Neurotransmitter: Botenstoffe der Nervenzellen – Definition und Funktion

Neurotransmitter sind essenzielle Botenstoffe im Nervensystem, die eine Schlüsselrolle bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen spielen. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Neuronen und sind von grundlegender Bedeutung für zahlreiche neurologische Prozesse, einschließlich Bewegung, Wahrnehmung, Emotionen und Gedächtnisbildung.

Was sind Neurotransmitter? Eine Definition

Neurotransmitter, auch bekannt als Transmittersubstanzen, sind biochemische Botenstoffe, die im Nervensystem für die Weiterleitung von Reizen zuständig sind. Sie sind heterogene, biochemische Moleküle, die in Nervenzellen (Neuronen) synthetisiert und gespeichert werden. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Signale zwischen Nervenzellen oder von Nervenzellen zu anderen Zielzellen, wie Muskelzellen oder Drüsenzellen, zu übertragen, zu verstärken oder zu modulieren.

Die Funktionsweise der Signalübertragung

Die Informationsverarbeitung im Gehirn hängt davon ab, dass Netzwerke von Nervenzellen über Synapsen miteinander im Austausch stehen. Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Die Freisetzung von Neurotransmittern ermöglicht die Kommunikation und Informationsweiterleitung zwischen Neuronen und anderen Zellen.

1. Aktionspotenzial erreicht die Präsynapse: Ein elektrisches Signal (Aktionspotenzial) erreicht das Ende der ersten Nervenzelle (präsynaptische Nervenzelle).
2. Freisetzung der Neurotransmitter: Das Aktionspotenzial führt zum Einstrom von Calcium-Ionen in die Präsynapse. Dies bewirkt, dass Vesikel, kleine Bläschen, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen (Fusion) und die Neurotransmitter in den Raum zwischen den beiden Nervenzellen (synaptischer Spalt) freisetzen (Exozytose).
3. Diffusion zum Rezeptor: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur Membran der zweiten Nervenzelle (postsynaptische Membran).
4. Bindung an Rezeptoren: An der postsynaptischen Membran befinden sich spezifische Andockstellen (Rezeptoren) für die Neurotransmitter. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip sorgt dafür, dass jeder Neurotransmitter nur an bestimmte Rezeptoren binden kann. Für jeden Neurotransmitter gibt es also spezifische Rezeptoren.
5. Ionenkanalöffnung und Signalentstehung: Die Bindung des Neurotransmitters an den Rezeptor führt meist zur Öffnung von Ionenkanälen. Dadurch können geladene Teilchen (Ionen) in die Zelle ein- oder ausströmen.
6. Elektrisches Signal in der Postsynapse: Der Ionenstrom verändert das elektrische Potenzial der postsynaptischen Nervenzelle und erzeugt so ein neues elektrisches Signal. Dadurch wird das Signal in der zweiten Nervenzelle weitergeleitet.
7. Beendigung der Signalübertragung: Nach der Signalübertragung müssen die Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt werden, damit die Synapse wieder für neue Signale bereit ist. Dies geschieht auf verschiedene Weisen:
   • Wiederaufnahme: Transportproteine in der präsynaptischen Membran nehmen die Neurotransmitter wieder auf. Dort werden sie entweder wiederverwertet oder abgebaut.
   • Abbau: Spezifische Enzyme im synaptischen Spalt bauen die Neurotransmitter ab.
   • Diffusion: Die Neurotransmitter diffundieren aus dem synaptischen Spalt und werden von Gliazellen aufgenommen.

Rezeptoren: Schlüsselstellen der Neurotransmission

Für jeden Neurotransmitter gibt es an der postsynaptischen Membran spezifische Rezeptoren. Diese Rezeptoren legen fest, ob ein Neurotransmitter aktivierend (erregend, exzitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch) wirkt. Die Art des Transmitters selbst hat keinen Einfluss darauf, ob eine Synapse erregend oder hemmend ist, sondern der jeweilige Rezeptor.

