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Theoretische Wirkorte und Wirkweisen

Ein sehr beliebtes Abiturthema sind die vielen Giftstoffe, Drogen und Medikamente, die an der motorischen Endplatte (der "Schulbuchsynapse", wie ich immer sage) angreifen.

Eine gute Übung - gerade für Abiturienten - ist es, sich einmal vorzustellen, wo überall das Geschehen an der motorischen Endplatte beeinflusst werden kann. Hier gibt es zwei verschiedene Vorgehensweisen:

1. Entweder geht man die synaptischen Vorgänge Schritt für Schritt durch und fängt zum Beispiel bei den Calcium-Kanälen an. Was würde passieren, wenn die spannungsgesteuerten Calcium-Kanäle gehemmt werden? Dann macht man weiter mit den kontraktilen Proteinen, die die synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran befördern und so weiter.

2. Oder man überlegt sich systematisch verschiedene Effekte, die Drogen, Medikamente oder Giftstoffe bewirken könnten und denkt dann darüber nach, was passieren muss, damit diese Effekte eintreten.

Ich möchte hier einmal den zweiten Weg einschlagen, weil er Sie besser auf mögliche Klausur- und Abituraufgaben vorbereitet.

Denkbare Wirkungen von Drogen und Arzneimitteln auf die synaptische Übertragung an der motorischen Endplatte

Ich stelle Ihnen zunächst die jeweilige denkbare Wirkung vor, dann folgen plausible Hypothesen, wie bzw. wodurch diese Wirkung erreicht werden könnte.

1. Keine Ausschüttung von Neurotransmittern

Bei dieser denkbaren Wirkung von Giftstoffen, Drogen oder Medikamenten wird die Ausschüttung von Neurotransmittern verhindert, so dass an der postsynaptischen Membran keine EPSPs oder IPSPs entstehen können. Eine Informationsweiterleitung unterbleibt daher. Im günstigsten Fall wird dadurch eine Schmerzweiterleitung verhindert, im ungüngstigen Fall werden Herzmuskelzellen oder andere wichtige Zellen bzw. Gewebe nicht mehr korrekt angesteuert; Tod durch Herzstillstand, Erstickung etc. kann die Folge sein.

Durch welche Mechanismen kann es nun dazu kommen, dass die Ausschüttung von Neurotransmitter unterbunden wird?

1.1 Hemmung der spannungsgesteuerten Calcium-Kanäle

Wenn die spannungsgesteuerten Calcium-Kanäle nicht mehr richtig arbeiten, können keine Calcium-Ionen mehr in das synaptische Endknöpfchen eindringen, und die Fusion der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran wird verhindert. Neurotransmitter können so nicht mehr ausgeschüttet werden.

Rein theoretisch gibt es mehrere Möglichkeiten, wie die spannungsgesteuerten Calcium-Kanäle gehemmt werden können:

1.2 Hemmung der Neurotransmitter-Synthese.

Wenn keine Neurotransmitter mehr synthetisiert werden, können logischerweise auch keine Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet werden. Auch hier sind theoretisch mehrere Mechanismen denkbar, die zu diesem Effekt führen:

1.3 Behinderung der Vesikelbildung, des Vesikeltransports oder der Vesikelfusion

Auch hier sind wieder mehrere Mechanismen denkbar, zumindest theoretisch:

2. Kein Einstrom von Natrium-Ionen in die postsynaptische Membran

Wenn durch die postsynaptischen Natrium-Kanäle keine Natrium-Ionen mehr in die Zelle einströmen, ist die Synapse ist absolut wirkungslos. Die Folgen sind ähnlich wie bei der gehemmten Neurotransmitter-Ausschüttung; im günstigen Fall wird eine Schmerzweiterleitung unterdrückt, im schlimmsten Fall Tod durch Atemlähmung oder Herzstillstand.

