Überall in unserem Körper wird zu jeder Zeit Information übertragen. Über Synapsen werden Signale von Neuron zu Neuron weitergeleitet, sodass komplexe Handlungen, Stimmungen und Gefühle entstehen können. Die Übertragung an der Synapse funktioniert durch Neurotransmitter, winzige Stoffe, die ein chemisches Signal von der präsynaptischen Membran zur postsynaptischen Membran transportieren. Es gibt eine Vielzahl solcher Transmitter, die entweder exzitatorisch oder inhibitorisch wirken und sich in Aufbau und Funktion meist deutlich unterscheiden. Im Folgenden werden die verschiedenen Neurotransmitter-Typen und ihre Besonderheiten vorgestellt.

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Synapsenillustration

Bild: “Synapse.” von Nrets. Lizenz: CC BY SA 3.0


 

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Acetylcholin

Synthese

Der Neurotransmitter Acetylcholin (Ach), wirkt an der neuromuskulären Endplatte von cholinergen Neuronen. Die Synthese des Stoffs findet durch alle Motoneuronen im Stammhirn und Rückenmark statt. Das spezifische Enzym Cholin-Acetyltransferase (ChAT) ist für den Aufbau des Neurotransmitters nötig. Da ChAT ein präsynaptisches Protein ist, wird es im Soma produziert und von dort zum Axonende transportiert. Das Cholin befindet sich in geringer Konzentration in der extrazellulären Flüssigkeit.

Von dort wird es über einen spezifischen Cholin-Transporter vom Ende eines cholinergen Axons aufgenommen. Die Synthese des Acetylcholins läuft im Detail wie folgt ab: Im Cytosol der Axonterminale wird von Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) mittels des Enzyms Cholin-Acetyltransferase eine Acetylgruppe auf Cholin übertragen. Acetylcholin wird durch aktive ACh-Transporter in synaptische Vesikel transportiert und dort angereichert.

Ausschüttung

Acetylcholin wird an der motorischen Endplatte in synaptischen Vesikeln gespeichert und durch Exozytose in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.

Rezeptoren

Bei Acetylcholin unterscheidet man zwei verschiedene Rezeptorsubtypen, nikotinische ACh-Rezeptoren in der Skelettmuskulatur und muscarinische ACh-Rezeptoren im Herz. Beide Rezeptortypen kommen ebenfalls im Gehirn vor. Die nicotinischen Rezeptoren sind ionotrop und können durch Nikotin und andere nikotinerge Substanzen aktiviert werden. Im Gegensatz dazu gehören die muscarinischen Rezeptoren den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren an.

Abbau

Das Enzym Acetylcholinesterase (AChE) baut Acetylcholin zu Cholin und Essigsäure ab. Es wird vorrangig von den cholinergen Neuronen hergestellt und in den synaptischen Spalt entlassen. Das gebildete Cholin wird größtenteils vom terminalen Teil des cholinergen Axons aufgenommen und wiederverwendet.

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Glutamat

Synthese

Der Neurotransmitter Glutamat wird aus der Reaktion zwischen α-Ketoglutarat und Ammoniak beziehungsweise einer Aminogruppe gebildet. Das Enzym, welches diesen Vorgang katalysiert, ist die Glutamat-Synthase. Glutamat ist der häufigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn.

Ausschüttung

Glutamat ist in synaptischen Vesikeln in Nervenendigungen gespeichert. Für die Aufnahme in die Vesikel ist das Protein BNPI verantwortlich. Es pumpt das Glutamat aus dem intrazellulären Raum in die Vesikel. Von dort werden die Neurotransmitter über Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt und können an der nachgeschalteten Zelle eine Aktivierung auslösen.

