Bio-Nervenzellgifte: Aufgaben, Wirkungsweisen und Beispiele

Einleitung

Nervenzellen kommunizieren miteinander über spezialisierte Kontaktstellen, die Synapsen. Diese Strukturen sind essenziell für die neuronale Verschaltung und Verrechnung von Informationen im Nervensystem. Synapsengifte, auch Neurotoxine genannt, sind Substanzen, die diese synaptische Übertragung gezielt stören können. Dieser Artikel beleuchtet die Aufgaben der Synapsen, die Wirkungsweisen verschiedener Synapsengifte und gibt Beispiele für bekannte Neurotoxine.

Die Synapse: Schaltstelle der Nervenkommunikation

Die Synapse ist eine spezialisierte Verbindungsstelle zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und Effektorzellen, wie Muskelzellen. Die neuronale Verschaltung und Verrechnung erfolgt über zwei grundlegende Synapsentypen: erregende und hemmende Synapsen.

Aufbau und Funktion der Synapse

Die chemische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Präsynaptische Endigung: Hier befinden sich Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Bei Erregung werden diese Neurotransmitter ausgeschüttet.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran. Die Neurotransmitter diffundieren durch diesen Spalt.
• Postsynaptische Membran: Enthält Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden und so ein Signal in der Empfängerzelle auslösen.

Arten von Synapsen

Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, darunter:

• Chemische Synapsen: Die Signalübertragung erfolgt durch Neurotransmitter.
• Elektrische Synapsen (Gap Junctions): Diese zeichnen sich durch eine besonders schnelle Signalübertragung aus. Sie kommen vor allem in der Netzhaut, im Herzmuskel und im Großhirn vor. Die Struktur der elektrischen Synapse basiert auf speziellen Proteinkomplexen, den Connexinen. Diese bilden Kanäle, durch die Ionen und kleine Moleküle direkt von einer Zelle zur anderen gelangen können. Die Besonderheit der elektrischen Synapsen liegt in ihrer bidirektionalen Übertragungsfähigkeit.
• Erregende Synapsen: Diese lösen ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) aus und führen zur Depolarisation der Zellmembran. Bei der erregenden Synapse wird durch Transmitter wie Acetylcholin eine Depolarisation ausgelöst.
• Hemmende Synapsen: Die Bindung des Neurotransmitters führt zu einer Hyperpolarisation der Postsynapse. Solche mit hemmender Wirkung hyperpolarisieren durch Öffnen der Kalium- und Chlorid-Kanäle der postsynaptischen Membran.

Neuronale Verrechnung: Räumliche und Zeitliche Summation

Die neuronale Verrechnung, insbesondere die zeitliche und räumliche Summation, ist ein fundamentaler Mechanismus für die Informationsverarbeitung im Nervensystem. Bei der Verrechnung an Synapsen werden mehrere Eingangssignale zusammengefasst.

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• Räumliche Summation: Gleichzeitig eintreffende Signale verschiedener Synapsen werden addiert.
• Zeitliche Summation: Mehrere kurz nacheinander eintreffende Signale einer Synapse werden summiert.

Die Verrechnung von Potentialen wird durch Neurotransmitter gesteuert. Erregende Synapsen führen zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran, während hemmende Synapsen eine Hyperpolarisation bewirken.

Synapsengifte: Störung der Signalübertragung

Synapsengifte (Neurotoxine) sind Substanzen, die gezielt die synaptische Übertragung stören. Synapsengifte werden sowohl von einigen Pflanzen- als auch Tierarten produziert. Die Wirkungsweise eines Neurotoxins im Körper hängt vom Wirkort in der Synapse ab. Synapsengifte entfalten ihre Wirkung an unterschiedlichen Orten: Sie können an der Präsynapse, der Postsynapse oder dem synaptischen Spalt wirken.

Angriffspunkte von Synapsengiften

Synapsengifte können an verschiedenen Stellen der Synapse angreifen und die Signalübertragung beeinflussen:

• Präsynaptische Membran: Hier befinden sich Calciumionenkanäle. Das Gift der schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) führt zum Beispiel dazu, dass übermäßig viele Calciumionen einströmen. Dadurch kommt es zur Entleerung aller vorhandenen Vesikel in den synaptischen Spalt. So wird die nachfolgende Nervenzelle dauerhaft aktiviert (= Dauererregung), was zu Muskelkrämpfen führt.
• Vesikelfusion: Das Bakteriengift Botulinumtoxin (Botox) verhindert die Vesikelfusion und somit die Ausschüttung von Acetylcholin. Es wirkt vor allem in Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen statt. So kann der Neurotransmitter Acetylcholin dort nicht freigesetzt werden.
• Synaptischer Spalt: Im synaptischen Spalt gibt es Enzyme, die die Neurotransmitter abbauen, um deren Wirkungsdauer zu regulieren. Ein konkretes Beispiel ist das Enzym Acetylcholinesterase, das Acetylcholin abbaut. Synapsengifte aus der Gruppe der Alkylphosphate hemmen die Aktivität dieses Enzyms.
• Postsynaptische Membran: In der postsynaptischen Membran gibt es Acetylcholinrezeptoren, an die im Regelfall Acetylcholin bindet. Infolgedessen öffnen sich Natriumkanäle und Natriumionen strömen ein, ein neues Aktionspotenzial wird ausgelöst und somit wird das Nervensignal weitergeleitet. Das Gift des Kugelfischs, Tetrodotoxin (TTX), blockiert die Natriumkanäle dauerhaft. So wird eine Weiterleitung des Aktionspotenzials verhindert, Muskelzellen werden nicht aktiviert. Lähmungserscheinungen sind die Folge. Curare blockiert hingegen die Acetylcholinrezeptoren. So kann Acetylcholin aus dem synaptischen Spalt nicht binden und eine Weiterleitung des Aktionspotentials wird ebenfalls unterbunden. Auch hier sind Lähmungen die Folgeerscheinung. Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs, Batrachotoxin, hat hingegen eine gegenteilige Wirkung. Es bindet zwar ebenfalls an die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran, führt allerdings zu einer permanenten Aktivierung. Die Natriumkanäle bleiben durchgehend geöffnet und die Muskelzellen werden übermäßig aktiviert.

