Der Fall des russischen Oppositionspolitikers Alexej Nawalny, der mit einem Nervenkampfstoff der Nowitschok-Gruppe vergiftet wurde, hat die Weltöffentlichkeit aufgeschreckt. Dieser Vorfall verdeutlicht die Gefahren, die von diesen Substanzen ausgehen, und wirft Fragen nach ihrer Wirkungsweise und den Mechanismen auf, die sie im Nervensystem auslösen.
Was ist Nowitschok?
"Nowitschok" bedeutet auf Deutsch "der Neue". Es handelt sich dabei um eine Gruppe von Nervengiften, die seit den 1970er Jahren in der ehemaligen Sowjetunion entwickelt wurden. Diese Substanzen sind besonders effektiv und sollen um ein Vielfaches stärker wirken als andere bekannte Nervengifte wie VX und Soman. Die Sowjetunion produzierte Nowitschok-Verbindungen, um die Chemiewaffenkonvention zu umgehen.
Ein besonderer Trick der Chemiker war die Herstellung von zwei Komponenten in Form eines ultrafeinen Pulvers. Beide Komponenten waren nicht oder nur wenig giftig und standen auf keiner Verbotsliste. Erst wenn diese Komponenten zusammengeführt werden, entsteht das hochgiftige Nervengift. Nach der heutigen Chemiewaffenkonvention sind auch die Einzelbestandteile verboten.
Wirkungsweise von Nowitschok
Der Wirkungsmechanismus von Nowitschok ist bei allen Substanzen derselbe. Die organischen Phosphate blockieren irreversibel die Wirkung des Enzyms Acetylcholinesterase. Dieses Enzym ist im Körper für den Abbau des Neurotransmitters Acetylcholin verantwortlich. Acetylcholin spielt eine wichtige Rolle bei der Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen und zwischen Nerven- und Muskelzellen.
Wird Acetylcholin nicht mehr abgebaut, kommt es zu einer Akkumulation dieses Neurotransmitters und einer Überstimulation der cholinergen Rezeptoren im Nervensystem und an den motorischen Endplatten. Die Nerveninformationen prasseln dann ungehemmt auf Körpergewebe, Muskeln und Organe ein.
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Symptome einer Nowitschok-Vergiftung
Die akute cholinerge Krise ist klinisch leicht zu erkennen. Typische Symptome sind:
- Vermehrter Speichelfluss (Hypersalivation)
- Schwitzen (Diaphorese)
- Verengte Pupillen (Miosis)
- Verlangsamte Herztätigkeit (Bradykardie)
- Unterkühlung
- Atemprobleme, bis hin zum Erstickungstod durch Muskelverkrampfungen der Atemmuskulatur
- Verminderte Hirnstammreflexe
- Hyperaktive tiefe Sehnenreflexe
- Pyramidenbahnzeichen
Behandlung einer Nowitschok-Vergiftung
Zunächst müssen die Mediziner verhindern, dass der Patient durch die Muskelverkrampfungen der Atemmuskulatur erstickt. Dies kann durch Intubation und Beatmung erfolgen.
Als Gegengift verabreichen Mediziner das Mittel Atropin. Atropin ist ein Alkaloid, das auch in Tollkirschen vorkommt. Es besetzt die Muskarinischen Acetylcholinrezeptoren der Zellen und schwächt damit die Wirkung des Acetylcholin-Bombardements ab. Die Atropinbehandlung muss so lange fortgesetzt werden, bis die Cholinesterase wieder wirken kann.
In einigen Fällen wird auch versucht, das Enzym Acetylcholinesterase zu reaktivieren. Dies kann mit dem Mittel Obidoxim versucht werden. Obidoxim entfernt die Phosphatgruppen von der Acetylcholinesterase und kann dadurch häufig das Enzym „reaktivieren“. Dies gelang bei dem Patienten Nawalny jedoch nicht.
Neben der medikamentösen Behandlung ist eine umfassende intensivmedizinische Betreuung erforderlich. Dazu gehören die mechanische Beatmung, der Schutz des Gehirns durch ein künstliches Koma (Analgosedierung) und die Behandlung von Begleitkomplikationen wie Entzündungen und Leberfunktionsstörungen.
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Nowitschok und die Synapse: Ein genauerer Blick
Um die Wirkung von Nowitschok besser zu verstehen, ist es hilfreich, sich die Funktionsweise einer Synapse genauer anzusehen. Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, an denen die Erregungsübertragung stattfindet. Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, darunter elektrische und chemische Synapsen. Nowitschok wirkt an den chemischen Synapsen.
