Synapsentypen und Neurotransmitter

Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen: erregende und hemmende Synapsen. Erregende Synapsen lösen ein erregendes postsynaptisches Potential $EPSP$ aus, was zu einer Depolarisation führt. Hemmende Synapsen hingegen verursachen ein inhibitorisches oder hemmendes postsynaptisches Potential $IPSP$, das eine Hyperpolarisation zur Folge hat.

Definition: Hyperpolarisation bezeichnet einen Zustand, bei dem das Membranpotential negativer wird als das Ruhepotential, was die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung eines Aktionspotentials verringert.

Neurotransmitter spielen eine zentrale Rolle bei der Erregungsübertragung an der Synapse. Diese chemischen Moleküle fungieren als Botenstoffe und übertragen Signale an chemischen Synapsen von einer Nervenzelle zur anderen. Beispiele für wichtige Neurotransmitter sind Acetylcholin, Dopamin, Serotonin und Adrenalin.

Highlight: Die Vielfalt der Neurotransmitter ermöglicht eine differenzierte Signalübertragung im Nervensystem und ist grundlegend für komplexe neuronale Funktionen.

Damit ein Molekül als Neurotransmitter fungieren kann, muss es bestimmte Kriterien erfüllen:

1. Es muss dem Schlüssel-Schloss-Prinzip entsprechen und an spezifische Rezeptoren an der postsynaptischen Membran binden können.
2. Es muss in der Präsynapse produziert und freigesetzt werden können.
3. Es muss die Fähigkeit besitzen, sich wieder in seine Bestandteile zu spalten und in die Präsynapse zurückzukehren.

Die synaptische Integration ist ein wichtiger Prozess, bei dem Signale von verschiedenen Synapsen zusammengeführt werden. Dies geschieht durch räumliche und zeitliche Summation. Bei der räumlichen Summation werden mehrere räumlich getrennte Synapsen gleichzeitig aktiviert, was zu einer größeren Amplitude des EPSP am Zellkörper führt. Die zeitliche Summation tritt auf, wenn Aktionspotentiale zeitlich nah aufeinander folgen, sodass sich ihre Effekte addieren.

Example: Ein Beispiel für räumliche Summation wäre, wenn mehrere erregende Synapsen an verschiedenen Dendriten einer Nervenzelle gleichzeitig aktiviert werden, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Zelle ein Aktionspotential auslöst.

Synapsengifte oder Neurotoxine sind chemische Substanzen, die das Nervensystem schädigen können, indem sie die synaptische Übertragung beeinträchtigen. Sie unterscheiden sich in ihrer Wirkungsweise an der Synapse. Wichtige Begriffe in diesem Zusammenhang sind Agonisten und Antagonisten. Agonisten sind Stoffe, die sich an Rezeptoren binden und die gleiche biologische Wirkung wie der natürliche Ligand erzielen. Antagonisten hingegen binden zwar an die Rezeptoren, lösen aber nicht die gleiche biologische Wirkung aus.

Vocabulary: Ein Ligand ist ein Molekül, das spezifisch an einen Rezeptor bindet und dessen Aktivität beeinflusst.

Wirkungen von Synapsengiften

Synapsengifte oder Neurotoxine können auf verschiedene Weise die Funktion der Synapse beeinträchtigen. Jedes Gift hat eine spezifische Wirkung, die zu unterschiedlichen Störungen der Erregungsübertragung an der Synapse führen kann. Die möglichen Wirkungsmechanismen sind vielfältig:

1. Fehlende Ausschüttung von Neurotransmittern: Dies kann durch eine Blockade der Kalziumionenkanäle verursacht werden, was zu einem verringerten Kalziumionen-Einstrom führt. Infolgedessen wird die Exozytose der Vesikel verhindert, und die Weiterleitung des Signals wird unterbrochen.
2. Massive Transmitterausschüttung: Im Gegensatz dazu können einige Gifte eine Öffnung vieler Kalziumionenkanäle bewirken, was zur Exozytose aller Vesikel führt. Dies resultiert in einer Überstimulierung aufgrund zu vieler Transmitter im synaptischen Spalt.
3. Verhinderung der Transmitter-Spaltung: Manche Gifte hemmen die Enzyme, die für den Abbau der Neurotransmitter verantwortlich sind. Ohne Spaltprodukte können die Vesikel nicht neu aufgefüllt werden, was die weitere Signalübertragung beeinträchtigt.
4. Wirkung als Agonisten oder Antagonisten: Einige Gifte können als Agonisten an Rezeptoren binden und eine dauerhafte Stimulation auslösen. Andere wirken als Antagonisten, die zwar an die Rezeptoren binden, aber nicht die gleiche Wirkung wie der natürliche Neurotransmitter haben und somit die Signalübertragung blockieren.

