Neurotoxine, auch bekannt als Synapsengifte, sind Substanzen, die gezielt in den Ablauf der natürlichen Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen eingreifen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotoxinen, die unterschiedliche Wirkungen an Nervenzellen auslösen können. Die Gemeinsamkeit aller Gifte ist, dass sie an der Synapse der Nervenzelle wirken, wobei die genauen Orte (ob nun synaptischer Spalt, Prä- oder Postsynapse) von Neurotoxin zu Neurotoxin verschieden sind.
Kategorisierung von Neurotoxinen
Neurotoxine werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt: exogene und endogene Neurotoxine.
Exogene Neurotoxine
Exogene Neurotoxine werden aus der Umwelt in den Körper aufgenommen, beispielsweise durch den Verzehr eines giftigen Pilzes. Dort entfalten sie dann ihre Wirkung im Nervensystem. Sie können flüssig oder fest sein, seltener auch gasförmig.
Endogene Neurotoxine
Endogene Neurotoxine werden im Körper selbst hergestellt. Nur unter bestimmten Umständen können vom Körper selbst produzierte Stoffe für ihn giftig werden. Ein Beispiel dafür wäre Glutamat, welches normalerweise nur als Neurotransmitter agiert. Produziert der Körper allerdings zu viel Glutamat, wirkt dies auf die Zellen giftig und es kommt zum programmierten Zelltod, das heißt, Zellen sterben ab. Dies nennt man auch Excitotoxizität.
Entstehung von Neurotoxinen
Die meisten Neurotoxine werden von Lebewesen selbst hergestellt. Dabei ist die Bildung solcher Gifte in der Natur sehr wichtig: Neurotoxine können bei der Jagd wichtig sein, um die Beute zu erlegen. Dies machen sich vor allem Giftschlangen oder Giftspinnen zunutze.
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Neurotoxine können andererseits wiederum als Schutz vor den Fressfeinden dienen. Besonders bei Pilzen und Früchten kommt so ein Gift zum Einsatz. So ähnlich nutzen manche Tiere, häufig Insekten, Neurotoxine auch, um sich vor Fressfeinden zu verteidigen. Damit verhindern sie, dass sie überhaupt erst gefressen werden.
Neben Tieren, Pflanzen und Pilzen können auch Bakterien Nervengifte produzieren. Dazu gehören zum Beispiel das Clostridium botulinum, welches Botulinumtoxin herstellt, oder das Clostridium tetani, welches Tetanus hervorrufen kann.
Wirkungsweise von Neurotoxinen an der Synapse
Synapsengifte entfalten ihre Wirkung an unterschiedlichen Orten: Sie können an der Präsynapse, der Postsynapse oder dem synaptischen Spalt wirken. Die Wirkung von Nervengiften kann je nach Substanz völlig unterschiedlich sein: Manche blockieren die Ausschüttung von Botenstoffen, andere verhindern deren Abbau oder blockieren die Rezeptoren.
Überblick über die synaptische Übertragung
Um die Wirkungsweise von Neurotoxinen zu verstehen, ist es wichtig, den Ablauf der synaptischen Übertragung zu kennen. Hier eine Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:
- Ein Aktionspotential kommt in der Präsynapse an und es kommt zu einer Depolarisation der Zelle.
- Spannungsgesteuerte Calciumkanäle werden geöffnet und Calcium-Ionen strömen ein. Der Anstieg der Calciumkonzentration bewegt die mit Neurotransmittern gefüllten Vesikel zur präsynaptischen Membran.
- Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben die Transmitter in den synaptischen Spalt ab.
- Freigegebene Neurotransmitter diffundieren die Distanz zur postsynaptischen Membran.
- Die Neurotransmitter binden an den Rezeptoren spezifische transmittergesteuerte Ionenkanäle. Es öffnen sich Ionenkanäle und Ionen, wie beispielsweise Natrium-Ionen, die in die postsynaptische Zelle strömen.
- Ein postsynaptisches Potential entsteht.
- Spezifische Enzyme der Ionenkanäle spalten und zerlegen die Neurotransmitter.
- Zerlegte Neurotransmitter werden durch spezifische Kanäle wieder in die präsynaptische Endung aufgenommen, dort recycelt und erneut in Vesikel verpackt.
Beispiele für Neurotoxine und ihre Wirkungen
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele für Neurotoxine und ihre spezifischen Wirkmechanismen an der Synapse erläutert.
