Synapse – Wirkung von Giften

Synapse – Wirkung von Giften Übung

• Nenne hemmende und erregende Gifte.

  Tipps

  Alkylphosphate lösen eine dauerhafte Nervenerregung aus.

  Lösung

  Gifte können tödlich sein. Nervengifte unterbrechen irgendwie die neuronale Informationsübertragung. Dafür gibt es viele verschiedene Möglichkeiten. Aber vom Prinzip her wirken die Gifte alle ähnlich: Entweder hemmen sie die Erregungsweiterleitung oder sie führen zu einer Dauererregung, haben also eine erregende Wirkung.

  Beispiele für hemmende Gifte sind: Curare, Coniin, Tetrodotoxin, Botulinumtoxin, Atropin (Gift der Schwarzen Tollkirsche).

  Beispiele für erregende Gifte sind: Alkylphosphate, Sarin (chem. Kampfstoff), Parathion (Insektengift, „Schwiegermuttergift“), Coffein.

• Beschreibe die Wirkung verschiedener Gifte.

  Tipps

  Nur die Alkylphosphaten haben eine erregende Wirkung auf den Organismus. Alle anderen Gifte wirken hemmend.

  Bei Acetylcholin (ACh) handelt es sich um einen häufigen Neurotransmitter, also einen neuronalen Botenstoff.

  Das Enzym Acetylcholinesterase baut ACh ab. Ohne die Arbeit des Enzyms würde der Neurotransmitter immer wieder an Natriumkanäle andocken – es käme zu einer Dauererregung.

  Lösung

  Das Gift des Kugelfisches Tetrodotoxin (TTX) wirkt an der Axonmembran, indem es die spannungsabhängigen Natriumkanäle blockiert. Dadurch wird die Depolarisierung der Membran verhindert, es können keine $Na^+$-Ionen in die Zelle strömen. Aufgrund der verhinderten Depolarisierung können keine Aktionspotentiale entstehen. Die Informationsweiterleitung wird unterbrochen.

  Curare wirkt an der postsynaptischen Membran. Es bindet dort an die Rezeptoren der Natriumkanäle und verhindert so die Öffnung dieser Kanäle. Dadurch kommt es in der postsynaptischen Zelle zu keinem neuen elektrischen Impuls, auch hier wird die Erregungsweiterleitung unterbrochen. Da das Gift an die Rezeptoren für Acetylcholin bindet, spricht man auch von einer kompetitiven Hemmung. Die Giftmoleküle stehen mit dem Neurotransmitter im Wettbewerb um die Bindungsstelle am Rezeptormolekül. Nach dem gleichen Prinzip verläuft die Hemmung durch Coniin, dem Gift des Gefleckten Schierlings. Auch hier werden die ACh-Bindungsstellen blockiert.

  Botulinumtoxin wirkt bereits in der präsynaptischen Zelle. Dort verhindert es die Ausschüttung des Acetylcholins. Es bewirkt, dass verschiedene Enzyme aufgespalten werden, die eine wichtige Rolle bei der Exocytose der Neurotransmitter spielen. Bei der Exocytose verschmelzen mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel mit der Zellmembran. So gelangen die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt. Wird diese Exocytose verhindert, z. B. durch Botulinumtoxin, führt das zu einer Unterbrechung der Informationsweiterleitung.

  Alkylphosphate führen zur Hemmung der Acetylcholinesterase. Dieses Enzym spielt eine wichtige Rolle im synaptischen Spalt. Es sorgt dafür, dass der Neurotransmitter Acetylcholin abgebaut wird, nachdem er für die Öffnung von Natriumkanälen gesorgt hat. Wird dieses Enzym nun durch Alkylphosphate gehemmt, dann verbleibt das Acetylcholin dauerhaft im synaptischen Spalt und bindet immer wieder an die Natriumkanäle. Diese sind nun ständig geöffnet, es kommt zu einer Dauererregung. Eine sinnvolle Informationsweiterleitung ist nicht mehr möglich.

• Erkläre die Anwendung von Botulinumtoxin in der Schönheitschirurgie.