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Rezeptoren:

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• Ionotrope Rezeptoren: Diese Rezeptoren bilden selbst Ionenkanäle. Wenn ein Neurotransmitter an einen ionotropen Rezeptor bindet, öffnet sich der Ionenkanal direkt und Ionen können ein- oder ausströmen. Dies führt zu einer schnellen Veränderung des Membranpotenzials der postsynaptischen Zelle. Nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren sind ein Beispiel für ionotrope Rezeptoren.
• Metabotrope Rezeptoren (G-Protein-gekoppelte Rezeptoren): Diese Rezeptoren steuern die Öffnung von Ionenkanälen indirekt. Wenn ein Neurotransmitter an einen metabotropen Rezeptor bindet, wird ein intrazelluläres Signalmolekül (G-Protein) aktiviert. Das G-Protein kann dann verschiedene Prozesse in der Zelle aktivieren, einschließlich der Öffnung von Ionenkanälen. Metabotrope Rezeptoren wirken langsamer als ionotrope Rezeptoren, aber ihre Wirkung hält länger an.

Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene Subtypen davon. Diese Subtypen lassen sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch unterscheiden, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. So gibt es bei den Glutamatrezeptoren drei Subtypen: AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptoren. Die Subtypen von Rezeptoren lassen sich auch noch durch ihren Wirkmechanismus unterscheiden. Alle Glutamatrezeptoren etwa, ob nun AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren).

Die Vielfalt der Neurotransmitter: Eine Übersicht

Es gibt sehr viele verschiedene neuronale Botenstoffe, die Signale im Körper übermitteln. Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich größtenteils in drei Substanzklassen einordnen:

• Aminosäuren: Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA (Gamma-Aminobuttersäure) und Glycin sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind. Glutamat ist der häufigste exzitatorische Neurotransmitter im Zentralnervensystem, während GABA der häufigste inhibitorische Neurotransmitter ist.
• Amine: Serotonin, Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden. Dopamin gehört neben Adrenalin und Noradrenalin zu den sogenannten Katecholaminen.
• Neuropeptide: Bis heute wurden mehr als 50 Neuropeptide entdeckt. Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden.

Wichtige Neurotransmittersysteme im Detail

Nervenzellen sind jeweils auf einen oder wenige Transmitter spezialisiert. Daher lassen sich jedem Botenstoff konkrete Neuronennetzwerke zuordnen. Besonders bekannte und bedeutsame Beispiele solcher Neurotransmittersysteme sind:

