Dieses Video bildet den letzten Teil einer Videoreihe zum Thema Neurobiologie. Nachdem wir uns angeguckt haben, wie in einem Neuron, einer Nervenzelle, ein Aktionspotential, ein Nervenimpuls, generiert und entlang des Axons weitergeleitet wird, haben wir uns im letzten Video mit der Frage beschäftigt, was passiert, wenn das Aktionspotential in der synaptischen Endigung der Präsynapse eintrifft. Nervenzellen weisen bestimmte Kontaktstellen auf, die sogenannten Synapsen, an denen die Kommunikation zwischen Nervenzellen erfolgt. Dabei pflanzt sich das Aktionspotential in den allermeisten Fällen allerdings nicht elektrisch direkt von der präsynaptischen Membran in die postsynaptische Zelle fort, wie es bei elektrischen Synapsen der Fall ist.
In der Regel handelt es sich bei den Synapsen um chemische Synapsen. bei der Neurotransmitter, sogenannte Botenstoffe, hier als kleine rote Dreiecke dargestellt, bepackt in Vesikeln von der präsynaptischen Zelle, beziehungsweise genauer gesagt von der präsynaptischen Membran, freigesetzt werden, um als Botenüberträger die Erregung chemisch auf die postsynaptische Membran zu übertragen. Der Zellzwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran wird auch als synaptischer Spalt bezeichnet. Welche genauen molekularen Vorgänge an einer chemischen Synapse ablaufen, habe ich euch hier nochmal zusammengestellt. Ihr seht, aus welcher Vielzahl von molekularen Ereignissen die Erregungsweiterleitung an den Synapsen erfolgt.
Wirkt jetzt leicht überfrachtet, wir gucken uns die einzelnen Schritte gleich aber nochmal genauer an. Eine Vielzahl an Ereignissen, das heißt auch, dass es unglaublich vielfältige und unterschiedliche Möglichkeiten gibt, in diesen Prozess einzugreifen und damit die Kommunikation zwischen Nervenzellen zu stören. Deshalb sind Klausuraufgaben zur Wirkweise von verschiedenen Synapsengiften, die die Signalübertragung stören, so beliebt.
Erstens existieren viele Nervengifte, Neurotoxine, die an sehr unterschiedlichen Orten der Synapse wirksam sind. Und zweitens decken diese Aufgaben meist den erhöhten Anforderungsbereich 3 einer Klausur ab, weil deren Lösung eine Transferleistung erfordert. Aus diesem Grund gucken wir uns Neurotoxine an, die an unterschiedlichen Orten wirksam sind. An der Prä-Synapse Im synaptischen Spalt und an der Postsynapse. Konkrete Anwendungsaufgaben aus vergangenen Abiturklausuren zur Wirkweise von Synapsengiften zum Mitlösen, dann im nächsten Video.
Wenn wir uns zunächst die Prä-Synapse als Wirkort von Neurotoxinen angucken, fällt auf, dass die Nervengifte im Wesentlichen zwei Schritte beeinflussen können. Die Öffnung spannungsgesteuerter Calcium-Ionen-Kanäle infolge des in die Prä-Synapse eintreffenden Aktionspotentials. Pflanze ich ein Aktionspotential bis in die Präsynapse fort, führt dies also zur Öffnung von Calcium-Ionen-Kanälen.
Erinnert euch daran, dass dieser Schritt, also die Öffnung der Calcium-Ionen-Kanäle und der damit verbundene Einstrom positiv geladener Calcium-Ionen in die Zelle, dazu führt, dass mit Acetylcholin bepackte Vesikel mit der präsynaptischen Membran fusionieren. Die Natrium-Ionen-Kanäle, die sich noch vor den Calcium-Ionen-Kanälen befinden, sind für den Unterricht eher redundant, also überflüssig. Ein Gift, das in der Präsynapse wirksam ist, ist Alpha-Latrotoxin, das Gift der Schwarzen Witwe.
Alpha-Latrotoxin bindet an zusätzliche Calcium-Ionen-Kanäle, genauer gesagt an sogenannten Neurexin. Infolge der Bindung an den Kanal öffnet sich dieser und bleibt geöffnet. Ganz unabhängig von der Tatsache, dass eigentlich nur ein ankommendes Aktionspotential diesen öffnet.
Weil der Kanal geöffnet bleibt, kommt es zu einem ständigen Einstrom von Calcium-Ionen, wodurch fortlaufend sämtliche mit Neurotransmittern bepackte Vesikel mit der präsynaptischen Membran fusionieren und diese freisetzen. Neurotransmitter binden an Natrium-Ionen-Kanäle und öffnen diese dadurch. Die...
übermäßige und ständige Transmitter-Ausschüttung führt dazu, dass sämtliche Natrium-Ionen-Kanäle der postsynaptischen Membran geöffnet sind. Denn die Bindung der Transmitter an die Rezeptorkanäle öffnet diese, wodurch Natrium in die Postsynapse einströmt und dort eine permanente Dauererregung bewirkt. Dies zeigt sich durch eine Verkrampfung des gesamten Körpers durch anhaltende Muskelkontraktion.
Auf diese Weise erwehrt sich die Giftspinne äußerst effektiv gegenüber Fressfeinden, oder tötet ihre Beute. Eine Übersicht über die Wirkweise der einzelnen Gifte findet ihr am Ende des Videos nochmal tabellarisch zusammengefasst. Ihr wisst, dass der Anstieg der Calcium-Ionen- Konzentration dazu führt, dass die Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die in ihnen enthaltenen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt diffundieren können.
