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Neurotransmitter
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Neurotransmitter sind biochemische Stoffe, die Neuronen verwenden, um einen Nervenimpuls zu übertragen.
Neurotransmitter werden in den Nervenendigungen synthetisiert und von dort in den synaptischen Spalt abgegeben. Anschließend binden sie an Rezeptoren in der Zellmembran des Zielgewebes, wodurch dieses entweder erregt, gehemmt oder in anderer Weise funktionell verändert wird.
Im menschlichen Nervensystem gibt es zahlreiche Neurotransmitter, einige der wichtigsten, die wir uns noch genauer ansehen werden sind Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin, Gamma-Aminobuttersäure (GABA), Glutamat, Serotonin und Histamin.
In diesem Artikel geht es um die Physiologie der Neurotransmission, die Klassifizierung der Neurotransmitter und einige klinische Hinweise auf Störungen, die sowohl mit einem Überschuss als auch mit einem Mangel an bestimmten Neurotransmittern einhergehen.
| Exzitatorische Neurotransmitter | Glutamat Acetylcholin (ACh) Histamin Dopamin Norepinephrin (Noradrenalin) Epinephrin (Adrenalin) |
| Inhibitorische Neurotransmitter | Gamma-Aminobuttersäure (GABA) Serotonin (5-HT) Dopamin |
| Neuromodulatoren | Dopamin Serotonin (5-HT) Acetylcholin (ACh) Histamin Norepinephrin / Noradrenalin |
| Neurohormone | Hormone aus dem Hypothalamus Oxytocin Vasopressin (Antidiuretisches Hormon (ADH)) |
Mechanismus
Neuronen kommunizieren mit ihren Zielgeweben über Synapsen, die chemische und elektrische Signale von einer Nervenzelle auf eine andere übertragen. Für diese Übertragung werden Neurotransmitter verwendet. Da diese Kommunikation mit chemischen Substanzen vermittelt wird, nennt man den Prozess chemische Neurotransmission, die innerhalb chemischer Synapsen stattfindet.
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Jede Synapse besteht aus folgenden Strukturen:
- Präsynaptische Membran – Membran des Axonendes der präsynaptischen Nervenfaser
- Postsynaptische Membran – Membran der Zielzelle
- Synaptischer Spalt – eine Lücke zwischen den präsynaptischen und postsynaptischen Membranen
Im Endknöpfchen der präsynaptischen Nervenfaser werden zahlreiche Vesikel, die Neurotransmitter enthalten, produziert und gespeichert. Ein ankommendes Aktionspotential depolarisiert die präsynaptische Membran und spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, die sich in den Membranen der Endknöpfe befinden. Dies führt zu einem Einstrom von Calciumionen, was zu einer Konformationsänderung bestimmter Membranproteine in der präsynaptischen Membran führt und die Exozytose (Ausschleusung) von Neurotransmittern aus dem Endknöpfchen in den synaptischen Spalt bewirkt.
Neurotransmitter sind ein wichtiger Teil des Nervensystems. Lerne mehr über die Anatomie des Nervensystems mit unseren Quizfragen und Diagrammen!
Nachdem sie den synaptischen Spalt durchquert haben, binden die Neurotransmitter an ihre Rezeptoren an der postsynaptischen Membran. Sobald der Neurotransmitter an seinen Rezeptor bindet, werden die ligandengesteuerten Kanäle der postsynaptischen Membran entweder geöffnet oder geschlossen. Diese ligandengesteuerten Kanäle sind Ionenkanäle und ihr Öffnen oder Schließen verändert die Durchlässigkeit der postsynaptischen Membran für Calcium-, Natrium-, Kalium- und Chloridionen. Dies führt zu einer stimulierenden oder hemmenden Reaktion.