Rein theoretisch gibt es mehrere Möglichkeiten, wie der Einstrom von Natrium-Ionen in die Empfängerzelle gehemmt werden kann:

2.1 Ausschüttung modifizierter Neurotransmitter

Es werden Neurotransmitter-Moleküle synthetisiert und ausgeschüttet, die in ihrer Struktur leicht von den ursprünglichen Neurotransmitter-Molekülen abweichen. Diese modifizierten Neurotransmitter passen dann nicht mehr in die Rezeptor-Stellen der Natrium-Kanäle (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Wenn man etwas überlegt, kommt man auch hier auf mehrere Mechanismen, die so etwas bewirken können. Ich zähle mal zwei dieser Mechanismen auf, es gibt vielleicht auch noch andere Mechanismen:

2.2 Veränderung der Rezeptoren für die Neurotransmitter

Es werden intakte Neurotransmitter ausgeschüttet, aber die Rezeptor-Stellen der Natrium-Kanäle sind verändert, so dass die Neurotransmitter nicht mehr hinein passen.

2.3 Kompetitive Hemmung der Rezeptoren

Die Rezeptor-Stellen sind durch Stoffe besetzt, die den natürlichen Neurotransmittern ähnlich sehen, aber keine Wirkung haben. Konkrete Beispiele: Curare und Atropin.

2.4 Blockade der Natrium-Kanäle

Die Neurotransmitter sind intakt, die Rezeptor-Stellen der Natrium-Kanäle ebenfalls, aber die Natrium-Kanäle selbst sind so verändert, dass sie sich nicht mehr öffnen können.

3. Ständiger Einstrom von Natrium-Ionen

Die postsynaptischen Natrium-Kanäle sind ständig offen, sie schließen sich nicht mehr. Die postsynaptische Membran ist ständig depolarisiert (Dauererregung). Die Folgen können teils gravierend sein, jenachdem, wofür die postsynaptische Zelle verantwortlich ist. Muskelkrämpfe, ständige Schmerzen und viele andere Folgen sind denkbar.

3.1 Übermäßige Freisetzung von Neurotransmittern

Wenn zu viele Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden, führt dies dazu, dass viele Natrium-Kanäle der postsynaptischen Membran geöffnet sind und folglich zu viele Natrium-Ionen in die postsynaptische Membran einströmen. Theoretisch können diese Mechanismen dazu führen:

3.2 Na+-Kanäle können sich nicht mehr schließen

Wenn sich die Natrium-Kanäle der postsynaptischen Membran nicht mehr schließen können, wenn die Neurotransmitter-Moleküle die Rezeptoren verlassen haben, führt das zu einem ständigen Einstrom von Natrium-Ionen, solange der Konzentrationsgradient besteht.

3.3 Hemmung des Enzyms, das die Neurotransmitter wieder abbaut

Wenn das Enzym, das für den Abbau der Neurotransmitter verantwortlich ist, gehemmt wird, dann führt das zu einer Anreicherung von Neurotransmitter-Molekülen im synaptischen Spalt. Die Natrium-Kanäle sind dann ständig von Neurotransmitter besetzt, und Natrium-Ionen strömen ständig in die postsynaptische Membran ein.

Konkretes Beispiel: Fasciculin (das Gift der grünen Mamba), Muscarin (das Gift des Fliegenpilzes), Nicotin sowie organische Phosphate wie E605. Oft wird das wichtige Enzym Acetylcholinesterase irreversibel durch Giftstoffe gehemmt.

3.4 Hemmung des Enzyms, das die Neurotransmitter wieder in das synaptische Endknöpfchen aufnimmt

Wenn die Neurotransmitter des synaptischen Spaltes bestimmter Synapsen nicht mehr zur Wiederverwertung vom Endknöpfchen aufgenommen werden, reichern sich diese Neurotransmitter im synaptischen Spalt an. Die Folgen sind die gleichen wie bei 3.3, es strömen also ständig Natrium-Ionen ein, was eine Dauererregung zur Folge hat.

Konkretes Beispiel: Kokain, ein gefährliches Rauschgift.

3.5 Das Gift hat eine ähnliche Struktur wie der reguläre Neurotransmitter

Wenn die Moleküle des Giftes, der Droge oder des Medikamentes eine ähnliche Struktur wie der eigentliche Neurotransmitter haben, setzen sie sich in die Neurotransmitter-Rezeptoren der postsynaptischen Membran und öffnen die entsprechenden Ionenkanäle. Die Wirkung dieser Moleküle kann nun wesentlich effektiver sein als die der eigentlichen Neurotransmitter, weil

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