Acetylcholin-führende Synapse: Funktion, Aufbau und Bedeutung

Das Nervensystem ermöglicht die Kommunikation zwischen Zellen durch Synapsen, die als Verbindungsstellen fungieren. Eine Synapse ermöglicht es einem Neuron, ein elektrisches oder chemisches Signal an ein anderes Neuron oder eine Effektorzelle weiterzugeben. Dabei spielt Acetylcholin eine zentrale Rolle.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle. Dies kann wiederum eine Nervenzelle sein, aber auch eine ganz andere wie zum Beispiel Muskel- oder Sinneszellen. Die Synapsen sorgen für die Erregungsweiterleitung durch die Umwandlung von elektrischen Informationen in chemische Informationen. Diese Synapse wird daher auch chemische Synapse genannt. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dabei läuft die Weiterleitung der Reize immer nur in eine Richtung ab. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen.

Das Neuron, welches das Signal an ein anderes Neuron sendet, wird als präsynaptisches Neuron bezeichnet, während das Neuron, das das Signal empfängt, als die Bezeichnung postsynaptisches Neuron trägt. Nervensystem: Histologie exprimiert werden. Nervensystem: Histologie ist der sogenannte synaptische Spalt. Neurotransmitter vermitteln die Interaktion zwischen den Zellen und übertragen die Signale.

Die Acetylcholin-Synapse im Detail

Acetylcholin (ACh) ist ein wichtiger Neurotransmitter, der an vielen Stellen im Nervensystem eine Rolle spielt. Eine zentrale Funktion von Acetylcholin ist deshalb die Steuerung wichtiger Körperfunktionen, wie dem Herzschlag, der Atmung oder dem Gedächtnis. Acetylcholin (engl. acetylcholine) ist ein Amin mit der Summenformel C7H16NO2. Im parasympathischen Nervensystem wirkt es an allen Kontaktstellen der Neuronen.Acetylcholin (kurz: ACh) ist ein Neurotransmitter. Das heißt, er übernimmt zentrale Aufgaben in der Erregungsübertragung. Er kommt sowohl im zentralen als auch im peripheren Nervensystem vor. Zu seinen Funktionen gehören die Vermittlung von Muskelkontraktion und Signalübertragung im vegetativen Nervensystem.

Aufbau und Funktion einer Acetylcholin-Synapse

Die Acetylcholin-Synapse besteht aus den typischen Elementen einer chemischen Synapse:

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• Präsynaptische Membran: Hier befindet sich das Endknöpfchen des Axons, das Vesikel mit Acetylcholin enthält.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen prä- und postsynaptischer Membran, durch den das Acetylcholin diffundiert.
• Postsynaptische Membran: Enthält Rezeptoren, an die Acetylcholin binden kann (Cholinerge Rezeptoren).

Chemische Vorgänge an der Synapse

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) $\rightarrow$ Spannungsänderung!
2. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen $\rightarrow$ Positivierung $\rightarrow$ Depolarisation der Membran!
4. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
5. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
7. Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
8. Acetat und Cholin $\rightarrow$ zurück zur präsynaptischen Membran $\rightarrow$ aktiv aufgenommen.
9. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin $\rightarrow$ Acetylcholin.

Acetylcholin Struktur und Synthese

Acetylcholin ist ein Ester der Essigsäure und des Aminoalkohols Cholin. Zur Synthese werden also sowohl Cholin als auch Acetyl-CoA benötigt. Acetyl-CoA ist sozusagen ein "aktivierter" Essigsäurerest, denn das angehängte Coenzym A kann die Acetylgruppe übertragen. Die Reaktion der beiden Bestandteile findet in den Endknöpfchen von Synapsen statt und wird vom Enzym Cholinacetyltransferase katalysiert. Das fertige Acetylcholin wird einen Transporter in Speichervesikeln verpackt. Der Transporter, der Acetylcholin in Vesikel einlagert, wird auch Vesikulärer Acetylcholintransporter (kurz VAChT) genannt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Antiporter, das heißt, zwei Stoffe werden in entgegesetzte Richtungen transportiert. Bei VAChT sind das Acetylcholin und Protonen. Bis es zur Erregungsübertragung benötigt wird, wird das Acetylcholin also in der Nervenzelle zwischengelagert. Bei Bedarf wird es schließlich durch Exozytose in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Cholin ist ein biogenes Amin, das heißt, es entsteht durch Decarboxylierung von Aminosäuren. Neurotransmitter gehen sehr oft auf biogene Amine zurück, so zum Beispiel auch Dopamin und Serotonin.

Cholinerge Rezeptoren: Nikotinerg und Muskarinerg

In den cholinergen Synapsen gibt es zwei Typen von Membranrezeptoren, an die Acetylcholin binden kann. Sie leiten die Erregung auf verschiedene Arten weiter.

• Muskarinerger Acetylcholinrezeptor: Dabei handelt es sich um einen G-Protein gekoppelten Rezeptor, einen sogenannten metabotropen Rezeptor. Nach der Bindung von Acetylcholin wird die Wirkung über weitere Signalmoleküle gesteuert.
• Nikotinerger Acetylcholinrezeptor: Darunter versteht du einen ligandengesteuerten Ionenkanal, einen ionotropen Rezeptor. In deinem Herzen gibt es zahlreiche muskarinische Acetylcholinrezeptoren, die sogenannten M2-Rezeptoren. Bindet Acetylcholin daran, öffnet sich ein Kaliumkanal. Dabei strömen vermehrt Kaliumionen (K+) aus der Herzzelle, wodurch das Membranpotential dort niedriger wird. Das nennst du auch Hyperpolarisation.

Nikotinerge Acetylcholinrezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Das heißt, der Rezeptor selbst funktioniert als Kanal für Ionen und öffnet sich, sobald Acetylcholin aus dem synaptischen Spalt bindet. Geöffnet können positiv geladene Natrium-, Kalium- und Calcium-Ionen passieren. Die Zelle wird depolarisiert und folglich erregt. Anders funktioniert die Signalübertragung im Fall des muskarinergen Acetylcholinrezeptors. Es handelt sich um ein G-Protein-gekoppelten Rezeptor. Abhängig von der Art des G-Proteins und ihrem Vorkommen im Körper werden auch hierbei verschiedene Typen unterschieden, die mit M1-M5 benannt werden. Bindet Acetylcholin an einen muskarinergen Rezeptor, wird ein G-Protein aktiviert, wodurch Second Messenger freigesetzt und eine Signalkaskade in Gang gesetzt wird. Als Beispiel für einen muskarinergen Rezeptor kann man sich den M2-Rezeptor, der zum Beispiel im Herzen vorkommt, ansehen. Er gehört zur parasympathischen Innervation des Herzens. Werden die M2-Rezeptoren durch Acetylcholin aktiviert, öffnet sich nach einer Signalkaskade ein Kaliumkanal, wodurch Kalium aus den erregungsbildenden Herzzellen ausströmen kann. Die Zelle hyperpolarisiert. Die Folge ist unter anderem eine erniedrigte Herzfrequenz. Das ergibt Sinn, wenn Du Dich nochmal daran erinnerst, dass der Parasympathikus dem Prinzip "rest and digest" folgt. In der klassischen Signalkaskade in den vegetativen Ganglien folgt auf die Bindung an einen M1-Cholinozeptor die Aktivierung der sogenannten Phospholipase C. Dadurch werden die Second Messenger IP3 und DAG freigesetzt, was zu Calcium-Einstrom führt. Im Gegensatz zum M2-Cholinozeptor am Herzen kommt es zur postsynaptischen Erregung.

Abbau von Acetylcholin

Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung. Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. Es steht für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung.

Acetylcholinesterase ist essenziel. Es spaltet das Acetylcholin wieder in Cholin und Essigsäure, sodass es unwirksam gemacht wird. Das Cholin gelangt über einen Transporter wieder in die Synapse. Das ist wichtig, da es benötigt wird, um wieder neues Acetylcholin zu synthetisieren. Die Acetylcholinesterase zerlegt den Neurotransmitter Acetylcholin im synaptischen Spalt in seine beiden Grundbausteine Essigsäure ("Acetyl-") und Cholin. Diese Funktion ist äußerst wichtig für die Funktion der Synapse. Wird das Enzym durch bestimmte Wirkstoffe gehemmt, kann das Acetylcholin nicht mehr abgebaut werden. Es sammelt sich im synaptischen Spalt und besetzt die Acetylcholin-Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Das Enzym hat ein zweigeteiltes aktives Zentrum, wie man gut auf der Zeichnung oben sehen kann. Im esteratischen Zentrum bindet eine OH-Gruppe einer Histidin-Seitenkette mit dem O-Atom an das positiv polarisierte C-Atom der Acetyl-Gruppe und gleichzeitig mit dem H-Atom an das negativ polarisierte O-Atom der Acetyl-Gruppe. Das Enzym Acetylcholinesterase arbeitet extrem schnell, es kann 25.000 Acetylcholin-Moleküle pro Sekunde spalten (engl.

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Wo kommt Acetylcholin vor?

Acetylcholin kommt sowohl im zentralen Nervensystem (ZNS), als auch im peripheren Nervensystem (PNS) vor. Im PNS ist Acetylcholin für die Einleitung der Muskelkontraktion relevant. Es wird über die neuromuskuläre Endplatte ausgeschüttet und gibt so das Signal an die Muskeln weiter. Neben weiteren Neurotransmittern kommt es auch im Gehirn, also im ZNS, sehr häufig vor. Dort übernimmt es verschiedene Funktionen im Zusammenhang mit Aufmerksamkeit und Lernen. Ganz besonders wichtig ist ACh auch im vegetativen beziehungsweise autonomen Nervensystem, also in Sympathikus und Parasympathikus. Sowohl im Sympathikus, als auch im Parasympathikus ist Acetylcholin der Transmitter aller präganglionären Neurone. Im Parasympathikus übernimmt er außerdem auch postganglionär die Erregungsweiterleitung. Beim Sympathikus wird diese Aufgabe hingegen fast immer von Noradrenalin übernommen. Es gibt eine Ausnahme, bei der auch in sympathischen postganglionären Neuronen Acetylcholin statt Noradrenalin verwendet wird: Die Innervation von Schweißdrüsen.

Welche Wirkung hat Acetylcholin?

dafür sorgt, dass die Botenstoffe in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Dort sorgen sie dafür, dass Ionen durch die Membran strömen können.

So oft wie Acetylcholin im Körper vorkommt, so vielfältig sind seine Funktionen. Zunächst folgt hier der Ablauf einer Erregungsübertragung mit Acetylcholin in der Synapse: Wie oben beschrieben, wartet das fertig synthetisierte Acetylcholin zunächst in Vesikel verpackt auf seinen Einsatz. Kommt nun ein Aktionspotenzial an, werden die Vesikel per Exozytose in den synaptischen Spalt entlassen. An der postsynaptischen Membran interagiert es mit verschiedenen Rezeptoren, die entsprechend auch Cholinozeptoren genannt werden. Abhängig von dem Rezeptor, an den der Neurotransmitter bindet, wird das Signal nun auf verschiedene Weise weitergeleitet. So kommt es zur Erregung oder Hemmung der anschließenden Zelle. Anschließend, je nach Rezeptor und Wirkungsort, kann Acetylcholin seine verschiedenen Funktionen entfalten. Dazu gehören:

• Einleitung der Muskelkontraktion (PNS),
• Einfluss auf Blutdruck, Herzfrequenz, Verdauung und Stoffwechsel (vegetatives Nervensystem),
• Steuerung verschiedener Gehirnaktivitäten mit Einfluss auf Aufmerksamkeit, Lernen, Erinnerungsbildung und mehr.

Bedeutung der Acetylcholin-Synapse für die Gesundheit

Störungen der Acetylcholin-Signalübertragung können zu verschiedenen Erkrankungen führen:

• Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist. Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
• Alzheimer: Bei dieser neurodegenerativen Erkrankung liegt ein Mangel an Acetylcholin vor.
• Vergiftungen: Verschiedene Substanzen können die Acetylcholinesterase hemmen und so zu einer Überstimulation der Nervenzellen führen (z.B. durch Insektizide oder Nervenkampfstoffe).
• Botulismus: Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Clostridien produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter.

Acetylcholin in der Medizin

Inzwischen wurde schon sehr viel über das sogenannte cholinerge System herausgefunden. Es ist bekannt, wie wichtig der Neurotransmitter für den Organismus ist, sodass Veränderungen oder andere Eingriffe schwere Folgen haben können. So gibt es zum Beispiel einige Krankheiten, die mit dem cholinergen System in Verbindung gebracht werden. Zu nennen ist Alzheimer, bei der ein Mangel von Acetylcholin vorliegt. Als Therapieansatz wird versucht, mit Acetylcholinesterasehemmern gegenzusteuern. Das heißt, man hemmt vorübergehend das Enzym, das Acetylcholin im synaptischen Spalt abbaut. Das stellt sicher, dass die Konzentration des Neurotransmitters hoch genug bleibt, um zu wirken.

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Ein weiterer Nutzen von Acetylcholinesterasehemmern ist der Einsatz als Gegengift für das Toxin Curare. Bekannt ist es vor allem als "Pfeilgift", das ursprünglich in Südamerika für die Jagd verwendet wurde. Es blockiert die nikotinergen Cholinozeptoren an der Muskelzellen und verhindert dadurch die Atmung. Stört man allerdings den Abbau von Acetylcholin, "konkurriert" es mit Curare wieder um die Bindungsplätze und kann es verdrängen. Auch bei Vergiftung mit Atropin werden Acetylcholinesterasehemmer eingesetzt. Genau wie Curare konkurriert es mit Acetylcholin um Bindungsstellen, diesmal jedoch an muskarinergen Rezeptoren, weshalb die Auswirkungen teilweise anders sind. Vor allem vermindert Atropin die Wirkung des Parasympathikus. Atropin ist auch in der schwarzen Tollkirsche enthalten. Auf Latein nennt man sie "Atropa belladonna". Belladonna ist Italienisch für "Schöne Frau". Der Name leitet sich vermutlich von einem früheren Verwendungszweck ab: Durch die Hemmung des Parasympathikus vergrößern sich die Pupillen. Dieser Effekt wurde gern für kosmetische Zwecke ausgenutzt.

Acetylcholinesterasehemmer können jedoch auch großen Schaden anrichten, indem die Acetylcholinesterase irreversibel gehemmt wird. Beispiele für solche Substanzen sind verschiedene chemische Kampfstoffe sowie das Insektizid Parathion. Durch sie kann das Acetylcholin nicht mehr unwirksam gemacht werden, sodass es zu einer oft tödlich Überstimulierung kommt. Auch bei der Autoimmunkrankheit Myasthenia gravis ist die Wirksamkeit von Acetylcholin reduziert. Antikörper zerstören die Cholinozeptoren der Muskelzellen. Als Folge können sie nicht mehr erregt werden und die Muskeln verlieren ihre Kontraktionsfähigkeit.

Synapsengifte und ihre Wirkung

Viele Synapsengifte wie beispielsweise manche Phosphorsäure-Ester (Tabun, Sarin, E605) hemmen die Acetylcholinesterase irreversibel und bewirken dann eine Dauererregung der postsynaptischen Membran, was dann oft zu Krämpfen, Erstickung, Herzstillstand etc.

• Curare: Pflanzengift, wird als Pfeilgift der Indianer verwendet, blockiert Acetylcholinrezeptoren der motorischen Endplatten, Tod durch Atemlähmung
• Nicotin: Gift der Tabakpflanze, wirkt wie Acetylcholin, Cholinesterase kann Nikotin nicht abbauen
• Alkylphosphate: org. Phosphorsäureester (E605), irreversibler Inhibitor der Cholinesterase, Krämpfe, Erstickung

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