Einleitung
Synapsen sind die Schaltstellen im Nervensystem, die für die Weiterleitung von Informationen zwischen Nervenzellen und zwischen Nervenzellen und Muskelzellen verantwortlich sind. Diese Informationsübertragung erfolgt durch chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter. Zahlreiche Gifte, sogenannte Synapsengifte oder Nervengifte, können in diesen Prozess eingreifen und die normale Funktion der Synapsen stören. Diese Gifte können aus verschiedenen Quellen stammen, darunter Pflanzen, Tiere und Bakterien. Sie wirken an unterschiedlichen Stellen der Synapse, von der präsynaptischen Membran über den synaptischen Spalt bis zur postsynaptischen Membran, und haben vielfältige Auswirkungen auf die Erregungsübertragung.
Grundlagen der synaptischen Übertragung
An der Synapse findet die Informationsübertragung zwischen Nervenzellen statt. Dabei wird ein elektrisches Signal in ein chemisches Signal umgewandelt.
Präsynaptische Membran: Wenn ein Aktionspotential die Membran des synaptischen Endköpfchens depolarisiert, führt dies zu einem Einstrom von Calcium-Ionen. Dieser Calcium-Einstrom löst die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Synapsenmembran aus. Die Vesikel setzen Neurotransmitter frei, die über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran diffundieren.
Synaptischer Spalt: Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran.
Postsynaptische Membran: Dort binden die Neurotransmitter an spezielle Rezeptoren und öffnen durch diese Bindung spezielle Ionenkanäle (z.B. Natriumkanäle). Dies ermöglicht den Einstrom von Natrium-Ionen und damit die Depolarisation der postsynaptischen Membran.
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Beendigung des Signals: Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Stopp der Informationsweitergabe. Der Neurotransmitter wird in das Endköpchen zurücktransportiert und aufgenommen, in seine Ausgangsstoffe zurückverwandelt und dann wieder verwendet.
Angriffspunkte von Synapsengiften
Synapsengifte können an verschiedenen Stellen in diesen Ablauf eingreifen und so die Signalübertragung beeinflussen. Sie können an der Präsynapse, der Postsynapse oder im synaptischen Spalt wirken.
Wirkung an der präsynaptischen Membran
Beeinflussung der Calciumkanäle: In der präsynaptischen Membran befinden sich Calciumionenkanäle, die sich kurzzeitig öffnen und schließen. Das Gift der Schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) führt beispielsweise dazu, dass übermäßig viele Calciumionen einströmen. Dadurch kommt es zur Entleerung aller vorhandenen Vesikel in den synaptischen Spalt. So wird die nachfolgende Nervenzelle dauerhaft aktiviert (= Dauererregung), was zu Muskelkrämpfen führt. Laut einer Studie von Forschern der Universität Münster durchläuft das α-Latrotoxin beim Binden an den Rezeptor eine bemerkenswerte Umwandlung. Ein Teil des giftigen Moleküls formt sich zu einem Stiel, der wie eine Spritze in die Zellmembran eindringt und eine kleine Pore bildet, die als Calciumkanal fungiert (B. U. Klink et al., Nature Communications, 2024).
Verhinderung der Vesikelfusion: Botulinumtoxin (Botox) verhindert das Verschmelzen der Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Dadurch kann kein Neurotransmitter mehr in den synaptischen Spalt abgegeben werden. Die Übertragung von Informationen von Nervenzellen zu Muskeln wird damit verhindert, was zu einer Lähmung des Muskels führt.
Wirkung im synaptischen Spalt
- Hemmung von abbauenden Enzymen: Im synaptischen Spalt gibt es Enzyme, die die Neurotransmitter abbauen, um deren Wirkungsdauer zu regulieren. Beispielsweise hemmt das Insektizid E 605 die Aktivität der Acetylcholinesterase. Dieses Enzym ist dafür zuständig, den Neurotransmitter Acetylcholin in Acetat und Cholin zu spalten. Durch die Hemmung der Acetylcholinesterase verbleibt Acetylcholin länger im synaptischen Spalt, was zu einer Dauererregung führt.