• Das cholinerge System: Dieses System verwendet den Neurotransmitter Acetylcholin. Acetylcholin wirkt meist erregend und ist, neben Noradrenalin, der wichtigste Transmitter im Peripheren Nervensystem. Man findet Acetylcholin aber beispielsweise auch in Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark. Es spielt eine herausragende Rolle im Vegetativen Nervensystem als Neurotransmitter von Sympathikus und Parasympathikus sowie bei der Erregung von Muskelzellen an der motorischen Endplatte. Acetylcholin wurde wohl deshalb als erster Neurotransmitter entdeckt, weil er für das vegetative Nervensystem sowie an der Schnittstelle zwischen motorischen Nerven und Skelettmuskulatur eine entscheidende Rolle spielt. Aber auch im Gehirn finden sich cholinerge Neuronen. Die wichtigsten davon lassen sich zu zwei diffusen Modulationssystemen zusammenfassen. Das eine System innerviert von der Basis des Großhirns aus Hippocampus, Neocortex und Riechkolben. Diese Zellen gehören zu den ersten, die bei der Alzheimer-​Krankheit absterben. Das zweite System besteht aus Zellen im Pons und im Tegmentum des Mittelhirns. Es wirkt vor allem in den Thalamus hinein, darüber aber auch stark ins Großhirn. Beteiligt sind die cholinergen Neuronen etwa an der Steuerung von Aufmerksamkeit und der Erregbarkeit des Gehirns während Schlaf- und Wachrhythmus. Es gibt zwei verschiedene Acetylcholin-Rezeptoren (cholinerge Rezeptoren), die die Acetylcholin-Wirkung beeinflussen: der nikotinische Acetylcholin-Rezeptor und der muskarinische Acetylcholin-Rezeptor. Nikotinische Rezeptoren sind ionotrope Rezeptoren, bilden also selber Ionenkanäle.
• Das serotonerge System: Dieses System verwendet den Neurotransmitter Serotonin. Serotonin ist an der Regulation von Schlaf-Wach-Rhythmus, Schmerz, Emotion sowie Ess- und Sexualverhalten beteiligt. Insgesamt sorgt Serotonin für gute Stimmung und Gelassenheit. Neurone, die Serotonin als Botenstoff ausschütten, beeinflussen zum Beispiel das Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Serotonin ist auch außerhalb des zentralen Nervensystems weit verbreitet. Erstmals isoliert wurde es in der Schleimhaut des Magen-​Darm-​Trakts. Serotonin ist in vielen Nahrungsmitteln enthalten, kann aber nicht von der Blutbahn ins Gehirn gelangen. Vielmehr wird es dort aus der Aminosäure Tryptophan erzeugt. Allerdings lässt sich die Serotoninmenge im Gehirn über den Tryptophanspiegel beeinflussen - und dieser sich wiederum über die Ernährung. So führt kohlenhydratreiche Kost zu hoher Tryptophan-​Verfügbarkeit, umgekehrt hat ein Entzug von Kohlenhydraten in Studien Schlafstörungen und Depressionen bewirkt, was man auf das dann fehlende Serotonin zurückführte. Viele Antidepressiva und Medikamente gegen Angst erhöhen gezielt die Menge verfügbaren Serotonins im Gehirn, etwa indem sie die präsynaptische Wiederaufnahme verlangsamen. Diese Wirkstoffe kennt man als selektive Serotonin-​Wiederaufnahmehemmer (SSRI).
• Das dopaminerge System: Dieses System verwendet den Neurotransmitter Dopamin. Dopamin spielt eine entscheidende Rolle bei einer Vielzahl von Funktionen, wozu beispielsweise Motorik, Denken, Wahrnehmung und das Belohnungssystem gehören. Dopamin entsteht ebenso wie Noradrenalin und Adrenalin aus der Aminosäure Tyrosin. Dopaminhaltige Zellen finden sich vielerorts im Zentralnervensystem, zwei dopaminerge Neuronengruppen haben aber besondere Bedeutung. Eine befindet sich in der Substantia nigra im Mittelhirn und sendet ihre Nerven ins Striatum. Dieser Pfad ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig: Degenerieren die dopaminergen Zellen in der Substantia nigra, löst das verhängnisvolle motorische Störungen aus - die Parkinson-​Krankheit. Das zweite dopaminerge System geht ebenfalls aus dem Mittelhirn hervor, aus dem ventralen Tegmentum. Von dort reichen die Axone in bestimmte Teile des Großhirns und des limbischen Systems. Bekannt ist dieser Pfad deshalb auch als mesocorticolimbisches System. Ihm wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben: Es gilt als Belohnungssystem, das bei Tier wie Mensch überlebensdienliche Verhaltensweisen verstärkt. Erhöht man durch geeignete Wirkstoffe die verfügbare Dopamin-​Menge, so wirkt sich das stimulierend aus - oft allerdings auch suchterzeugend.

Eine besondere Eigenschaft dieser drei Netzwerke ist, dass sie relativ kleine Ursprungsgebiete haben, sie also nur von bestimmten, eng gefassten Neuronengruppen produziert werden. Ihr Einfluss aber reicht über 100.000 Synapsen und mehr pro beteiligtem Neuron in sehr viele verschiedene Stellen im Gehirn hinein. Hinzu kommt, dass Acetylcholin, Serotonin und Dopamin im Vergleich etwa zu Glutamat langsamer, länger anhaltend wirken, weil sie nicht nur in jeweils einer einzelnen Synapse ausgeschüttet werden, sondern diffus in einem größeren Gebiet. Sie spielen deshalb eine besondere Rolle bei der Regulierung umfassender Zustände wie Schlaf oder Gemütsverfassung.

