Synapsen, Rezeptoren und Medikamente: Ein umfassender Überblick

Synapsen sind essenzielle Verbindungen im Körper, die den Informationsaustausch zwischen Zellen ermöglichen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Behandlung von Krankheiten. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte von Synapsen, ihre Funktionsweise, ihre Bedeutung für die Gesundheit und die Art und Weise, wie Medikamente auf sie einwirken können.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle (z. B. Muskel- oder Drüsenzelle). Sie ist ein zentraler Bestandteil der Kommunikation im Nervensystem. Fast überall im Körper kommen Synapsen vor. Sie sind wichtige Verbindungen zwischen Zellen, die einen sicheren Informationsaustausch ermöglichen. Deshalb sind sie von Bedeutung bei der Entstehung von Krankheiten und derer Behandlung.

Chemische vs. Elektrische Synapsen

Man unterscheidet chemische von elektrischen Synapsen. 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. Dahingegen seltener sind die elektrischen Synapsen.

Aufbau einer chemischen Synapse

Die chemische Synapse kann sich zwischen zwei Neuronen oder einem Neuron und einer anderen Zelle ausbilden. Im ersten Fall besteht damit eine Verbindung des Axonendes der einen mit den Dendriten der anderen Nervenzelle. Zwischen den beiden Strukturen befindet sich ein kleiner Spalt, der als synaptischer Spalt bezeichnet wird. Im Zytoplasma des Axonendes befinden sich Vesikel, in denen Neurotransmitter gespeichert werden. Diese werden im Zellkörper des Neurons (Perikaryon) produziert und anterograd entlang des Axons transportiert, um zur Synapse zu gelangen.

Signalübertragung an der chemischen Synapse

1. Aktionspotential: Wenn die Erregung nun das Axonende erreicht, öffnen sich durch das Aktionspotential spannungsabhängige Calcium-Kanäle und sorgen für einen Einstrom von Calcium-Ionen in die Zelle hinein.
2. Calcium-Einstrom: Das SNARE-Protein Synaptotagmin registriert die erhöhte Calcium-Konzentration und aktiviert die restlichen SNARE-Proteine.
3. Vesikelfusion: Daraufhin interagiert das Protein Synaptobrevin der Vesikelmembran mit dem target-Protein der Zellmembran des Neurons.
4. Neurotransmitterfreisetzung: Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
5. Rezeptorbindung: Im synaptischen Spalt können die Transmitter nichts erreichen. Sie binden an ihre Zielrezeptoren, die sich auf der Membran der Postsynapse befinden. Diese aktivierten Rezeptoren lösen dann eine Reaktion in der Zielzelle aus.

Elektrische Synapsen: Direkte Verbindung

Bei elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über die sogenannten Gap Junctions verbunden. Das sind Zell-Zell-Kontakte, über die ein Austausch von Ionenströmen zwischen den zwei Zellen möglich ist. Im Gegensatz dazu findet bei einer elektrischen Synapse die Signalübertragung direkt und sehr schnell über sogenannte Gap Junctions statt. Durch diese Kanäle fließt der elektrische Strom (Ionen) unmittelbar von einer Zelle zur nächsten.

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Neurotransmitter und ihre Funktionen

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. Inhibitorische Synapsen hemmen die Erregung auf die nachfolgende Zelle. Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Die Neurotransmitter werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken.

Wichtige Neurotransmitter

• Acetylcholin: Die quartäre Ammoniumverbindung Acetylcholin hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Im Perikaryon wird seine Bildung aus Cholin und Acety-CoA von der Cholinacetyltransferase katalysiert. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren. Erstere sind vor allem im Zusammenhang mit dem vegetativen Nervensystem von Bedeutung. Das Musterbeispiel ist der Acetylcholin-Rezeptor der motorischen Endplatte.
• Monoamine: Bedeutende Vertreter der Monoamine 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: GABA 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.

Neurotransmittersysteme

Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist, etwa das dopaminerge System oder das cholinerge System.

• Cholinerges System: Rund um den Transmitter Acetylcholin. Die wichtigsten cholinergen Neuronen lassen sich zu zwei diffusen Modulationssystemen zusammenfassen. Das eine System innerviert von der Basis des Großhirns aus (zwischen und unter den Basalganglien) 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.
• Serotonerges System: Mit dem Botenstoff Serotonin. Neurone, die Serotonin als Botenstoff ausschütten, beeinflussen zum Beispiel das Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand.
• Dopaminerges System: Mit dem Neurotransmitter Dopamin. 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.

Rezeptoren und ihre Subtypen

Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Unterscheiden lassen sie sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. Unterscheiden lassen sich Rezeptoren auch noch durch ihren Wirkmechanismus. Alle Glutamatrezeptoren etwa, ob nun AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren). Metabotrope Rezeptoren sind Rezeptoren, die ihre Wirkung über ein G-Protein vermitteln. Das G-Protein kann dann andere Enzyme aktivieren oder hemmen, die sogenannte second messenger wie cAMP oder IP3 herstellen. Diese second messenger wieder können weitere Enzyme aktivieren oder hemmen und so schließlich auf Umwegen ihre Wirkung entfalten.

Beendigung der Signalübertragung

Ein Signal an der Synapse wird beendet, indem die freigesetzten Neurotransmitter auf verschiedene Weise inaktiviert werden.

Synapsen und Erkrankungen

Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.

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Depressionen

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.

Autoimmunerkrankungen

• Lambert-Eaton-Syndrom: 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: 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.

Vergiftungen

• Parathion (E 605): Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann.
• Botulinumtoxin: Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum ist das Botolinumtoxin. Es hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur.
• Tetanustoxin: Ein weiteres bakterielles Toxin ist das Gift von Clostridium tetani, welches als Tetanustoxin bekannt ist. Das Tetanustoxin verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.

