Mechanische rezeptoren

Der Grund, warum wir uns selbst und die Welt um uns herum wahrnehmen können, ist den Sinneseindrücken zu verdanken – dass wir Informationen oder Reize über unsere Sinne wahrnehmen. Die Sinne sind so akzeptiert, dass wir uns ein Leben ohne sie nur schwer vorstellen können.

Es wäre, als würde man in einer ruhigen, dunklen Scheune leben. Zu den menschlichen Sinnen gehören unter anderem Sehen, Hören, Schmecken, Riechen und Tasten. Was wir Gefühl nennen, sind die Sinneseindrücke, Temperatur und Berührung. Sie sind unerlässlich, damit wir uns an eine sich ständig verändernde Umwelt anpassen und darin überleben können. Heute wird dies mit der Verleihung des Nobelpreises für Medizin oder Physiologie für die Entdeckungen gefeiert, wie Sinneseindrücke durch Temperatur und Berührung in Nervenimpulse umgewandelt werden.

 

Temperatur und Berührung sind essentiell für uns, um alltägliche Aufgaben ausführen zu können und ermöglichen es uns, unsere inneren und inneren Aufgaben zu entschlüsseln und mit ihnen zu interagieren.

externe Umgebung. Alles beginnt bei den Nerven. Bereits 1944 erhielten Joseph Erlanger und Herbert Gasser den Nobelpreis für die Entdeckung verschiedener Arten von Nervenfasern, die auf unterschiedliche Arten von Reizen reagieren. Nerven sind Teil unseres Nervensystems, von dem das Zentralnervensystem (ZNS) aus den Nerven im Gehirn und Rückenmark und dem peripheren Nervensystem (PNS) besteht, d. h. den Nerven, die vom ZNS weiter in den Rest des Körpers austreten.

Informationen von außerhalb und innen des Körpers u.a. über Temperatur, Druck, Schmerz und Bewegung/Position - auch Propriozeption genannt - führen zu Nervenimpulsen in den PNS-Nerven, die an das ZNS weitergeleitet werden. Nerven sind Bündel aus mehreren kleineren Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Neuronen haben, wie andere Zellen im Körper auch, eine Zellmembran, die eine umgebende Hülle ist. Die Zellmembran ist entscheidend dafür, dass die Zelle in der Lage ist, Moleküle entweder innerhalb oder außerhalb der Zelle zu halten.

Auf der Membran befinden sich kleine Antennen: Rezeptoren, die Empfängt Informationen und aktiviert Kanäle, die aus Proteinen bestehen, die als Tore fungieren, Ionenkanäle, die Partikel ein- oder auslassen können. Änderungen der Ionenkonzentration erzeugen in Nervenzellen ein elektrisches Signal. Auf diese Weise werden externe Informationen wie Temperatur, Berührung oder Druck in einen elektrischen Impuls umgewandelt und an das Gehirn (ZNS) gesendet.

 

Doch welche Rezeptoren auf den Nervenzellen registrieren Temperaturunterschiede und mechanische Reize, so dass sie als elektrische Impulse im Nervensystem weitergeleitet werden können?

David Julius und Ardem Patapoutian versuchten, dies zu erklären.

 

David Julius untersuchte, wie wir Temperatur wahrnehmen, indem er sich die Membranen von Zellen und die Rezeptoren ansah, die durch das Molekül Capsaicin aktiviert werden. In Julius' Experiment versuchten sie, die Rolle und den Einfluss von Capsaicin zu identifizieren, von dem Sie vielleicht gehört haben, dass es eine Substanz in Chilischoten ist und das Gefühl von Schärfe hervorruft.

Julius und seine Mitarbeiter isolierten aus Capsaicin-empfindlichen Neuronen die Gene (DNA-Fragmente), die für Rezeptoren kodierten, die auf Schmerz und Temperatur reagierten. Diese DNA-Fragmente wurden dann verwendet, um Rezeptoren in kultivierten Zellen herzustellen, die zuvor unempfindlich gegenüber Capsaicin waren. Nur eines dieser DNA-Fragmente machte diese zuvor unempfindlichen Zellen empfindlich gegenüber Capsaicin.

Dieses DNA-Fragment kodierte für den Rezeptor TRPV1 (Transient Receptor Potential cation channel subfamily V member 1). Sie fanden heraus, dass Capsaicin an den TRPV1-Rezeptor bindet und es den Zellen ermöglicht, einen Impuls zu erzeugen, der zu einem Hitzeempfinden führt. Mit fortgesetzten Forschungen über die Empfindlichkeit des Rezeptors zeigte Julius, dass der TRPV1-Rezeptor auch durch heiße Temperaturen aktiviert wird, die als schmerzhaft empfunden werden.

