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Calcium sensitivity of neurotransmitter release in a glutamatergic synapse of the central nervous system

Bollmann, Johann Heinrich

German Title: Die Kalziumempfindlichkeit der Überträgerstoff-Ausschüttung in einer glutamatergen Synapse des Zentralnervensystems

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Abstract

Der Signalübertragung an chemischen Synapsen liegt ein Kopplungsmechanismus zwischen dem präsynaptischen Aktionspotential und der biochemischen Überträgerstoff-Ausschüttung zu Grunde. Dabei werden Ca2+-Kanäle geöffnet und ein Freisetzungssensor Ca2+-abhängig aktiviert, der schließlich die Überträgerstoff-Ausschüttung auslöst. In der vorliegenden Arbeit wurde die Abhängigkeit der Überträgerstoff-Ausschüttung von der intrazellulären Ca2+-Konzentration ([Ca2+]) in einer glutamatergen kelchförmigen Synapse in Stammhirnschnitten der Ratte unter Verwendung photolytischer Ca2+-Freisetzungen gemessen. Um [Ca2+]-Sprünge auf einer Zeitskala sowohl hervorrufen als auch messen zu können, die der schnellen Übertragungsgeschwindigkeit von glutamatergen Synapsen vergleichbar ist, wurde ein elektrophysiologischer Messstand mit einem schnellen Fluoreszenzdetektor und einem UV-Kurzpulslaser ausgestattet. Ein deutlich messbarer Anstieg der Überträgerstoff-Ausschüttung wurde bereits bei einer homogenen Erhöhung der präsynaptischen [Ca2+] von ca. 1 µM beobachtet. Der Spitzenwert der Freisetzungsrate wuchs mit mehr als der vierten Potenz der präsynaptischen [Ca2+]-Amplitude. Ein [Ca2+]-Sprung von mehr als 30 µM löste die Aktivierung aller zur Fusion unmittelbar bereitstehenden Vesikel innerhalb von 0,5 ms aus. Die in dieser Synapse beobachtete Beziehung zwischen der Freisetzungsrate und der präsynaptischen [Ca2+] wurde mit Hilfe eines kinetischen Modells quantitativ beschrieben. Ein Vergleich der Modellvorhersagen mit Freisetzungsraten, die in denselben Synapsen während eines Aktionspotentials gemessen worden waren, ergab, dass ein kurzer Anstieg der [Ca2+] auf weniger als 10 µM ausreicht, um den physiologischen Freisetzungsverlauf zu erklären. Die synaptische Überträgerstoff-Ausschüttung reagiert somit zumindest in manchen synaptischen Systemen empfindlicher auf Ca2+ als bisher angenommen.

Translation of abstract (English)

During chemical synaptic transmission, the presynaptic action potential couples to the biochemical release process by the opening of Ca2+ channels and Ca2+-dependent activation of a release sensor that triggers the release of transmitter. Here, the dependence of transmitter release on the intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]) was determined in a glutamatergic calyx-type synapse in slices of the rat brainstem by UV-induced Ca2+ uncaging. Because of the fast speed of glutamatergic synapses, an electrophysiological setup was combined with a rapid fluorescence detection system and a short-pulsed UV laser in order to both evoke and measure uniform [Ca2+] elevations on a fast time scale. A homogeneous rise in the presynaptic [Ca2+] to 1 µM resulted in a clearly measurable increase in release. The peak release rates depended on presynaptic [Ca2+] with more than the fourth power. A [Ca2+] jump to 30 µM or more depleted the releasable vesicle pool in less than 0.5 ms. A kinetic model was devised to quantify the release rate-[Ca2+] relation measured in this synapse type. A comparison with action potential evoked release in the same synapses suggested that a brief elevation of [Ca2+] to less than 10 µM would be sufficient to reproduce the physiological release pattern. In summary, the Ca2+ sensitivity of synaptic transmitter release is, at least in some synapses, higher than previously thought.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Sakmann, Prof. Dr. Bert
Date of thesis defense: 4 July 2001
Date Deposited: 16 Jul 2001 00:00
Date: 2001
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Synapse, Exozytose, Kalzium, Blitzlicht-Photolyse, Ultraviolettlaser
Uncontrolled Keywords: Synapse , Exocytosis , Calcium , Flash-photolysis , UV laser
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