Die faszinierende Welt der Neurotransmission, in der Nervenzellen miteinander kommunizieren, ist ein komplexes Zusammenspiel elektrischer und chemischer Signale. Substanzen wie Curare und Nikotin, die in diese Prozesse eingreifen, bieten wertvolle Einblicke in die Funktionsweise der Synapsen und die Auswirkungen von Neurotoxinen. Dieser Artikel beleuchtet die Wirkmechanismen von Curare und Nikotin auf synaptischer Ebene, wobei der Fokus auf ihren jeweiligen Einflüssen auf die Acetylcholin-Rezeptoren und die daraus resultierenden physiologischen Konsequenzen gelegt wird.
Die Grundlagen der Neurotransmission
Bereits 1904 postulierte der britische Wissenschaftler T.R. Elliot, dass Nervenzellen nicht nur elektrische, sondern auch chemische Signale austauschen und so mit anderen Zelltypen in Kontakt treten. Heute wissen wir, dass Neuronen bei Erregung Neurotransmitter freisetzen, die an Rezeptoren der Empfängerzelle binden und dort eine Veränderung des Ionenflusses bewirken. Diese Veränderung der elektrischen Ladung an der Zellmembran kann schließlich einen neuen elektrischen Impuls auslösen.
Ungefähr 50 verschiedene Neurotransmitter sind bisher identifiziert worden, wobei ein einzelnes Neuron mehrere davon ausschütten kann. Die Erforschung der Wirkmechanismen dieser Botenmoleküle, insbesondere im Gehirn, ist jedoch eine komplexe Aufgabe. In den letzten Jahrzehnten konnten jedoch wesentliche Fortschritte erzielt werden, unter anderem durch die Entdeckung der herausragenden Rolle von Rezeptormolekülen. Diese ragen aus der Zellmembran der Empfängerzelle und helfen, die chemische Botschaft wieder in ein elektrisches Signal zu verwandeln. Überraschenderweise gehören viele dieser Rezeptoren zu einer großen Überfamilie, den sogenannten neurotransmitter-kontrollierten Ionenkanälen, die sowohl auf Botenstoffe reagieren als auch einen Tunnel für Ionen besitzen.
Curare: Ein Pfeilgift mit weitreichenden Konsequenzen
Curare ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene alkaloide Gifte, die von den Indios Südamerikas als Pfeilgift verwendet werden. Es wird aus Extrakten von Rinden und Blättern verschiedener südamerikanischer Lianenarten hergestellt, wobei die Rezepturen je nach Volksgruppe variieren. Curare-Präparate werden nach ihrer Aufbewahrungsform in Tubo-Curare, Topf-Curare und Calebassen-Curare unterteilt.
- Tubo-Curare: Wird aus der Rinde der Art Chondrodendron tomentosum und anderer Arten der Mondsamengewächse (Menispermaceae) gewonnen.
- Calebassen-Curare: Wird hauptsächlich aus Arten der Gattung der Brechnüsse (Strychnos) gewonnen und enthält verschiedene Strychnosalkaloide wie Alcoferin oder Toxiferin.
- Topf-Curare: Typisch für die Indios des Orinoco-Beckens.
Wirkmechanismus von Curare an der Synapse
Curare wirkt als kompetitiver Blocker des Acetylcholin-Rezeptors an der neuromuskulären Endplatte, der Synapse zwischen motorischen Nerven und Muskeln. Es fungiert als Antagonist des Acetylcholins, indem es die Bindungsstellen am Rezeptor besetzt, ohne diesen jedoch zu aktivieren. Dadurch kann Acetylcholin nicht mehr an seinen Rezeptor andocken, was zur Folge hat, dass der Ionenkanal geschlossen bleibt und die Muskelkontraktion unterbleibt.
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Die Lähmung der Atemmuskulatur führt letztendlich zum Tod durch Atemstillstand, während das zentrale Nervensystem weitgehend intakt bleibt. Interessanterweise ist der Herzmuskel von dieser Lähmung nicht betroffen, da die Verbindung zwischen Sinusknoten und Herzmuskel nicht aus Nerven, sondern aus umgewandelten Muskelzellen besteht.
Historische Bedeutung und medizinische Anwendung von Curare
Bereits die Konquistadoren berichteten von den tödlichen Giftpfeilen der südamerikanischen Einwohner. Curare wurde das erste Mal durch den französischen Chemiker und Geograf Charles Marie de La Condamine beschrieben. In der europäischen Medizingeschichte experimentierte der französische Wissenschaftler Claude Bernard als einer der ersten mit Curare. Er entdeckte, dass das Gift die Leitungsfunktion der neuromuskulären Synapsen blockiert, wodurch es zu keiner Reizübertragung zwischen Nerv und Muskel kommt.
In der Anästhesie wurde Curare als Muskelrelaxans eingesetzt, um die Skelettmuskulatur vorübergehend zu lähmen. Heutzutage werden jedoch Nachfolgesubstanzen wie Atracurium, Mivacurium, Pancuronium oder Rocuronium verwendet, die ein günstigeres Wirkprofil aufweisen. Da Curare die Acetylcholinrezeptoren kompetitiv hemmt, kann es durch eine erhöhte Acetylcholinkonzentration wieder verdrängt werden.
