Dauererregung an der Synapse: Ursachen und Mechanismen

Die synaptische Übertragung ist ein essenzieller Prozess im Nervensystem, der die Weiterleitung von Signalen zwischen Nervenzellen ermöglicht. Störungen in diesem Prozess können zu einer Dauererregung führen, die gravierende Auswirkungen auf die Muskelfunktion und andere physiologische Prozesse haben kann. In diesem Artikel werden die Ursachen und Mechanismen der Dauererregung an Synapsen detailliert erläutert.

Grundlagen der synaptischen Übertragung

Um die Ursachen der Dauererregung zu verstehen, ist es wichtig, die grundlegenden Schritte der synaptischen Übertragung zu kennen.

Ablauf an der Synapse

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential, ein elektrisches Signal, erreicht das Axonendknöpfchen (Synapse), was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Öffnung der Calciumkanäle: Spannungsabhängige Calciumkanäle öffnen sich.
3. Calciumionen-Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Depolarisation der Membran führt.
4. Vesikelbewegung und -fusion: Mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel bewegen sich zur Präsynapse und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
5. Diffusion der Neurotransmitter: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
7. Abbau des Transmitters: Enzyme bauen den Transmitter ab. Acetylcholin wird beispielsweise von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
8. Rücktransport der Bestandteile: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und aktiv aufgenommen.
9. Regeneration der Neurotransmittervesikel: Acetat und Cholin werden zu Acetylcholin regeneriert, um für das nächste Aktionspotential bereit zu sein.

Chemische Synapse

Die Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle, wie Nerven-, Muskel- oder Sinneszellen. Die Synapsen sorgen für die Erregungsweiterleitung durch die Umwandlung von elektrischen Informationen in chemische Informationen. Diese Synapse wird daher auch chemische Synapse genannt. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dabei läuft die Weiterleitung der Reize immer nur in eine Richtung ab. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen.

Rolle der Neurotransmitter

Neurotransmitter spielen eine entscheidende Rolle bei der Erregungsweiterleitung. Der Auslöser für die Reaktionen der Synapse ist ein Aktionspotential, das vom Axon kommt und die Membran des synaptischen Endknöpfchen depolarisiert. Dieses elektrische Signal hat zur Folge, dass spannungsgesteuerte Calcium-Ionenkanäle geöffnet werden und Calciumionen (Ca2+) einströmen. Das Calcium bewirkt, dass Vesikel, die mit Neurotransmitter (Acetylcholin) gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Transmitter in den synaptischen Spalt ausschütten.

Postsynaptische Potentiale (EPSP und IPSP)

An der postsynaptischen Membran binden sich die Neurotransmitter an spezifische Rezeptoren von Ionenkanälen (z.B. Natriumionenkanäle). Diese Kanäle sind nicht spannungsgesteuert wie die Kanäle auf der präsynaptischen Membran oder die auf dem Axon, sondern ligandengesteuert (Neurotransmitter werden auch Liganden genannt). Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen nun beispielsweise Natrium-Ionen (Na+) ein und es kommt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran. Ein Aktionspotential entsteht und wird weitergeleitet. Die Frequenz und Stärke des Aktionspotenzials hängt von der Konzentration des Neurotransmitters, im synaptischen Spalt, ab. Durch eine hohe Frequenz, die bei der Membran des synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird auch eine hohe Transmitterkonzentration im synaptischen Spalt erreicht und es kommt zu einer entsprechend höheren Frequenz von Aktionspotenzialen auf der postsynaptischen Membran.

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Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung. Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. Es steht für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung.