Rezeptoren

Der Aminosäuretransmitter Glutamat wirkt auf drei verschiede Rezeptorklassen, ionotrope (iGluR) und metabotrope (mGluR) Glutamatrezeptoren sowie auf GluD2-Rezeptoren. Die ionotropen Rezeptoren enthalten die Rezeptorsubtypen AMPA-, NMDA- und Kainatrezeptoren. Dabei vermitteln die AMPA- und NMDA-Rezeptoren die meisten schnellen exzitatorischen Synapsenübertragungen im Gehirn. Zu den metabotropen Rezeptoren gehören drei Gruppen mit insgesamt acht Rezeptorsubtypen, sie sind G-Protein-gekoppelt. Die GluD2-Rezeptoren nehmen eine Sonderstellung ein, da sie strukturell und funktionell keine Ähnlichkeit mit den anderen beiden Klassen aufweisen. Diese Rezeptoren werden nur von den Purkinjezellen des Kleinhirns exprimiert.

Abbau

Glutamat wird nach Erregung der nachgeschalteten Zelle durch Astrogliazellen aus dem synaptischen Spalt entfernt. Diese Zellen geben es dann nach Umwandlung in Glutamin durch die Glutamin-Synthetase wieder an die Nervenzelle ab, wodurch Glutamat neu gebildet werden kann.

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von GABA

Synthese

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der häufigste inhibitorische Neurotransmitter des Gehirns. GABA wird in einem Nebenweg des Citratzyklus aus Glutamat mittels der Glutamat-Decarboxylase (GAD) gebildet.

Ausschüttung

Nach Aufnahme der γ-Aminobuttersäure aus dem Axoplasma in synaptische Vesikel, wird der Neurotransmitter durch Exozytose in den synaptischen Spalt entlassen.

Rezeptoren

Es gibt drei verschiedene GABA-Rezeptoren, die alle hemmend wirken: GABAA-, GABAB– und GABAC– Rezeptoren. Der GABAA-Rezeptor bildet einen ligandengesteuerten Chloridkanal, der an der schnellen synaptischen Informationsübertragung beteiligt ist. Der GABAB-Rezeptor ist G-Protein-gekoppelt und vermindert die Leitfähigkeit der Calciumkanäle oder steigert den Ausstrom von Kalium aus den Kaliumkanälen. Der GABAC– Rezeptor ist ebenfalls ein ligandengesteuerter Chloridkanal, welcher wahrscheinlich ausschließlich in der Netzhaut vorkommt.

Abbau

Nachdem GABA seine synaptische Wirkung entfaltet hat, wird es selektiv in die präsynaptische Terminale und die Gliazellen aufgenommen. Dort findet die Metabolisierung des Neurotransmitters durch das Enzym GABA-Transaminase statt.

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Histamin

Synthese

Histamin ist ein biogenes Amin und wird durch Decarboxylierung der Aminosäure Histidin gebildet. Die Reaktion wird durch die Histidin-Decarboxylase (HDC) katalysiert. Histamin ist in den basophilen Granulocyten, Mastzellen oder in Vesikeln von histaminergen Neuronen gespeichert.

Ausschüttung

Histamin wird bei Überempfindlichkeitsreaktionen, Zerstörung von Zellen oder durch chemische Substanzen aus den Vesikeln selektiv freigesetzt. Histamin spielt demnach auch eine Rolle bei Schmerzreaktionen.

Rezeptoren

Man unterscheidet vier G-Protein-gekoppelte Histaminrezeptoren: H1, H2, H3 und H4. Wird der H1-Rezeptor von Histamin aktiviert, wird eine spezifische Phospholipase C stimuliert, welche Allergiereaktionen auslöst. Aktivierte H2-Rezeptoren regen die Adenylatzyclase an, wodurch beispielsweise die Herzfrequenz gesteigert wird. Die H3-Rezeptoren hemmen im Gegensatz dazu die Adenylatzyklase und wirken so inhibierend auf die Histaminfreisetzung. Sie befinden sich hauptsächlich im zentralen und peripheren Nervensystem. H4-Rezeptoren ähneln strukturell den H3-Rezeptoren, sind aber eher im blutbildenden System vertreten, auch sie wirken inhibitorisch.

Abbau

Die beiden Hauptabbauwege von Histamin sind die oxidative Desaminierung durch die Diaminooxidase (DAO) und die Ringmethylierung durch die Histamin-N-Methlytransferase (HNMT).

