Ionotrope Rezeptoren

Rezeptoren sind ein wesentlicher Bestandteil von Synapsen. An ihnen können sich Neurotransmitter binden und so Ionenkanäle öffnen, um ein Signal weiterzuleiten. Diese Rezeptoren lassen sich in zwei verschiedene Gruppen einteilen: die ionotropen und die metabotropen Rezeptoren.

Ionotrope Rezeptoren – Definition

Ionotrope Rezeptoren können auch als “ligandengesteuerte Kationenkanäle” bezeichnet werden.

Doch was genau bedeutet das eigentlich?

Der Ionenkanal ist ein integrales Membranprotein, durch welches Ionen ein- und ausströmen können. Sie sind aus Proteinkomplexen gebildet und in der Zellmembran eingelagert. Die Namensgebung eines ionotropen Rezeptoren leitet sich durch den jeweiligen an sie bindenden Liganden ab. Wird ein Kanal z. B. durch Acetylcholin gesteuert, so wird er als ionotroper Acetylcholinrezeptor bezeichnet.

Wichtig für die Wirkung einer Komplexverbindung sind die unterschiedlichen Ladungen der Teilchen, die am Rezeptor aufeinandertreffen. Hierbei stehen sich ein Kation und ein Anion oder ein ungeladenes Teilchen gegenüber. Liganden besitzen freie Elektronenpaare, welche ihnen die Bindung an den Rezeptor ermöglichen.

Ionotrope Rezeptoren – Klassifizierung und Wirkungsweise

Die physiologische Wirkungsweise der Rezeptoren definiert ihre Klassifizierung und wird insbesondere durch die Ionenart, welche den Rezeptor durchströmt, definiert.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle können in zwei Untergruppen klassifiziert werden:

1. Exzitatorische ionotrope Rezeptoren
2. Inhibitorische ionotrope Rezeptoren

Ligandenaktivierte exzitatorische ionotrope Rezeptoren

“Exzitatorisch” bedeutet lediglich, dass die Kanäle bei Bindung eines Transmitters eine erregende Wirkung auf das Nervensystem haben. Ihre beiden Transmitter sind das Glutamat und Acetylcholin.

Acetylcholin entsteht aus einer Verknüpfung von Acetyl-CoA und Cholin in den Mitochondrien der Neuronen. Glutamat ist ein Salz der Glutaminsäure und ein rascher exzitatorischer Neurotransmitter.

Man unterscheidet allerdings zwischen zwei verschiedenen Acetylcholinrezeptoren – den nikotinischen Acetylcholinrezeptoren und den muscarinischen Acetylcholinrezeptoren. Nur erstere sind ionotrop, der zweite Rezeptortyp ist metabotrop.

Nicotinischer Acetylcholinrezeptoren (nAChR)

Nicotinrezeptoren lassen sich vorwiegend in Nervenzellen und motorischen Endplatten der Skelettmuskelfasern finden und weisen eine besonders hohe Dichte an der postsynaptischen Membran auf.

Ein nACh-Rezeptor ist aus fünf Proteinuntereinheiten zusammengesetzt und wird vorwiegend durch den Agonisten Nikotin (Gift der Tabakpflanze) erregt. An einen nikotinergen Acetylcholinrezeptor müssen stets zwei Acetylcholinmoleküle binden, damit der Ionenkanal geöffnet wird. Dadurch ist der Rezeptor recht unempfindlich gegen kleinere Mengen an Neurotransmittern und ist nur empfindlich bei entsprechend hohen Konzentrationen.

Dies ist z. B. der Fall, wenn eine Erregungsübertragung an der Synapse stattfindet und viele Neurotransmitter aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt entlassen werden.

Sowohl das Acetylcholin, als auch das Nikotin bilden die Agonisten des Nikotinrezeptors.