Nikotin: Ein Nervengift mit Suchtpotenzial
Nikotin ist ein Nervengift, das natürlich in der Tabakpflanze und anderen Nachtschattengewächsen vorkommt. Es bindet an und aktiviert sogenannte nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren, die sich unter anderem auf der motorischen Endplatte und im vegetativen Nervensystem befinden. Nikotin passiert leicht die Blut-Hirn-Schranke und erreicht das Gehirn innerhalb von Sekunden nach dem Inhalieren.
Wirkmechanismus von Nikotin an der Synapse
Nikotin aktiviert im Nervensystem nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren, indem es sich an sie bindet. Diese Rezeptoren werden normalerweise vom Neurotransmitter Acetylcholin stimuliert. Nikotinische ACh-Rezeptoren finden sich vor allem auf den motorischen Endplatten, an denen Signale von Nervenzellen an Muskeln weitergeleitet werden. Im Gehirn sitzen die Rezeptoren unter anderem auf den nachgeschalteten Nervenzellen von Sympathikus und Parasympathikus.
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Hat Nikotin an den ACh-Rezeptor gebunden, kommt es zur Freisetzung unterschiedlicher Botenstoffe wie Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin und Serotonin, aber auch von Hormonen wie Cortisol. Während Acetylcholin schnell wieder abgebaut wird, bindet Nikotin lange an den Rezeptoren, wodurch die Erregung der jeweiligen Zelle länger anhält. Langfristig passen sich die Zellen diesem Mechanismus an und bauen weitere Rezeptoren in die Zellmembran ein. Fehlt nun Nikotin, sind plötzlich zu viele freie Rezeptoren verfügbar, die nachgeschalteten Nervenzellen können nicht mehr in dem Maß erregt werden, wie sie es eigentlich müssten. Der Dopaminlevel sinkt, es entsteht das Verlangen nach einer neuen Zigarette.
Physiologische Effekte und Suchtmechanismus von Nikotin
Nikotin wirkt in geringen Dosen anregend, da es die Freisetzung von Noradrenalin, Adrenalin und Vasopressin fördert. Dadurch schlägt das Herz schneller, der Blutdruck steigt und die Gefäße verengen sich. Nikotin lässt zudem die Zuckerkonzentration im Blut ansteigen, wodurch es das Hungergefühl dämpft. Eine hohe Nikotindosis wirkt jedoch beruhigend, bisweilen sogar lähmend.
Nikotin verursacht die Freisetzung des Botenstoffs Dopamin im Nucleus accumbens im Gehirn. Dadurch aktiviert es das Belohnungssystem, was zu einer schnellen Entwicklung einer Sucht mit psychischer und körperlicher Abhängigkeit führt. Das Abhängigkeitspotential von Nikotin im Tabakrauch wird Forschern zufolge nur noch von dem von Kokain und Heroin übertroffen.
Gesundheitsrisiken durch Nikotin
Nikotin greift in den Fettstoffwechsel ein und erhöht die Konzentration freier Fettsäuren und Cholesterol im Blut. Damit erhöht sich das Risiko einer Arteriosklerose und für Herzgefäßerkrankungen. Zusätzlich kommt es zur vermehrten Bildung von Salzsäure im Magen und in der Folge zu Gastritis und Magengeschwüren. Abgesehen davon beeinflusst Nikotin auch die Blutgerinnung und erhöht das Risiko für eine Thrombose.
Bei starken Rauchern verändert sich der Stoffwechsel, wodurch auch andere Stoffe stärker umgesetzt werden. Dadurch kann es zur Aktivierung krebserregender Stoffe und zu einer Erhöhung des Krebsrisikos kommen, obwohl Nikotin und dessen Abbauprodukte selber nicht krebserregend sind.
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Synapsengifte: Störung der neuronalen Signalübertragung
Synapsengifte sind Substanzen, die den Prozess der neuronalen Signalübermittlung stören, indem sie die Reizweiterleitung blockieren oder verstärken. Sie greifen in die komplexen Mechanismen der Synapse ein und können an verschiedenen Stellen wirken:
- Präsynapse: Beeinflussung der Neurotransmitter-Ausschüttung (z.B. durch Verhinderung der Vesikelfusion oder Beeinflussung der Calciumionenkanäle).
- Synaptischer Spalt: Abbau oder Veränderung der Neurotransmitter.
- Postsynapse: Blockade oder Aktivierung der Rezeptoren.
Beispiele für Synapsengifte und ihre Wirkmechanismen
- α-Latrotoxin (Gift der schwarzen Witwe): Lässt zu viele Calciumionen in die Präsynapse einströmen, was zu einer Dauererregung führt und Muskelkrämpfe verursacht.
- Botulinumtoxin (Botox): Verhindert die Vesikelfusion und blockiert die Freisetzung von Acetylcholin, was zu einer Lähmung der Muskeln führt.
- Curare: Bindet an Acetylcholin-Rezeptoren und verhindert, dass Acetylcholin andocken kann. Der Ionenkanal bleibt geschlossen und die Kontraktion des Muskels unterbleibt.
- Batrachotoxin (Gift des Pfeilgiftfroschs): Verhindert das Schließen der Nat+-Kanäle, was zu einer Überaktivierung der Muskeln und Verkrampfungen führt.
- Atropin: Hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
- Nikotin: Aktiviert nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren und führt zur Freisetzung verschiedener Botenstoffe.