Die Neuronen im Nervensystem unterscheiden sich dadurch, welchen Neurotransmitter sie in der synaptischen Endigung produzieren. Die mehr als 100 Neurotransmitter in den Organismen kann man in 2 Hauptgruppen einteilen:

1. Niedermolekulare Monoamine und
2. Peptide (Neuropeptide).

Die niedermolekularen Neurotransmitter werden im Endknöpfchen hergestellt, die Peptide im Soma des Neurons (an den Ribosomen) und dann zum Endknöpfchen transportiert. Die Neuropeptide besitzen eine länger anhaltende Wirkung als die niedermolekularen Neurotransmitter und wirken oft mit den niedermolekularen zusammen und modulieren deren Wirkung in bestimmten funktionellen Bereichen des Nervensystems (meist ZNS).

Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin werden auch Katecholamine genannt. Adrenalin wird nicht im ZNS sondern in der Nebenniere gebildet. Synapsen mit Acetylcholin werden auch cholinerg, solche mit Katecholaminen adrenerg genannt.

Im vegetativen Nervensystem findet man im Parasympathicus Acetylcholin und im Sympathicus Noradrenalin.

Wichtige niedermolekulare Neurotransmitter

Es gibt auch noch andere Aminosäuren wie Glycin und Asparaginsäure die als Neurotransmitter wirken.

Einige Neuropeptide als Neurotransmitter

3.1.7.4 Beeinflussung der Synapsenfunktion

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten die Synapsenfunktion zu beeinflussen. Alle Vorgänge und Strukturen der Synapse können individuell beeinflußt oder blockiert und so die Weiterleitung der Erregung verhindert oder moduliert werden.

Viele Nervengifte (Neurotoxine), Drogen und Medikamente können synaptische Vorgänge beeinflussen oder blockieren. Daraus resultieren neurologische Krankheiten, mentale Problemzustände oder der Tod. Ausführliches dazu finden Sie u.a. hier: http://www.rci.rutgers.edu/~lwh/drugs/chap06.htm. Die Wirkung im Gehirn läßt sich durch z.B. Fluoreszenzspektroskopie oder PET (Positron emission tomography) aufklären. Hier zwei Beispiele:

Im oberen linken Bild sind verschiedene Gehirnbereiche gezeigt, an denen THC (Hauptwirkstoff in Marihuana) wirkt. Die rechte Abbildung zeigt ein PET-Bild eines normalen Gehirnstoffwechsels und unter Kokaineinwirkung. Das Bild zeigt den maximalen Glucoseverbrauch (rot) und damit den Energieverbrauch der Neuronen. Gelb bedeutet weniger Glucoseverbrauch und blau geringen Glucoseverbrauch. Rechts sieht man deutlich den gedrosselten Glucoseverbrauch durch Kokain.

Nachfolgend finden Sie eine Auswahl wichtiger Substanzen:

Toxine

Botulinumtoxin

Das anaerobe Bakterium Clostridium Botulinum produziert ein extrem starkes Neurotoxin, das zu Lähmungserscheinungen oder sogar zum Tod führen kann. Die Sterberate war vor 1920 70%, heute ca. 2%. Die Bakterien befinden sich im Boden, in konservierten Lebensmitteln, ihre Sporen auf der Oberfläche von Früchten und in Seefisch. Das Bozulinumtoxin kommt in den Varianten A-G vor und ist ein Protein. Es bindet an Rezeptoren der präsynaptischen Membran, blockiert an den neuromuskulären Synapsen die Exocytose von Acetylcholin und führt so zu Lähmungen und bei Blockierung des Herzmuskels und der Lunge zum Tod. Antitoxingabe (Phosphoamidon = Metallproteasehemmer) in den ersten 30 Minuten nach Vergiftung hemmt das Botulinumtoxin. (genaueres siehe bei den Weiterführenden Quellen )

Schlangengifte

z.B. Bungarotoxin von Bungarus multicinctus ; alpha-Cobratoxin der Cobra (Naja spec.) und Klapperschlange (Crotalus spec.) oder Erabutoxin der Seeschlange (Laticauda semifasciata ) LD50 < 1 mg/kg links eine indische Cobra (= Brillenschlange; Naja naja)

Abb. 54 zeigt Acetylcholinrezeptoren in neuromuskulären Synapsen bei Fröschen, die mit Bungarotoxin besetzt sind, der mit einem roten Fluoreszentfarbstoff markiert ist.

Das Schlangengift Bungarotoxin ( Peptid, 66 As) wie das Cobratoxin binden an den nikotinischen Acetylcholinrezeptor (Muskeln) und verhindern die Acetylcholinwirkung. Folge Lähmungserscheinungen und Tod durch Atemstillstand

Fasciculin, ein Gift der grünen Mamba hemmt die Acetylcholinesterase allosterisch.