Je nach Art des Signals wird entweder ein aktivierendes (EPSP) oder hemmendes Signal (IPSP) ausgelöst. Die Wirkung hält an, solange die Neurotransmitter gebunden sind. Das EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential) führt zu einer Depolarisation - die Spannung steigt in positive Richtung. Im Gegensatz dazu verursacht das IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) eine Hyperpolarisation - die Spannung nimmt ab und wird negativer. Die Wirkungen von EPSP und IPSP unterscheiden sich grundlegend voneinander. Eine Nervenzelle erhält oft gleichzeitig erregende und hemmende Signale von verschiedenen präsynaptischen Neuronen. Am Axonhügel findet die entscheidende Summation aller eingehenden Potentiale statt. Nur wenn die Summe aller Potentiale die Schwelle von etwa -50 mV überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.

Ursachen der Dauererregung

Eine Dauererregung entsteht, wenn die normale Regulation der synaptischen Übertragung gestört ist. Dies kann durch verschiedene Mechanismen verursacht werden.

Synapsengifte

Synapsengifte sind Substanzen, die den normalen Ablauf der synaptischen Übertragung beeinflussen. Tiere wie Wespen und Bienen setzen Gifte zur Verteidigung ein. Die Wirkungsweise eines Neurotoxins hängt davon ab, an welcher Stelle der Synapse es angreift.

Direkte Aktivierung der Rezeptoren

• Batrachotoxin: Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs, Batrachotoxin, bindet ebenfalls an die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran, führt allerdings zu einer permanenten Aktivierung. Die Natriumkanäle bleiben durchgehend geöffnet und die Muskelzellen werden übermäßig aktiviert.
• Nikotin: Nikotin bindet an nach ihm benannte nicotinerge ACh-Rezeptoren der Postsynapse und löst ein Signal aus. Das führt zu beruhigenden Wirkungen, aber regt auch die Verdauung an.
• Muscarin: Es wirkt ebenfalls als kompetitiver Antagonist an ACh-Rezeptoren, allerdings hauptsächlich an nach ihm benannten Muscarin-Rezeptoren. Die unerfreulichen Symptome sind die gleichen wie beim Coniin.
• Aconitin: Das in Eisenhut enthaltene Aconitin öffnet Natriumkanäle in der Postsynapse und wirkt ähnlich wie Skorpionengift.

Hemmung des Neurotransmitter-Abbaus

• Alkylphosphate: Synapsengifte aus der Gruppe der Alkylphosphate hemmen die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase, das Acetylcholin abbaut. Alkylphosphate sind beispielsweise Bestandteil von Pflanzenschutzmitteln.
• E 605 (Insektizid): E 605 hemmt das Enzym Acetylcholinesterase, welches dafür zuständig ist, Acetylcholin in Cholin und Essigsäure zu spalten.
• Solanin: Das Alkaloid Solanin, das in Nachtschattengewächsen vorkommt, blockiert die ACh-Esterase, was zu einer Dauererregung der postsynaptischen Nervenzelle führt.

Beeinflussung der Calciumkanäle

• Alpha-Latrotoxin: Alpha-Latrotoxin (Schwarze Witwe) bindet an die Rezeptoren des präsynaptischen Endknöpfchens und sorgt so für die dauerhafte Öffnung der Calciumkanäle, da es von den Enzymen nicht wieder abgebaut wird. Dadurch werden ständig Aktionspotenziale weitergeleitet und die Muskeln verkrampfen.

Ungleichgewicht der Signale im Rückenmark

Beim Krampf geraten die Nervenzellen im Rückenmark, die sowohl hemmende als auch aktivierende Signale erhalten, aus dem Gleichgewicht. Es kommt quasi zu einer Dauerregung. Das geschieht leichter, wenn der Muskel müde ist - etwa bei einem intensiven Training. Auch ein Flüssigkeits- oder Elektrolytmangel könnte insbesondere bei hohen Außentemperaturen dazu beitragen. Hier führen die unterschiedlichen Theorien also doch wieder zusammen.

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Beispiele für Substanzen, die Dauererregung verursachen

Nervengifte im Alltag

Nervengifte kommen in unserem Alltag häufiger vor, als viele denken. Sie wirken auf die Weiterleitung von Nervenimpulsen, wobei der Angriffspunkt meist das cholinerge Nervensystem ist, also Neuronen, die Acetylcholin (ACh) als Botenstoff benutzen.