Muscarinischer Rezeptor

Muscarinerge Rezeptoren werden vorwiegend durch Muscarin (Gift des Fliegenpilzes), aber auch durch Atropin aktiviert. Sie sind überwiegend bei den parasympathisch innervierten Erfolgsorganen und den sympathisch innervierten Schweißdrüsen zu finden. Muscarinerge Rezeptoren sind vorwiegend G-Protein gekoppelt.

Auch sie lassen sich nochmals in drei weitere, wichtige Unterarten differenzieren, diese seien an dieser Stelle jedoch nur namentlich erwähnt: M₁-Rezeptor, M₂-Rezeptor und der M₃-Rezeptor. Sie beeinflussen die glatte Muskulatur des Verdauungstraktes und eine Steigerung der Magensaftsekretion, wie auch eine Dilatation der Blutgefäße.

Die ionotropen Glutamatrezeptoren (iGluR)

Die ionotropen Glutamatrezeptoren entfalten ihre Wirkungsweise größtenteils im zentralen Nervensystem und lassen sich durch die Bindung des Neurotransmitters Glutamat aktivieren.

Man findet sie vorwiegend an der postsynaptischen Membran von glutamatergen Synapsen – das sind exzitatorische Synapsen, die vorrangig in der Großhirnrinde vorkommen. Sie sind essenziell für das Erinnerungsvermögen, Lernen und neuronale Kommunikation.

Auch hier wird wieder von ionotropen und metabotropen Typen unterschieden: zu den ionotropen Rezeptoren gehören die NMDA-Rezeptoren, AMPA-Rezeptoren und Kainat-Rezeptoren.

Ligandenaktivierte inhibitorische ionotrope Rezeptoren

“Inhibitorisch” bedeutet, dass die Rezeptoren eine hemmende Wirkung auf die Postsynapse haben.

Ihre beiden Transmitter sind das GABA (y-Amino-Butyrat) und Glycin.

GABA- und Glycinrezeptoren wirken abhängig von der intrazellulären Chlorid-Ionenkonzentration. Nach ihnen können die beiden inhibitorischen Rezeptoren abgeleitet werden:

GABA-Rezeptoren

GABA-Rezeptoren sind primär in inhibitorischen Synapsen des menschlichen Cortex (Gehirnrinde) und dem Cerebellum (Kleinhirn) aufzufinden. Sie stellen praktisch das Gegenstück zum Glutamatrezeptor dar.

Der GABA-Rezeptor ist unter anderem beteiligt an der Einleitung und Aufrechterhaltung des Schlafs und der Koordination von Bewegungsabläufen. Er wird durch den Neurotransmitter GABA (y-Aminobuttersäure) aktiviert. Dieser hat bei Konzentrationserhöhung eine beruhigende Wirkung auf die Skelettmuskulatur.

Auch der GABA-Rezeptor kann nochmals in einen GABA_A- und einen GABA_B-Rezeptoren untergliedert werden. Erster ist ligandengekoppelt, Zweiter wirkt über G-Protein-Kopplung.

Glycinrezeptoren

Glycinrezeptoren befinden sich größtenteils im Hirnstamm und dem Rückenmark und wirken über einen ligandengekoppelten Cl^--Kanal. Die darüber ausgelöste Hyperpolarisation hat die Hemmung der nachgeschalteten Zelle zur Folge.

Glycinrezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Rückwärtshemmung. Dieses Prinzip soll eine Übererregung verhindern. Hierbei wirkt ein hemmende Interneurone rückwärts auf ein aktives Motoneuron ein. Dadurch wird der Impuls rückgeführt und das Motoneuron wird kurzzeitig inaktiviert und der Impuls kann nicht weitergeführt werden.

Der Mechanismus sorgt z. B. dafür, dass beim Stehen Ausgleichsbewegungen geschaffen werden können.

Ionotrope Rezeptoren – Aufbau

Ionotrope Rezeptoren sind aus verschiedenen Proteinuntereinheiten und mindestens einer Bindungsdomäne für Liganden zusammengesetzt. Aus diesen Grundbestandteilen entsteht ein Ionenkanal.

