Hemmende und erregende Synapsen

Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen und können in zwei Haupttypen eingeteilt werden:

Erregende Synapsen (EPSP)

• Erzeugen ein erregendes postsynaptisches Potential
• Führen zur Depolarisation der postsynaptischen Membran
• Aktivieren Na⁺-Kanäle, wodurch Na⁺ in die Zelle einströmt
• Die Membranspannung wird positiver

Hemmende Synapsen (IPSP)

• Erzeugen ein inhibitorisches postsynaptisches Potential
• Führen zur Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran
• Aktivieren K⁺- oder Cl⁻-Kanäle
• K⁺ strömt aus der Zelle aus oder Cl⁻ strömt ein
• Die Membranspannung wird negativer

Wichtiges Konzept: Der grundlegende Unterschied zwischen erregenden und hemmenden Synapsen liegt in ihrem Effekt auf das Membranpotential. Während EPSP die Zelle näher an die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotentials bringen, entfernen IPSP die Zelle weiter von dieser Schwelle.

Koffein und Adenosin - Gegenspieler im Nervensystem

Adenosin (macht müde):

• Entsteht beim Abbau von ATP
• Wird bei hoher Konzentration aus dem Neuron transportiert
• Schützt vor Überbelastung der Nervenzelle
• Bindet an Rezeptoren/G-Proteine der prä- und postsynaptischen Membran
• Verhindert die Transmitterfreisetzung durch Hemmung des Ca²⁺-Einstroms
• Löst IPSP an der postsynaptischen Membran aus

Koffein (macht wach):

• Bindet an dieselben Rezeptoren wie Adenosin (kompetitive Hemmung)
• Blockiert die hemmende Wirkung von Adenosin
• Nervenzellen arbeiten auch bei hoher Belastung weiter
• Löst EPSP an der postsynaptischen Membran aus

Wirkungsmechanismus: Koffein wirkt als Nervengift, indem es die natürliche Schutzfunktion des Adenosins blockiert. Es verhindert die Bindung von Adenosin an seine Rezeptoren und kann bei übermäßigem Konsum zu Nebenwirkungen wie Nervosität, Schlaflosigkeit und erhöhtem Blutdruck führen.

G-Proteine und Wirkung von Giften

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren einfach erklärt

G-Proteine sind wichtige Signalüberträger in der Zellmembran:

• Acetylcholin (Ach) bindet nicht direkt am Ionenkanal, sondern an ein Membranprotein
• An dieses Protein ist ein G-Protein gekoppelt
• Durch Ach-Bindung wird das G-Protein abgekoppelt
• Das G-Protein bewegt sich zum Ionenkanal und öffnet diesen

Schlüsselfunktion: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren funktionieren als molekulare Schalter, die extrazelluläre Signale (wie Neurotransmitter) ins Zellinnere übersetzen. Die Bezeichnung "G" steht für Guaninnukleotid-bindend, wobei Gq-Proteine eine spezielle Untergruppe darstellen, die die Phospholipase C aktivieren.

Wirkung verschiedener Gifte auf die Synapse:

Exocytose-Blocker:

• Botulinum-Toxin (Botox): Hemmt die Verschmelzung von Acetylcholin-Vesikeln
• Wirkung: Keine Ausschüttung von Acetylcholin → keine Depolarisation → Lähmung
• Folge: Langfristige, irreversible Muskellähmung (potenziell tödlich)

Acetylcholin-Rezeptorenblocker:

• Curare, Atropin: Kompetitive Antagonisten zu Acetylcholin
• Wirkung: Blockieren die Rezeptoren der Na⁺-Kanäle → kein Na⁺-Einstrom
• Folge: Akute Lähmung, Herzstillstand (reversibel)

Acetylcholin-Rezeptorenaktivatoren:

• Nikotin, Coniin, Cytisin: Besetzen Acetylcholin-Rezeptoren
• Wirkung: Dauerhafter Na⁺-Einstrom → viele EPSPs
• Folge: Muskelkrampf, Übererregung, Schwindel, Übelkeit

Calcium-Kanalblocker:

• ω-Conotoxin: Blockiert Ca²⁺-Kanäle → keine Exocytose
• Folge: Muskellähmung

Calcium-Kanalaktivatoren:

• Latrotoxin: Bewirkt dauerhaften Ca²⁺-Einstrom → ständige Vesikelentleerung
• Folge: Muskelkrampf

Acetylcholinesterase-Hemmer:

• Sarin, Tabun, E605: Verhindern den Abbau von Acetylcholin
• Wirkung: Dauerhafte Rezeptorbesetzung → viele EPSPs
• Folge: Muskelkrampf, Herzstillstand

Tabelle: Erregende und hemmende Synapsen im Vergleich

Summation

Die Informationsverarbeitung im Nervensystem basiert auf der Integration verschiedener Signale durch Summation:

Zeitliche Summation:

• Mehrere Aktionspotentiale treffen in kurzen Abständen an derselben Synapse ein
• Das postsynaptische Potential ist zwischen den einzelnen Aktionspotentialen noch nicht vollständig abgebaut
• Die Potentiale addieren sich
• EPSPs werden dadurch höher
• IPSPs werden dadurch niedriger (stärkere Hyperpolarisation)

Räumliche Summation:

• Aktionspotentiale treffen gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen des Neurons ein
• Die Potentiale von verschiedenen Synapsen werden zusammengerechnet

Entscheidender Mechanismus: Die Summe aller erregenden (EPSP) und hemmenden (IPSP) postsynaptischen Potentiale entscheidet darüber, ob am Axonhügel der Schwellenwert überschritten wird und ein Aktionspotential gebildet wird. Dieser Prozess ermöglicht die komplexe Informationsverarbeitung im Nervensystem.

Beispiele für räumliche und zeitliche Summation:

1. Hemmende Synapse (Beispiel): Eine GABAerge Synapse im Gehirn kann ein IPSP auslösen, das die Erregbarkeit der Zelle verringert. Wenn mehrere solcher IPSPs zeitlich summiert werden, kann die Zelle stark gehemmt werden.

2. Erregende Synapse (Beispiel): An der motorischen Endplatte bewirkt Acetylcholin die Öffnung von Natriumkanälen und erzeugt ein EPSP. Durch zeitliche Summation mehrerer EPSPs kann die Schwelle für ein Aktionspotential erreicht werden.

3. Gemischte Summation: In einem Neuron, das sowohl erregende als auch hemmende Eingänge erhält, entscheidet die Gesamtsumme aller EPSPs und IPSPs über die Auslösung eines Aktionspotentials.

Anwendungsbeispiel: Die Wirkung von Koffein auf die Blutgefäße ist ein Beispiel für die Bedeutung der Summation. Koffein blockiert Adenosin-Rezeptoren, was zu einer erhöhten Aktivität von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren führt. Diese bewirken eine Verengung der Blutgefäße im Gehirn, was Kopfschmerzen lindern kann, aber auch zu Nebenwirkungen wie erhöhtem Blutdruck führen kann.