Acetylcholin ist einer der wichtigsten und am längsten bekannten Neurotransmitter. Es leitet unter anderem die Muskelkontraktion und übt einen Einfluss auf Blutdruck, Aufmerksamkeit und die Verdauung aus.
Acetylcholin Definition
Acetylcholin, kurz ACh, ist ein Neurotransmitter. Das heißt, er übernimmt zentrale Aufgaben in der Erregungsübertragung. Er kommt sowohl im zentralen als auch im peripheren Nervensystem vor. Zu seinen Funktionen gehören die Vermittlung von Muskelkontraktion und Signalübertragung im vegetativen Nervensystem.
Acetylcholin Struktur und Synthese
Acetylcholin ist ein Ester der Essigsäure und des Aminoalkohols Cholin.
Zur Synthese werden also sowohl Cholin als auch Acetyl-CoA benötigt. Acetyl-CoA ist sozusagen ein "aktivierter" Essigsäurerest, denn das angehängte Coenzym A kann die Acetylgruppe übertragen.
Die Reaktion der beiden Bestandteile findet in den Endknöpfchen von Synapsen statt und wird vom Enzym Cholinacetyltransferase katalysiert. Das fertige Acetylcholin wird einen Transporter in Speichervesikeln verpackt.
Der Transporter, der Acetylcholin in Vesikel einlagert, wird auch Vesikulärer Acetylcholintransporter (kurz VAChT) genannt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Antiporter, das heißt, zwei Stoffe werden in entgegesetzte Richtungen transportiert. Bei VAChT sind das Acetylcholin und Protonen.
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Abbildung 1: Acetylcholin Struktur
Bis es zur Erregungsübertragung benötigt wird, wird das Acetylcholin also in der Nervenzelle zwischengelagert. Bei Bedarf wird es schließlich durch Exozytose in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
Cholin ist ein biogenes Amin, das heißt, es entsteht durch Decarboxylierung von Aminosäuren. Neurotransmitter gehen sehr oft auf biogene Amine zurück, so zum Beispiel auch Dopamin und Serotonin.
Acetylcholin Vorkommen
Wie zuvor erwähnt, kommt Acetylcholin sowohl im zentralen Nervensystem (ZNS), als auch im peripheren Nervensystem (PNS) vor.
Im PNS ist Acetylcholin für die Einleitung der Muskelkontraktion relevant. Es wird über die neuromuskuläre Endplatte ausgeschüttet und gibt so das Signal an die Muskeln weiter.
Neben weiteren Neurotransmittern kommt es auch im Gehirn, also im ZNS, sehr häufig vor. Dort übernimmt es verschiedene Funktionen im Zusammenhang mit Aufmerksamkeit und Lernen.
Ganz besonders wichtig ist ACh auch im vegetativen beziehungsweise autonomen Nervensystem, also in Sympathikus und Parasympathikus.
Du weißt noch nicht, was du mit den Begriffen Zentrales Nervensystem, Peripheres Nervensystem, Parasympathikus und Sympathikus anfangen sollst? Kein Problem! Hier findest Du die entsprechenden Artikel.
Sowohl im Sympathikus, als auch im Parasympathikus ist Acetylcholin der Transmitter aller präganglionären Neurone. Im Parasympathikus übernimmt er außerdem auch postganglionär die Erregungsweiterleitung. Beim Sympathikus wird diese Aufgabe hingegen fast immer von Noradrenalin übernommen.
Es gibt eine Ausnahme, bei der auch in sympathischen postganglionären Neuronen Acetylcholin statt Noradrenalin verwendet wird: Die Innervation von Schweißdrüsen.
Acetylcholin Wirkung
So oft wie Acetylcholin im Körper vorkommt, so vielfältig sind seine Funktionen. Zunächst folgt hier der Ablauf einer Erregungsübertragung mit Acetylcholin in der Synapse:
- Wie oben beschrieben, wartet das fertig synthetisierte Acetylcholin zunächst in Vesikel verpackt auf seinen Einsatz.
- Kommt nun ein Aktionspotenzial an, werden die Vesikel per Exozytose in den synaptischen Spalt entlassen.
