AbituraufgabenDie hemmende Synapse

Beide Kurven beginnen beim Ruhepotenzial von −70 mV. In der Kontrolle sinkt das Membranpotenzial einige Millisekunden nach dem Reiz auf etwa −75 mV ab (Hyperpolarisation um etwa 5 mV), erreicht nach rund 10 ms seinen Tiefstwert und kehrt bis etwa 30 ms allmählich zum Ruhepotenzial zurück. Nach der Cl⁻-Injektion zeigt die Messung zeitlich denselben Verlauf, jedoch in umgekehrter Richtung: Das Potenzial steigt auf etwa −64 mV (Depolarisation um etwa 6 mV) und fällt dann wieder auf −70 mV.

Ein AP erreicht das Endknöpfchen des Interneurons und öffnet spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle; Ca²⁺ strömt ein und löst die Exocytose der Vesikel aus. Der hemmende Transmitter (im Rückenmark Glycin) diffundiert durch den Spalt und bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, die ligandengesteuerte Cl⁻-Kanäle sind. Weil Cl⁻ außen höher konzentriert ist und das Cl⁻-Gleichgewichtspotenzial negativer liegt als das Ruhepotenzial, strömt Cl⁻ ein: Das Zellinnere wird negativer, es entsteht ein IPSP. Der Transmitter wird durch Transporter wiederaufgenommen, die Kanäle schließen, und Leckströme sowie die Na⁺-K⁺-Pumpe stellen das Ruhepotenzial wieder her.

Die Amplitude ist bei −80 mV null, oberhalb (−60 bis −75 mV) negativ und unterhalb (−90 mV) positiv. Das Umkehrpotenzial liegt also bei etwa −80 mV. Bei diesem Potenzial fließt durch die geöffneten Kanäle netto kein Strom: Konzentrations- und Ladungsgefälle des beteiligten Ions gleichen sich aus. Der Wert entspricht dem Cl⁻-Gleichgewichtspotenzial. Das belegt, dass der hemmende Transmitter Cl⁻-Kanäle öffnet. Je weiter das Membranpotenzial vom Umkehrpotenzial entfernt ist, desto größer ist der Antrieb und damit die Amplitude.

Durch die Injektion steigt die Cl⁻-Konzentration im Motoneuron. Das Konzentrationsgefälle von außen nach innen wird kleiner, und das Cl⁻-Gleichgewichtspotenzial verschiebt sich zu weniger negativen Werten — hier offenbar über das Ruhepotenzial von −70 mV hinaus. Öffnet der Transmitter jetzt die Cl⁻-Kanäle, überwiegt beim Ruhepotenzial die Abstoßung durch die negative Innenseite: Cl⁻ strömt aus. Der Verlust negativer Ladung depolarisiert die Membran. Der Transmitter, der Rezeptor und der zeitliche Ablauf sind unverändert; nur die Richtung des Ionenstroms hat sich umgekehrt. Das zeigt, dass die Wirkung einer Synapse vom Ionenkanal und den Ionengefällen bestimmt wird.

Die Häufigkeit spontaner EPSP bleibt über acht Stunden nahezu unverändert; sie sinkt nur leicht auf etwa 91 % des Ausgangswerts. Die Häufigkeit spontaner IPSP nimmt dagegen stark ab: nach einer Stunde auf etwa 78 %, nach zwei Stunden auf 46 %, nach vier Stunden auf 17 % und nach acht Stunden auf nur noch 5 %. Tetanustoxin beeinträchtigt also fast ausschließlich die hemmende Übertragung.

Spontane IPSP entstehen durch die Freisetzung einzelner Vesikel mit hemmendem Transmitter. Ihr Rückgang zeigt, dass das Toxin die Freisetzung von Glycin und GABA aus hemmenden Interneuronen verhindert, während erregende Synapsen weiterarbeiten. Im Rückenmark hemmen diese Interneurone normalerweise die Motoneurone und sorgen dafür, dass etwa Gegenspieler-Muskeln entspannt bleiben. Fällt die Hemmung aus, werden die Motoneurone durch ihre erregenden Eingänge viel leichter und häufiger über den Schwellenwert gebracht; sie senden ständig APs zu den Muskeln. Beuger und Strecker ziehen gleichzeitig und dauerhaft — es kommt zu Dauerkrämpfen.

Mit GABA fließt ein Cl⁻-Strom (100 %), ohne GABA fließt keiner — auch nicht mit Diazepam allein. Diazepam öffnet den Kanal also nicht selbst. Zusammen mit GABA steigt der Strom auf 240 %. Diazepam bindet an einer eigenen Bindestelle des GABA-Rezeptors und verstärkt die Wirkung des gebundenen GABA: Der Cl⁻-Kanal öffnet sich häufiger, es strömt mehr Cl⁻ ein, und das IPSP wird größer. Die hemmende Wirkung jeder GABA-Freisetzung wird dadurch verstärkt, ihr Auftreten hängt aber weiter von der Freisetzung durch die Präsynapse ab.

Die Ursache der Erkrankung ist das Toxin in den hemmenden Nervenzellen; daran ändert Diazepam nichts, es behebt also nicht die Ursache. Es kann aber die Symptome lindern: Solange noch etwas GABA freigesetzt wird (M3 zeigt nach einigen Stunden noch einen Rest an IPSP), verstärkt Diazepam die Wirkung jeder dieser Freisetzungen, sodass die Motoneurone wieder stärker gehemmt werden und die Krämpfe nachlassen. Wäre die Freisetzung vollständig blockiert, könnte Diazepam nicht wirken, weil es ohne GABA keinen Cl⁻-Strom auslöst (M4). Zu bedenken ist außerdem, dass Diazepam an GABA-Synapsen im ganzen Gehirn wirkt und z. B. die Atmung dämpfen kann. Diazepam ist daher eine sinnvolle unterstützende Behandlung, ersetzt aber nicht Maßnahmen gegen das Toxin selbst.