Die chemische Synapse
Eine chemische Synapse besteht aus folgenden Elementen:
- Präsynaptische Membran: Die Membran der sendenden Nervenzelle. Hier befinden sich Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
- Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran.
- Postsynaptische Membran: Die Membran der empfangenden Nervenzelle. Hier befinden sich Rezeptoren für die Neurotransmitter.
Die Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse läuft wie folgt ab:
- Ein Aktionspotential erreicht die präsynaptische Membran.
- Calciumionenkanäle in der präsynaptischen Membran öffnen sich, und Calciumionen strömen in die Zelle ein.
- Der Calciumeinstrom führt zur Verschmelzung der Vesikel mit der präsynaptischen Membran und zur Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt.
- Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran.
- Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran.
- Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen Ionen in die Zelle ein oder aus, wodurch sich das Membranpotential der postsynaptischen Zelle verändert.
- Wenn die Veränderung des Membranpotentials ausreichend groß ist, wird ein neues Aktionspotential in der postsynaptischen Zelle ausgelöst.
- Die Neurotransmitter werden aus dem synaptischen Spalt entfernt, entweder durch Wiederaufnahme in die präsynaptische Zelle oder durch Abbau durch Enzyme.
Die Rolle der Acetylcholinesterase
Acetylcholin ist ein wichtiger Neurotransmitter, der an vielen verschiedenen Synapsen im Körper vorkommt. Nach der Freisetzung in den synaptischen Spalt bindet Acetylcholin an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran und löst eine Erregung aus. Um die Erregung zu beenden und eine Dauererregung zu verhindern, muss Acetylcholin schnell wieder abgebaut werden. Dies geschieht durch das Enzym Acetylcholinesterase.
Acetylcholinesterase spaltet Acetylcholin in Acetat und Cholin. Diese Abbauprodukte werden dann wieder in die präsynaptische Zelle aufgenommen und zur Synthese von neuem Acetylcholin verwendet.
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Nowitschok als Cholinesterasehemmer
Nowitschok wirkt als Cholinesterasehemmer, indem es die Aktivität der Acetylcholinesterase irreversibel blockiert. Das bedeutet, dass das Enzym nicht mehr in der Lage ist, Acetylcholin abzubauen. Dadurch kommt es zu einer Akkumulation von Acetylcholin im synaptischen Spalt und einer Dauererregung der postsynaptischen Zelle.
Die Dauererregung führt zu den typischen Symptomen einer Nowitschok-Vergiftung, wie vermehrter Speichelfluss, Schwitzen, Muskelkrämpfe und Atemprobleme.
Synapsengifte: Eine breitere Perspektive
Nowitschok ist nur ein Beispiel für ein Synapsengift. Es gibt viele verschiedene Substanzen, die die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören können. Diese Synapsengifte können an verschiedenen Stellen in der Synapse wirken und unterschiedliche Mechanismen auslösen.
Angriffspunkte von Synapsengiften
Synapsengifte können an folgenden Stellen in der Synapse angreifen:
- Präsynaptische Membran: Einige Gifte, wie das Gift der schwarzen Witwe (α-Latrotoxin), führen zur übermäßigen Freisetzung von Neurotransmittern aus der präsynaptischen Zelle. Andere Gifte, wie das Bakteriengift Botulinumtoxin (Botox), verhindern die Freisetzung von Neurotransmittern.
- Synaptischer Spalt: Einige Gifte hemmen die Enzyme, die für den Abbau der Neurotransmitter verantwortlich sind, wie das Insektizid E 605, das die Acetylcholinesterase hemmt.
- Postsynaptische Membran: Einige Gifte, wie das Curare-Gift, blockieren die Rezeptoren für die Neurotransmitter und verhindern so die Erregungsübertragung. Andere Gifte, wie das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin), verhindern das Schließen der Ionenkanäle und führen so zu einer Dauererregung.
Beispiele für Synapsengifte
Neben Nowitschok gibt es viele weitere bekannte Synapsengifte:
- Curare: Ein Gift, das von indigenen Völkern Südamerikas für die Jagd verwendet wurde. Es blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren und führt zur Muskelerschlaffung und Atemstillstand.
- Botulinumtoxin (Botox): Ein Bakteriengift, das die Freisetzung von Acetylcholin verhindert. Es wird in der Medizin zur Behandlung von Muskelverkrampfungen und zur Faltenreduktion eingesetzt.