- An der postsynaptischen Membran interagiert es mit verschiedenen Rezeptoren, die entsprechend auch Cholinozeptoren genannt werden.
- Abhängig von dem Rezeptor, an den der Neurotransmitter bindet, wird das Signal nun auf verschiedene Weise weitergeleitet.
So kommt es zur Erregung oder Hemmung der anschließenden Zelle.
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Abbildung 2: Signalübertragung mit Acetylcholin an einer Synapse
Schau Dir auch die Artikel zum Thema Erregungsübertragung an. Dort erfährst Du mehr über Synapsen, Aktionspotenzial und vieles mehr!
Anschließend, je nach Rezeptor und Wirkungsort, kann Acetylcholin seine verschiedenen Funktionen entfalten. Dazu gehören:
- Einleitung der Muskelkontraktion (PNS),
- Einfluss auf Blutdruck, Herzfrequenz, Verdauung und Stoffwechsel (vegetatives Nervensystem),
- Steuerung verschiedener Gehirnaktivitäten mit Einfluss auf Aufmerksamkeit, Lernen, Erinnerungsbildung und mehr.
Acetylcholinrezeptoren
Es gibt zwei verschiedene Typen von Cholinozeptoren in der postsynaptischen Membran. Sie leiten die Erregung auf verschiedene Arten weiter.
Nikotinerger Acetylcholinrezeptor
Nikotinerge Acetylcholinrezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Das heißt, der Rezeptor selbst funktioniert als Kanal für Ionen und öffnet sich, sobald Acetylcholin aus dem synaptischen Spalt bindet.
Geöffnet können positiv geladene Natrium-, Kalium- und Calcium-Ionen passieren. Die Zelle wird depolarisiert und folglich erregt.
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Abbildung 3: Nikotinerger Acetylcholinrezeptor mit seinen 5 Transmembrandomänen
Muskarinerge Acetylcholinrezeptoren
Anders funktioniert die Signalübertragung im Fall des muskarinergen Acetylcholinrezeptors. Es handelt sich um ein G-Protein-gekoppelten Rezeptor. Abhängig von der Art des G-Proteins und ihrem Vorkommen im Körper werden auch hierbei verschiedene Typen unterschieden, die mit M1-M5 benannt werden. Bindet Acetylcholin an einen muskarinergen Rezeptor, wird ein G-Protein aktiviert, wodurch Second Messenger freigesetzt und eine Signalkaskade in Gang gesetzt wird.
Als Beispiel für einen muskarinergen Rezeptor kann man sich den M2-Rezeptor, der zum Beispiel im Herzen vorkommt, ansehen. Er gehört zur parasympathischen Innervation des Herzens.
Werden die M2-Rezeptoren durch Acetylcholin aktiviert, öffnet sich nach einer Signalkaskade ein Kaliumkanal, wodurch Kalium aus den erregungsbildenden Herzzellen ausströmen kann. Die Zelle hyperpolarisiert.
Die Folge ist unter anderem eine erniedrigte Herzfrequenz. Das ergibt Sinn, wenn Du Dich nochmal daran erinnerst, dass der Parasympathikus dem Prinzip "rest and digest" folgt.
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Abbildung 4: M2-Rezeptor am Herzen
In der klassischen Signalkaskade in den vegetativen Ganglien folgt auf die Bindung an einen M1-Cholinozeptor die Aktivierung der sogenannten Phospholipase C. Dadurch werden die Second Messenger IP3 und DAG freigesetzt, was zu Calcium-Einstrom führt. Im Gegensatz zum M2-Cholinozeptor am Herzen kommt es zur postsynaptischen Erregung.
Noch einmal genauer erklärt werden G-Protein gekoppelte Rezeptoren im passenden Artikel!
Sicher fragst Du Dich, woher die Rezeptoren ihre Namen haben. "Nikotinerg" erinnert schließlich an Nikotin, das man als Inhaltsstoff von Tabak kennt. Ganz richtig: Die Rezeptoren wurden nach Stoffen benannt, die sie ebenso aktivieren. Im Fall von nikotinergen Rezeptoren ist dies tatsächlich Nikotin, beim muskarinergen Rezeptor das Muskarin, also das Gift des Fliegenpilzes.
