient also der Informationsweiterleitung (ähnlich der Hochspannungstransformation bei Stromlleitungen). Ein Generatorpotential könnte nicht amplitudengetreu weitergeleitet werden, da die elektrotonische Ausbreitungt ja nicht verlustfrei ist; es kommt sogar nach den Synapsen (nach der Ausbreitung der EPSP’s bzw. IPSP’s) ein Potential mit einer kleineren Amplitude am Axonhügel an; über längere Distanzen wäre der Verlust natürlich wesentlich größer und geringste Änderungen wie sie bei biologischen Strukturen in vivo unvermeidlich sind (Längenänderungen, Temperaturänderungen…), würden den Informationsgehalt ändern.

Sogar für sehr kurze Strecken, bei der AP-Fortleitung von einem Schnürring zum nächsten, ist eine geringfügige Abnahme der Amplitude, trotz relativ guter Isolierung, zu finden (meiner Meinung nach stellt der Overshoot eine gewisse Reserve dar, welche die Sicherheit einer AP-Auslösung am nächsten Schnürring garantiert – an und für sich wäre ja auch eine Depolarisation zur Schwelle ausreichend um ein neues AP auszulösen; die Anstiegssteilheit eines Präpotentials muß in diesem Zusammenhang natürlich ebenfalls berücksichtigt werden).

Was den Begiff „Sensorische Einheit“ betrifft, so ist in Analogie zur motorischen Einheit und zur vegetativen Endstrecke, eine primäre afferente Nervenfaser samt ihrer peripheren und zentralen Endigungen gemeint (Somata im Spinalggl. bzw. in den Hirnnervenkernen).

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5. PD-Fühler; Adaption

Bezügl. „receptives Feld“ und „Innervationsdichte“ siehe Frage 25; auch zu PD-fühlern und zur Adaption wurden oben bereits Informationen gegeben, doch dazu hier noch einmal wesentliches in Kurzform:

Phasische Sensoren reagieren überproportional, wenn der Reiz rasch zunimmt – sie signalisieren die Geschwindigkeit der Reizänderung = dynamische, phasische oder Differentialantwort.

tonische Sensoren reagieren relativ unabhängig von der Geschwindigkeit der Reizänderung – sie signalisieren die Größe des Reizes = tonische, statische oder Proportionalantwort.

Adaption

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6. Zwischenfragen

  • Geben Sie mir eine Definition von „Receptor“!
  • Was versteht man unter Transduction von Reizen?
  • Welche Eigenschaften hat ein Sensorpotential?
  • Wie wird aus einem Sensorpotential ein aktionspotential?
  • Was sind PD-Sensoren und welche Adaptionseigenschaften haben sie?

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12) Receptorenwirkung – Receptorenkonzept

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1. Definition

Die Receptoren (auch als Rezeptoren bzw. Sensoren) der Sinnesorgane werden mit dem Schwerpunkt Hautreceptoren unter der Frage „Receptorphysiologie“ abgehandelt. Die Sensoren der Motorik findet man unter „Reflexe“ und die Receptoren der klassischen Sinne ebenfalls unter den jeweiligen Fragen.

Physiologische Receptoren (Sensoren) sind Zellen oder Teile von Zellen, die Reize aufzunehmen vermögen und diese dann in nervöse Erregung transducieren können.

Anatomische Receptoren sind Sinneszellen.

Molekularbiologische und pharmakologische Receptoren sind Molekülkomplexe in der Zellmembran, welche mit Hormonen, Transmitter, Medikamenten u.a. Substanzen reagieren können.

Diese Receptoren spielen nicht nur eine wichtige Rolle für die Wirkung von Hormonen, sondern sie sind auch für die Funktion von Sympathicus und Parasympathicus ausschlaggebend. Auf solche Receptoren soll daher hier näher eingegangen werden.

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2. Receptoren für Acetylcholin

Präganglionär wirkt der Transmitter Ach nicotinartig und zwar sowohl sympathisch als auch parasympathisch. Auch an der motorischen Endplatte (natürlich nicht vegetativ innerviert) wirkt Ach nicotinartig, wobei sich allerdings die Receptoren, von denen an der postsynaptischen Membran vegetativer Ganglienzellen unterscheiden; sie sind aber durch Nikotin stimulierbar.

Parasympathisch postganglionär wirkt Ach hingegen muscarinartig auf die Effectorenmembran (Muscarin – Fliegenpilzgift). Diese Wirkungen sind durch die verschiedenen Receptoren bedingt, eben durch „m- bzw. n- Cholinoreceptoren“.

