Im menschlichen Körper werden ständig Reize weitergeleitet und verarbeitet. Reize, die man auch Erregungen nennt, können beispielsweise durch die Sinneseindrücke (sehen, riechen, fühlen, schmecken, hören) entstehen. Diese werden von ihrem Entstehungsort (z.B. dem Finger) bis zum Gehirn transportiert. Dafür nutzt der Körper sogenannte Nervenzellen, die an Ihren Enden die Synapsen aufweisen. Diesen kommt die spezielle Aufgabe zu, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle zu übergeben. Die Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle. Dies kann wiederum eine Nervenzelle sein, aber auch eine ganz andere wie zum Beispiel 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.
Vielleicht hast du schon einmal von dem Gift des Kugelfischs oder des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs gehört. Beide Gifte gehören in die Gruppe der Nervengifte, auch Synapsengifte genannt. Synapsengifte werden sowohl von einigen Pflanzen- als auch Tierarten produziert. Giftstoffe, die den normalen Ablauf der Übertragung beeinflussen, kannst du als Synapsengifte bezeichnen. Du findest sie vor allem im Tier- und Pflanzenreich.
Grundlagen der synaptischen Übertragung
Die Synapse ist eine spezialisierte Kontaktstelle, an der eine Nervenzelle mit einer anderen Nervenzelle oder einer Zielzelle (z.B. Muskel- oder Drüsenzelle) kommuniziert. Sie ermöglicht die Weiterleitung von Informationen in Form von elektrischen oder chemischen Signalen. Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:
- Präsynapse: Der Endabschnitt einer Nervenzelle, die das Signal sendet.
- Synaptischer Spalt: Ein schmaler Zellzwischenraum.
- Postsynapse: Die Membran der nachfolgenden Zelle, die das Signal aufnimmt.
Im synaptischen Spalt - ein nur ca. 20-30 nm breiter Zwischenraum - werden bei chemischen Synapsen die Neurotransmitter aus der Präsynapse ausgeschüttet. Sie diffundieren zu den Rezeptoren der Postsynapse und übermitteln so das Signal. Bei elektrischen Synapsen ist der Spalt extrem schmal, sodass Ionen direkt hindurchfließen können.
Chemische versus elektrische Synapsen
Man unterscheidet hauptsächlich chemische und elektrische Synapsen. Chemische Synapsen arbeiten mit Neurotransmittern und sind die Mehrheit im menschlichen Gehirn. Sie sind oft nur in eine Richtung leitend (unidirektional). Bei einer chemischen Synapse erzeugt ein elektrisches Signal (Aktionspotential) in der Präsynapse die Freisetzung von Neurotransmittern. Diese Moleküle überqueren den synaptischen Spalt und aktivieren Rezeptoren an der Postsynapse. Das ausgelöste Signal kann die nächste Nervenzelle entweder aktivieren (erregende Synapse) oder hemmen (hemmende Synapse). Dieser Prozess entscheidet, wie Informationen im Gehirn verarbeitet und weitergeleitet werden.
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Elektrische Synapsen bestehen aus Gap Junctions, bei denen Ionen direkt von einer Zelle zur anderen fließen können. Sie sind sehr schnell und ermöglichen auch eine bidirektionale Signalübertragung.
Die Rolle von Acetylcholin
Ein sehr bedeutender Neurotransmitter in deinem Körper ist Acetylcholin. Hier erklären wir was Acetylcholin genau ist, wo es vorkommt und wie es wirkt. Acetylcholin (kurz: ACh) ist ein wichtiger Neurotransmitter. Eine zentrale Funktion von Acetylcholin ist deshalb die Steuerung wichtiger Körperfunktionen, wie dem Herzschlag, der Atmung oder dem Gedächtnis. Acetylcholin (engl. acetylcholine) ist ein Amin mit der Summenformel C7H16NO2. Im parasympathischen Nervensystem wirkt es an allen Kontaktstellen der Neuronen.
Das Molekül Acetylcholin wird in den Endknöpfchen der Nervenzellen produziert. Die Wirkung von Acetylcholin sorgt dafür, dass die Botenstoffe in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Dort sorgen sie dafür, dass Ionen durch die Membran strömen können. Daran ist das Enzym Acetylcholinesterase beteiligt. Es spaltet die Verbindung nämlich in Essigsäure (Acetat) und Cholin. Das Endknöpfchen kann Cholin durch spezielle Transporter wieder aufnehmen. Der Abbau von Acetylcholin lässt sich durch Acetylcholinesterase-Hemmer verlangsamen.
