Curare, ein Begriff, der oft mit geheimnisvollen Pfeilgiften indigener Völker Südamerikas assoziiert wird, ist weit mehr als nur ein Jagdwerkzeug. Es ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie spezifische chemische Substanzen in komplexe biologische Prozesse eingreifen können. Dieser Artikel beleuchtet die Herkunft, die Wirkungsweise und vor allem den Mechanismus von Curare auf zellulärer Ebene, insbesondere im Hinblick auf die Muskelzelle.
Einführung in Curare
Curare ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene alkaloide Gifte, die traditionell von indigenen Völkern Südamerikas als Pfeilgift verwendet wurden. Die Herstellung erfolgt aus eingedickten Extrakten von Rinden und Blättern verschiedener südamerikanischer Lianenarten. Die genauen Rezepturen variieren je nach Volksgruppe und Region. Die ersten Beschreibungen von Curare in der europäischen Medizingeschichte stammen von Charles Marie de La Condamine, einem französischen Chemiker und Geografen, der an einer Expedition zum Äquator teilnahm.
Je nach Aufbewahrungsform werden die Curare-Arten in Tubo-Curare, Topf-Curare und Calebassen-Curare unterteilt. Tubocurare wird hauptsächlich aus der Rinde von Chondrodendron tomentosum gewonnen und in Bambusröhren aufbewahrt. Calebassencurare wird aus Arten der Gattung Strychnos hergestellt und enthält Strychnosalkaloide. Topf-Curare ist typisch für die Indios des Orinoco-Beckens.
Die neuromuskuläre Synapse: Ein Schlüssel zum Verständnis
Um die Wirkung von Curare zu verstehen, ist ein Blick auf die neuromuskuläre Synapse unerlässlich. Diese Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen dem Axon eines motorischen Neurons und einer Muskelfaser. Sie ist entscheidend für die Übertragung von Nervenimpulsen, die letztendlich zu Muskelkontraktionen führen.
Aufbau und Funktion der neuromuskulären Synapse
Die neuromuskuläre Endplatte besteht aus dem präsynaptischen Nervenende, dem synaptischen Spalt und der postsynaptischen Muskeloberfläche. Aufgrund dieser anatomischen Unterschiede ist eine direkte Impulsweiterleitung nicht möglich. Stattdessen erfolgt die Übertragung durch Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter.
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- Erregungsleitung und Kalziumeinstrom: Ein Aktionspotential erreicht das synaptische Endknöpfchen des Neurons. Dies führt zur Öffnung von Kalziumkanälen in der präsynaptischen Membran, wodurch Kalziumionen in das Innere des Endknöpfchens einströmen.
- Neurotransmitterfreisetzung: Der Kalziumeinstrom löst die Fusion von synaptischen Vesikeln, die mit dem Neurotransmitter Acetylcholin gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran aus. Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Rezeptorbindung und Ionenkanäle: Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an nikotinische Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Diese Rezeptoren sind kanalbildende Ionophoren, die sich nach der Bindung von Acetylcholin öffnen und den Durchtritt von Kationen ermöglichen.
- Depolarisation und Aktionspotential: Der Einstrom von Natrium- und Kalziumionen in die Muskelzelle führt zu einer Depolarisation der Membran. Wenn das Endplattenschwellenpotential erreicht wird, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle, was zu einem Aktionspotential in der Muskelfaser führt. Dieses Aktionspotential breitet sich entlang der Muskelmembran aus und löst die Muskelkontraktion aus.
- Acetylcholinabbau: Um eine kontinuierliche Stimulation zu verhindern, wird Acetylcholin durch das Enzym Cholinesterase im synaptischen Spalt gespalten. Die Abbauprodukte, Acetat und Cholin, werden in das präsynaptische Neuron aufgenommen und dort wieder zu Acetylcholin synthetisiert.
Die Rolle von Acetylcholin
Acetylcholin spielt eine zentrale Rolle bei der neuromuskulären Übertragung. Es ist der Neurotransmitter, der die Erregung von Nervenzellen auf Muskelzellen überträgt. Die Bindung von Acetylcholin an seine Rezeptoren in der postsynaptischen Membran ist der entscheidende Schritt, der die Muskelkontraktion auslöst.
Curare als kompetitiver Acetylcholin-Antagonist
Curare wirkt als kompetitiver Blocker des Acetylcholin-Rezeptors. Das bedeutet, dass Curaremoleküle an die gleichen Bindungsstellen am Acetylcholinrezeptor binden wie Acetylcholin, jedoch ohne den Rezeptor zu aktivieren. Dadurch wird die Bindung von Acetylcholin verhindert, und die Ionenkanäle bleiben geschlossen.
Mechanismus der Muskelrelaxation
Da Curare die Bindung von Acetylcholin an seine Rezeptoren verhindert, kann kein Aktionspotential in der Muskelzelle ausgelöst werden. Dies führt zu einer schlaffen Lähmung der quergestreiften Muskulatur. Die Lähmung betrifft zuerst kleine, schnell kontrahierende Muskeln, wie z.B. die Augenmuskeln, und breitet sich dann auf größere Muskelgruppen aus.
Tod durch Atemlähmung
Die tödliche Wirkung von Curare beruht auf der Lähmung der Atemmuskulatur. Da die Muskeln, die für die Atmung verantwortlich sind, nicht mehr aktiviert werden können, kommt es zum Atemstillstand und schließlich zum Tod.