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Botulinumtoxin
Botulinumtoxin, hergestellt von dem Bakterium Clostridium botulinum, ist eines der bekanntesten und tödlichsten Gifte. Es blockiert die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin aus der Präsynapse. Genauer gesagt spaltet es das Protein SNAP-25, welches für die Vesikelfusion notwendig ist. Dadurch kann Acetylcholin nicht in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die Folge: Der synaptische Spalt „bleibt leer“. Da sich keine Neurotransmitter an den Rezeptoren der Postsynapse binden, kann die Erregungsübertragung nicht weiterlaufen. So werden Nervenzellen und damit auch Muskeln gelähmt. Die Wirkung tritt nach 1-15 Stunden auf und kann bei kosmetischen Eingriffen 3 bis 6 Monate anhalten.
Botulismus als gefährliche Lebensmittelvergiftung tritt besonders bei unsachgemäß hergestellten Fleisch- und Wurstkonserven auf. Die Symptome beginnen oft mit Mundtrockenheit und geweiteten Pupillen, gefolgt von Schluck-, Sprech- und Sehstörungen.
Interessanterweise wird die lähmende Wirkung von Botulinumtoxin in verdünnter Form (Botox) für kosmetische Eingriffe und in der Medizin genutzt. In der Neurologie hilft Botox bei verschiedenen Bewegungsstörungen wie Dystonien oder Spastik. Weitere medizinische Anwendungen umfassen die Migräneprophylaxe, die Behandlung von Muskelkrämpfen und die Korrektur von Schielen.
Alpha-Latrotoxin
Alpha-Latrotoxin, welches beispielsweise von Tieren wie der Schwarzen Witwe (Spinne) produziert wird, bewirkt im präsynaptischen Endknöpfchen eine dauerhafte Öffnung der Calciumkanäle. Dies führt zu einer Signalüberflutung, da die Zelle immer wieder unkontrolliert Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei lässt. Somit kommt es zu Muskelkrämpfen. Durch die Latrotoxin Wirkung an der Synapse werden ständig Neurotransmitter ausgeschüttet, was zu einer Dauerreizung führt. Die Gift der Schwarzen Witwe Wirkung an der Synapse demonstriert eindrucksvoll, wie auch eine Überaktivierung der Signalübertragung fatale Folgen haben kann.
Atropin
Atropin ist ein Neurotoxin, das natürlicherweise in der Tollkirsche vorkommt und giftig für den Menschen ist. Es blockiert Rezeptoren der postsynaptischen Membran und kann, da es einem Neurotransmitter ähnelt, an Rezeptoren andocken. Atropin konkurriert mit natürlichen Neurotransmittern um die Rezeptoren an der postsynaptischen Membran. Der entscheidende Unterschied: Atropin löst keine Öffnung der Natriumkanäle aus. Es blockiert lediglich die Rezeptoren und verhindert so, dass der eigentliche Botenstoff wirken kann.
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Um die Wirkung von Neurotoxinen wie Atropin zu verstehen, ist es hilfreich, die Funktionsweise des vegetativen Nervensystems zu betrachten. Das vegetative Nervensystem besteht aus zwei Teilen: dem sympathischen und dem parasympathischen Nervensystem. Diese stehen sich als Gegenspieler gegenüber. Das sympathische Nervensystem sorgt dafür, den Körper in einer Stressreaktion auf die „Kampf-oder-Flucht-Reaktion“ (engl.: „fight-or-flight-response“) einzustellen. Das parasympathische Nervensystem dagegen versetzt den Körper in den Ruhemodus.
Gelangt nun das Neurotoxin Atropin in den Körper, so hemmt dieses das parasympathische Nervensystem. Im Gegenzug werden die Wirkungen des sympathischen Nervensystems stärker. Der Körper wird also ungewollt in diesen „Kampf-oder-Flucht“- Zustand versetzt.
Insektizid Parathion (E605)
Parathion, auch als E605 bekannt, ist ein Pflanzenschutzmittel, das Insekten abtötet. Neurotoxine wie das Insektizid Parathion können als Gegenspieler von Neurotoxinen wie Atropin betrachtet werden, denn diese Art von Giften regen das parasympathische Nervensystem stark an. Dadurch können sie auch als Gegengift zu Neurotoxinen, die das sympathische Nervensystem anregen, eingesetzt werden. Im synaptischen Spalt sorgt das Insektizid Parathion dafür, dass die Enzyme, die für die Spaltung der Neurotransmitter verantwortlich sind, gehemmt werden. Dies hat zur Konsequenz, dass die Neurotransmitter nicht von den Rezeptoren getrennt werden und das Signal länger als vorgesehen weitergeleitet wird. Durch diese Überflutung an Reizen kommt es zu Muskelkrämpfen. Durch die E605 Wirkung an der Synapse verbleibt Acetylcholin länger im synaptischen Spalt. Dieser Wirkmechanismus gehört zu den häufigen bei Nervengiften im Alltag und wird bei vielen Insektiziden ausgenutzt.
