Die motorische Endplatte ist ein faszinierender und wichtiger Bestandteil unseres Körpers. Sie ermöglicht es uns, uns zu bewegen, zu sprechen und viele andere Dinge zu tun. Aber was genau ist die motorische Endplatte und wie funktioniert sie? Dieser Artikel erklärt es auf einfache Weise, sodass es auch für Schüler verständlich ist.
Was ist die motorische Endplatte?
Die motorische Endplatte ist die Verbindungsstelle zwischen einer motorischen Nervenzelle und einer Muskelzelle. Man kann sie sich als eine Art "Schalter" vorstellen, der ein Signal vom Nerv an den Muskel weiterleitet. Wenn dieser "Schalter" betätigt wird, zieht sich der Muskel zusammen.
Diese spezielle Synapse zeichnet sich durch eine recht einfach zu verstehende Funktionsweise aus. Daher wird die motorische Endplatte häufig in Schulbüchern als "typische Synapse" behandelt. Manchmal wird sie auch als "Schulbuchsynapse" bezeichnet.
Aufbau der motorischen Endplatte
Eine Synapse lässt sich in drei Abschnitte gliedern:
- Präsynapse: Das ist das Ende der Nervenzelle, von dem das Signal kommt. Hier befinden sich kleine Bläschen, die sogenannten Vesikel, die mit Botenstoffen (Neurotransmittern) gefüllt sind.
- Synaptischer Spalt: Das ist der winzige Raum zwischen der Nervenzelle und der Muskelzelle.
- Postsynapse: Das ist die Membran der Muskelzelle, die das Signal empfängt. Hier befinden sich spezielle Andockstellen (Rezeptoren) für die Botenstoffe.
Die motorische Endplatte setzt sich aus den klassischen Bestandteilen einer Synapse zusammen. Dazu gehört eine präsynaptische Membran mit Vesikeln, ein synaptischer Spalt sowie eine postsynaptische Membran mit nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Der synaptische Spalt ist der kleine Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden. Die postsynaptische Membran gehört zur Muskelzelle.
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Wie funktioniert die motorische Endplatte?
Die Funktionsweise der motorischen Endplatte ist ein komplexer, aber faszinierender Prozess:
Ankunft des Signals: Eine Nervenzelle sendet ein elektrisches Signal, ein sogenanntes Aktionspotenzial, entlang ihres Axons (eines langen "Kabels") bis zum synaptischen Endknöpfchen. Das Aktionspotenzial wandert immer vom Axonhügel über das Axon bis zum Endknöpfchen.
Öffnung der Calciumkanäle: Wenn das Aktionspotenzial das Endknöpfchen erreicht, öffnen sich spezielle Kanäle in der Zellmembran, die Calcium-Ionen durchlassen. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, und $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert. Die Calciumionen-Konzentration im Außenmedium der Synapse ist mit 2 mmol/l bedeutend höher als im Zellinnern mit 0,0002 mmol/l (Verhältnis 10.000:1) [6, S. 75], die Ionen strömen also mit dem Konzentrationsgradienten in die Zelle hinein.
Freisetzung des Botenstoffs: Der Einstrom von Calcium-Ionen bewirkt, dass die Vesikel, die mit dem Botenstoff Acetylcholin gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Die Neurotransmitter, zum Beispiel Acetylcholin, diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, wo sie an rezeptorgesteuerte Ionenkanäle binden.
Bindung an die Rezeptoren: Das Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an spezielle Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Jeder dieser Natriumkanäle hat auf der Außenseite eine spezielle Region, in die sich ein Neurotransmitter-Molekül (als Ligand) nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip setzen kann. Diese Region des Proteins wird als Rezeptorregion bezeichnet. Diese Rezeptoren sind jedoch gleichzeitig auch Ionenkanäle, weshalb eine Bindung von Acetylcholin zum Einstrom von Kationen (=positive Ionen) in die Muskelzelle führt.
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Öffnung der Ionenkanäle: Wenn Acetylcholin an die Rezeptoren bindet, öffnen sich Ionenkanäle in der Muskelzellmembran. Normalerweise ist die postsynaptische Membran einer Synapse negativ geladen, so dass in der Regel Natrium-Ionen in die Zelle strömen, sobald die Neurotransmitter freigesetzt werden. Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen nun beispielsweise Natrium-Ionen (Na+) ein und es kommt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran.
Auslösung eines Aktionspotentials: Der Einstrom von Natrium-Ionen führt zu einer Depolarisation der Muskelzellmembran. Wenn diese Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotenzial in der Muskelzelle ausgelöst. Das somit erzeugte Aktionspotenzial bezeichnet man als “Endplattenpotenzial”. Es erregt die verbundene Muskelzelle.
Muskelkontraktion: Das Aktionspotenzial breitet sich über die Muskelzelle aus und löst eine Kette von Ereignissen aus, die letztendlich zur Kontraktion des Muskels führen. Eine Kontraktion startet auf Sarkomerebene. Durch das Zusammenwirken aller Sarkomere wird die Transformation von chemischer Energie aus ATP in mechanische Energie als makroskopische Kontraktion sichtbar.