Wenn ein Neurotransmitter die Zielzelle zu einer Aktion anregt, handelt es sich um einen erregenden (exzitatorischen) Neurotransmitter, der in einer erregenden Synapse wirkt. Wenn er dagegen die Zielzelle hemmt, handelt es sich um einen hemmenden (inhibitorischen) Neurotransmitter, der an einer hemmenden Synapse wirkt. Die Art der Synapse und die Reaktion des Zielgewebes hängen also von der Art des Neurotransmitters ab. Exzitatorische Neurotransmitter bewirken eine Depolarisierung der postsynaptischen Zellen und erzeugen ein Aktionspotential. Acetylcholin beispielsweise stimuliert die Muskelkontraktion. Inhibitorische Neurotransmitter bewirken eine Hyperpolarisierung der Zielzellen, wodurch sie sich von der Schwelle des Aktionspotentials entfernen und somit ihre Aktion hemmen. So hemmt beispielsweise GABA unwillkürliche Bewegungen.
Der in den synaptischen Spalt freigesetzte Neurotransmitter wirkt nur für eine sehr kurze Dauer, meistens wenige Minuten oder sogar nur Sekunden. Er wird beispielsweise durch Enzyme wie Acetylcholinesterase abgebaut oder durch Wiederaufnahmemechanismen in die Endknöpfchen des präsynaptischen Neurons resorbiert und dann recycelt. Die bekanntesten Neurotransmitter, die für diese schnelle, aber kurzlebige erregende Wirkung verantwortlich sind, sind Acetylcholin, Noradrenalin und Adrenalin, während GABA der wichtigste hemmende Neurotransmitter ist.
Wiederholte synaptische Aktivitäten können lang anhaltende Auswirkungen auf das Rezeptorneuron haben, einschließlich struktureller Veränderungen wie die Bildung neuer Synapsen, Veränderungen der Dendriten oder das Wachstum von Axonen. Ein Beispiel dafür ist der Lernprozess - je mehr man lernt und wiederholt, desto mehr Synapsen werden im Gehirn gebildet und ermöglichen es, diese Informationen bei Bedarf abzurufen.
Falls du die Histologie der Neuronen und des Nervengewebes wiederholen möchtest, kannst du dir hier unsere zusätzlichen Materialien zu diesem Thema anschauen:
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Neben den Neurotransmittern gibt es weitere synapsenassoziierte chemische Substanzen, die Neuromodulatoren genannt werden. Die Neuromodulation unterscheidet sich von der Neurotransmission durch die Dauer, die sie an der Synapse wirkt. Neuromodulatoren werden nicht so schnell von präsynaptischen Neuronen resorbiert oder durch Enzyme abgebaut. Stattdessen verbringen sie eine beträchtliche Zeit im Liquor und beeinflussen (modulieren) die Aktivität mehrerer anderer Neuronen im Gehirn. Die bekanntesten Neuromodulatoren sind ebenfalls Neurotransmitter, wie Dopamin, Serotonin, Acetylcholin, Histamin und Noradrenalin.
Andere damit verbundene chemische Substanzen sind Neurohormone. Auch wenn dieser Begriff noch nicht ganz klar definiert ist, sind sich die meisten Literaturen einig, dass diese Substanzen vom neuroendokrinen System synthetisiert und in den Blutkreislauf ausgeschüttet werden, der sie zu entfernten Geweben transportiert. Die besten Beispiele sind die hypothalamischen Releasing-Hormone Oxytocin und Vasopressin.
Klassifikation
Neurotransmitter können entweder als erregend (exitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch) eingestuft werden.
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Exzitatorische Neurotransmitter haben die Aufgabe, Rezeptoren an der postsynaptischen Membran zu aktivieren und Aktionspotentiale weiterzuleiten, während inhibitorische Neurotransmitter dazu dienen, ein Aktionspotential zu hemmen. Zusätzlich zu der oben genannten Klassifizierung können Neurotransmitter auch anhand ihrer chemischen Struktur klassifiziert werden:
- Aminosäuren – GABA, Glutamat
- Monoamine – Serotonin, Histamin
- Katecholamine (Unterkategorie der Monoamine) – Dopamin, Norepinephrin, Epinephrin
Im Folgenden werden die am besten untersuchten und am häufigsten vorkommenden Arten von Neurotransmittern aufgeführt.