In den cholinergen Synapsen gibt es zwei Typen von Membranrezeptoren, an die Acetylcholin binden kann:
- Muskarinerger Acetylcholinrezeptor: Dabei handelt es sich um einen G-Protein gekoppelten Rezeptor, einen sogenannten metabotropen Rezeptor. Nach der Bindung von Acetylcholin wird die Wirkung über weitere Signalmoleküle gesteuert.
- Nikotinerger Acetylcholinrezeptor: Darunter versteht du einen ligandengesteuerten Ionenkanal, einen ionotropen Rezeptor.
Im Herzen gibt es zahlreiche muskarinische Acetylcholinrezeptoren, die sogenannten M2-Rezeptoren. Bindet Acetylcholin daran, öffnet sich ein Kaliumkanal. Dabei strömen vermehrt Kaliumionen (K+) aus der Herzzelle, wodurch das Membranpotential dort niedriger wird. Das nennst du auch Hyperpolarisation. Es gibt aber auch natürliche Hemmer des Enzyms Acetylcholinesterase. Sie können das Enzym dauerhaft und irreversibel blockieren. Sie sorgen für einen Acetylcholin Überschuss. So kommt es zu einer Überaktivierung der Nervenzelle, die oft tödlich endet. Genauso gibt es Substanzen mit anticholinerger Wirkung. Sie haben den gegenteiligen Effekt und hemmen den Neurotransmitter.
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Synapsen bilden das Fundament für alle Funktionen des Nervensystems: Sie verknüpfen Milliarden von Nervenzellen zu Netzwerken und ermöglichen Wahrnehmung, Bewegung, Denken und Lernen. Sie bestimmen, wie Informationen im Gehirn fließen und verarbeitet werden.
Mechanismen der Stoffeinwirkung auf Acetylcholin-Synapsen
Synapsengifte entfalten ihre Wirkung an unterschiedlichen Orten: Sie können an der Präsynapse, der Postsynapse oder dem synaptischen Spalt wirken. Endogene und exogene Stoffe beeinflussen die Signalübertragung im Nervensystem auf vielfältige Weise. Diese Substanzen wirken sowohl auf die Weiterleitung von Aktionspotentialen am Axon als auch auf die synaptische Übertragung. Exogene Substanzen, oft als Synapsengifte bezeichnet, wirken nach zwei Grundprinzipien: Sie blockieren entweder die Übertragung oder verursachen eine Dauererregung.
Präsynaptische Mechanismen
Erreicht ein Aktionspotenzial ein Axonendknöpfchen, sprich die präsynaptische Membran, werden im Normalfall kurzzeitig Calciumkanäle geöffnet und Calciumionen strömen in das Zellinnere des präsynaptischen Axonendknöpfchens hinein. In der Folge wandern mit Acetylcholin (Neurotransmitter) gefüllte Vesikel zum synaptischen Spalt, verschmelzen dort mit der präsynaptischen Membran (Vesikelfusion) und geben so Acetylcholin in den synaptischen Spalt ab. Der Austritt des Neurotransmitters Acetylcholin bewirkt, dass im weiteren Verlauf das Nervensignal weitergegeben werden kann.
Ein wichtiger präsynaptischer Mechanismus ist die Beeinflussung der Calciumionenkanäle. Das Gift der schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) führt zum Beispiel 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). Es kommt zu Muskelkrämpfen.
Botulinumtoxine, Gifte der Bakterien der Gattung Clostridium, verhindern die beschriebene Vesikelfusion und somit die Ausschüttung von Acetylcholin. Das Bakteriengift Botulinumtoxin (Botox) verhindert genau diese Vesikelfusion. Es wirkt vor allem in Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen statt. So kann der Neurotransmitter Acetylcholin dort nicht freigesetzt werden. Das Bakterium Clostridium Botulinum findest du vor allem in verdorbenem Essen.
