Einführung
Synapsen sind die fundamentalen Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Neuronen ermöglichen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Informationen und der Steuerung verschiedener Körperfunktionen. Gifte, die auf Synapsen wirken, sogenannte Synapsengifte oder Neurotoxine, können diese Prozesse erheblich stören und schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion der Synapsen, die verschiedenen Arten von Synapsengiften und ihre Wirkungsweisen.
Die Synapse: Schaltstelle des Nervensystems
Eine Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle, wie beispielsweise einer Muskelzelle oder einer Drüsenzelle. Sie ermöglicht die Reizübertragung von einem Neuron zum nächsten. Alleine im Gehirn existieren 100 Billionen Synapsen. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Synapsen:
Elektrische Synapsen (Gap Junctions)
Elektrische Synapsen arbeiten verzögerungsfrei über einen sehr kleinen Spalt, den synaptischen Spalt. Dieser ermöglicht mithilfe von Ionenkanälen die Reizübertragung direkt von Nervenzelle zu Nervenzelle. Diesen Synapsentyp findet man in glatten Muskelzellen, Herzmuskelzellen und in der Netzhaut. Sie sind für eine schnelle Weiterleitung geeignet, wie zum Beispiel für den Lidreflex. Die Weiterleitung ist in beide Richtungen möglich (bidirektional).
Chemische Synapsen
Die chemische Synapse besteht aus einer Präsynapse, einem synaptischen Spalt und einer Postsynapse. Die Präsynapse ist in der Regel das Endknöpfchen eines Neurons. Die Postsynapse ist eine Stelle am Dendrit des angrenzenden Neurons oder ein dafür vorgesehener Abschnitt der angrenzenden Muskelzelle oder Drüse. Über den synaptischen Spalt erfolgt mithilfe von Neurotransmittern die Weiterleitung von Erregungen. Dabei wird das vorher elektrische Signal in ein chemisches Signal und dann wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Diese Art von Weiterleitung ist nur in eine Richtung möglich (unidirektional). Die chemischen Synapsen findet man beim Menschen vor allem im Nervensystem und machen den Großteil der synaptischen Verbindungen aus. Ihre Übermittlung von Informationen findet über den Austausch chemischer Moleküle statt.
Die Funktionsweise der chemischen Synapse im Detail
Aktionspotential erreicht die Präsynapse: Das elektrische Aktionspotential wird über das Axon des Neurons zur Präsynapse geleitet.
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Öffnung der Calciumkanäle: In der präsynaptischen Membran werden spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle durch das Aktionspotential geöffnet. In der Präsynapse befinden sich kleine Bläschen (Vesikel), die mit den Transmittern gefüllt sind.
Neurotransmitterausschüttung: Die erhöhte Kalziumkonzentration führt dazu, dass die Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Diese Art des Transportes nennt man Exozytose. Je höher die Aktionspotential-Frequenz ist, desto mehr Vesikel schütten ihre gespeicherten Neurotransmitter aus.
Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter diffundieren dann durch den synaptischen Spalt, der ca 30 nm breit ist, und docken an Neurotransmitterrezeptoren an. Diese befinden sich an der postsynaptischen Membran. Es handelt sich dabei um Kanäle die entweder ionotrop oder metabotrop sind.
Erregung oder Hemmung der Postsynapse: Ist die Postsynapse eine motorischen Endplatte ist es ein ionotroper Kanal, an den zwei Moleküle des Botenstoffes (Acetylcholin) andocken und ihn so öffnen. So können Kationen einströmen (vorwiegend Natrium). Die Postsynapse wird dadurch polarisiert und es entsteht ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP). Es braucht mehrere EPSP´s um daraus wieder ein Aktionspotential werden zu lassen. Die EPSP`s werden zeitlich und räumlich aufsummiert und am sogenannten Axonhügel entsteht dann ein postsynaptisches Aktionspotential. Dieses Aktionspotential kann dann über das Axon dieser Nervenzelle weitergeleitet werden und an der nächsten Synapse geht der gesamte Prozess von vorne los. Dies ist die Wirkung einer erregenden Synapse. Eine hemmende Synapse wird hingegen hyperpolarisiert und es entstehen inspiratorische postsynaptische Potentiale (IPSP's). Dabei werden hemmende Neurotransmitter wie Glycin oder GABA verwendet.