Acetylcholin
Acetylcholin (ACh) ist ein exzitatorischer Neurotransmitter, der von motorischen Neuronen ausgeschüttet wird. Es innerviert Muskelzellen, Basalganglien, präganglionäre Neuronen des autonomen Nervensystems und postganglionäre Neuronen des parasympathischen und sympathischen Nervensystems. Es spielt auch eine Rolle bei der Planung des „Traumzustandes“, während der Mensch fest schläft.
Seine Hauptfunktion besteht darin, die Muskelkontraktion zu stimulieren. Die einzige Ausnahme, bei der Acetylcholin ein hemmender Neurotransmitter ist, befindet sich an den parasympathischen Endigungen des N. vagus. Diese hemmen den Herzmuskel über den Plexus cardiacus.
Acetylcholin spielt eine wichtige Rolle für das normale Funktionieren der Muskeln. So verursachen beispielsweise Giftpflanzen wie Curare Lähmungen der Muskeln, indem sie die Acetylcholinrezeptoren der Myozyten (Muskelzellen) blockieren. Das bekannte Gift Botulinumtoxin A wirkt, indem es die neuromuskuläre Kopplung der Nerven an die Muskeln blockiert, was zu einer Lähmung des Effektormuskels führt.
| Typ | Überall exzitatorisch, außer im Herzen (inhibitorisch) |
| Ausgeschüttet von | Motorneuronen, Basalganglien, präganglionäre Neuronen des autonomen Nervensystems, postganglionäre Neuronen des parasympathischen Nervensytems und postganglionäre Neurone des sympathischen Nervensystems, die Schweißdrüsen innervieren |
|
Funktion |
Reguliert den Schlafzyklus, wichtig für die Muskelfunktion |
Norepinephrin / Noradrenalin
Norepinephrin, auch bekannt als Noradrenalin, ist ein erregender Neurotransmitter, der vom Hirnstamm, Hypothalamus und den Nebennieren produziert und in den Blutkreislauf abgegeben wird. Im Gehirn erhöht es den Grad der Wachsamkeit.
Im Körper wird es von den meisten postganglionären Sympathikusnerven ausgeschüttet und stimuliert viele verschiedene Prozesse. So ist es beispielsweise sehr wichtig für die körpereigene Produktion von Epinephrin. Noradrenalin wird mit Stimmungsstörungen wie Depressionen und Angstzuständen in Verbindung gebracht, bei denen seine Konzentration im Körper abnormal niedrig ist. Eine abnorm hohe Konzentration von Norepinephrin kann zu einem gestörten Schlafzyklus führen.
| Typ | Exzitatorisch |
| Ausgeschüttet von | Hirnstamm, Hypothalamus, Nebennierendrüsen |
| Funktion | Erhöht die Wachsamkeit und den Wachheitsgrad, stimuliert verschiedene Prozesse des Körpers |
Epinephrin / Adrenalin
Epinephrin, auch bekannt als Adrenalin, ist ebenfalls ein erregender Neurotransmitter, der von den chromaffinen Zellen der Nebenniere produziert wird. Er bereitet den Körper auf eine „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion vor. Das bedeutet, dass bei starker Erregung (Angst, Wut usw.) besonders viel Epinephrin in den Blutkreislauf abgegeben wird.
Diese Adrenalinausschüttung erhöht die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Glukosefreisetzung aus der Leber (über die Glykogenolyse). Auf diese Weise bereiten das Nerven- und das Hormonsystem den Körper auf gefährliche und extreme Situationen vor, indem sie die Nährstoffzufuhr zu wichtigen Geweben erhöhen.
| Typ | Exzitatorisch |
| Ausgeschüttet von | Chromaffine Zellen des Nebennierenmarks |
| Funktion | Die Kampf-oder-Flucht-Reaktion (erhöhte Herzfrequenz, Blutdruck, Glukoseproduktion) |
Dopamin
Dopamin ist ein Neurotransmitter, der von den Neuronen der Substantia nigra ausgeschüttet wird. Es gilt als eine besondere Art von Neurotransmitter, da seine Wirkung sowohl erregend als auch hemmend ist. Welche Wirkung es hat, hängt von der Art des Rezeptors ab, an den Dopamin bindet.