Wirkung an der postsynaptischen Membran
Blockade der Rezeptoren: In der postsynaptischen Membran befinden sich spezielle Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden können. Curare blockiert diese Acetylcholin-Rezeptoren. So kann Acetylcholin aus dem synaptischen Spalt nicht binden und eine Weiterleitung des Aktionspotentials wird unterbunden. Auch hier sind Lähmungen die Folgeerscheinung. Da Curare mit Acetylcholin um die gleiche Bindungsstelle am Rezeptor konkurriert, spricht man von kompetitiver Hemmung.
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Dauerhafte Aktivierung der Rezeptoren: Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs, Batrachotoxin, bindet ebenfalls an die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran, führt aber zu einer permanenten Aktivierung. Die Natriumkanäle bleiben durchgehend geöffnet und die Muskelzellen werden übermäßig aktiviert.
Verhinderung des Schließens der Ionenkanäle: Tetrodotoxin (TTX), das Gift des Kugelfischs, verhindert, dass sich die Natriumkanäle wieder schließen können. Dadurch findet an der Synapse eine dauerhafte Aussendung von Signalen statt.
Beispiele für Synapsengifte und ihre Wirkungen
Botulinumtoxin
Botulinumtoxin wird von der Bakterienspezies Clostridium botulinum gebildet und ausgeschieden. Es ist ein gefürchtetes Gift, das die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Synapse verhindert.
Wirkungsweise: Botulinumtoxin behindert im Endknöpfchen das Verschmelzen der Vesikel mit der Membran. Dadurch kann kein Neurotransmitter mehr in den synaptischen Spalt abgegeben werden.
Symptome: Die ersten Erscheinungen der Vergiftung treten nach 12 bis 40 Stunden auf und umfassen in der Regel Kopf- und Magenschmerzen, Übelkeit und Erbrechen sowie Schluck-, Sprech- und Sehstörungen, gefolgt von Muskellähmungen. Insbesondere die Lähmung der Augen- und der Nackenmuskulatur (Halssteifigkeit) sind deutliche Hinweise auf Botulismus. Ohne Behandlung tritt in 50 % der Fälle nach 3-6 Tagen der Tod durch Atemlähmung ein.
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Anwendungen: Niedrigdosiertes Botox wird für kosmetische Eingriffe verwendet, um Muskeln zu lähmen und Falten zu reduzieren. In der Neurologie hilft Botox bei verschiedenen Bewegungsstörungen wie Dystonien oder Spastik. Weitere medizinische Anwendungen umfassen die Migräneprophylaxe, die Behandlung von Muskelkrämpfen und die Korrektur von Schielen.
α-Latrotoxin
α-Latrotoxin ist das Gift der Schwarzen Witwe. Es wirkt als Gift, indem im Endknöpfchen der Nervenzelle die Vesikel verstärkt dazu angeregt werden, mit der Membran zu verschmelzen und Neurotransmitter abzugeben.
Wirkungsweise: Latrotoxin führt zu einer verstärkten Ausschüttung von Neurotransmittern, was zu einer Dauererregung führt.
Symptome: Der Biss selbst ist in den meisten Fällen nicht schmerzhaft und wird oft nicht gleich bemerkt. Das Gift verursacht einen starken Leibschmerz, begleitet von Schweißausbrüchen. In schweren Fällen kann es zu Schlafstörungen, Bluthochdruck und Krämpfen kommen. Zum Tod führt das Gift, wenn die Krämpfe das Atemsystem befallen und zur Erstickung durch Atemstillstand führen.
Curare
Curare ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene Substanzen, die von der indigenen Bevölkerung Südamerikas als Pfeilgift für die Jagd genutzt werden.
Wirkungsweise: Curare konkurriert mit dem eigentlichen Neurotransmitter Acetylcholin um die Bindungsstellen an den Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Es dockt dort an, aktiviert den Rezeptor aber nicht.