Example: Ein Beispiel für ein Neurotoxin, das als Antagonist wirkt, ist Curare. Es blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der neuromuskulären Endplatte und verhindert so die Erregungsübertragung vom Nerv zum Muskel.

Die Folgen einer Vergiftung mit Synapsengiften können schwerwiegend sein. Wenn die betroffene Synapse an einer Muskelzelle endet, kann es zu Lähmungserscheinungen kommen. Je nachdem, welcher Muskel betroffen ist, kann dies zu Krämpfen, Wundstarrkrämpfen oder sogar zum Tod durch Herzversagen führen.

Highlight: Die Vielfalt der Wirkungsmechanismen von Synapsengiften unterstreicht die Komplexität der synaptischen Übertragung und zeigt, wie empfindlich das Nervensystem auf Störungen reagieren kann.

Das Verständnis der Wirkungsweise von Synapsengiften ist nicht nur für die Toxikologie von Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung von Medikamenten. Viele Arzneimittel, die auf das Nervensystem wirken, basieren auf ähnlichen Prinzipien wie Synapsengifte, werden aber gezielt und in kontrollierten Dosen eingesetzt, um therapeutische Effekte zu erzielen.

Vocabulary: Toxikologie ist die Lehre von den Giftstoffen, ihrer Wirkung auf Organismen und ihrer Nachweismethoden.

Die Erforschung von Synapsengiften und ihrer Wirkungsmechanismen trägt wesentlich zum Verständnis der Synapsenfunktion bei und kann wichtige Erkenntnisse für die Behandlung von Synapsen-Krankheiten liefern. Zudem hilft dieses Wissen bei der Entwicklung von Gegenmitteln und Therapien für Vergiftungen sowie bei der Verbesserung der Sicherheit in Bereichen, in denen potenziell neurotoxische Substanzen vorkommen.

Übertragung von Informationen über Synapsen

Die Erregungsübertragung an der Synapse ist ein komplexer Vorgang, der mehrere Schritte umfasst. Wenn ein Aktionspotenzial das synaptische Endknöpfchen der präsynaptischen Zelle erreicht, wird die Zellmembran depolarisiert. Dies führt zur Öffnung spannungsgesteuerter Kalziumionenkanäle, wodurch Kalziumionen in die Zelle einströmen.

Der erhöhte Kalziumspiegel bewirkt, dass Vesikel mit Acetylcholin $ACh$ durch Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Acetylcholin fungiert hier als Neurotransmitter oder Botenstoff. Diese ACh-Moleküle diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden an spezifische ACh-Rezeptoren.

Vocabulary: Exozytose ist der Prozess, bei dem Zellen Stoffe nach außen abgeben, indem Vesikel mit der Zellmembran verschmelzen.

Die Bindung von Acetylcholin an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Natriumionenkanälen. Natriumionen strömen in die postsynaptische Zelle ein und depolarisieren die Membran. Wenn der Schwellenwert erreicht wird, löst dies am Axonhügel des postsynaptischen Neurons ein erregendes postsynaptisches Potential $EPSP$ aus.

Definition: Ein erregendes postsynaptisches Potential $EPSP$ ist eine vorübergehende Depolarisation der postsynaptischen Membran, die die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.

Nach der Signalübertragung wird das verbleibende Acetylcholin im synaptischen Spalt durch das Enzym ACh-Esterase abgebaut. Cholin, eines der Abbauprodukte, wird durch aktiven Transport zurück in die präsynaptische Zelle befördert. Dort wird es mit einem neuen Acetat-Rest verknüpft, um neues Acetylcholin zu bilden. Die Vesikel werden durch Endozytose zurückgewonnen und mit neuen Transmittermolekülen gefüllt, wodurch der Zyklus von vorne beginnen kann.

Highlight: Die Wiederaufnahme und Wiederverwertung von Neurotransmittern ist ein wichtiger Mechanismus zur Aufrechterhaltung der synaptischen Funktion und zur Vorbereitung auf zukünftige Signalübertragungen.

Der Text beschreibt auch zwei verschiedene Arten von Rezeptortypen: solche mit direkter Öffnung und solche mit indirekter Öffnung $Second-Messenger-System$. Bei der direkten Öffnung binden Transmitter direkt an Rezeptoren und öffnen Ionenkanäle. Bei der indirekten Öffnung löst die Transmitterbindung eine Kaskade biochemischer Prozesse aus, die letztendlich zur Öffnung oder Schließung von Ionenkanälen führt.

Example: Ein Beispiel für das Second-Messenger-System ist die Aktivierung von G-Proteinen, die wiederum die Adenylatzyklase aktivieren. Diese wandelt ATP in cAMP um, welches als sekundärer Botenstoff fungiert und weitere Prozesse in der Zelle auslöst.