Acetylcholin und seine Wirkung auf das Herz

Acetylcholin (ACh) ist ein essenzieller Neurotransmitter, der in zahlreichen Organismen, einschließlich des Menschen, eine zentrale Rolle spielt. Es handelt sich um eine quartäre Ammoniumverbindung, die einen Ester aus Essigsäure und dem Aminoalkohol Cholin darstellt.

Entdeckung und Vorkommen von Acetylcholin

Otto Loewi wies bereits 1921 nach, dass die Übertragung von Nervenimpulsen auf das Herz durch einen chemischen Stoff erfolgt, den er zunächst als Vagusstoff bezeichnete. Später identifizierte Henry H. Dale diesen Stoff als Acetylcholin.

Acetylcholin findet sich an verschiedenen Stellen im Körper:

• Neuromuskuläre Endplatte: Hier vermittelt es die Erregungsübertragung zwischen Nerv und Muskel.
• Vegetatives Nervensystem: Es ist der Transmitter, der die Übertragung von der ersten auf die zweite Nervenzelle im Sympathikus und Parasympathikus vermittelt. Im Parasympathikus ist es zudem der Transmitter der zweiten Nervenzelle am Endorgan.
• Zentralnervensystem (ZNS): Acetylcholin spielt eine wichtige Rolle bei kognitiven Prozessen wie Lernen und Gedächtnis. Ein Mangel an Acetylcholin, wie er beispielsweise bei der Alzheimer-Krankheit auftritt, kann zu kognitiven Beeinträchtigungen führen.
• Parasympathisches Nervensystem: Hier wirkt es an allen Kontaktstellen der Neuronen.

Synthese, Speicherung und Abbau von Acetylcholin

Acetylcholin wird in den Endknöpfchen der Nervenzellen produziert. Das Enzym Cholinacetyltransferase katalysiert die Reaktion von Acetyl-CoA und Cholin zu Acetylcholin. Cholin stellt dabei den geschwindigkeitsbestimmenden Faktor der Synthese dar und kann über die Nahrung aufgenommen werden.

Das synthetisierte Acetylcholin wird in neurosekretorischen Speichervesikeln gespeichert. Diese Vesikel enthalten jeweils 5.000 bis 10.000 Acetylcholinmoleküle, was einem Quanten-Paket entspricht.

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Nach der Freisetzung in den synaptischen Spalt wird Acetylcholin schnell durch das Enzym Acetylcholinesterase abgebaut. Dabei wird die Verbindung in Essigsäure (Acetat) und Cholin gespalten. Das Cholin kann dann von den Endknöpfchen wieder aufgenommen und für die erneute Synthese von Acetylcholin verwendet werden.

Acetylcholin-Rezeptoren: Nikotinisch und Muskarinisch

Acetylcholin entfaltet seine Wirkung durch die Bindung an spezifische Rezeptoren. Es werden zwei Haupttypen von Acetylcholin-Rezeptoren unterschieden:

• Nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren (nAChR): Diese Rezeptoren werden auch durch Nikotin stimuliert. Sie kommen in verschiedenen Bereichen des Gehirns, im autonomen Nervensystem und an den motorischen Endplatten der quergestreiften Muskulatur vor. Nikotinische Rezeptoren sind ionotrope Rezeptoren, d.h. sie sind Ionenkanäle, die sich bei Bindung von Acetylcholin öffnen und so den Einstrom von Ionen ermöglichen.
• Muskarinische Acetylcholin-Rezeptoren (mAChR): Diese Rezeptoren werden durch das Pilzgift Muskarin stimuliert. Sie sind metabotrope Rezeptoren, die über G-Proteine Signaltransduktionskaskaden aktivieren. Es gibt fünf Subtypen von muskarinischen Rezeptoren (M1-M5), die in verschiedenen Geweben vorkommen und unterschiedliche Funktionen haben.

Wirkung von Acetylcholin auf das Herz

Im Herzen finden sich vor allem muskarinische Acetylcholinrezeptoren vom Typ M2. Bindet Acetylcholin an diese Rezeptoren, öffnet sich ein Kaliumkanal. Dies führt zu einem vermehrten Ausstrom von Kaliumionen (K+) aus der Herzzelle, wodurch das Membranpotential sinkt (Hyperpolarisation).

Die Aktivierung von M2-Acetylcholin-Rezeptoren im Herzen führt zu folgenden Effekten:

• Verlangsamung der Herzfrequenz (negative Chronotropie): Acetylcholin reduziert die Frequenz der Erregungsbildung im Sinusknoten, dem natürlichen Schrittmacher des Herzens.
• Verlangsamung der Erregungsleitung (negative Dromotropie): Acetylcholin verlangsamt die Überleitung der Erregung im AV-Knoten, der die Verbindung zwischen Vorhöfen und Kammern darstellt.
• Verringerung der Kontraktionskraft (negative Inotropie): Acetylcholin kann die Kontraktionskraft des Herzmuskels verringern, insbesondere in den Vorhöfen.