  Tipps

  Exocytose = Stofftransport aus der Zelle heraus

  Endocytose = Stofftransport in die Zelle hinein

  Würde Botox bei der Behandlung von Falten direkt in die Blutbahn gelangen, könnte es sich im gesamten Körper ausbreiten. Auch bei einer geringen Dosis kann das zur Lähmung der Atemmuskulatur führen.

  Erst die Dosis macht das Gift. Wird ein schädlicher Stoff stark verdünnt, gilt die Verdünnung nicht mehr als Gift.

  Lösung

  Durch verbesserte Möglichkeiten der Nahrungsaufbewahrung und -herstellung sind Vergiftungen mit Botulinumtoxin und das damit verbundene Krankheitsbild des Botulismus heute selten geworden. Stattdessen gibt es neue Einsatzgebiete für das Gift – eines ist die Schönheitschirurgie. Das stark verdünnte Botox verhindert die Exocytose der mit Acetylcholin gefüllten Vesikel. Da Botox immer an einer motorischen Endplatte einer Synapse ansetzt, wird so die Kontraktion des Muskels verhindert.

  Falten entstehen genau durch diese Muskelkontraktionen im Gesicht. Durch unsere Mimik (Stirnrunzeln, Zornesfalte, Lachen) werden bestimmte Muskeln immer wieder angespannt. Mit ihnen bewegt sich auch die darüber liegende Haut. Bei immer wieder gleichen Bewegungen wird die Struktur der Haut langsam zerstört, es entstehen Falten. Werden durch das Botox nun diese Muskeln dauerhaft entspannt, hat die Haut die Gelegenheit, sich zu regenerieren und die Falten können verschwinden. Da die Wirkung von Botox irgendwann nachlässt und die Muskeln ihre Arbeit wieder aufnehmen, kommen auch die Falten mit der Zeit wieder.

  Neben der kosmetischen Medizin wird Botox auch bei der Therapie von verschiedenen Krankheitsbildern eingesetzt. Generell hilft es überall da, wo Muskelkrämpfe oder verspannte Muskeln ein Teil der Krankheit sind. So wird es seit längerem bereits zur Behandlung von Krämpfen, ausgelöst durch einen Schlaganfall, angewendet. Auch als Medikament zur Behandlung von chronischer Migräne oder übermäßiger Schweißproduktion (Hyperhidrose) ist Botox zugelassen. Zudem wird im Moment erforscht, ob es auch bei der Behandlung des Muskelzitterns bei Parkinson-Patienten eingesetzt werden kann.

• Begründe die Arbeitsschritte zur Zubereitung eines Kugelfisches.

  Tipps

  Die Innereien, vor allem die Leber, der Rogen und die Gonaden, enthalten am meisten Tetrodotoxin.

  Von etwa 150 Kugelfischarten sind nur ca. 20 essbar.

  Lösung

  Bei der Zubereitung eines Kugelfisches ist einiges zu beachten. Zunächst muss der Koch die verschiedenen Arten vom Kugelfisch auseinanderhalten können. Denn die unterschiedlichen Arten enthalten unterschiedliche Mengen an Gift und das nicht immer in den gleichen Körperteilen.

  Als Erstes trennt er den Kopf ab. Allerdings nicht, weil er viel Gift enthält, sondern weil er für die weitere Verarbeitung nicht mehr benötigt wird und das weitere Zerlegen ohne Kopf einfacher ist.

  Die Haut ist ein Bestandteil des Fisches, der je nach Art sehr viel Gift enthält und deswegen vorsichtig entfernt werden muss. Obwohl hier viel TTX enthalten ist, wird aus der Haut manchmal ein Salat zubereitet. Dieser sollte aber mit großer Vorsicht und nur in kleinen Mengen genossen werden!

  Als Nächstes müssen die Innereien entfernt werden. Besonders giftig sind die Leber, der Rogen und die Gonaden. Hier muss der Koch beim Auslösen besonders vorsichtig sein. Beschädigt er nur eines der Organe mit seinem Messer, kann das Gift austreten und kontaminiert das Fleisch. In der Vergangenheit gab es immer wieder Menschen, die die Leber des Kugelfisches gegessen haben, um sich damit in einen Rauschzustand zu versetzen. Meist sind sie daran gestorben, deswegen ist der Verkauf der Leber in Japan heute verboten.