Beendigung des Signals: Die Informationsweiterleitung über chemische Synapsen dauert durch die Freisetzung des Neurotransmitters und dessen Diffusion etwas länger. Die Neurotransmitter werden übrigens recycelt. Sie gelangen aus dem synaptischen Spalt zurück in die Präsynapse und werden erneut in Vesikel verpackt. Bei dem Transmitterstoff Acetylcholin spielt dabei das Enzym Cholinesterase eine bedeutende Rolle. Es spaltet den Neurotransmitter in Cholin und Essigsäure (Acetat). Somit ist das Acetylcholin inaktiv.
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Neurotransmitter: Die chemischen Botenstoffe
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die im Nervensystem die Signalübertragung zwischen Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zielzelle ermöglichen. Sie werden an chemischen Synapsen freigesetzt, wenn ein elektrisches Signal die präsynaptische Nervenzelle erreicht. Je nach Transmitter, den eine chemische Synapse freisetzt, erfüllt sie unterschiedliche Aufgaben. Auch der Rezeptor auf der postsynaptischen Membran spielt eine wichtige Rolle bei der Unterscheidung der Funktion.
Wichtige Neurotransmitter und ihre Funktionen
Acetylcholin: Eine quartäre Ammoniumverbindung, die häufig erregende Eigenschaften hat und vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle spielt. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren. Erstere sind vor allem im Zusammenhang mit dem vegetativen Nervensystem von Bedeutung.
Monoamine: Bedeutende Vertreter sind Adrenalin und Noradrenalin. Aber auch Dopamin, Histamin und Serotonin gehören zu ihnen. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern. Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind. Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Gehört zu den Aminosäuren und wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet.
Neuropeptide: Viele Neuropeptide fungieren als Neurotransmitter. Neuropeptide binden an spezifische Rezeptoren, meist G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, und beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.
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Synapsengifte: Störenfriede der neuronalen Kommunikation
Synapsengifte sind Giftstoffe, die die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören. Sie können an unterschiedlichen Stellen der Synapse wirken und die normale Funktion beeinträchtigen. Diese Neurotoxine kommen vor allem im Tier- und Pflanzenreich vor.
Angriffspunkte und Wirkungsweisen von Synapsengiften
Synapsengifte können an verschiedenen Stellen der Synapse angreifen und unterschiedliche Wirkungen entfalten:
Präsynaptische Membran: Einige Gifte beeinflussen die Freisetzung von Neurotransmittern. Zum Beispiel führt das Gift der schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) dazu, dass übermäßig viele Calciumionen einströmen, was zur Entleerung aller vorhandenen Vesikel in den synaptischen Spalt führt. Dadurch wird die nachfolgende Nervenzelle dauerhaft aktiviert (= Dauererregung). Es kommt zu Muskelkrämpfen. Botulinumtoxin (Botox) verhindert die Vesikelfusion und somit die Freisetzung von Neurotransmittern.
Synaptischer Spalt: Einige Gifte hemmen Enzyme, die Neurotransmitter abbauen. Beispielsweise hemmt das Insektizid E 605 die Aktivität der sogenannten Acetylcholinesterase. Das Enzym ist dafür zuständig, den Neurotransmitter Acetylcholin in Acetat und Cholin zu spalten. Wenn dieses Enzym gehemmt wird, verbleibt Acetylcholin länger im synaptischen Spalt, was zu einer Dauererregung führt.
Postsynaptische Membran: Einige Gifte blockieren die Rezeptoren für Neurotransmitter. Curare blockiert Acetylcholinrezeptoren und verhindert, dass Acetylcholin binden kann. So bleiben die Kanäle geschlossen und es können keine Na+-Ionen in die Zelle strömen. Die Curare-Wirkung hat zur Folge, dass kein Signal weitergeleitet wird und die Muskeln erschlaffen. Andere Gifte, wie das des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin), binden an den Acetylcholin-Rezeptor und verhindern das Schließen der Na+-Kanäle, was zu einer Dauererregung führt.
Beispiele für Synapsengifte und ihre Wirkungen
Curare: Ein Pfeilgift aus Südamerika, das Acetylcholinrezeptoren an der motorischen Endplatte blockiert. Es konkurriert mit Acetylcholin um die Bindungsstellen, aktiviert den Rezeptor aber nicht. Dies führt zu einer schlaffen Muskellähmung und schließlich zum Tod durch Atemstillstand. Curare wirkt bei Aufnahme über die Blutbahn tödlich, nicht aber über den Verdauungstrakt.