Störungen der Neurotransmission und ihre Folgen

Ein Ungleichgewicht unter den Neurotransmittern kann massive Folgen haben, sowohl auf kognitiver als auch auf motorischer Ebene. Störungen der Neurotransmitter können zu schwerwiegenden neurologischen und psychischen Erkrankungen führen. Beispielsweise vermutet man bei der Erkrankung Schizophrenie, dass für einige Formen eine Überaktivität von dopaminergen Zellgruppen verantwortlich ist. Auch bei der Depression könnten Neurotransmitter eine ausschlaggebende Rolle spielen. Die Leitsymptome der Depression (gedrückte Stimmung, Antriebslosigkeit, Interessensverlust) könnten auf eine reduzierte Aktivität von bestimmten Transmittern zurückzuführen sein. Eine weitere Erkrankung, die auf Neurotransmitter zurückzuführen ist, ist Morbus Parkinson. Bei dieser Krankheit kommt es zum Untergang von dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra. Die Folge davon ist, dass es zu einer vermehrten Hemmung innerhalb der Basalganglienschleife kommt, was schlussendlich die Motorik verlangsamt.

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Diagnose und Behandlung von Neurotransmitter-Störungen

Bei Verdacht auf eine Neurotransmitter-Störung kann ein Arzt oder Neurologe Tests durchführen, um die Neurotransmitter-Spiegel im Körper zu messen. Möglich ist dies beispielsweise für die Parameter Serotonin, Dopamin und Noradrenalin. Die Messung kann durch Bluttests, Liquoruntersuchungen oder bildgebende Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) erfolgen. Mögliche Indikationen für derartige Untersuchungen sind etwa Schlafstörungen, verminderte Leistungsfähigkeit oder Schmerzen.

Solange im Gehirn ein Gleichgewicht unter den Neurotransmittern besteht, ist alles gut. Wenn nicht, kann man durch eine ausgewogene Ernährung, spezielle Supplements und eine Veränderung des Lifestyles die Neurotransmitter wieder ins Gleichgewicht bringen.

Die Geschichte der Neurotransmitter-Forschung

Lange Zeit vermuteten Forscher, dass elektrischer Strom zwischen den Zellen fließt - eine naheliegende Hypothese, schließlich wird innerhalb einer einzelnen Nervenzelle Information vor allem als elektrisches Aktionspotenzial weitergeleitet. Tatsächlich gibt es auch so genannte elektrische Synapsen, die Neuronen verbinden, die ‘gap junctions’. Allerdings sind sie in unserem Nervensystem in der Minderheit. Die meisten Synapsen kommunizieren chemisch miteinander - eine Methode, die schon vor knapp einhundert Jahren von dem Wissenschaftler Otto Loewi eindrucksvoll nachgewiesen wurde. Im 19. Jahrhundert lieferte die Entdeckung des synaptischen Spalts ein Indiz dafür, dass die Signalübertragung zwischen Nervenzellen chemisch erfolgen könnte. Die hohe Geschwindigkeit der Übertragung ließ viele Forscher dennoch an einen elektrischen Mechanismus glauben. Nicht so Otto Loewi. Der in Frankfurt geborene, später in die USA emigrierte Pharmakologe träumte nach eigener Aussage eines Nachts vom entscheidenden Experiment, wachte davon auf und setzte es sofort erfolgreich um. Dazu legte Loewi ein noch schlagendes Froschherz in eine Salzlösung und stimulierte elektrisch den Vagusnerv, was erwartungsgemäß den Herzschlag verlangsamte. Als Loewi dann ein zweites Froschherz in die gleiche Lösung legte, schlug auch dieses langsamer. Es musste also einen „Vagusstoff“ geben, der die neuronale Kommunikation vermittelt.