Aufbau Exzitatorischer Rezeptoren

Die Untereinheiten exzitatorischer (erregender) Rezeptorkanäle, insbesondere die der Glutamatrezeptoren, bestehen aus vier hydrophoben Segmenten, die als Hetero- oder Homotretramer ausfallen können. Jedes der vier Untereinheiten (Tetramer) eines iGluR besitzt eine Glutamatbindungsstelle.

ACh-Rezeptoren setzen sich für gewöhnlich aus fünf Untereinheiten (Pentamer) zusammen und jeder AChR verfügt über zwei Agonistenbindungsstellen. Diese werden meist durch die α-Untereinheit gebildet.

Abhängig davon, welcher der Rezeptoren schlussendlich gebildet wird, unterscheiden sie sich nochmals in der jeweiligen Kanalarchitektur. Aus diesem Zusammenschluss einzelner Segmente entsteht ein Ionenkanal.

Glutamatrezeptoren und Acetylcholinrezeptoren gleichen sich sowohl in ihren funktionellen Eigenschaften, der Ionenpermeabilität, als auch in ihrem Regulationsverhalten.

Aufbau inhibitorischer Rezeptoren

Wusstest Du, dass sowohl die GABA_A- als auch die Glycinrezeptoren trotz unterschiedlicher Wirkungsweise genetisch gesehen zu den nACh-Rezeptoren gehören?

Dies ist auf den Aufbau der Rezeptoren zurückzuführen, da sie, genau wie die exzitatorischen Rezeptoren auch, aus vier Segmenten mit einer pentameren Untereinheit bestehen. GABA_A-Rezeptoren sind aus zwei α-, zwei β-, wie einer weiteren beliebigen Untereinheit aufgebaut. Glycinrezeptoren sind Heteropentamere, zusammengesetzt aus drei α- und zwei β-Untereinheiten.

Ionotrope Rezeptoren – Funktionsweise

Die Funktionsweise (Gating) der ionotropen Rezeptoren beruht, egal ob exzitatorisch oder inhibitorisch, auf dem gleichen funktionellen Prinzip:

Der Agonist-Rezeptor-Interaktion. Sofern keine Agonisten in Rezeptornähe sind, befinden sich die Kanäle in einem geschlossenen Zustand. Dieser kann jedoch durch Agonistenbindung aufgehoben werden und führt zur Aktivierung jener Kanäle.

Diese läuft folgendermaßen ab:

1. Das spezifische Molekül – in einer Synapse wäre dies z. B. ein Neurotransmitter – bindet an der Empfangsstelle des Rezeptors.
2. Es kommt zu einer Konformationsänderung der Bindungsstelle: Der geschlossene Zustand des Ionenkanals wird durch die Ligandenbindung an den Rezeptor geändert.
3. Der Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen hindurchströmen.
4. Das Membranpotential verändert sich und spezifische Proteine werden aktiviert.
5. Schließlich wird die Bindung unterbrochen – was entweder durch Dissoziation des Liganden von der Bindungsstelle oder durch Inaktivierung des Liganden.
6. Der Ionenkanal kehrt wieder zu seinem Ausgangszustand zurück und schließt sich.

Durch diesen einfachen Mechanismus haben ionotrope Rezeptoren nahezu keine Verzögerung und können rasch aktiviert und wieder deaktiviert werden.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren im Vergleich

Metabotrope Rezeptoren wirken im Vergleich zu ionotropen Rezeptoren über sogenannte Second messenger. Die Aktivierung dieser Second messenger bildet den größten Unterschied zu ionotropen Rezeptoren.

Im Regelfall sind metabotrope Rezeptoren Transmembranproteine. Eine Art dieser Rezeptoren bilden die G-Protein-gekoppelten-Rezeptoren.

Metabotrope Rezeptoren beeinflussen also nicht Membranpotenziale, sondern lediglich intrazelluläre Stoffwechselprozesse. Da sie über den Second-Messenger-Weg arbeiten, haben sie einen deutlich längeren Übertragungsweg als ionotrope Rezeptoren.