Diese Erkenntnis ebnete den Weg für die Entdeckung des Gegenstücks des Wärmerezeptors – des Kälterezeptors. David Julius Ardem Patapoutian und Ardem Patapoutian testeten später getrennt voneinander die chemische Substanz Menthol, die zum Kälteempfinden führte, um den Kälterezeptor TRPM8 (Transient receptor potential cation channel subfamily M member 8) zu identifizieren.

Ihre Arbeit hat zu einem besseren Verständnis darüber geführt, wie unterschiedliche Temperaturen elektrische Nervensignale hervorrufen können.

Abbildung 1: Julius' Experimente mit Capsaicin aus Chilischoten führten zur Entdeckung von TRPV1, dem Ionenkanal, der durch schmerzhafte Hitze aktiviert wird. Später wurde auch TRPM8 entdeckt, das durch Kälte aktiviert wird.

 

Ardem Patapoutian machte sich daraufhin daran, die Frage zu beantworten, wie mechanische Reize die Nervensignale auslösen können, die uns Berührung und Druck spüren lassen.

Patapoutian und seine Kollegen hatten ein Auge auf eine Zelllinie geworfen, die einen messbaren elektrischen Impuls abgab, wenn sie an der Zellmembran herumstocherten. In ihren Experimenten fanden die 72 Kandidatengene, von denen sie vermuteten, dass sie möglicherweise für einen Ionenkanal kodieren könnten, der auf Druck reagiert und möglicherweise das Tastgefühl hervorrufen könnte. Eines nach dem anderen wurden diese Gene zum Schweigen gebracht, und als 71 von 72 Genen deaktiviert wurden, gab es immer noch keine Anzeichen dafür, dass eines von ihnen mit einem Tastsinn beitragen würde.

Zu großer Überraschung stellte sich heraus, dass Gen Nummer 72 genau das begehrte Gen war. Als dieses Gen deaktiviert wurde, verschwand die Empfindlichkeit der Zelle gegenüber mechanischer Stimulation und es wurde kein elektrischer Impuls ausgelöst. Sie nannten den neu entdeckten druckempfindlichen Ionenkanal Piezo1 (Piezo kommt vom griechischen piesi für Druck) und fanden danach den eng verwandten Rezeptor Piezo2.

Sie hatten eine neue Klasse von Proteinen entdeckt, die durch mechanische Reize wie Berührung und Propriozeption aktiviert werden.

Abbildung 2: Patapoutian verwendete kultivierte druckempfindliche Zellen, um die druckempfindlichen Ionenkanäle Piezo1 und Weitere

 

Untersuchungen zeigten, dass Piezo2 für die Fähigkeit des Körpers, Berührungen auf der Haut zu spüren, sowie für die Registrierung von Muskelspannungen als Teil der Propriozeption unerlässlich ist.

Zu den weiteren lebenswichtigen Funktionen von Piezo1 und Piezo2 gehörte die Registrierung des Drucks in der Lunge, der Blase, dem Darm und den Blutgefäßen.

 

Die Entdeckungen von Patapoutian und Julius haben dazu beigetragen, besser zu verstehen, wie Wärme, Kälte und mechanische Reize Nervenimpulse auslösen können, die es uns ermöglichen, unsere Umgebung wahrzunehmen und uns an sie anzupassen. Die TRP-Kanäle sind für uns unerlässlich, um Wärme, Kälte und Schmerz zu spüren.

Der Piezo2-Kanal ermöglicht es uns, die Positionierung unseres Körpers und seine Bewegungen zu erfassen und zusammen mit Piezo1 physiologische Prozesse aufzuzeichnen. Die laufende Forschung konnte dieses Wissen nutzen, um temperatur- und mechanosensitive Ionenkanäle zu untersuchen, um mehr Wirksame Behandlungsstrategien für verschiedene Erkrankungen, zu denen beispielsweise langfristige oder chronische Schmerzen gehören.

 

Abbildungen: Nobelkomitee für Physiologie oder Medizin.

Illustrator: Mattias Karlen

Autor: Nicole Kerekes

 

Kurz über mich, der den Text geschrieben hat! Mein Name ist Nicole Kerekes und ich studiere Medizin an der Universität Göteborg. Ich hatte zwei Hauptgründe, warum ich mich für mein Programm entschieden habe. Der erste ist, dass ich schon in jungen Jahren süchtig nach Biochemie wurde. Wenn jemand neue biochemische Prozesse erklärt, ist es für mich wie beim Anschauen meiner Lieblingsserie auf Netflix, ich bin völlig hingebungsvoll.

Der zweite Grund, der mir sehr wichtig war, war, dass es an meinem Studiengang und an meiner Universität gute Forschungsmöglichkeiten gibt. Ich denke, Forschung ist das Coolste, was es gibt, sie macht die Welt zu einem interessanteren Ort. Forschung ist die Zusammenarbeit mit Menschen auf der ganzen Welt, die eine große Leidenschaft für ihre Themen und führt sowohl zur persönlichen als auch zur gesellschaftlichen Entwicklung.