Selektivität und Auswirkungen auf andere Gewebe
Es ist wichtig zu beachten, dass Curare selektiv auf die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren an der neuromuskulären Endplatte wirkt. Das zentrale Nervensystem bleibt weitgehend intakt, was bedeutet, dass das Opfer bei vollem Bewusstsein ist, aber nicht in der Lage ist, sich zu bewegen oder zu atmen. Der Herzmuskel ist von der direkten Wirkung von Curare nicht betroffen, da die Verbindung zwischen Sinusknoten und Herzmuskel nicht aus Nerven, sondern aus umgewandelten Muskelzellen besteht.
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Die Rolle der Muskelzelle
Die Muskelzelle, auch Muskelfaser genannt, ist die Zielzelle von Curare. Um die Wirkung von Curare vollständig zu verstehen, ist es wichtig, die Struktur und Funktion der Muskelzelle zu betrachten.
Aufbau der Muskelzelle
Skelettmuskelfasern sind große, vielkernige Zellen, die aus Myofibrillen bestehen. Myofibrillen sind wiederum aus Sarkomeren aufgebaut, den kontraktilen Einheiten der Muskelzelle. Sarkomere enthalten Aktin- und Myosinfilamente, die für die Muskelkontraktion verantwortlich sind.
Der Mechanismus der Muskelkontraktion
Die Muskelkontraktion wird durch die Interaktion von Aktin- und Myosinfilamenten ermöglicht. Wenn ein Aktionspotential die Muskelzelle erreicht, wird Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freigesetzt. Kalzium bindet an Troponin, ein Protein, das an Aktin gebunden ist. Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung, die die Myosinbindungsstellen auf dem Aktinfilament freilegt.
Myosin bindet an Aktin und zieht das Aktinfilament entlang des Myosinfilaments, wodurch sich das Sarkomer verkürzt und die Muskelzelle kontrahiert. Dieser Prozess erfordert Energie in Form von ATP.
Die Auswirkung von Curare auf die Muskelzelle
Curare verhindert, dass Acetylcholin an seine Rezeptoren auf der Muskelzelle bindet, was die Depolarisation der Muskelmembran und die Auslösung eines Aktionspotentials verhindert. Ohne Aktionspotential wird kein Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freigesetzt, und die Myosinbindungsstellen auf dem Aktinfilament bleiben blockiert. Infolgedessen kann keine Interaktion zwischen Aktin und Myosin stattfinden, und die Muskelzelle kann sich nicht kontrahieren.
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Curare in der Medizin
Obwohl Curare ein starkes Gift ist, hat es auch Anwendungen in der Medizin gefunden.
Curare als Muskelrelaxans in der Anästhesie
Aufgrund seiner muskelrelaxierenden Wirkung wurde Curare früher in der Anästhesie eingesetzt, um die Skelettmuskulatur während Operationen zu entspannen. Dies erleichterte chirurgische Eingriffe und ermöglichte eine bessere Kontrolle der Atmung.
Moderne Muskelrelaxanzien
Heutzutage werden in der modernen Anästhesie Nachfolgesubstanzen wie Atracurium, Mivacurium, Pancuronium oder Rocuronium verwendet, die ein günstigeres Wirkprofil aufweisen. Diese nicht-depolarisierenden Muskelrelaxanzien haben eine kürzere Wirkdauer und weniger Nebenwirkungen als Curare.
Antidot bei Curare-Vergiftung
Da Curare die Acetylcholinrezeptoren kompetitiv hemmt, kann es durch eine Erhöhung der Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt wieder verdrängt werden. Dies kann durch die Gabe von Cholinesterasehemmern erreicht werden, die den Abbau von Acetylcholin verhindern. Ein Beispiel für einen Cholinesterasehemmer ist Parathion, obwohl dieses selbst giftig ist. Atropin, das ebenfalls die Rezeptoren für Acetylcholin blockiert, kann verwendet werden, um die Auswirkungen von überschüssigem Acetylcholin zu bekämpfen.
Synapsengifte: Eine breitere Perspektive
Curare ist nur ein Beispiel für ein Synapsengift. Es gibt viele andere Substanzen, die die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören können. Diese Gifte können an verschiedenen Stellen der Synapse angreifen und unterschiedliche Wirkungen haben.
Präsynaptische Gifte
Präsynaptische Gifte wirken vor der Synapse. Beispielsweise führt das Gift der Schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) zur Freisetzung aller Vesikel in den synaptischen Spalt, was zu Muskelkrämpfen führt. Botulinumtoxin (Botox) verhindert die Vesikelfusion und damit die Freisetzung von Acetylcholin, was zu Lähmungen führt.
Gifte im synaptischen Spalt
Gifte, die im synaptischen Spalt wirken, beeinflussen den Abbau von Neurotransmittern. Beispielsweise hemmt das Insektizid E 605 die Acetylcholinesterase, was zu einer erhöhten Acetylcholinkonzentration und einer Dauererregung führt.
Postsynaptische Gifte
Postsynaptische Gifte wirken auf die Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Curare ist ein Beispiel für ein post-synaptisches Gift, das die Acetylcholinrezeptoren blockiert und zu Lähmungen führt. Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin) bindet an den Acetylcholin-Rezeptor und verhindert das Schließen der Natriumkanäle, was zu einer Dauererregung führt.
Chinolizidinalkaloide (CA) und ihre Ähnlichkeit zu Curare
Chinolizidinalkaloide (CA) sind sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, die in verschiedenen Hülsenfrüchten, insbesondere in Lupinen, vorkommen. Sie dienen der Pflanze als Fraßgifte und zur Stickstoffspeicherung. Bezüglich der akuten Toxizität ist der Wirkungsmechanismus der CAs mit dem von Curare vergleichbar. Sie fungieren als kompetitive Acetylcholinhemmer und beeinflussen somit die Signalweitergabe an der motorischen Endplatte, was zur Lähmung der Muskulatur führt.
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