Die Antagonisten zu Ach stellen eine Möglichkeit dar, die cholinergen Receptoren zu hemmen. An der motorischen Endplatte (auch der „Atemmuskulatur“) wirkt z.B. Curare (Pfeilgift der Indianer) als competitiver Antagonist (Wettbewerb um Bindungsstelle; reversieble Bindung). Die Ach-Receptoren blockierend wirkt es als Muskelrelaxans.

Cholesterinasehemmer hingegen bewirken, dass Ach nicht mit normaler Geschwindigkeit abgebaut werden kann (Ach-Konzentration steigt), wodurch z.B. die competitiven Antagonisten (Curare) wieder aus der Bindung gedrängt werden können (Aufhebung einer Muskelrelaxation; Einsatz bei Myasthenien).

Es werden reversieble und irreversible Hemmstoffe der Cholinesterase unterschieden.

Reversieble Cholinesterasehemmer sind z.B. Eserin und Neostigmin, welche zur Decurarisierung eingesetzt werden. Man bedenke, dass wenn Curare schnell entfernt wird und z.B. Neostigmin noch weiter wirkt, es zu einer sog. Recurarisierung kommen kann, da nun durch erhöhte [Ach] eine Dauerdepolarisation und somit eine erneute Lähmung möglich ist.

Zu den irreversiblen Cholesterinasehemmern gehören z.B. Alkylphosphat, Tetrastigmin oder das Parathion = E 605 (Dauerkontraktion an muskarinergen Receporen der glatten Muskulatur (z.B. der Bronchien – Erstickungsgefahr).

Neben dem Einsatz bei Myasthenia gravis oder z. B. bei Glaukom werden irreversieble Cholesterinasehemmer leider auch als Insektizide (siehe medic-Art Anhang Watschenmann) und als chemischer Kampfstoff verwendet.

Bei Glaukom (intraokuläre Druckerhöhung) werden sie eingesetzt, weil ja der Parasympathicus eine Kontraktion des M. ciliaris und des M. sphincter pupillae (Myosis) bewirkt, wodurch der Kammerwinkel vergrößert wird. Wenn therapeutisch ber Cholesterinasehemmer die Konzentration an Ach an der Effectormembran erhöht wird, kommt es dadurch eben zu einer Kammerwinkelvergrößerung und damit zu einer Druckreduzierung.

Achtung: Atropin (Visusbestimmung – {Nah-}Akkommodationslähmung) wirkt als Parasympatolytikum gegenteilig – möglicher Glaukomanfall. Die nicotinartige Wirkung von Ach auf die veg. Ganglien kann durch quartäre Ammoniumblasen (z.B. Tetraethylammoniumchlorid) blockiert werden. Die cholinerg postsynaptische, muskarinartige Wirkung von Ach auf die Effektoren kann z.B. mit Atropin (Tollkirschengift) blockiert werden (competitiver antimuskarinerger Antagonist, Parasympatholyticum). Parasympathomimetica wirken auf die Effectoren wie ganglionäre parasymp. Neurone.

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3. Receptoren für Catecholamine

Hier noch Schema zur post- und präsynaptischen Wechselwirkung zwischen NA und A

Die Überträgersubstanz der sympathischen postganglionären (eigentlich ganglionären) Neurone ist abgesehen von wenigen Ausnahmen (Schweißdrüsen und eventuell Vasodilatatorneurone zu Widerstandsgefäßen der Skeletmuskulatur) NA, sie werden daher auch (nor-)adrenerge Neurone genannt. Vom NNM wird bei Aktivierung des Sympathicus hingegen überwiegend Adrenalin (A) ausgeschüttet. Für die verschiedenen Wirkungen des Sympathicus sind nun u.a. die α- und β-Receptoren bzw. deren Verteilung wesentlich.

  • α-Receptoren (Blockierung z.B. durch Mutterkorn-Alkaloide) reagieren am stärksten auf NA, weniger stark auf A und am schwächsten auf Isoproterenol (I).
  • β-Receptoren (Blockierung z.B. durch Dichlorisoproterenol) reagieren hingegen am stärksten auf I, weniger stark auf A und am schwächsten auf NA.

Die Erregungsschwelle der α-Receptoren liegt höher (verlangen höhere Transmitterkonzentration zur Aktivierung), als die der β-Receptoren. Daher wirken i.a. geringe Dosen A vasodilatatorisch und hohe Dosen vasoconstrictorisch, denn Erregung der α-Receptoren bewirkt Kontraktion der glatten Gefäßmuskeln und die β-Receptoren sind für die Vasodilatation verantwortlich.

Bei geringer [A] werden zuerst die dilatierenden, sensibleren β-Receptoren wirksam, bei höherer [A] wirken dann auch die α-Receptoren und es kommt zur Vasokonstriction. Werden aber gleichzeitig α-Blocker appliziert, so können nur die β-Receptoren wirksam werden, wodurch es zur sog. Adrenalinumkehr – zu einer Vasodilatation kommt. Unter physiologischen Bedingungen ist für die Wirkung des Sympathicus bzw. des NNM die α-β-Receptorenverteilung am Effector entscheidend.