Synapsengifte

Synapsengifte sind Giftstoffe, die die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören. Giftstoffe, die den normalen Ablauf der Übertragung beeinflussen, kannst du als Synapsengifte bezeichnen. Du findest sie vor allem im Tier- und Pflanzenreich. Die Wirkungsweise eines Neurotoxins im Körper hängt vom Wirkort in der Synapse ab.

• α-Latrotoxin (Schwarze Witwe): 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.
• Botulinumtoxin (Botox): 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.
• Insektizid E 605: 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.
• Curare: Die Rolle kann zum Beispiel das Curare-Gift übernehmen. und verhindert, dass Acetylcholin selber 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. Schließlich kommt es zum Atemstillstand. Daher tränken die indigenen Völker Südamerikas ihre Pfeile für die Jagd damit.
• Batrachotoxin (Schrecklicher Pfeilgiftfrosch): Die indigenen Völker tränken ihre Pfeile allerdings auch mit dem Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin). 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.

Kompetitive 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 bezeichnest du als kompetitive Hemmung.

Medikamente und ihre Wirkung auf 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.

Angriffspunkte für Medikamente im Nervensystem

Im Allgemeinen unterscheidet man im Nervensystem als Ansatzpunkt für Medikamente zwischen dem adrenergen und dem cholinergen System:

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• Adrenerges System: Vorkommen in ANS, Parasympathikus und Sympathikus. Neurotransmitter sind Noradrenalin und Adrenalin. Rezeptoren sind Alpha- und Beta-Rezeptoren.
• Cholinerges System: Vorkommen in ZNS und PNS. Neurotransmitter ist Acetylcholin. Rezeptoren sind ACh-Rezeptoren.

Wirkmechanismen von Medikamenten

• Rezeptoragonisten: Ähnliche Substanzen wirken genauso wie der Transmitter.
• Rezeptorantagonisten: Ähnliche Substanzen besetzen den Rezeptor, unterdrücken die Wirkung des eigentlichen Transmitters. Beta-Blocker, z.B. Propanolol, Atenolol: Hemmung der Wirkung der Beta-Adrenorezeptoren -> kompetitive Inhibitoren -> Senkung der Kontraktion des Herzmuskels -> Blutdrucksenkung
• Exocytose-Hemmung: Exocytose wird unterdrückt -> Weiterleitung des Signals wird verhindert!
• Enzymhemmung: Für das Recycling von Transmittern, z.B. Acetylcholinesterase-Hemmer
• Entfernung von Substanzen: Die für die Produktion der Neurotransmitter notwendig sind

Beispiele für Medikamente und ihre Wirkung

• Botox (Botulinumtoxin): Botulinumtoxin (umgangssprachlich: „Botox“) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es wirkt an der neuromuskulären Synapse, indem es die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle blockiert - dadurch wird die Signalübertragung unterbrochen, und der Muskel entspannt sich. Klinisch wird es z. B.
• Antidepressiva: Basierend auf der Theorie des Neurotransmitter-Ungleichgewichts versuchen Antidepressiva, die Stimmung zu beeinflussen, indem sie die Spiegel spezifischer Neurotransmitter im Gehirn verändern. Serotonin-Wiederaufnahmeinhibitoren (SSRI) und ähnliche Antidepressiva) und mehrere andere eingeteilt werden. Antidepressiva sind als Mittel der ersten Wahl zur Behandlung von Angststörungen und Major Depression (MDD) indiziert. Das therapeutische Ansprechen auf Antidepressiva dauert 2-4 Wochen und der volle Nutzen wird erst nach bis zu 8 Wochen sichtbar.
• Antipsychotika (Neuroleptika): Arzneimittel zur Behandlung psychotischer Störungen und zur Linderung von Unruhe, Manie und Aggression. Antipsychotika werden in Antipsychotika der 1. Generation und atypische oder 2. Generation Antipsychotika unterteilt. Beide Medikamentenklassen wirken auf Dopaminrezeptoren.
• Benzodiazepine: Medikamente, die auf den GABAA-Rezeptor einwirken, um inhibitprische Wirkungen auf das ZNS zu erzeugen. Benzodiazepine potenzieren die GABA-Aktivität. Sie haben anxiolytische, muskelrelaxierende, hypnotische, sedierende und krampflösende Eigenschaften und werden im Allgemeinen nicht für die Langzeitanwendung empfohlen, da Personen eine physiologische und psychologische Abhängigkeit entwickeln können.
• Dopamin: Der Wirkstoff Dopamin gehört zur Gruppe der Katecholamine und wird therapeutisch bei Schockzuständen eingesetzt. Außerdem kommt er als Nervenbotenstoff natürlicherweise im Körper vor. Dopamin vermittelt motivations- und antriebssteigernde Effekte. Bei zu niedrigen oder zu hohen Spiegeln kann es zu parkinsonartigen oder manieförmigen Symptomen kommen.

Unerwünschte Effekte von Medikamenten

Manche besonders zielgenauen Wirkstoffe entfalten in Nervenzellen einen unerwünschten Effekt. Um bestimmte Gehirnkrankheiten gezielter und nebenwirkungsärmer zu behandeln, setzt die Forschung auf Medikamente, die ausschließlich bestimmte Subtypen von Rezeptoren für den Botenstoff Glutamat hemmen. Doch unter einigen Bedingungen entfalten solche Wirkstoffe eine gegenteilige Wirkung. Statt der gewünschten Hemmung der Rezeptoren wird ihre Aktivität potenziert.

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