Organische Phosphate wie (Diisopropyl-fluorophosphat (DFP)) binden irreversibel an die aktive Stelle der Acetylcholinesterase und inhibieren diese. Dadurch wird die Transmitterwirkung verlängert. Dauerdepolarisierung führt zu Lähmung. Sie werden als Insektizide und als Kampfgase eingesetzt.

Drogen

Die genauere Wirkung von Drogen im Gehirn wird später besprochen.

Geringe Dosen bewirken Stimulierung bestimmter Neuronen, sodaß neben Acetylcholin auch Dopamin, Noradrenalin und Serotonin ausgeschüttet wird. (u.a. Erhöhung des Blutdrucks und Herztätigkeit). In hohen Dosen bewirkt Nikotin Dauerdepolarisation und damit Muskelerschlaffung (Zittern, Krämpfe). Eine amerikanische Zigarette enthält ca. 9 mg Nikotin, 90% verbrennen, ca. 1 mg wird aufgenommen und ist nach ca. 8 Sekunden im Gehirn.

Alkohol (Ethanol) verändert die Empfindlichkeit des GABA- a-Rezeptors und erhöht damit die Transmitterwirkung. Auch der Umsatz an Noradrenalin und Dopamin wird gesteigert. Er verhindert die Wirkung von Glutaminsäure und vermindert die von Acetylcholin.

Koffein gilt als Stimulanz des Zentralnervensystems und ist die weitverbreitetste Droge der Welt; Hauptquelle ist die Kaffeebohne (aus Coffea arabica).

Es ist in Kaffee, Tee, Cola und z.B. Schokolade enthalten. Ca.10 g sind die tödliche Dosis beim Mensch das entspricht ca. 80-100 Tassen Kaffee in schneller Folge. Im Gehirn tritt Koffein u. a. mit Adenosin in Wechselwirkung. Es erhöht den Wachzustand, verändert das Schlafmuster, verursacht Kopfschmerzen und Nervosität. Es verlängert die Hormonwirkung durch Hemmung der cAMP-Phosphodiesterase.

Ecstasy oder MDMA (3,4 Methylen-Dioxymethamphetamin), eine Designerdroge aus der Amphetaminfamilie wurde schon 1913 von der Firma Merck als Appetittzügler patentiert. Derzeit ist die Droge weitverbreitet.

Ca. 1 Stunde nach der Einnahme werden die Gefühle verstärkt, Musik klingt besser, die Körpertemperatur steigt, Appetit sinkt, Angst verschwindet. Nach 3-4 Stunden verschwindet der Effekt. MDMA beeinflußt den Serotoninspiegel des Gehirns. Genauere Untersuchungen sind im Gange. Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!

THC wirkt an vielen Stellen des Gehirns auf Neuronen mit cannabinoiden Rezeptoren, die mit dem Gedächtnis, der Konzentration, Wahrnehmung und Bewegung zu tun haben. Die THC-Wirkung verändert die Mengen an GABA, Serotonin, Dopamin und Noradrenalin dieser Bereiche. In geringen Dosen führt THC zu Entspannung, Schläfrigkeit, erniedrigtem Blutdruck und veränderter Wahrnehmung von Zeit und Raum. Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!

Ursprünglich ( um 1900) enthielt auch Coca-Cola Kokain, heute nur noch Koffein; seit den 80er Jahren ist es als Droge im Umlauf. Kurze Zeit nach der Einnahme geringer Mengen (25-150 mg) bewirkt die Droge Euphorie, Aufregung, reduzierten Hunger und sorgt für ein Gefühl der Stärke. Nach ca. 1 Stunde folgen Depressionen. Bei Einnahme riskiert man Herzschlag, Atemstillstand, verringerte Immunabwehr und den Tod.

Kokain blockiert die Wiederaufnahme von Dopamin und Noradrenalin in die präsynaptische Zelle. Folge: verstärkte Dopaminwirkung.

LSD (Lysergsäurediethylamid), die Modedroge (Halluzinogen) der 60er und 70er Jahre wurde 1938 von einem Chemiker bei Sandoz produziert. Dosen um 0,1 mg rufen Angst, Traurigkeit, Glücksgefühle, lebende Farben, Halluzinationen,Verwirrung, Panik usw. hervor.

Bei Einnahme riskiert man Herzschlag, Atemstillstand und den Tod. Wirkungen können bis zu 12 Jahren andauern. LSD hat eine ähnliche Struktur wie Serotonin. Es regt vermutlich die Serotonin-Rezeptoren an.

Heroin und andere Opiate binden sich u.a. im Thalamus an die Opiat-Rezeptoren was in einer komplizierten Reaktion zur Erhöhung der Dopaminproduktion führt.