Die β-Receptoren des Herzens werden durch NA – im Gegensatz zu den β-Receptoren der glatten Muskulatur der Gefäße, Bronchien und Trachea stark aktiviert – daher werden sie auch als β1-Receptoren bezeichnet. Die Receptoren für Bronchien und Gastrointestinaltrakt hingegen werden β2-Receptoren genannt. Natürlich gibt es viele weiteren Möglichkeiten, die Receptoren bzw. die Wirkung des veg. NS pharmakologisch zu beeinflussen. Einige Beispiele wären: Blockierung von MAO oder COMT, Förderung der Freisetzung von NA aus den präsynaptischen Endigungen durch Amphetamine, Blockierung der NA-Freisetzung oder Synthese; Blockierung der Erregungsleitung…

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4. Zur receptorspezifischen Wirkung bei cholinerger bzw. adrenerger Aktivierung an den Effectoren

Effector cholinerg (m-Receptoren) adrenerg (α- und β-Receptoren)
Auge:
M. dilatator pupillae α Kontraktion (Mydriasis)
M. sphincter pupillae Kontraktion (Miosis)
M. ciliaris Kontraktion (Nahakk.) Relaxation (Fernakk.)
Herz:
Sinusknoten Frequenz Abnahme β Frequenz Zunahme
Vorhof Kontraktilität Abnahme β Kontraktilität Zunahme
AV-Knoten Leitungsgeschw. Abnahme Leitungsgeschw. Zunahme
Blutgefäße:
Coronargefäße Dilatation? α Constriction
Hautgefäße α Constriction
Skeletmuskel-Gefäße α Constriction; β Dilatation
Lungen-Gefäße α Constriction
Viscera-Gefäße α Constriction; β Dilatation
Speicheldrüsen-Gefäße Dilatation α Constriction
Lunge:
Bronchialmuskeln Kontraktion β Relaxation
Bronchialdrüsen Sekretion
Magen, Darm:
Motilität, Tonus Zunahme Abnahme
Sphincteren Relaxation β Kontraktion
Sekretion Stimulation
Gallenblase: Kontraktion Relaxation
Detrusor vesicae Kontraktion
Sphincter vesicae Relaxation α Kontraktion
Uterus: cyclusabhängig
Genitalien m.: Erektion Ejakulation
Genitalien w.: Erektion (Vasocon.) Transsudation
Haut:
Pilomotoren α Kontraktion
Schweißdrüsen Sekretion (symp.- cholinerg)
NNM: Sekretion (symp.- cholinerg)
Leber: β Glykogenolyse
Pancreas:
Acini Sekretion
Insel-Zellen Insulinsekretion α Hemmung der Insulinsekretion;
β Förderung der Insulinsekretion
Speicheldrüsen: wäßrige Sekretion α visköse Sekretion
Tränendrüsen: Sekretion
Fettgewebe: β Lipolyse
Juxtaglomuläre Zellen: β Reninsekretion

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5. Hormonreceptoren

Hier möchte ich noch Receptoren anführen, welche für die spezifische Wirkung der verschiedenen Hormone verantwortlich sind. Man unterscheidet intracelluläre (cytoplasmatische, nukleäre), von membranständigen Receptoren. Der intracelluläre Hormonreceptorkomplex übt eine direkte genomische Wirkung aus. Bei Informationsübertragung über plasmamembranständige Receptoren ist meist ein zweiter Botenstoff (second messenger) vorhanden. Z.B. kann der membranständige Receptor bei Aktivierung durch ein Hormon eine Adenylatcyclase aktivieren, diese dephosphoryliert und cyclisiert dann ATP zu dem second messenger, c-AMP. Weitere second messenger sind c-GMP, Calmodulin, Phosphoinositol… übrigens ist z.B. auch an der adrenergen Wirkung der β-Receptoren c-AMP als second messenger beteiligt. NA ist nicht nur postggl. sympathischer Transmitter, sondern auch Hormon. Bezüglich der membranständigen Hormonreceptoren kann man sagen, dass übber eine spezifische Hormonbotschaft ein spezifischer Receptor aktiviert wird, der unspezifische Mechanismen in Gang setzt (second messenger), welcher die Zellen zu spezifischen Leistungen anregt.


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6. Zwischenfragen

  • Was weiß man über die Wirkung der α-Receptoren?
  • Was weiß man über die Wirkung der β-Receptoren?
  • Was sind muscarinische und nicotinische Receptoren?
  • Erklären Sie die Blockierung der Receptoren!
  • Wie kommt es zur Muskelrelaxation?
  • Was ist Atropin?

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