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Neurotransmitter spielen eine zentrale Rolle in unserem Körper. Es handelt sich um Botenstoffe, die an Gefühlen, Gedanken und Bewegungen beteiligt und somit unverzichtbar für uns sind. Sie sind ein Hauptbestandteil unseres zentralen Nervensystems. Deshalb kommen sie auch in unserem Gehirn, genauer noch in und zwischen den Synapsen von Nervenzellen, vor.
Es gibt 2 Arten von Neurotransmittern: exzitatorische und inhibitorische Neurotransmitter. Inhibitorische Neurotransmitter hemmen Signale der Nervenübertragung, während exzitatorische Neurotransmitter Signale verstärken. Das kannst du dir am besten mit den englischen Begriffen merken:
Beide Arten von Neurotransmittern wirken dadurch, dass sie an die Rezeptoren der gegenüberliegenden Synapse binden und dort ihre Wirkung entfalten. Durch das binden an den Rezeptoren werden weitere Prozesse in Gang gesetzt, welche eine Signalübertragung ermöglichen.
Das Grundprinzip, worauf die Wirkung der Neurotransmitter basiert, ist die Polarisation der Zelle. Im Ruhezustand besitzt die Nervenzelle eine Ladung von etwa -70 mV. Bindet nun ein exzitatorischer Neurotransmitter an einen Rezeptor der Zelle, strömen positiv geladene Moleküle hinein und heben die Ladung kurzzeitig auf +50 mV an. Dieser Vorgang wird Depolarisaton genannt. Hierbei entsteht ein sogenanntes Aktionspotenzial, welches an umliegende Zellen weitergegeben wird und das Signal somit weiterleitet.
Nach kurzer Zeit nimmt die Ladung der Synapse wieder ab und es kommt zur Repolarisation, die die Zelle wieder negativ lädt. Hierbei fällt die Ladung der Synapse unter -70 mV, was als Hyperpolarisation bezeichnet wird. Aus diesem Zustand balanciert sich die Ladung wieder bei -70 mV ein.
Die Ladung der Synapse muss eine sogenannte Schwellenspannung von -50 mV übersteigen, um zu einem Aktionspotenzial zu führen. Alle Signale, die zwischen -70 und -50 mV liegen, werden nicht weitergegeben. Das dient dazu, wichtige von unwichtigen Signalen zu differenzieren.
Diesen Vorgang kannst du in der folgenden Abbildung etwas besser veranschaulichen:
Abbildung 1: Ablauf eines AktionspotenzialsQuelle: wikipedia.org
Binden Neurotransmitter an Rezeptoren werden in der Regel Ionenkanäle am postsynaptischem Membran geöffnet. Je nachdem, welche Ionen daraufhin in die Zelle strömen, wird entweder ein Aktionspotenzial ausgelöst oder verhindert. Eine Änderung des Potenzial löst entweder eine Depolarisation oder einer Hyperpolarisation aus.
Ein Beispiel ist Glycin, welches einen hemmenden Effekt hat.
Glycin bindet am Glycin-Rezeptor, der auf der Membran der zu hemmenden Synapse sitzt. Wenn kein Glycin gebunden ist, passiert erstmal nichts. Bei der Bindung von Glycin öffnet dieser Rezeptor jedoch einen benachbarten Ionenkanal.
Durch diesen Kanal werden Chlorid-Ionen (Cl-) in die Synapse transportiert. Durch ihre negative Ladung kommt es innerhalb dieser Zelle zur Hyperpolarisation. Die Synapse, die im Ruhezustand etwa eine Ladung von -70 mV besitzt, wird dabei noch negativer geladen. Das führt dazu, dass die Signalweiterleitung gehemmt wird, weil für eine Signalweiterleitung kurzfristig eine positive Gesamtladung der Zelle benötigt wird.
Neurotransmitter befinden sich sowohl in den Synapsen unseres Gehirns als auch im Rest unseres Nervensystems. Manche Arten dieser Synapsen sind im ganzen Gehirn verteilt, während andere in bestimmten Bahnen innerhalb des Gehirns verlaufen.
Neurotransmitter beider Arten können entweder direkt in der Synapse synthetisiert oder in Form von Vesikeln gelagert werden. Die Synthese der Neurotransmitter geschieht mithilfe verschiedenster Enzyme, die in den Synapsen vorhanden sind.
Vesikel kannst du dir wie Bläschen vorstellen, in denen eine Vielzahl von Stoffen gelagert werden können. Das kannst du dir in der folgenden Abbildung ansehen:
Abbildung 2: Schematische Darstellung einer SynapseQuelle: u-helmich.de
Hier ist der Vorgang der Übertragung zu erkennen. Der Kopf der Synapse, von welchem aus die Neurotransmitter "gesendet" werden, wird als Synapsenendköpfchen bezeichnet. Zwischen den Synapsen findet die Übertragung von Neurotransmittern statt, während am Axon entlang lediglich das elektrische Signal entlangwandert.
Im Synapsenendköpfchen liegen Neurotransmitter in Form von Vesikeln vor. Diese können mit der Membran verschmelzen und so in den synaptischen Spalt entlassen werden. Von hier aus bewegen sie sich zur empfangenden Synapse. Auf der Membran befinden sich Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden können. Dadurch wird die Signalweiterleitung nun entweder gehemmt oder verstärkt.