Als Teil des extrapyramidalen Systems, an dem die Basalganglien beteiligt sind, ist Dopamin wichtig für die Bewegungskoordination, indem es unnötige Bewegungen verhindert. In der Hypophyse hemmt es die Freisetzung von Prolaktin und stimuliert die Ausschüttung von Wachstumshormonen.
Eine angemessene Dopaminausschüttung im Blutkreislauf spielt eine wichtige Rolle für die Motivation oder den Wunsch, eine Aufgabe zu erledigen. Drogen- und Alkoholmissbrauch können den Dopaminspiegel im Blut vorübergehend erhöhen, was zu Verwirrung und Konzentrationsschwierigkeiten führt.
| Typ | Exzitatorisch und inhibitorisch |
| Ausgeschüttet von | Substantia nigra |
| Funktion | Hemmt unnötige Bewegungen, hemmt die Freisetzung von Prolaktin und stimuliert die Ausschüttung von Wachstumshormonen |
GABA
Gamma-Aminobuttersäure (GABA) ist der stärkste inhibitorische Neurotransmitter, der von Neuronen des Rückenmarks, des Kleinhirns, der Basalganglien und vieler Bereiche der Großhirnrinde produziert wird. Sie ist ein Abkömmling von Glutamat.
Die Funktionen von GABA sind eng mit Stimmung und Emotionen verbunden. Es handelt sich um einen hemmenden Neurotransmitter, der als Bremse für erregende Neurotransmitter fungiert. GABA ist im Gehirn weit verbreitet und spielt eine wichtige Rolle bei der Verringerung der neuronalen Erregbarkeit im gesamten Nervensystem.
| Typ | Inhibitorisch |
| Ausgeschüttet von | Neuronen des Rückenmarks, des Kleinhirns, der Basalganglien und vieler Bereiche der Großhirnrinde |
| Funktion | Reduziert die neuronale Erregbarkeit im gesamten Nervensystem |
Glutamat
Glutamat (Glu) ist der stärkste exzitatorische Neurotransmitter des zentralen Nervensystems, der die Homöostase mit den Wirkungen von GABA gewährleistet. Es wird von den Neuronen vieler Sinnesbahnen, die in das zentrale Nervensystem eintreten, sowie von der Großhirnrinde ausgeschüttet.
Glutamat ist der am häufigsten vorkommende Neurotransmitter im zentralen Nervensystem; es ist an der Regulierung der allgemeinen Erregbarkeit des zentralen Nervensystems, der Lernprozesse und des Gedächtnisses beteiligt. Daher trägt eine unangemessene Glutamat-Neurotransmission zur Entwicklung von Epilepsie und kognitiven und affektiven Störungen bei.
| Typ | Exzitatorisch |
| Ausgeschüttet von | Sensorischen Neuronen und dem Cortex cerebri |
| Funktion | Reguliert die Erregbarkeit des zentralen Nervensystems, den Lernprozess und das Gedächtnis |
Serotonin
Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist ein hemmender Neurotransmitter, der nachweislich eng mit Emotionen und der Stimmung verbunden ist. Er wird von Neuronen des Hirnstamms und von Neuronen, die den Magen-Darm-Trakt innervieren (enterisches Nervensystem), ausgeschüttet. Darüber hinaus ist Serotonin in Blutplättchen (Thrombozyten) vorzufinden, die es bei der Blutgerinnung (Hämostase) freisetzen.
Es ist an der Regulierung der Körpertemperatur, des Schmerzempfindens, der Emotionen und des Schlafzyklus beteiligt. Eine unzureichende Sekretion von Serotonin kann zu einer verminderten Funktion des Immunsystems sowie zu einer Reihe von emotionalen Störungen wie Depressionen, Problemen mit der Wutkontrolle, Zwangsstörungen und sogar Selbstmordgedanken führen.
| Typ | Inhibitorisch |
| Ausgeschüttet von | Neuronen des Hirnstamms und des Magen-Darm-Trakts, Thrombozyten |
| Funktion | Reguliert die Körpertemperatur, das Schmerzempfinden, Emotionen und den Schlafzyklus |
Histamin
Histamin ist ein erregender Neurotransmitter, der von Neuronen des Hypothalamus, Zellen der Magenschleimhaut, Mastzellen und Basophilen im Blut produziert wird. Im zentralen Nervensystem ist es wichtig für das Wachsein, den Blutdruck, Schmerz und das Sexualverhalten. Im Magen erhöht es den Säuregehalt.