Medikamente

Ca²⁺-Blocker wie Nifedipin verhindern den Ca²⁺-Einstrom, dadurch die Vesikelausschüttung und reduzieren so die Muskelkontraktion. Medizinische Anwendung erfolgt z. B. bei Herzmuskelstörungen.

Zusammenfassung:

• Nikotin wirkt an Acetylcholinreceptoren
• LSD wirkt wie Serotonin

• Organische Phosphate inhibieren die Acetylcholinesterase

• Botulinumtoxin besetzt Acetylcholinrezeptoren
• Schlangengift (Bungarotoxin) besetzt Acetylcholinrezeptoren
• Atropin (Tollkirsche: Atropa belladonna)
• Curare (Toxin von Strychnos toxifera, Pfeilgift einiger Südamerikan. Indianer)

• Valium verstärkt die Eigenschaften es GABA-Receptors

• Nifedipin, Einsatz als Herzmuskelrelaxans

• Opiate (Heroin), Kokain beeinflussen den Dopaminstoffwechsel
  
  

3.1.7.5 Krankheitenim Zusammenhang mit der Synapsenfunktion

Alzheimer
Z. B. wird behauptet, daß ein Verlust der Acetylcholinwirkung zur Alzheimer-Erkrankung führt.

Schizophrenie wird mit einer Fehlfunktion des Dopaminsystems in Zusammenhang gebracht.

Migräne
Ausgelöst durch viele Faktoren wie, Streß, Rauchen, helles Licht, Wetter, hormonelle Fluktuation, verschiedene Nahrungsmittel, Koffein, Alkohol usw. erfolgt eine Fehlregulation der Blutgefäße im Gehirn. Bei einem Migräneanfall stellt man eine abnormale Erweiterung der Gehirnblutgefäße unter der Wirkung von Serotonin, mit lokalen Prostaglandin- (Hormon) bewirkten Entzündungen fest.

Entweder kann der Schmerz durch die gängigen Schmerzmittel, die Acetylsalizylsäure (Aspirin), Paracetamol (Togal) oder Ibuprofen enthalten, bekämpft werden, oder es werden neuerdings sehr erfolgreich Serotonin-Rezeptor-Agonisten wie Sumatriptan eingesetzt um die Gefäßerweiterung direkt zu stoppen.

3.1.7.6 Verschaltung von Neuronen

In vielen Bereichen, besonders im Zentralnervensystem findet man Verschaltungen, bei der nicht nur 2 Zellen sondern mehrere miteinander über Synapsen verbunden sind. Eine typische Gehirnzelle kann von bis zu 10 000 anderen Neuronen Information erhalten. Man spricht auch vom neuronalen Netzwerk.

Wir wollen in diesem Kapitel kurz darauf eingehen, wie solche vielfältig ankommenden Informationen an einem Neuron verarbeitet werden.

Nehmen wir an, an einem Neuron kommen die Informationen von 4 anderen Nervenzellen über 4 Synapsen S1- S4 an.

Ob ein AP entsteht, hängt von der Signalstärke der ankommenden Information und der zeitlichen Abfolge der Informationsweitergabe ab.

Feuert jede Nervenzelle einzeln und zeitlich hintereinander ihre AP-Sequenzen ab, entsteht am ableitenden Axon unseres Neurons nur dann eine AP-Sequenz, wenn die ankommenden Signale die Zelle über den Schwellenwert reizen.

Ist eine ankommende AP-Sequenz unterschwellig, entsteht am Zellkörper des empfangenden Neurons ein EPSP.

Feuern 2 oder mehrere Neuronen gleichzeitig AP-Frequenzen ab, können sich die EPSPs aufsummieren; falls der Schwellenwert überschritten wird, entstehen am ableitenden Axon der empfangenden Nervenzelle APs.

Dies ist in der nächsten Abbildung dargestellt.

Gleichzeitiges Senden von APs über die Synapse erhöht die Depolarisierung ( S1+2).

Feuern die Neuronen 1-3, ergibt die Depolarisierung an den Synapsen S1 + 2 + 3 eine Erregung über den Schwellenwert zu einem AP.

Diesen Vorgang nennt man räumliche Summation.

Feuert ein Neuron AP-Frequenzen schnell in kurzer Folge ab, kann ebenfalls eine Aufsummierung am Zellkörper des empfangenden Neurons geschehen. Bei Überschwelligkeit entsteht wieder eine AP-Frequenz am ableitenden Axon. Man nennt dies zeitliche Summierung (siehe unten).

Sind die Synapsen S1 - S4 unterschiedlichen Typs, z. B. S1-S3 excitatorisch und S4 inhibitorisch, erfolgt ebenfalls eine Aufsummierung. Im einfachsten Beispiel befindet sich einem Neuron 1 excitatorische und eine inhibitorische Synapse.

Kommen gleichzeitig IPSPs und EPSPs an, hebt sich der Effekt auf und es entsteht kein AP.