Du weißt jetzt schon, dass Neurotransmitter auf 2 Arten wirken können: exzitatorisch und inhibitorisch. Sie können aber auch anhand ihrer chemischen Struktur unterschieden werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt dir die verschiedenen Gruppen mit ein paar Beispielen:
Gruppe | Beispiele |
biogene Amine | Histamin Dimethyltryptamin Katecholamine (Adrenalin; Noradrenalin; Dopamin) |
Neuropeptide | Glucagon Insulin Endorphine/Enkephaline Somatostatin Substanz P |
Aminosäuren | Asparaginsäure/Aspartat Glutaminsäure/Glutamat y-Aminobuttersäure (GABA) |
lösliche Gase | Stickstoffoxid (NO) Kohlenstoffmonoxid (CO) |
Von diesen Neurotransmittern sind jedoch nicht alle exzitatorisch. Nachfolgend findest du eine Tabelle der häufigsten exzitatorischen Neurotransmittern mit ihren jeweiligen Funktionen:
Funktion | |
Signalweiterleitung kognitive Prozesse Lernvorgänge | |
Adrenalin/Epinephrin | Steigerung der Herzfrequenz & des Blutdrucks Erweiterung der Bronchien (verbesserte Atmung) Hemmung der Magen-Darm-Tätigkeit Bereitstellung von Energiereserven erhöhte Durchblutung wichtiger Körperteile |
Noradrenalin/Norepinephrin | Steigerung des Blutdrucks |
Aspartat | Signalweiterleitung |
Sinneswahrnehmungen kognitive Prozesse Lernvorgänge/Gedächtnis Appetitsteigerung (Gewichtsaufbau) Vorläufer von GABA (inhibitorisch) | |
Motivations-/Antriebssteigerung Koordination der Muskeln bessere Stimmung |
Auf der Membran des Dendriten, der postsynaptischen Membran, befinden sich viele verschiedene Rezeptoren. Diese sind spezifisch auf die jeweiligen Neurotransmitter angepasst.
Es gibt 2 Arten dieser Rezeptoren:
Bei der Bindung des Neurotransmitters wird ein nah gelegener Ionenkanal geöffnet/geschlossen, wodurch einfache Anionen o. Kationen (geladene Moleküle) in den Dendrit einströmen. Das Einströmen verändert die Ladung (auch Potenzial) der Zelle, wodurch es sowohl zur Depolarisation als auch zur Hyperpolarisation kommen kann. Bei der Depolarisation wird das Aktionspotential an die nächste Zelle weitergegeben, bei einer Hyperpolarisation entsteht kein Aktionspotenzial.
Was passiert nun, wenn Neurotransmitter nicht mehr im synaptischen Spalt gebraucht werden?
Neurotransmitter werden nach Ausführung ihrer Funktion wieder in die Synapsenendköpfchen aufgenommen. Dort werden sie entweder in Vesikel eingelagert oder durch Enzyme abgebaut.
Die Neurotransmitter binden an sogenannte Carrierproteine in der Zellmembran der Synapse und werden so wieder aufgenommen. Das geschieht unter Cotransport bzw. Symport von Natrium oder Calcium.
Da innerhalb einer ruhenden Zelle immer eine negative Ladung herrscht, kann das positiv geladene Natrium (Na+) oder Calcium (Ca2+) entlang des elektrischen Gradienten in die Zelle wandern und den Neurotransmitter so "mitziehen". Das siehst du in der folgenden Abbildung:
Abbildung 4: Schematische Darstellung des SymportsQuelle: gutefrage.net
Ein Gradient bezeichnet den Zustand zwischen dem Zellinneren und -äußeren, bei dem von einem Stoff oder einer Ladung mehr auf eine der beiden Seiten vorhanden ist. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten strebt das System immer danach, ausgeglichen zu sein. Deswegen wandern die Kationen einfach in die negativ geladene Zelle ein, während negativ geladene Moleküle es nicht so einfach haben.
Parkinson ist eine der bekanntesten Krankheiten, die durch eine fehlerhafte Signalweiterleitung gekennzeichnet sind.
Bei dieser Krankheit spielt der Botenstoff Dopamin die zentrale Rolle. Dopamin wirkt exzitatorisch und ist u.a. für die Regulierung von An- und Entspannung der Muskeln und somit auch für die Ausführung von feinen Muskelbewegungen verantwortlich.
Bei Parkinson-Patienten ist der Dopamin-Spiegel viel zu niedrig. Somit ist es ihnen nicht mehr möglich, ihre Muskeln normal zu kontrollieren. Das hat Zittern, Muskelsteife, Instabilität und eingeschränkte Bewegung zur Folge.
Es gibt inhibitorische und exzitatorische Neurotransmitter. Inhibitorische Transmitter hemmen ein Signal, exzitatorische Transmitter verstärken es. Neurotransmitter können anhand ihrer chemischen Struktur dann noch in 4 Gruppen eingeteilt werden: Amine, Neuropeptide, Aminosäuren und Gase.
Neurotransmitter können innerhalb einer Synapse entweder mithilfe von Enzymen direkt synthetisiert werden oder sie werden aus Vesikeln an der Synapsenmembran freigegeben.
Die Neurotransmitter werden an der präsynaptischen Membran von spezifischen Neurotransmitter-Wiederaufnahme-Rezeptoren gebunden. Mithilfe von ATP und Natrium/Calcium werden sie wieder in die Zelle geschleust und in Vesikel verpackt.
Bei Parkinson liegt der Botenstoff Dopamin in nicht ausreichender Menge in den Synapsen vor.
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