Histamin ist in erster Linie an Entzündungsreaktionen beteiligt, hat aber auch eine Reihe anderer Funktionen wie die Erweiterung der Blutgefäße und die Regulierung der Immunreaktion auf Fremdkörper. Wenn beispielsweise Allergene in den Blutkreislauf gelangen, unterstützt Histamin den Kampf gegen diese Mikroorganismen und verursacht einen Juckreiz auf der Haut oder Reizungen in Hals, Nase und Lunge.
| Typ | Exzitatorisch |
| Ausgeschüttet von | Hypothalamus, Zellen der Magenschleimhaut, Mastzellen und Basophilen im Blut |
| Funktion | Reguliert Wachsamkeit, Blutdruck, Schmerz und Sexualverhalten; erhöht den Säuregehalt des Magens; vermittelt Entzündungsreaktionen |
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Klinik
Alzheimer
Die Alzheimer-Krankheit ist eine neurodegenerative Störung, die durch Lern- und Gedächtnisstörungen gekennzeichnet ist. Sie wird mit einem Mangel an Acetylcholin in bestimmten Regionen des Gehirns in Verbindung gebracht.
Depression
Es wird angenommen, dass Depressionen durch einen Mangel an Noradrenalin, Serotonin und Dopamin im zentralen Nervensystem verursacht werden. Daher zielt die pharmakologische Behandlung von Depressionen darauf ab, die Konzentrationen dieser Neurotransmitter im zentralen Nervensystem zu erhöhen.
Schizophrenie
Bei der Schizophrenie, einer schweren psychischen Erkrankung, wird nachweislich zu viel Dopamin in den Frontallappen ausgeschüttet, was bei diesen Patient:innen zu psychotischen Episoden führt. Daher werden Dopamin-blockierende Medikamente zur Behandlung von Schizophrenie eingesetzt.
Parkinson
Die Zerstörung der Substantia nigra führt zur Zerstörung der einzigen Dopaminquelle im zentralen Nervensystem. Dieser Dopaminmangel führt zu unkontrollierbarem Muskelzittern, welches typischerweise bei Parkinson-Patient:innen auftritt.
Epilepsie
Einige epileptische Zustände werden durch einen Mangel an hemmenden Neurotransmittern, wie GABA, oder durch einen Anstieg von erregenden Neurotransmittern, wie Glutamat, verursacht. Je nach Ursache der Anfälle zielt die Behandlung darauf ab, entweder GABA zu erhöhen oder Glutamat zu verringern.
Chorea Huntington
Neben Epilepsie kann eine chronische Verringerung des GABA-Gehalts im Gehirn auch zur Huntington-Krankheit führen. Auch wenn es sich hierbei um eine Erbkrankheit handelt, die mit Anomalien in der DNA zusammenhängt, ist eines der Produkte einer solch gestörten DNA die verminderte Fähigkeit der Neuronen, GABA aufzunehmen. Es gibt keine Heilung für die Huntington-Krankheit, aber die Symptome können behandelt werden, indem die Menge an hemmenden Neurotransmittern pharmakologisch erhöht wird.
Myasthenia gravis
Myasthenia gravis ist eine seltene chronische Autoimmunerkrankung, die durch eine Beeinträchtigung der synaptischen Übertragung von Acetylcholin an neuromuskulären Endplatten gekennzeichnet ist und zu Müdigkeit und Muskelschwäche ohne Atrophie führt.
Meistens ist Myasthenia gravis die Folge von zirkulierenden Antikörpern, die Acetylcholinrezeptoren an der postsynaptischen neuromuskulären Endplatte blockieren. Dies hemmt die erregende Wirkung von Acetylcholin auf die Nikotinrezeptoren.
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Kim Bengochea, Regis University, Denver