Acetylcholin Abbau
Was passiert nun mit dem Acetylcholin im synaptischen Spalt, wenn es nicht mehr benötigt wird?
Dazu ist das Enzym Acetylcholinesterase essenziel. Es spaltet das Acetylcholin wieder in Cholin und Essigsäure, sodass es unwirksam gemacht wird. Das Cholin gelangt über einen Transporter wieder in die Synapse. Das ist wichtig, da es benötigt wird, um wieder neues Acetylcholin zu synthetisieren.
Acetylcholin in der Medizin
Inzwischen wurde schon sehr viel über das sogenannte cholinerge System herausgefunden. Es ist bekannt, wie wichtig der Neurotransmitter für den Organismus ist, sodass Veränderungen oder andere Eingriffe schwere Folgen haben können.
So gibt es zum Beispiel einige Krankheiten, die mit dem cholinergen System in Verbindung gebracht werden.
Zu nennen ist Alzheimer, bei der ein Mangel von Acetylcholin vorliegt. Als Therapieansatz wird versucht, mit Acetylcholinesterasehemmern gegenzusteuern. Das heißt, man hemmt vorübergehend das Enzym, das Acetylcholin im synaptischen Spalt abbaut. Das stellt sicher, dass die Konzentration des Neurotransmitters hoch genug bleibt, um zu wirken.
Acetylcholin als Gegengift
Ein weiterer Nutzen von Acetylcholinesterasehemmern ist der Einsatz als Gegengift für das Toxin Curare. Bekannt ist es vor allem als "Pfeilgift", das ursprünglich in Südamerika für die Jagd verwendet wurde. Es blockiert die nikotinergen Cholinozeptoren an der Muskelzellen und verhindert dadurch die Atmung. Stört man allerdings den Abbau von Acetylcholin, "konkurriert" es mit Curare wieder um die Bindungsplätze und kann es verdrängen.
Auch bei Vergiftung mit Atropin werden Acetylcholinesterasehemmer eingesetzt. Genau wie Curare konkurriert es mit Acetylcholin um Bindungsstellen, diesmal jedoch an muskarinergen Rezeptoren, weshalb die Auswirkungen teilweise anders sind. Vor allem vermindert Atropin die Wirkung des Parasympathikus.
Atropin ist auch in der schwarzen Tollkirsche enthalten. Auf Latein nennt man sie "Atropa belladonna". Belladonna ist Italienisch für "Schöne Frau".
Der Name leitet sich vermutlich von einem früheren Verwendungszweck ab: Durch die Hemmung des Parasympathikus vergrößern sich die Pupillen. Dieser Effekt wurde gern für kosmetische Zwecke ausgenutzt.
Negative Aspekte von Acetylcholin
Acetylcholinesterasehemmer können jedoch auch großen Schaden anrichten, indem die Acetylcholinesterase irreversibel gehemmt wird. Beispiele für solche Substanzen sind verschiedene chemische Kampfstoffe sowie das Insektizid Parathion. Durch sie kann das Acetylcholin nicht mehr unwirksam gemacht werden, sodass es zu einer oft tödlich Überstimulierung kommt.
Auch bei der Autoimmunkrankheit Myasthenia gravis ist die Wirksamkeit von Acetylcholin reduziert. Antikörper zerstören die Cholinozeptoren der Muskelzellen. Als Folge können sie nicht mehr erregt werden und die Muskeln verlieren ihre Kontraktionsfähigkeit.
Acetylcholin – Das Wichtigste
- Acetylcholin ist einer der wichtigsten Neurotransmitter.
- Es besteht aus Essigsäure und Cholin, Synthese-Enzym ist Cholinacetyltransferase.
- Speicherung in Vesikeln in den Endknöpfchen der Synapsen, Exozytose bei eintreffendem Aktionspotenzial.
- Wirkung über nikotinergen oder muskarinergen Acetylcholinrezeptor.
- Wichtige Funktionen: Einleitung Muskelkontraktion; Einfluss auf Blutdruck, Herzfrequenz, Verdauung und Stoffwechsel; Aufmerksamkeit, Lernen, Erinnerungsbildung.
- Acetylcholinesterasehemmer als Medikament, Insektizid und Kampfstoff.
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