Einfluss von Ko-Faktoren, Genen und Epigenetik

Die Bildung von aktivierenden Neurotransmittern erfolgt meist über mehrere Stoffwechselschritte aus Aminosäuren. An diesen Prozessen sind verschiedene Faktoren beteiligt. Enzyme sorgen dafür, dass Neurotransmitter meist über mehrere Stoffwechselschritte gebildet werden. Diese Enzyme benötigen in der Regel einen oder mehrere Ko-Faktoren, um richtig zu funktionieren. Für jedes Enzym gibt es einen oder mehrere optimale Ko-Faktoren. Optimale und nicht-optimale Ko-Faktoren konkurrieren um die Bindungsstelle am Enzym. Je nachdem wie diese Ko-Faktoren, optimale und nicht-optimale, in einem quantitativen Gleichgewicht zueinander stehen, läuft der Stoffwechselweg aller Enzyme desselben Typs in Summe schneller oder langsamer. Hieraus wird deutlich, dass Ko-Faktoren eine wichtige Regulierungsfunktion für Stoffwechselwege haben.

Enzyme werden als Eiweißstoffe selber durch ein einzelnes Gen bzw. mehrere Gene gebildet. Gene können in ihrer Funktion an- und abgeschaltet werden. Die Faktoren, die das bewirken sind unter anderem “epigenetische Faktoren“. Bei der Regulierung des Herz- Kreislaufsystem durch aktivierende Neurotransmitter spielen epigenetische Einflussgrößen ebenfalls eine wichtige Rolle. So induziert z.B. Vitamin D die Bildung des Enzyms Tyrosin-Hydroxylase (Umwandlung von Tyrosin in L-Dopa). Testosteron induziert genetisch die vermehrte Bildung der Catechol-O-Methytransferase (COMT) und Monoaminooxidase (MAO), was wiederum einem beschleunigten Abbau aktivierenden Neurotransmitter verbunden ist.

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Rezeptoren und ihre Regulation

Sind die aktivierenden Neurotransmitter einmal gebildet, dann werden sie durch ein Signal im Nerven aus der Senderzelle in den Zellzwischenraum, den synaptischen Spalt, freigesetzt, um das Signal an eine Empfängerzelle zu übertragen. An der Empfängerzelle sitzen in der Zellmembran Rezeptoren, an welche die Neurotransmitter andocken. Bei einem Signal durch einen Signal-sendenden Nerv erfolgt immer die Freisetzung mehrerer Neurotransmitter.

Neurotransmitter und Rezeptor sind im Sinne des Schlüssel-Schloss-Prinzips spezifisch füreinander optimal passend. Ähnlich wie bei den Ko-Faktoren der Enzyme kann aber eine nicht-optimal passende Substanz den Rezeptor für den optimal passenden Neurotransmitter und damit die Wirkung desselben blockieren. Diese Blockade kann kompetitiv sein, d.h. die Signalübertragung wird durch das quantitative Verhältnis von optimal-wirkenden Neurotransmittern zu blockierenden Substanzen bestimmt.

Wiederaufnahme und Abbau von Neurotransmittern

Hat ein Neurotransmitter seine Funktion am Rezeptor des Signal-empfangenden Nerv erfüllt, dann löst er sich wieder, so dass er sich zunächst frei im synaptischen Spalt befindet. In den meisten Fällen werden die freien Neurotransmitter allerdings über einen Wiederaufnahmekanal erneut in den Signal-sendenden Nerv aufgenommen. Bei Wiederaufnahmekanälen handelt es sich um Eiweißstrukturen, die ebenfalls auf der Grundlage von Genen gebildet werden.

Der Abbau von aktivierenden Neurotransmittern erfolgt überwiegend innerhalb des Signal-sendenden Nervs. Ebenso wie bei der Bildung von Neurotransmittern spielen bei ihrem Abbau Enzyme eine entscheidende Rolle. Von hervorgehobener Bedeutung sind hier die Enzyme Catechol-O-Methytransferase (COMT) und die Monoaminooxidasen (MAO). Für COMT und MAO kennen wir genetische Varianten. So gibt es bei Menschen alleine schon genetisch bedingt eine hohe, mittlere und niedrige Abbaurate von aktivierenden Neurotransmittern durch COMT bzw. MAO.

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