Bio-Nervenzellen: Gifte und ihre Auswirkungen

Einführung

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das für die Steuerung und Koordination zahlreicher Körperfunktionen verantwortlich ist. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, kommunizieren miteinander über spezielle Kontaktstellen, die Synapsen. Diese Kommunikation kann durch verschiedene Stoffe beeinflusst werden, darunter auch Gifte. Diese Gifte, oft als Neurotoxine oder Synapsengifte bezeichnet, können die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören und somit schwerwiegende Auswirkungen auf den Organismus haben. Viele Stoffe können auf das Nervensystem einwirken. Nach ihrer Wirkung unterscheidet man Narkotika, Drogen, Pharmaka und Gifte.

Grundlagen der Nervenzellfunktion

Aufbau der Nervenzelle und die Synapse

Um die Wirkungsweise von Nervenzellgiften zu verstehen, ist es wichtig, die Grundlagen der Nervenzellfunktion zu kennen. Eine Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper (Soma), Dendriten, die Signale empfangen, und einem Axon, das Signale weiterleitet. Am Ende des Axons befinden sich die Axonendknöpfchen, die Synapsen mit anderen Nervenzellen oder Muskelzellen bilden.

Die Synapse ist der Ort der Informationsübertragung zwischen zwei Nervenzellen. Sie besteht aus der präsynaptischen Membran (des sendenden Neurons), dem synaptischen Spalt und der postsynaptischen Membran (des empfangenden Neurons). Die Informationsübertragung erfolgt durch Neurotransmitter, chemische Botenstoffe, die von der präsynaptischen Zelle freigesetzt werden, den synaptischen Spalt überqueren und an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle binden.

Stofftransporte durch die Membran

Der Stofftransport durch die Zellmembran spielt eine entscheidende Rolle für die Funktion der Nervenzellen. Hierbei sind verschiedene Mechanismen beteiligt, darunter:

• Endozytose: Aufnahme von Stoffen in die Zelle durch Einstülpung der Zellmembran.
• Exozytose: Freisetzung von Stoffen aus der Zelle durch Verschmelzung von Vesikeln mit der Zellmembran.
• Phagozytose: Aufnahme von festen Partikeln in die Zelle.
• Pinozytose: Aufnahme von Flüssigkeiten in die Zelle.

Diese Transportprozesse sind wichtig für die Aufnahme von Nährstoffen, die Ausscheidung von Abfallprodukten und die Freisetzung von Neurotransmittern.

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Wie Nervenzellgifte wirken

Nervenzellgifte, auch Neurotoxine oder Synapsengifte genannt, sind Substanzen, die gezielt in den natürlichen Ablauf der Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen eingreifen. Sie können an verschiedenen Stellen der Synapse wirken und unterschiedliche Mechanismen nutzen, um die Signalübertragung zu stören. Die Wirkungsweise eines Neurotoxins im Körper hängt vom Wirkort in der Synapse ab.

Angriffspunkte und Wirkmechanismen

Nervengifte können an verschiedenen Stellen der Synapse angreifen und unterschiedliche Wirkmechanismen entfalten:

1. Beeinflussung der Neurotransmitter-Freisetzung (Präsynaptische Membran):
   • Blockade der Calciumkanäle: Einige Gifte, wie Botulinumtoxin (Botox), blockieren die calciumabhängige Freisetzung von Transmittern an der präsynaptischen Endigung. Botulinum hemmt durch seine Struktur die Acetylcholinauschüttung an der Synapse, indem sie die Calciumkanäle blockieren. Dies führt dazu, dass keine Neurotransmitter mehr freigesetzt werden können, was zu einer Lähmung der Muskulatur führt. Botulinumtoxine, Gifte der Bakterien der Gattung Clostridium, verhindern die beschriebene Vesikelfusion und somit die Ausschüttung von Acetylcholin.
   • Erhöhung des Calciumionen-Einstroms: Das Gift der Schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) führt beispielsweise dazu, dass übermäßig viele Calciumionen in die präsynaptische Membran einströmen. Dadurch kommt es zur Entleerung aller vorhandenen Vesikel in den synaptischen Spalt, was zu einer Dauererregung der nachfolgenden Nervenzelle und Muskelkrämpfen führt. Sobald α-Latrotoxin an spezifische Rezeptoren der Synapsen bindet - die Kontakte zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und Muskeln -, strömen Kalzium-Ionen unkontrolliert in die präsynaptischen Membranen der signalübermittelnden Zellen. Dies verursacht eine dauerhafte Freisetzung von Neurotransmittern, was starke Muskelkontraktionen und Krämpfe auslöst.
2. Beeinflussung der Neurotransmitter-Rezeptoren (Postsynaptische Membran):
   • Blockade der Rezeptoren: Curare wirkt als kompetitiver Hemmstoff, insbesondere bei den Natrium-gesteuerten Kanälen an der postsynaptischen Zelle. Curare hemmt den Transmitter Acetylcholin und blockiert Acetylcholin und dessen Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Dadurch können keine Natrium-Ionen in die Zelle strömen, und es kommt zu einer Erschlaffung der Muskeln. Da das Curare mit Acetylcholin um die gleiche Bindungsstelle am Rezeptor konkurriert, spricht man von kompetitiver Hemmung.
   • Nachahmung der Neurotransmitter-Wirkung: Nikotin, Meskalin, Muskarin und andere Substanzen ahmen die Wirkung von Transmittern nach, können aber nicht so wie diese abgebaut werden. Andere Stoffe, wie das Pilzgift Muscarin, aber auch Nikotin, welches in Zigaretten vorkommt, binden (ähnlich wie der Transmitter Acetylcholin) an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und wirken daher erregend. Das Problem jedoch ist, dass es nicht durch Acetylcholinesterase abgebaut werden kann und somit im Rezeptor verbleibt.
   • Verhinderung des Schließens der Natriumkanäle: Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin) bindet an den Acetylcholin-Rezeptor und verhindert dadurch das Schließen der Na+-Kanäle. Durch die durchgehend geöffneten Kanäle wird der Natriumeinstrom also erhöht, was zu einer permanenten Aktivierung der Muskelzellen führt.
3. Beeinflussung des Neurotransmitter-Abbaus (Synaptischer Spalt):
   • Hemmung der abbauenden Enzyme: Manche Antidepressiva hemmen die transmitterspaltenden Enzyme. Das Insektizid E 605 hemmt beispielsweise die Aktivität der Acetylcholinesterase, einem Enzym, das den Neurotransmitter Acetylcholin abbaut. Dadurch verbleibt Acetylcholin länger im synaptischen Spalt, was zu einer Dauererregung der Muskelzellen führt. Alkylphosphate sind beispielsweise Bestandteil von Pflanzenschutzmitteln. Sie hemmen die Cholinesterasen.
   • Verhinderung der Wiederaufnahme von Transmittern: Andere Antidepressiva, aber auch Kokain, verhindern die Wiederaufnahme von Transmittern aus dem synaptischen Spalt. Dies führt ebenfalls zu einer erhöhten Konzentration von Neurotransmittern im synaptischen Spalt und einer verstärkten Erregung der postsynaptischen Zelle.