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Serotonin

Synthese

Der Aminneurotransmitter Serotonin (5-HT) wird in zwei Schritten aus Tryptophan hergestellt. Als erstes wird Tryptophan durch das Enzym Tryptophan-Hydroxylase in die Zwischenform 5-Hydroxytryptophan (5-HTP) umgeformt und anschließend mittels des Enzyms 5-HTP-Decarboxylase in 5-HT umgewandelt. Die meisten serotonergen Neuronen befinden sich in der Dünndarmschleimhaut und wirken auf die Regulation der Darmmotorik.

Serotonerge Neuronen sind auch in den Raphe-Kernen des Gehirns lokalisiert und dort zum Beispiel an emotionalem Verhalten, oder der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt. Tryptophan wird aus dem Blut bereitgestellt, nachdem es durch die Nahrung aufgenommen worden ist. Die Bereitstellung von Tryptophan ist bei der Serotoninsynthese der geschwindigkeitsbestimmende Schritt.

Ausschüttung

Serotonin befindet sich in Vesikeln in der Axonterminale und wird von dort nach Depolarisation der präsynaptischen Membran in den synaptischen Spalt entlassen. Dort bindet der Neurotransmitter an spezielle Serotoninrezeptoren.

Rezeptoren

Es gibt mindestens 14 verschiedene Serotonin-Rezeptoren, die sich in sieben Familien einteilen lassen: 5-HT1 – 5-HT7. Die Klassifizierung erfolgt nach ihrem jeweiligen sekundär-Boten-System. Alle 5-HT-Rezeptoren bis auf 5-HT3 sind G-Protein-gekoppelt. Die Subtypen 5-HT1a/b/d und 5-HT4 inhibieren beispielsweise die Adenylatzyklase, während 5-HT2 aktivierend auf die Umsetzung von Inositolphosphaten wirkt. 5-HT3 hingegen gehört der Familie der ligandengesteuerten Ionenkanäle an und ist nicht-selektiv. Die Wirkung von Serotonin kann demnach entweder inhibitorisch oder exzitatorisch sein.

Abbau

Das Serotonin der Nervenzellen wird mittels eines spezifischen Serotonin-Transporters (SERT) aus dem synaptischen Spalt entfernt, rückresorbiert und wiederverwertet. Wenn sich das Serotonin wieder im Axonende befindet, wird es entweder durch die Monoamin-Oxidase (MAO) und die Aldehyd-Oxidase zu 5-Hydroxyindolessigsäure abgebaut oder erneut in Vesikeln gespeichert.

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Glycin

Synthese

Der inhibierende Aminosäuretransmitter Glycin kommt an den meisten Synapsen des zentralen Nervensystems vor und ist zusammen mit Glutamat und GABA für die schnelle synaptische Übertragung verantwortlich. Da Glycin zu den 20 proteinogenen Aminosäuren gehört, kommt es in allen Zellen des Körpers in großen Mengen vor. Der Neurotransmitter wird größtenteils durch die Nahrung aufgenommen oder aus Serin durch Übertragung eines C1-Rests auf Tetrahydrofolsäure gebildet.

Ausschüttung

Glycinerge Neuronen kommen hauptsächlich im Hirnstamm und Rückenmark vor und hemmen bei Ausschüttung die nachfolgenden Neuronen über Chlorid-

Kanäle.

Rezeptoren

Glycinrezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die nach Binden von Glycin permeabel für Chlorid werden. Durch Einströmen der Ionen kommt es zur Hyperpolarisation und damit zur Hemmung der nachgeschalteten Neuronen.

Abbau

Glycin kann auf zwei unterschiedlichen Wegen abgebaut werden. Es kann durch die Enzyme Serin-Aldolase und L-Serin-Deaminase über Serin zu Pyruvat umgewandelt werden. Oder aber mit dem Lipoprotein Lipoyllysin durch die Glycin-Dehydrogenase decarboxyliert werden.