  Zuletzt wird das Muskelfleisch des Fisches verarbeitet. Meistens wird es in dünne Scheiben geschnitten und auf einem Teller angerichtet. Dieses Sashimi isst man roh mit etwas Sojasoße.

  Trotz der aufwendigen Zubereitung enthält das Fleisch am Ende etwas Gift. Diese Menge ist aber nicht tödlich. Im Gegenteil, sie ist ein Grund dafür, dass japanische Gourmets über 100 € für einen Teller Fugu bezahlen. Das Gift sorgt für ein taubes Gefühl im Mund und ein leichtes Prickeln auf der Zunge. Es soll sogar zu euphorischen Zuständen führen. Die Kunst bei der Zubereitung eines Kugelfisches besteht darin, die Giftdosis im Fleisch so gering zu halten, dass sie nicht tödlich wirkt, aber trotzdem so hoch, dass die erwünschten Nebenwirkungen nicht ausbleiben.

  Die Fischreste können übrigens nicht einfach in den Abfall wandern. Bei den Innereien und dem Rest handelt es sich quasi um Fischsondermüll, der entweder direkt zu einer Entsorgungsstelle gebracht oder in einer abgeschlossenen Mülltonne aufbewahrt werden muss. In Deutschland ist der Import und Verkauf von Fugu verboten.

• Nenne Symptome des Gifts Coniin.

  Tipps

  Bei einem Symptom handelt es sich um ein Zeichen, das auf eine Erkrankung hinweist. Die Symptome einer Krankheit dürfen nicht mit der eigentlichen Ursache verwechselt werden.

  Beispiel: Krankheit: Grippe durch Grippe-Viren; Symptome: Schnupfen, Fieber, Gliederschmerzen, Husten usw.

  Lösung

  Lähmung der Atemmuskulatur und Tod durch Ersticken sind Symptome des Nervengifts Coniin.

  Bei der Hemmung der Acetylcholin-Rezeptoren in der postsynaptischen Membran handelt es sich nicht um ein Symptom, sondern um die Wirkungsweise des Giftes. Durch die Hemmung der Rezeptoren wird die Erregungsleitung unterbrochen und es kommt zu einer lähmenden Wirkung auf den Körper.

• Erkläre die Erregungsleitung an einer chemischen Synapse.

  Tipps

  Ligandengesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine in der Zellmembran, die sich öffnen oder schließen, wenn ein Botenstoff an das dazugehörige Rezeptormolekül bindet.

  Exocytose beschreibt den Stofftransport aus der Zelle heraus. Dabei werden die betreffenden Moleküle in einem Vesikel bzw. Bläschen transportiert.

  Lösung

  Kommt die elektrische Erregung in Form eines Aktionspotentials an der synaptischen Endigung an, werden durch die Membrandepolarisation spannungsabhängige $Ca^{2+}$-Kanäle geöffnet. Die steigende $Ca^{2+}$-Konzentration in der synaptischen Endigung leitet die Exocytose der Neurotransmitter-Vesikel ein. Der Neurotransmitter wird in den synaptischen Spalt freigesetzt und bindet an die Rezeptormoleküle in der postsynaptischen Membran. Dadurch öffnen sich die ligandengesteuerten $Na^+$-Kanäle und $Na^+$-Ionen strömen in die postsynaptische Zelle. Es kommt zu einer Membrandepolarisation und ein elektrisches Potential entsteht. Das nächste Aktionspotential entsteht allerdings erst am Axonhügel der postsynaptischen Zelle. Vorher werden erst mehrere postsynaptische Potentiale im Soma miteinander verrechnet.

  Die Erregungsweiterleitung an einer chemischen Synapse sieht aber nicht immer genauso aus. Je nach Art und Ort der Zelle unterscheiden sich die Neurotransmitter voneinander. Außerdem werden die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran nicht immer direkt durch die Neurotransmitter gesteuert. Manchmal sind sekundäre Botenstoffe, sogenannte second messenger, nötig.