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Mechanismen im synaptischen Spalt
Im synaptischen Spalt gibt es Enzyme, die die Neurotransmitter abbauen, um deren Wirkungsdauer zu regulieren. Ein konkretes Beispiel ist das Enzym Acetylcholinesterase, das Acetylcholin abbaut. Alkylphosphate sind beispielsweise Bestandteil von Pflanzenschutzmitteln. 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. Alkylphosphate, z.B.
Substanzen wie organische Phosphorsäureester (z.B. in Insektiziden oder chemischen Kampfstoffen) hemmen dieses Enzym irreversibel.
Postsynaptische Mechanismen
In der postsynaptischen Membran gibt es Acetylcholinrezeptoren, an die im Regelfall Acetylcholin bindet. Infolgedessen öffnen sich Natriumkanäle und Natriumionen strömen ein, ein neues Aktionspotenzial wird ausgelöst und somit wird das Nervensignal weitergeleitet. Die Natriumkanäle bleiben so lange geöffnet, wie das Acetylcholin an den Rezeptoren gebunden ist.
Das Gift des Kugelfischs, Tetrodotoxin (Abk. TTX), blockiert die Natriumkanäle dauerhaft. So wird eine Weiterleitung des Aktionspotenzials verhindert, Muskelzellen werden nicht aktiviert. Lähmungserscheinungen sind die Folge.
Curare, ein Pflanzengift, blockiert hingegen die Acetylcholinrezeptoren. Die Rolle kann zum Beispiel das Curare-Gift übernehmen. und verhindert, dass Acetylcholin selber binden kann. So kann Acetylcholin aus dem synaptischen Spalt nicht binden und eine Weiterleitung des Aktionspotenzials wird ebenfalls unterbunden. Auch hier sind Lähmungen die Folgeerscheinung. Da das Curare mit Acetylcholin um die gleiche Bindungsstelle am Rezeptor konkurriert, spricht man von kompetitiver Hemmung. Die Nervengifte Atropin und Curare ahmen beide die Rolle des Neurotransmitters Acetylcholin nach. Das bedeutet, sie haben eine ähnliche Struktur und können an die gleiche Bindestelle am Rezeptor binden. Hier konkurrieren also zwei Moleküle miteinander um die gleiche Bindestelle.
Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs, Batrachotoxin, hat hingegen eine gegenteilige Wirkung. Es bindet zwar ebenfalls an die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran, führt allerdings zu einer permanenten Aktivierung. Die Natriumkanäle bleiben durchgehend geöffnet und die Muskelzellen werden übermäßig aktiviert. Es ist eines der tödlichsten Gifte, das wir kennen. Es hat genau die gegenteilige Wirkung: es bindet an den Acetylcholin-Rezeptor und verhindert dadurch das Schließen der Na+-Kanäle. Durch die durchgehend geöffneten Kanäle wird der Natriumeinstrom also erhöht.
Beispiele für Stoffeinwirkungen und ihre Folgen
- Curare: Pflanzengift, wird als Pfeilgift der Indianer verwendet, blockiert Acetylcholinrezeptoren der motorischen Endplatten, Tod durch Atemlähmung
- Nikotin: Gift der Tabakpflanze, wirkt wie Acetylcholin, Cholinesterase kann Nikotin nicht abbauen
- Alkylphosphate: org.
- Tetrodotoxin (TTX): Blockiert Natriumkanäle, verhindert die Weiterleitung von Aktionspotentialen.
- α-Latrotoxin: Führt zur übermäßigen Freisetzung von Neurotransmittern, was zu Muskelkrämpfen führt.
Synaptische Plastizität
Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.
Die Bedeutung der Autophagie
Ausgangspunkt für die neue Erkenntnis war das PLEKHG5-Gen. Bekannt ist, dass Mutationen in diesem Gen verschiedene Formen von Motoneuron-Erkrankungen auslösen können. Wird das PLEKHG5-Gen an einzelnen Motoneuronen in Zellkultur ausgeschaltet, verringert sich die Autophagie und es kommt zur Anhäufung der synaptischen Vesikel. „Die Befunde liefern einen wichtigen Beweis dafür, dass eine gestörte Autophagie eine zentrale Rolle in der Entstehung von Motoneuron-Erkrankungen spielt“, sagt Sendtner. Diese neue Erkenntnis müsse zu einem Umdenken bei der Entwicklung neuer Medikamente führen.
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