- Tetrodotoxin: Ein Gift, das in Kugelfischen vorkommt. Es blockiert Natriumkanäle und verhindert die Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen.
- Saxitoxin: Ein Gift, das von bestimmten Algen produziert wird. Es blockiert ebenfalls Natriumkanäle und verhindert die Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen.
Insektizide und ihre Wirkung auf den Menschen
Viele Insektizide wirken ebenfalls als Synapsengifte. Sie sind darauf ausgelegt, das Nervensystem von Insekten zu schädigen und sie zu töten. Da das Nervensystem von Insekten und Menschen jedoch ähnlich aufgebaut ist, können Insektizide auch für den Menschen giftig sein.
Wirkungsweise von Insektiziden
Insektizide können auf verschiedene Weise wirken:
- Cholinesterasehemmer: Einige Insektizide, wie Organophosphate und Carbamate, hemmen die Acetylcholinesterase und führen so zu einer Akkumulation von Acetylcholin im synaptischen Spalt.
- Blockierung von Ionenkanälen: Einige Insektizide, wie zyklische Chlorkohlenwasserstoffe und Pyrethroide, blockieren Natrium- oder Chloridkanäle und verhindern so die Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen.
- Wirkung wie Acetylcholin: Einige Insektizide, wie Neonicotinoide, wirken wie Acetylcholin und stimulieren die Acetylcholin-Rezeptoren.
Risiken für den Menschen
Die Risiken für den Menschen hängen von der Art des Insektizids, der Expositionsdauer und der Dosis ab. Bei hohen Dosen können Insektizide zu schweren Vergiftungen mit Symptomen wie Übelkeit, Erbrechen, Muskelkrämpfen, Atemproblemen und Bewusstseinsverlust führen. Bei niedrigeren Dosen können Insektizide zu chronischen Gesundheitsproblemen wie neurologischen Schäden, Krebs und Fortpflanzungsstörungen führen.
Schutzmaßnahmen
Um die Risiken durch Insektizide zu minimieren, ist es wichtig, folgende Schutzmaßnahmen zu beachten:
- Insektizide nur bei Bedarf und gemäß den Anweisungen des Herstellers verwenden.
- Schutzkleidung tragen, wie Handschuhe, Atemschutzmaske und Schutzbrille.
- Nach der Anwendung von Insektiziden gründlich die Hände waschen.
- Lebensmittel vor der Anwendung von Insektiziden abdecken oder entfernen.
- Kinder und Haustiere von Insektiziden fernhalten.
Kompetitive Hemmung und andere Regulationsmechanismen von Enzymen
Die Wirkung von Nowitschok und anderen Synapsengiften kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Ein wichtiger Faktor ist die kompetitive Hemmung.
Kompetitive Hemmung
Die kompetitive Hemmung ist ein Mechanismus, bei dem ein Inhibitor um die Bindungsstelle am aktiven Zentrum eines Enzyms konkurriert. Wenn der Inhibitor an das aktive Zentrum bindet, kann das Substrat nicht mehr binden, und die Reaktion wird gehemmt.
Im Falle von Nowitschok konkurriert das Gegengift Atropin mit Acetylcholin um die Bindungsstelle an den Acetylcholin-Rezeptoren. Atropin besetzt die Rezeptoren und schwächt damit die Wirkung des Acetylcholin-Bombardements ab.
Weitere Regulationsmechanismen von Enzymen
Neben der kompetitiven Hemmung gibt es noch weitere Regulationsmechanismen von Enzymen:
- Nicht-kompetitive Hemmung: Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor außerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms an einzelne Aminosäuren und führt damit zu einer Veränderung der Raumstruktur bzw. Konformation des Enzyms. Dadurch kann das Substrat zwar noch binden, aber die Reaktion kann nicht mehr ablaufen.
- Allosterische Hemmung und Förderung: Bei der allosterischen Hemmung bzw. Förderung bindet ein Effektor an eine andere Stelle des Enzyms als das aktive Zentrum und verändert dadurch die Aktivität des Enzyms.
- Endprodukthemmung: Bei der Endprodukthemmung hemmt das Endprodukt einer enzymatischen Reaktionskette den ersten Schritt in der Reaktionskette.
- Enzymauf- und -abbau: Die Menge an Enzymen im Körper wird durch Auf- und Abbau reguliert.
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