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Dopamin

Synthese

Dopamin gehört zusammen mit Noradrenalin und Adrenalin zu den Catecholaminneurotransmittern und wird aus der Aminosäure Tyrosin hergestellt. Die Synthese findet in den dopaminergen Neuronen des Nervensystems statt, die an Regulierung von Bewegung, Stimmung, Aufmerksamkeit und Darmfunktion beteiligt sind. Dabei wird Tyrosin im ersten Schritt der Catecholaminsynthese durch das Enzym Tyrosin-Hydroxylase (TH) in L-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) umgewandelt. Danach wandelt das Enzym Dopa-Decarboxylase DOPA in den Neurotransmitter Dopamin um.

Ausschüttung

Dopamin wird nach Depolarisation der Zellmembran eines dopaminergen Neurons Calcium-abhängig in den synaptischen Spalt freigesetzt. Dort erreicht es dann durch Diffusion Rezeptoren und tritt mit ihnen in Wechselwirkung.

Rezeptoren

Man unterscheidet fünf Dopamin-Rezeptoren: D1-D5. Sie sind G-Protein-gekoppelte integrale Membranproteine. Dabei wirken die D1– und D5-Rezeptoren aktivierend auf die Adenylatzyklase, während die D2-, D3– und D4-Rezeptoren die Adenylatzyklase über ein inhibitorisches G-Protein hemmen.

Abbau

Die Wirkung von Dopamin im synaptischen Spalt wird durch die selektive Aufnahme in die Axonterminale über Natrium-abhängige Transporter beendet. Dort werden die Neurotransmitter entweder erneut in Vesikel verpackt oder enzymatisch durch die Monoamin-Oxidase (MAO) abgebaut.

Synthese, Ausschüttung, Rezeptoren & Abbau von Noradrenalin

Synthese

Der Neurotransmitter Noradrenalin ist ein Catecholamin und wird im dritten Schritt der Catecholaminsynthese aus Dopamin synthetisiert. Neuronen, die Noradrenalin produzieren, enthalten deshalb neben den Enzymen Tyrosin-Hydroxylase und Dopa-Decarboxylase auch noch das Enzym Dopamin-β-Hydroxylase (DBH). Im Gegensatz zu den anderen beteiligten Enzymen kommt die DBH nicht im Cytosol vor, sondern ist im Inneren der synaptischen Vesikel lokalisiert.

Die noradrenergen Neurone transportieren Dopamin aus dem Cytosol in die Vesikel und wandeln es dort durch Hydroxylierung der Seitenkette zu Noradrenalin um. Mit an dieser Reaktion beteiligt ist Ascorbinsäure als Co-Faktor. Noradrenalin produzierende Neuronen befinden sich hauptsächlich im Sympathikus und im Gehirn. Der Hauptsyntheseort im zentralen Nervensystem ist der Locus coeruleus.

Ausschüttung

Der Neurotransmitter Noradrenalin wird im peripheren Nervensystem von Neuronen des Sympathikus freigesetzt, er wirkt dort postganglionär. Im Gehirn wird Noradrenalin im Locus coerulus des Metencephalons produziert und von dort zum Prosencephalon transportiert. Nach Freisetzung gelangt der Neurotransmitter durch Diffusion zu den andrenergen Rezeptoren der nachgeschalteten Neuronen.

Rezeptoren

Die Wirkung des Noradrenalins wird durch adrenerge Rezeptoren erreicht, die hauptsächlich postsynaptisch am Sympathikus lokalisiert sind. Zusätzlich dazu findet man sie auch präsynaptisch an parasympathischen Axonterminalen und im zentralen Nervensystem. Man unterscheidet α- und β-Adrenorezeptoren aufgrund ihrer Struktur und Folgereaktion. Sowohl α- als auch β-Adrenorezeptoren sind G-Protein-gekoppelt. Die α-Adrenorezeptoren lassen sich in zwei Subtypen, α1– und α2-Rezeptoren einteilen.

α1-Rezeptoren kommen postsynaptisch auf Myozyten der Herzmuskulatur vor und steigern dort nach Aktivierung durch Noradrenalin die Kontraktilität der Herzmuskelzellen. Molekular liegt hier eine G-Protein-Aktivierung der Phospholipase Cβ zugrunde. α2-Rezeptoren finden sich vor allem präsynaptisch von sympathischen und parasympathischen Neuronen und regulieren dort beispielsweise die Sympathikus-Aktivität mittels Hemmung der Adenylatzyklase.