Symptome: Curare bewirkt eine schlaffe Muskellähmung. Zum Tode führt letzten Endes der Atemstillstand durch Lähmung der Atemmuskulatur. Das zentrale Nervensystem bleibt weitgehend intakt, auch der Herzmuskel ist nicht betroffen.
Therapie: Zur Therapie muss der Patient ausreichend beatmet werden, bis die Giftwirkung nachlässt.
Atropin
Atropin ist ein Gift, das aus der Schwarzen Tollkirsche (Atropa belladonna) isoliert wurde.
Wirkungsweise: Atropin konkurriert mit dem eigentlichen Neurotransmitter Acetylcholin um die Bindungsstellen an den Acetylcholin-Rezeptoren. Es dockt dort an, aktiviert den Rezeptor aber nicht.
Symptome: Daraus folgt eine Reihe verschiedener Wirkungen. Die Herzfrequenz wird beschleunigt. Schweiß- und Speichelbildung werden verringert, die Aktivität des Verdauungstraktes gehemmt. Es kommt ggf. zur schlaffen Lähmung. Durch die Weitung der Pupillen ist die Sehfähigkeit stark vermindert, besonders in der Nähe und die Augen sind sehr lichtempfindlich. Bei hohen Dosen treten auch psychische Wirkungen ein, z.B. Halluzinationen. Bei noch höheren Dosen tritt Bewusstlosigkeit ein, die von Atemlähmung gefolgt sein kann.
Anwendungen: Atropin wird in der Medizin zur Behandlung einer zu niedrigen Herzfrequenz eingesetzt. In der Augenheilkunde wird Atropin zur Lähmung der Fokussierung des Auges (Akkommodation) eingesetzt, die manchmal bei Operationen nötig ist.
Muscarin
Muscarin ist ein Gift, das in verschiedenen Trichterlingen und Rissspilzen vorkommt.
Wirkungsweise: 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.
Symptome: Typische Symptome sind Sehstörungen durch Pupillenverengung, Tränen- und Speichelfluss sowie eine starke Schweißsekretion. Hinzu kommen als mögliche Symptome noch Erbrechen, Durchfall, Magen-Darm-Störungen, Zittern und Kopfschmerzen. Bei starken Vergiftungen verlangsamt sich der Puls und der Blutdruck fällt ab, es kommt manchmal zu Atemnot durch Verengung der Atemwege und Angstgefühlen. Eine Vergiftung kann auch zu einer Herzlähmung und damit zum Tod führen.
Tetrodotoxin
Tetrodotoxin ist ein Gift, das in Kugelfischen vorkommt.
Wirkungsweise: 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.
Symptome: Die Symptome der Vergiftung nach einer Aufnahme des Giftes beginnen innerhalb einer recht kurzen Zeit. Der Patient zeigt diverse Lähmungserscheinungen, darunter die Lähmung der Skelettmuskulatur und somit auch der Atemmuskulatur. Zudem fallen Koordinations- und Wahrnehmungsprobleme auf.
Batrachotoxin
Batrachotoxin ist ein Gift, das von Pfeilgiftfröschen abgesondert wird.
Wirkungsweise: 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.
Symptome: Es treten Muskel- und damit auch Atemlähmungen auf, die in schweren Fällen beim Menschen zum Tod nach etwa 20 Minuten führen können.
Synapsengifte im Alltag und in der Medizin
Synapsengifte sind nicht nur in der Natur zu finden, sondern spielen auch im Alltag und in der Medizin eine Rolle.
Insektizide: Alkylphosphate, die in Pflanzenschutzmitteln enthalten sind, hemmen die Acetylcholinesterase und führen so zu einer Dauererregung.
Medizinische Anwendungen: Botulinumtoxin wird in der Medizin zur Behandlung von Bewegungsstörungen, Migräne und Muskelkrämpfen eingesetzt. Atropin wird zur Behandlung von Herzfrequenzstörungen und in der Augenheilkunde verwendet.
Kosmetische Anwendungen: Botulinumtoxin wird in der Kosmetik zur Reduktion von Falten eingesetzt.
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