Diese Wirkungen von Acetylcholin auf das Herz sind Teil der parasympathischen Regulation des Herz-Kreislauf-Systems. Der Parasympathikus, auch als "Ruhenerv" bekannt, senkt die Herzfrequenz und den Blutdruck, um den Körper in einen Zustand der Entspannung und Erholung zu versetzen.

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Pharmakologische Beeinflussung des Acetylcholin-Systems

Zahlreiche Medikamente greifen in den Acetylcholin-Stoffwechsel ein oder wirken an den Acetylcholin-Rezeptoren. Diese Medikamente können die Wirkung von Acetylcholin verstärken (Cholinergika) oder hemmen (Anticholinergika).

Cholinergika (Parasympathomimetika)

Cholinergika wirken entweder direkt als Agonisten an den Acetylcholin-Rezeptoren oder erhöhen die Menge an Acetylcholin, indem sie die Acetylcholinesterase hemmen.

• Direkte Agonisten: Substanzen wie Betanechol und Pilocarpin aktivieren direkt die Acetylcholin-Rezeptoren. Sie werden beispielsweise bei Glaukom oder Blasenatonie eingesetzt.
• Cholinesterase-Hemmer: Substanzen wie Donepezil, Neostigmin und Pyridostigmin hemmen den Abbau von Acetylcholin durch die Acetylcholinesterase. Donepezil wird bei Alzheimer-Demenz eingesetzt, während Neostigmin und Pyridostigmin bei Myasthenia gravis und Blasen- bzw. Darmatonien verwendet werden.

Anticholinergika (Parasympatholytika)

Anticholinergika hemmen die Wirkung von Acetylcholin an den Muskarinrezeptoren. Sie führen zu einer Hemmung des Parasympathikus und damit zu einer Relaxation der glatten Muskulatur im Gastrointestinaltrakt und in der Blase sowie zu einer Bronchodilatation. Anticholinergika werden unter anderem zur Behandlung der überaktiven Blase, des Reizdarmsyndroms sowie von Asthma und COPD eingesetzt.

Synapsengifte und ihre Wirkung auf das Acetylcholin-System

Verschiedene Synapsengifte können die Funktion des Acetylcholin-Systems beeinflussen:

• Curare: Dieses Pflanzengift blockiert Acetylcholinrezeptoren der motorischen Endplatten und führt so zur Lähmung der Skelettmuskulatur, einschließlich der Atemmuskulatur.
• Nikotin: Wirkt wie Acetylcholin, wird aber nicht von der Cholinesterase abgebaut, was zu einer verlängerten Aktivierung der nikotinischen Rezeptoren führt.
• Alkylphosphate: Diese organischen Phosphatverbindungen hemmen die Cholinesterase irreversibel, was zu einer Akkumulation von Acetylcholin und einer Überstimulation der cholinergen Rezeptoren führt.
• Botulinumtoxin: Hemmt die Acetylcholinfreisetzung an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der Muskulatur.
• α-Latrotoxin: Dieses Gift der schwarzen Witwe führt zu einer schlagartigen Entleerung der synaptischen Bläschen, was zu einer massiven Freisetzung von Acetylcholin und potenziell zu Herzversagen führen kann.
• Muskarin: Wirkt wie Acetylcholin, wird aber nicht von der Cholinesterase abgebaut, was zu einer verlängerten Aktivierung der muskarinischen Rezeptoren führt.
• Atropin: Blockiert Acetylcholinrezeptoren in Synapsen des Herzens, der Eingeweide und des Irismuskel und kann so zu Herzstillstand führen.

Klinische Bedeutung und Störungen des Acetylcholin-Systems

Störungen des Acetylcholin-Systems können verschiedene klinische Auswirkungen haben. Ein cholinerges Syndrom, das durch eine übermäßige Stimulation des Parasympathikus ausgelöst wird, kann zu Symptomen wie Bradykardie, Hypotonie, Atemstörungen, Hautrötung und Schweißausbruch führen. Ursachen können eine Überdosierung von Cholinergika oder die Exposition gegenüber bestimmten Giften sein.

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Ein anticholinerges Syndrom, das durch eine Hemmung des Parasympathikus verursacht wird, kann zu Symptomen wie Tachykardie, trockener Haut, Mydriasis (Pupillenerweiterung), Harnverhalt und Verwirrtheit führen. Ursachen können eine Überdosierung von Anticholinergika oder die Einnahme von Medikamenten mit anticholinergen Nebenwirkungen sein.

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