Pflanzen

Viele Pflanzen bilden Nervengifte, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Beispiele sind:

• Tollkirsche: Enthält Atropin, das als kompetitiver Antagonist am ACh-Rezeptor wirkt und die Funktion lebenswichtiger Muskeln blockiert.
• Gefleckter Schierling: Enthält Coniin, das in höheren Dosen als kompetitiver Antagonist am Nicotin-Rezeptor wirkt.
• Eisenhut: Enthält Aconitin, das Natriumkanäle in der Postsynapse öffnet.
• Nachtschattengewächse: Enthalten Solanin, das die ACh-Esterase blockiert.

Tiere

Einige Tiere produzieren ebenfalls Nervengifte:

• Schwarze Witwe: Ihr Gift öffnet Calcium-Ionenkanäle in der präsynaptischen Membran, was zu einer Übererregung der postsynaptischen Nervenzelle führt.
• Pfeilgiftfrosch: Sein Gift öffnet die Natriumkanäle der postsynaptischen Membran.

Chemische Substanzen

• Insektizide: Viele Insektizide, wie Parathion (E 605), wirken, indem sie die Acetylcholinesterase hemmen.
• Nowitschok: Ein irreversibler ACh-Esterasehemmer, der zu Krämpfen und Erstickungstod führt.

Weitere Substanzen

• Nikotin: Wirkt anregend und kann in hohen Dosen lähmend wirken.
• Alkohol (Ethanol): Bewirkt eine vermehrte Ausschüttung von Gamma-Aminobuttersäure (GABA), was beruhigende Wirkungen hat, und hemmt die aktivierende Wirkung des Botenstoffs Glutamin.

Symptome und Folgen der Dauererregung

Die Symptome und Folgen einer Dauererregung können vielfältig sein und hängen von der betroffenen Muskulatur und der Intensität der Erregung ab.

Muskelkrämpfe

Muskelkrämpfe entstehen durch eine unkontrollierte, anhaltende Kontraktion der Muskelfasern. Diese können sehr schmerzhaft sein und die Bewegungsfähigkeit einschränken.

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Starre Lähmung

Bei einer starren Lähmung kommt es zu einer Dauererregung, wodurch der Muskel durchgängig kontrahiert und starr ist.

Atemlähmung

Viele Synapsengifte führen in hohen Dosen zu einer Atemlähmung, da die Atemmuskulatur betroffen ist. Dies kann lebensbedrohlich sein.

Weitere Symptome

• Übelkeit
• Erbrechen
• Schweißausbrüche
• Fieber
• Schwindelanfälle
• Zittern

Behandlung und Prävention

Die Behandlung einer Dauererregung hängt von der Ursache ab. Bei Vergiftungen ist es wichtig, schnell zu handeln und gegebenenfalls Gegengifte einzusetzen.

Allgemeinmaßnahmen

• Dehnen: Bei Muskelkrämpfen kann das Dehnen der betroffenen Muskelpartie helfen, den Krampf zu unterbrechen.
• Flüssigkeitszufuhr: Ausreichend trinken, um Elektrolytmangel vorzubeugen.
• Magnesium: Magnesiumpräparate können bei Magnesiummangel helfen, sollten aber nur nach ärztlicher Rücksprache eingenommen werden.

Medikamentöse Behandlung

• Chininsulfat: Kann in schweren Fällen von Krämpfen verordnet werden.

Prävention

• Ausgewogene Ernährung: Um Mangelerscheinungen vorzubeugen.
• Vorsicht im Umgang mit Giftpflanzen: Besonders wichtig, wenn Kinder oder Haustiere im Haushalt sind.
• Sichere Lagerung von Chemikalien: Insektizide und andere gefährliche Substanzen sollten sicher aufbewahrt werden.
• Maßvoller Konsum von Alkohol und Nikotin: Diese Substanzen können das Nervensystem beeinträchtigen.

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