Bekannte Synapsengifte und ihre Wirkungen

Hier eine Übersicht über einige bekannte Synapsengifte und ihre spezifischen Wirkmechanismen:

• Curare: Ein Pfeilgift aus Südamerika, das die Acetylcholinrezeptoren an den motorischen Endplatten blockiert. Es konkurriert mit Acetylcholin um die Bindungsstellen, aktiviert den Rezeptor aber nicht, was zu einer schlaffen Muskel Lähmung und Atemstillstand führt. Curare ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene Substanzen, die von der indigenen Bevölkerung Südamerikas als Pfeilgift für die Jagd genutzt werden. Es wird aus eingedickten Extrakten von Rinden und Blättern verschiedener südamerikanischen Lianenarten hergestellt.
• Botulinumtoxin (Botox): Wird vom Bakterium Clostridium botulinum produziert und verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin an der Synapse, indem es die Vesikelfusion behindert. Dies führt zu einer Lähmung der Muskeln.
• α-Latrotoxin: Das Gift der Schwarzen Witwe bewirkt eine schlagartige Entleerung der Acetylcholinbläschen in der Präsynapse, was zu starken Muskelkrämpfen und Herzversagen führen kann.
• Tetrodotoxin (TTX): Das Gift des Kugelfisches blockiert spannungsgesteuerte Natriumkanäle und verhindert so die Erregungsleitung in Nerven- und Muskelzellen.
• Batrachotoxin: Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs verhindert das Schließen der Natriumkanäle an der Synapse, was zu einer dauerhaften Aussendung von Signalen und Muskel Lähmungen führt.
• Muskarin: Ein Pilzgift, das wie Acetylcholin an den Rezeptoren der Synapse wirkt, aber nicht abgebaut wird. Dies führt zu einer dauerhaften Weitergabe von Signalen und Symptomen wie Sehstörungen, Tränen- und Speichelfluss.
• Atropin: Ein Gift der Tollkirsche, das die Acetylcholinrezeptoren blockiert und verschiedene Wirkungen wie Beschleunigung der Herzfrequenz, Verringerung der Schweiß- und Speichelbildung sowie Hemmung der Verdauungstätigkeit hervorruft.

Beispiele für Synapsengifte und ihre Wirkungen

Gift	Quelle	Wirkungsweise	Symptome
Curare	Südamerikanische Lianen	Blockiert Acetylcholinrezeptoren	Schlaffe Muskel Lähmung, Atemstillstand
Botulinumtoxin	Clostridium botulinum	Verhindert die Freisetzung von Acetylcholin	Muskel Lähmung, Schluck-, Sprech- und Sehstörungen
α-Latrotoxin	Schwarze Witwe	Bewirkt schlagartige Entleerung der Acetylcholinbläschen	Starke Leibschmerzen, Schweißausbrüche, Krämpfe
Tetrodotoxin	Kugelfisch	Blockiert Natriumkanäle	Lähmungserscheinungen, Atemprobleme, Kreislaufversagen
Batrachotoxin	Schrecklicher Pfeilgiftfrosch	Verhindert das Schließen der Natriumkanäle	Muskel- und Atem Lähmungen
Muskarin	Fliegenpilz, Trich­ter­lin­ge und Riss­pil­ze	Wirkt wie Acetylcholin, wird aber nicht abgebaut	Seh­stö­run­gen, Tränen-​ und Spei­chel­fluss, Schweiß­se­kre­ti­on, Er­bre­chen, Durch­fall, Magen-​Darm-​Störungen
Atropin	Schwarze Tollkirsche	Blockiert Acetylcholinrezeptoren	Beschleunigte Herzfrequenz, Verringerung der Schweiß- und Speichelbildung, Hemmung der Verdauung, Halluzinationen
Alkylphosphate	Pflanzenschutzmittel, Kampfgas	Hemmen Cholinesterase, was zu einer Akkumulation von Acetylcholin führt	Muskelkrämpfe, Atemlähmung

Bedeutung für Medizin und Forschung

Synapsengifte sind nicht nur gefährliche Substanzen, sondern auch wertvolle Werkzeuge für die medizinische Forschung. Sie helfen, die komplexen Prozesse der synaptischen Übertragung besser zu verstehen und neue Therapieansätze für neurologische Erkrankungen zu entwickeln. Darüber hinaus werden einige Synapsengifte, wie Botulinumtoxin, in stark verdünnter Form therapeutisch eingesetzt, beispielsweise zur Behandlung von Muskelspasmen oder zur Faltenreduktion (Botox).

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