Was aber, wenn die Verschmelzung der Vesikel mit der präsynaptischen Membran, man spricht auch von Exozytose nicht funktioniert. So ist es in dem Fall des Neurotoxins Botulinumtoxin, uns wahrscheinlich geläufiger als Botox, wo es in sehr geringer Dosis in die Gesichtshaut zur Lähmung der mimischen Muskulatur injiziert wird. Das natürlicherweise in einem Bakterium vorkommende Gift, das beispielsweise bei uns im verdorbenen Essen vorkommen kann, hemmt die präsynaptische Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin.
So wird die neuromuskuläre Reizübertragung neuromuskulär, weil es zwischen Synapsen von Nervenzellen und Muskelzellen wirksam ist, blockiert. Ich kann verstehen, wenn sich der ein oder andere jetzt fragt, wie genau Botulinumtoxin die Vesikelfusion hemmt, weswegen ich kurz darauf eingehen möchte, wenn gleich das Verständnis über die Wirkweise über den Unterrichtsstoff hinausgeht. Botulinumtoxin spaltet ein Protein, das eigentlich zusammen mit anderen Proteinen an der Freisetzung von Neurotransmittern aus den synaptischen Vesikeln beteiligt ist.
Es spaltet das Protein SNAP25 und verhindert so die Bindung und Freisetzung von Acetylcholin aus den Vesikeln. Gleichzeitig wird ein Membranprotein, das ein wesentlicher Bestandteil der Vesikel ist, durch das Vorhandensein von Botulinumtoxinmolekülen katalytisch, chemisch, aufgespalten, sodass diese Vesikel also alle platzen. Durch das Fehlen des Neurotransmitters im synaptischen Spalt kann die betroffene Nervenzelle die Muskelzelle nicht mehr erregen, wodurch es zur Lähmung des Muskels kommt.
Schauen wir uns nun noch die molekularen Prozesse im synaptischen Spalt und der Postsynapse an. Wie kann hier in die Signalübertragung eingegriffen werden? Normalerweise muss es eine Möglichkeit geben, dass der Neurotransmitter, der in den synaptischen Spalt ausgeschüttet wird, z.B. Acetylcholin, nach seiner Bindung an die Natrium-Ionen-Kanäle wieder abgebaut wird.
Klar, denn andernfalls würde die Konzentration an Neurotransmittern so hoch, dass eine permanente Dauererregung der Postsynapse infolge der Öffnung der postsynaptischen Rezeptorkanäle die Folge wäre. Und genauso geschieht es auch. Unmittelbar nach der Freisetzung von Acetylcholin in den synaptischen Spalt wird Acetylcholin durch das Enzym Acetylcholinesterase zersetzt.
womit die Erregung beendet wird. Es gibt Nervengifte, die als chemische Waffen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Sarin, die genau in diesen Schritt der Erregungsweiterleitung eingreifen. So blockt Sarin die Acetylcholinesterase, wodurch der Acetylcholinspiegel im synaptischen Spalt steigt.
Klar, denn es kann nun kein Acetylcholin mehr abgebaut werden. Auf diese Weise kommt es zur Dauererregung der Postsynapse infolge der durchgehenden Öffnung der Natrium-Ionen-Kanäle. Mit Symptomen wie Krämpfe, Muskelzucken, Atemlähmung und auch dem Tod.
Der letzte Ort, an dem Neurotoxine wirksam sein können, ist die Postsynapse. Das wohl bekannteste Beispiel bildet das aus verschiedenen Pflanzenarten stammende Gift Curara. Corare ist in der Lage, an die Acetylcholin-Rezeptoren der postsynaptischen Membran zu binden und verhindert damit, dass Acetylcholin selbst binden kann.
Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass Corare die Bindungsstellen des Rezeptors besetzt, ohne diesen Rezeptor zu aktivieren. Man spricht von sogenannten nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren. Positiv geladene Natrium-Ionen diffundieren dadurch nur noch in sehr verminderter Anzahl durch die Kanäle in die Pass-Synapse, sodass die Bildung eines erregenen postsynaptischen Potentials ausbleibt.
Eine schlaffe Muskellähmung, die schließlich zum Tode führt, ist die Folge. Man spricht im Zusammenhang von KURARE auch von einem kompetitiven Antagonisten von Acetylcholin-Molekülen. Um einen Gegenspieler des Acetylcholins also, weil nicht nur Acetylcholin, sondern auch KURARE die Bindungsstelle des Acetylcholin-Rezeptors besetzen kann.
Kompetitiv kann abgeleitet werden von Competition, Wettbewerb. Wie in einem Wettbewerb konkurrieren beide Stoffe also um die Bindung an den Rezeptor. Daher gilt, je höher die Anzahl an Acetylcholin- molekülen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Acetylcholin an die Rezeptoren bindet und damit die Wirkung des Giftes Curare ein wenig abmindern kann. Genauer erklärt habe ich das Prinzip der kompetitiven Hemmung in einem weiteren Video. Vor allem aber lege ich euch das nächste Video sehr ans Herz, denn dort gucken wir uns komplexere Abitur-Klausur-Aufgaben zur Synapsengiften an, zum Beispiel das Gift Tetrododoxin, und lösen diese.