Beispiele für Nervenzellgifte und ihre Wirkungen

• Botulinumtoxin (Botox): Verhindert die Freisetzung von Acetylcholin, was zu einer schlaffen Lähmung führt. Es wirkt vor allem in Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen statt. Im synaptischen Spalt gibt es Enzyme, die die Neurotransmitter abbauen, um deren Wirkungsdauer zu regulieren.
• Curare: Blockiert die Acetylcholinrezeptoren, was ebenfalls zu einer schlaffen Lähmung führt. Die Curare-Wirkung hat zur Folge, dass kein Signal weitergeleitet wird und die Muskeln erschlaffen. Schließlich kommt es zum Atemstillstand.
• α-Latrotoxin (Gift der Schwarzen Witwe): Führt zu einer massiven Freisetzung von Acetylcholin, was Muskelkrämpfe und eine starre Lähmung verursacht.
• Tetrodotoxin (TTX, Gift des Kugelfischs): Blockiert die Natriumkanäle, was die Weiterleitung von Aktionspotenzialen verhindert und zu einer schlaffen Lähmung führt. Tetrodotoxin blockiert die Wiederaufnahme von Neurotransmittern durch die spannungsabhängigen Na+ Kanälen, es können also keine Signale mehr weitergegeben werden, es folgt eine schlaffe Lähmung.
• Batrachotoxin (Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs): Verhindert das Schließen der Natriumkanäle, was zu einer Dauererregung und Muskelkrämpfen führt.

Medizinische und kosmetische Anwendungen von Nervenzellgiften

Trotz ihrer potenziellen Gefährlichkeit werden einige Nervenzellgifte in der Medizin und Kosmetik eingesetzt.

• Botulinumtoxin (Botox): Wird in geringen Dosen zur Behandlung von Muskelkrämpfen, Dystonien, Migräne und zur Faltenbehandlung eingesetzt. Das Neurotoxin Gesichtbehandlungen haben in den letzten Jahrzehnten stark an Popularität gewonnen.
• Atropin: Findet in der Notfallmedizin Anwendung, beispielsweise bei Vergiftungen mit bestimmten Insektiziden oder zur Behandlung von Bradykardie (verlangsamter Herzschlag). Das klassische Beispiel ist Atropin in der Notfallmedizin.

Nervenzellgifte im Alltag

Nervenzellgifte können auch im Alltag vorkommen, beispielsweise in bestimmten Lebensmitteln oder Pflanzenschutzmitteln.

• Botulinumtoxin: Kann in unsachgemäß hergestellten Fleisch- und Wurstkonserven vorkommen und zu Botulismus führen, einer schweren Lebensmittelvergiftung. Das Bakterium Clostridium botulinum kommt natürlich in Erdboden, Sedimenten und manchmal in Konserven vor. Botulismus als gefährliche Lebensmittelvergiftung tritt besonders bei unsachgemäß hergestellten Fleisch- und Wurstkonserven auf.
• Alkylphosphate: Werden als Insektizide in Pflanzenschutzmitteln eingesetzt und können bei unsachgemäßer Anwendung zu Vergiftungen führen.

Auswirkungen von Nervenzellgiften

Die Auswirkungen von Nervenzellgiften können je nach Art des Giftes, der Dosis und der Art der Exposition variieren. Zu den möglichen Auswirkungen gehören:

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• Lähmungen: Schlaffe oder starre Lähmungen der Muskulatur. Bei einer schlaffen Lähmung wird die Erregungsweiterleitung blockiert. Das heißt, eine Muskelkontraktion findet nicht statt, der Muskel bleibt schlaff. Bei einer starren Lähmung kommt es zu einer Dauererregung. Das heißt, der Muskel wird durchgängig kontrahiert; er ist starr.
• Muskelkrämpfe: Unkontrollierte Muskelkontraktionen.
• Atemstillstand: Lähmung der Atemmuskulatur.
• Herzversagen: Beeinträchtigung der Herzfunktion.
• Bewusstseinsveränderungen: Verwirrung, Halluzinationen oder Bewusstlosigkeit.
• Tod: In hohen Dosen können Nervenzellgifte tödlich sein.

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