Curare
Curare stellt eine Sammelbezeichnung verschiedener alkaloider Gifte dar, die von den Indios Südamerikas als Pfeilgift genutzt werden, um Tiere zu jagen. Hergestellt wird Curare aus eingedickten Extrakten von Rinden und Blättern verschiedener südamerikanischer Lianenarten, wobei die Rezepturen der einzelnen Volksgruppen unterschiedlich sind. Curare ist ein so genannter kompetitiver Blocker des Acetylcholin-Rezeptors. Curare fungiert als Antagonist des Acetylcholins, das heißt, es besetzt die Bindungsstellen am Acetylcholinrezeptor, ohne diesen Rezeptor zu aktivieren. Eine Aktivierung durch den eigentlichen Agonisten des Rezeptors, das Acetylcholin selbst, kann somit nicht mehr stattfinden. Acetylcholin ist der Transmitter an der neuromuskulären Endplatte, der Synapse zwischen motorischen Nerven und Muskel. Deswegen bewirkt Curare Muskellähmungen. Zum Tode führt letzten Endes Atemstillstand durch Lähmung der Atemmuskulatur.
Da Curare die Acetylcholinrezeptoren kompetitiv hemmt, kann es durch viel Acetylcholin wieder verdrängt werden. Um soviel Acetylcholin zu bekommen, wird die Acetylcholinesterase meist mit Parathion gestoppt. Dadurch wird das Curare verdrängt, die Übertragung funktioniert wieder. Das Problem ist, dass auch Parathion ein Gift ist, weil bald zuviel Acetylcholin vorhanden ist und die Muskeln sich deshalb verkrampfen. Dies führt ebenfalls zum Erstickungstod. Das Parathion wird dann oft mit Atropin bekämpft, welches ebenfalls die Rezeptoren für das Acetylcholin blockiert.
Tetrodotoxin (TTX)
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.
Batrachotoxin
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.
Alkylphosphate
Alkylphosphate sind beispielsweise Bestandteil von Pflanzenschutzmitteln. Synapsengifte aus der Gruppe der Alkylphosphate hemmen die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase, das Acetylcholin abbaut.
Neurotoxine als Nervenkampfstoffe
Nervenkampfstoffe sind Nervengifte, die als chemische Waffen eingesetzt werden. Man teilt sie nach ihrem Ursprung in die Gruppen G-Reihe, V-Reihe und Nowitschok-Reihe ein. Nervenkampfstoffe wirken, ähnlich wie das Insektizid Parathion, hemmend auf die Enzyme, die Neurotransmitter spalten.
Allgemeine Informationen zu Giften
Ein allgemein in der Natur wirksamer, giftiger Stoff wird Umweltgift genannt. Pflanzen- und Tiergifte können zu Krankheiten und sogar dem Tod führen. Je höher die Expositionsmenge eines Giftes ist, desto wahrscheinlicher sind Gesundheitsschäden. Die Exposition ist der Einfluss äußerer Faktoren auf einen Organismus. Wenn das Gift eine anhaltende schädigende Wirkung hat spricht man von einer chronischen Vergiftung.
Giftstoffe können Teil einer passiven/aktiven Überlebensstrategie sein oder ein Abfallprodukt aus dem Stoffwechsel sein. Bei der aktiven Überlebensstrategie wird das Gift oft über einen Biss übertragen, während bei der passiven Strategie schon Berührungen ausreichen. Die Hauptwirkstoffe dieser Gifte sind Pektine und Proteine. Sie beschädigen zelluläre Prozesse anderer Organismen. Sie unterteilen sich in Endotoxine (freigesetzt beim Zerfall von Mikroorganismen und thermostabil) und Exotoxine (permanent von Bakterien freigesetzte Proteine und thermolabil). Sie reagieren mit der Polysaccharidseitenkette, vor allem mit Zellulose. Tiergifte können neurotoxinische (Nervengift), hämolytische (Auflösung von Erythrozyten), verdauende, algogenische (Schmerz verursachende) und hämorrhagische (infektiös) Effekte haben.
Das Gift von manchen Tieren, wie zum Beispiel von Schlangen oder Bienen kann in der Medizin auch nützlich sein. Die verdünnten Giftstoffe von Tieren wirken nämlich sehr präzise und können als Medikamente benutzt werden. Das Gift von Pfeilgiftfröschen wirkt schmerzlindernd und ist um vielfaches wirksamer als Morphium.
Pro Jahr sterben ungefähr 40-60 Personen durch den Verzehr von Giftpilzen. Man sollte sich daher beim Pilze sammeln genau auskennen. Typische Giftpflanzen in Europa sind die Tollkirsche, der Fingerhut, die Herbstzeitlose, der Riesenbärenklau, das Pfaffenhütchen, die Eibe und viele mehr.