β-Rezeptoren der Subtypen β14 wirken über Aktivierung der Adenylatzyklase und steigern somit beispielsweise die Herzaktivität und wirken vasokonstriktiv. Sie sind weniger affin für Noradrenalin als für Adrenalin.

Abbau

Nachdem Noradrenalin seine Wirkung entfaltet hat, wird es durch Wiederaufnahme in den noradrenergen Terminus aus dem synaptischen Spalt entfernt. Der Neurotransmitter kann dann entweder in Vesikeln gespeichert werden, oder durch die Monoamin-Oxidase (MAO) und durch die Catechol-O-Methyl-Transferase (COMT) zu Vanillinmandelsäure abgebaut werden.

Weitere Transmitter: ATP, Substanz P, Opioide Peptide

ATP

Seit einiger Zeit ist klar, dass Adenosintriphosphat (ATP) neben seiner zentralen Funktion im zellulären Metabolismus auch als Signalmolekül zwischen Neuronen dient. ATP wird in vielen Synapsen des zentralen und peripheren Nervensystems in Calcium-abhängigen Vesikeln gespeichert. Es wird auch oft mit anderen Neurotransmittern, beispielsweise Catecholaminen, in Vesikel verpackt. In diesem Fall spricht man von Co-Transmittern. ATP reguliert Kationenkanäle und aktiviert dadurch Neuronen, womit seine Funktionen teils denen von Glutamat ähneln. Der Neurotransmitter wirkt an purinergen Rezeptoren und ist beispielsweise an der Durchblutungsregulation beteiligt.

Substanz P

Substanz P gehört zur Gruppe der Neurokinine und spielt eine Rolle bei Schmerzübertragung und Entzündungsprozessen. Es wird durch Proteolyse aus Preprotachykinin synthetisiert. Im zentralen Nervensystem, genauer beim direkten Weg der Cortex-Basalganglien, ist das Neuropeptid ebenfalls als Neurotransmitter aktiv. Es wirkt am Neurokinin-1 Rezeptor und vermittelt beispielsweise eine Erweiterung der Blutgefäße und Chemotaxis von Leukozyten.

 

Opioide Peptide

Opioide Peptide oder auch Endocannabinoide sind kleine Lipidmoleküle, die von postsynaptischen Neuronen freigesetzt werden können. Von dort können die Signalmoleküle auf die präsynaptische Axonterminale wirken, es handelt sich demnach um eine retrograde Signalübertragung. Opioide Peptide funktionieren als eine Art Rückkopplungsmechanismus zur Regulation von anderen Signalübertragungen.

Im Detail liegt der Übertragung folgender Mechanismus zugrunde: Nach Aktivierung des postsynaptischen Neurons öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle wodurch Calcium in großen Mengen in die Zelle strömt. Hierdurch wird die Synthese von Endocannabinoiden aus Membranlipiden stimuliert. Im Gegensatz zu anderen Neurotransmittern werden diese Signalmoleküle also nicht in Vesikeln gespeichert, sondern bei Bedarf direkt produziert.

Opioide Peptide binden an Cannabinoidrezeptoren vom Typ CB1, welche hauptsächlich in präsynpatischen Axonendigungen vorkommen. Diese Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelt und wirken vor allem durch Verhinderung des Öffnens der präsynaptischen Calciumkanäle. Damit inhibieren sie die Freisetzung anderer Neurotransmitter wie beispielsweise GABA. Welche Funktionen diese Neurotransmitter genau beeinflussen ist noch Gegenstand aktueller Forschung.

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Opioide Peptide sind eine relativ neu entdeckte Klasse von Neurotransmittern. Welche Eigenschaften treffen auf Opioide Peptide zu? Wählen Sie 2 Antworten!

  1. Speicherung in synaptischen Vesikeln
  2. Wirkung auf präsynaptische Neurone
  3. Stimulation der Effekte des Neurotransmitters Glutamat
  4. Selektive Bindung an Cannabinoidrezeptoren vom CB2-Typ
  5. Retrograde Signalübertragung


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