Beendigung des Signals: Damit die Muskelkontraktion nicht ununterbrochen anhält, muss das Signal schnell beendet werden. Dies geschieht auf zwei Arten:
- Abbau des Acetylcholins: Ein Enzym namens Acetylcholinesterase spaltet das Acetylcholin im synaptischen Spalt in Cholin und Acetat. Mit der Zeit wird das Acetylcholin enzymatisch durch Acetylcholinesterase in Cholin und Acetat zerlegt, die dann wieder in die Präsynapse aufgenommen werden.
- Wiederaufnahme des Cholins: Das Cholin wird von der präsynaptischen Nervenzelle wieder aufgenommen und zur Synthese von neuem Acetylcholin verwendet. Dort werden aus Cholin und Acetat erneut Acetylcholin synthetisiert und in Vesikel verpackt, um für die Weiterleitung eines neuen Potenzials bereit zu sein.
Die Rolle von Acetylcholin
Acetylcholin spielt eine entscheidende Rolle bei der Funktion der motorischen Endplatte. Es ist der Neurotransmitter, der das Signal von der Nervenzelle zur Muskelzelle überträgt. Die motorischen Nervenzellen, die am präsynaptischen Teil der motorischen Endplatte beteiligt sind, gehören zu den cholinergen Neuronen. Das sind Nervenzelle, die Acetylcholin als Neurotransmitter ausschütten.
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Im Gegensatz zu anderen Neurotransmittern wird Acetylcholin direkt im synaptischen Endknöpfchen synthetisiert und in Vesikel verpackt. Das so hergestellte Acetylcholin gelangt dann über Transportproteine in die synaptischen Vesikel. Jedes der bis zu 1.000.000 synaptischen Vesikel kann bis zu 10.000 Acetylcholin-Moleküle enthalten [3, 5].
Normalerweise sorgt Acetylcholin an der motorischen Endplatte für die Signalübertragung. Bestimmte Substanzen können diese Wirkung jedoch manipulieren oder sogar komplett imitieren.
Bedeutung der motorischen Endplatte
Die motorische Endplatte ist essenziell für unsere Bewegungsfähigkeit. Sie ermöglicht es uns, willkürliche Bewegungen auszuführen, wie z.B. Gehen, Sprechen oder Schreiben. Aber auch unwillkürliche Bewegungen, wie z.B. das Atmen, werden durch die motorische Endplatte gesteuert.
Störungen der motorischen Endplatte
Wenn die motorische Endplatte nicht richtig funktioniert, kann dies zu verschiedenen Problemen führen. Einige Beispiele sind:
- Myasthenia gravis: Bei dieser Autoimmunerkrankung werden die Acetylcholin-Rezeptoren auf der Muskelzellmembran angegriffen und zerstört. Dadurch kann das Acetylcholin nicht mehr richtig binden, was zu Muskelschwäche führt. Bei dieser Autoimmunerkrankungen blockieren und zerstören Antikörper den nikotinischen Acetylcholin-Rezeptor auf der Postsynapse.
- Lambert-Eaton-Syndrom: Bei dieser Autoimmunerkrankung werden die Calciumkanäle in der präsynaptischen Nervenzelle angegriffen. Dadurch wird die Freisetzung von Acetylcholin gestört, was ebenfalls zu Muskelschwäche führt. Auch beim Lambert-Eaton-Syndrom stören Antikörper die Funktion an der Synapse zwischen Nerv und Muskelzelle. Bei dieser Krankheit richten sich die Antikörper jedoch gegen Calcium-Kanäle in der Präsynapse, welche für die Vesikelfreisetzung kritisch sind. Da dadurch die Exozytose der Vesikel mit Acetylcholin behindert wird, tritt bei Betroffenen eine Skelettmuskelschwäche auf.
- Vergiftungen: Bestimmte Gifte, wie z.B. Botulinumtoxin (Botox) oder Curare, können die Funktion der motorischen Endplatte blockieren und zu Lähmungen führen. Beispielsweise verhindert das Botulinumtoxin (Botox), dass die Vesikel mit den Neurotransmittern mit der präsynaptischen Membran verschmelzen können. Ein anderes Beispiel ist Curare. Dieses Gift wurde von Ureinwohnern Südamerikas zum Jagen verwendet. Curare blockiert an Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen die Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, sodass die Neurotransmitter nicht mehr binden können.
Fazit
Die motorische Endplatte ist eine faszinierende und komplexe Struktur, die für unsere Bewegungsfähigkeit unerlässlich ist. Sie ist die Verbindungsstelle zwischen Nervenzellen und Muskelzellen und ermöglicht die Übertragung von Signalen, die zur Muskelkontraktion führen. Ein gutes Verständnis der motorischen Endplatte ist wichtig, um die Funktion unseres Körpers und die Ursachen bestimmter Erkrankungen zu verstehen.