Botulinumtoxin (Botox): Wird von dem Bakterium Clostridium botulinum produziert. Es hemmt die Freisetzung von Acetylcholin aus den Vesikeln, indem es die dafür notwendigen Enzyme zerstört. So findet keine Übertragung der Aktionspotenziale zur nachgeschalteten Muskelzelle statt und diese ist folglich gelähmt. Das Gift wird in der Schönheitschirurgie lokal genutzt, um die mimische Muskulatur zu lähmen und so Falten zu minimieren. Es ist das stärkste bekannte Nervengift.
Tetanus-Toxin: Wird von dem Bakterium Clostridium tetani gebildet. Es zerstört Enzyme, die dafür zuständig sind, dass hemmende Transmitter aus den Vesikeln ausgeschüttet werden. Durch die fehlende Hemmung kommt es zur Übererregung der Muskulatur. Dadurch kommt es bei Betroffenen zu Streckkrämpfen und dem sogenannten Teufelsgrinsen. Die Patienten versterben an einem Erstickungstod, infolge einer dauerhaft angespannten Atemmuskulatur. Gegen dieses Toxin gibt es glücklicherweise eine Impfung.
Atropin: Kommt in der schwarzen Tollkirsche vor. Es verdrängt Acetylcholin von den Rezeptoren an der Postsynapse, bewirkt dabei aber keine Öffnung der Kanäle. Es kommt zu keinem Natriumeinstrom und so kann kein Aktionspotential gebildet werden.
Insektizid Parathion E 605: Hemmt das Enzym Cholinesterase, welches normalerweise Acetylcholin im synaptischen Spalt spalten soll. Ist dies nicht möglich, kommt es folglich zu einem Überschuss an Neurotransmittern und somit zur Dauerdepolarisierung der Postsynapse. Die Muskulatur befindet sich dann in einem Dauerkrampf. Durch die Dauerkontraktion der Atemmuskulatur kommt es letztendlich zum Tod. Der Stoff ist in Deutschland verboten.
Alpha-Latrotoxin: Dieser Stoff ist das Gift einer Spinne, der schwarzen Witwe. Es regt im Endknöpfchen der Nervenzelle die Vesikel verstärkt dazu an, mit der Membran zu verschmelzen und Neurotransmitter abzugeben. Das hat zur Folge, dass an der Synapse dauerhaft ein Signal abgegeben wird.
Muscarin: Wirkt an den Rezeptoren der Synapse wie der Neurotransmitter Acetylcholin. Es wird aber nicht abgebaut und löst sich daher nicht vom Rezeptor. Dies führt dann zu einer dauerhaften Weitergabe von Signalen an der Synapse.
Batrachotoxin: Verhindert an der Synapse, dass die mit den Rezeptoren verbundenen Kanäle wieder geschlossen werden. Dadurch findet an der Synapse eine dauerhafte Aussendung von Signalen statt. Es treten Muskel- und damit auch Atemlähmungen auf, die in schweren Fällen beim Menschen zum Tod nach etwa 20 Minuten führen können.
Tetrodotoxin: Verhindert an der Synapse, dass bestimmte, spannungsgesteuerte Kanäle geöffnet werden können. Durch eine Blockade der Kanäle wird die Erregung von Muskeln und Nerven verhindert.
Synapsen und Krankheiten
Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserregern können diese Strukturen gezielt ausschalten. Bei Depressionen spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind.
Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Normalerweise wird an dieser Synapse der Neurotransmitter Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle freigesetzt, um einen Muskelreiz auszulösen. Bei dem Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom bildet das Immunsystem jedoch Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind notwendig, damit Calcium in die Nervenzelle einströmt und die Freisetzung von Acetylcholin auslöst.
Myasthenia gravis ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Normalerweise bindet der Neurotransmitter Acetylcholin, der von der Nervenzelle freigesetzt wird, an diese Rezeptoren, um eine Muskelkontraktion auszulösen. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt.
Medizinische Anwendungen von Synapsengiften
Obwohl Synapsengifte potenziell gefährlich sind, werden einige von ihnen in der Medizin gezielt eingesetzt. Ein bekanntes Beispiel ist Botulinumtoxin (Botox), das in der Neurologie zur Behandlung von Bewegungsstörungen wie Dystonien oder Spastik eingesetzt wird. Es wird auch zur Migräneprophylaxe, zur Behandlung von Muskelkrämpfen und zur Korrektur von Schielen verwendet. In der Schönheitschirurgie wird Botox eingesetzt, um die mimische Muskulatur zu lähmen und so Falten zu minimieren.
Medikamente und Synapsen
Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern.