AbituraufgabenDie cholinerge Synapse

1: Mitochondrium; 2: synaptisches Vesikel (mit Acetylcholin); 3: präsynaptische Membran des Endknöpfchens; 4: synaptischer Spalt; 5: Rezeptor der postsynaptischen Membran (nikotinischer ACh-Rezeptor, ligandengesteuerter Na⁺-Kanal); 6: postsynaptische Membran.

Das AP erreicht das Endknöpfchen und depolarisiert dessen Membran. Dadurch öffnen sich spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle, und Ca²⁺ strömt entlang seines Konzentrationsgefälles ein. Ca²⁺ löst aus, dass synaptische Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen (Exocytose); Acetylcholin gelangt in den synaptischen Spalt. ACh diffundiert zur postsynaptischen Membran und bindet an die nikotinischen ACh-Rezeptoren. Diese ligandengesteuerten Kanäle öffnen sich, Na⁺ strömt in die postsynaptische Zelle und depolarisiert sie: Es entsteht ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP). Anschließend spaltet die Acetylcholinesterase ACh in Acetat und Cholin, die Kanäle schließen sich.

Das präsynaptische AP erreicht seinen Gipfel bei etwa 1,35 ms (Beginn bei 1,0 ms); die postsynaptische Depolarisation beginnt bei 1,9 ms. Die synaptische Verzögerung beträgt also etwa 0,5–0,6 ms (vom Gipfel gemessen; vom Beginn des AP aus rund 0,9 ms). Das EPSP steigt vom Ruhepotenzial −70 mV auf ein Maximum von etwa −58 mV bei rund 3 ms; seine Höhe beträgt also etwa 12 mV. Danach fällt es innerhalb von etwa 5 ms fast wieder auf −70 mV ab.

Die Übertragung ist chemisch: Nacheinander müssen die Ca²⁺-Kanäle öffnen, Ca²⁺ einströmen, Vesikel verschmelzen, ACh durch den Spalt diffundieren und an die Rezeptoren binden, bevor sich die Na⁺-Kanäle öffnen. Diese Schritte brauchen zusammen etwa eine halbe Millisekunde — anders als die Ausgleichsströme im Axon, die praktisch sofort wirken. In der postsynaptischen Zelle entsteht kein AP, weil das EPSP mit einem Maximum von −58 mV den Schwellenwert von etwa −50 mV nicht erreicht. An einer einzelnen Synapse öffnen sich nur vergleichsweise wenige Rezeptoren, der Na⁺-Einstrom bleibt klein. Erst wenn sich — etwa bei mehreren gleichzeitig eintreffenden Erregungen — die Depolarisation am Axonhügel über den Schwellenwert summiert, wird dort ein AP ausgelöst.

In der Kontrolle bleibt die EPSP-Höhe trotz 30-minütiger Reizung mit 10 Hz nahezu konstant bei 100 %. Mit HC-3 und derselben Reizung ist das EPSP zunächst gleich hoch, sinkt dann aber stetig ab — anfangs schneller, später langsamer — und erreicht nach 30 min nur noch etwa 20 % des Anfangswerts.

Bei jeder Übertragung wird ACh durch Exocytose freigesetzt und im Spalt von der Acetylcholinesterase in Acetat und Cholin gespalten. Normalerweise nimmt das Endknöpfchen das Cholin über ein Transportprotein wieder auf und verknüpft es mit einer Acetylgruppe zu neuem ACh, das in Vesikel verpackt wird. HC-3 blockiert dieses Transportprotein (M4 (1)); das Cholin geht verloren, und die Neubildung von ACh bricht weitgehend ein. Die bereits gefüllten Vesikel werden bei der Dauerreizung nach und nach verbraucht, ohne dass ausreichend Nachschub entsteht — der ACh-Gehalt sinkt auf etwa ein Fünftel (M4 (2)). Mit jedem AP wird deshalb weniger ACh freigesetzt, weniger Rezeptoren öffnen sich, der Na⁺-Einstrom und damit das EPSP werden kleiner. Da HC-3 weder das Enzym noch die Rezeptoren beeinflusst, ist die einzelne Übertragung zu Beginn normal.

Befund (3): Ohne Dauerreizung werden nur sehr wenige Vesikel entleert; der ACh-Vorrat im Endknöpfchen reicht für die wenigen Testreize aus, auch wenn kein Cholin zurückgewonnen wird. Die Wirkung von HC-3 zeigt sich also nur, wenn viel ACh verbraucht wird — HC-3 stört nicht die Übertragung selbst, sondern den Nachschub. Befund (4): HC-3 ähnelt dem Cholin und besetzt die Bindestelle des Transportproteins, ohne transportiert zu werden. Bietet man viel Cholin an, verdrängt es HC-3 zunehmend von der Bindestelle; mehr Cholin wird aufgenommen und zu ACh verarbeitet, die EPSP-Höhe sinkt langsamer. Das entspricht einer kompetitiven Hemmung, wie man sie von Enzymen kennt: Hemmstoff und Substrat konkurrieren um dieselbe Bindestelle, und eine hohe Substratkonzentration hebt die Hemmung teilweise auf.

Richtig an der Aussage ist, dass beide Stoffe in den Kreislauf des Acetylcholins eingreifen. Ihre Wirkungen unterscheiden sich aber grundlegend. Ein Hemmstoff der Acetylcholinesterase verhindert, dass ACh im Spalt gespalten wird. Das ACh bindet immer wieder an die Rezeptoren, die Na⁺-Kanäle bleiben länger offen, und die postsynaptische Membran bleibt schon nach dem ersten AP länger depolarisiert — die Wirkung setzt sofort ein und verstärkt die Übertragung zunächst. HC-3 dagegen lässt die einzelne Übertragung unverändert (M4 (3)) und schwächt sie erst nach vielen APs ab, weil der ACh-Vorrat schwindet. Beide Wirkungen unterscheiden sich damit im Angriffspunkt (Enzym im Spalt bzw. Transportprotein der Präsynapse), im zeitlichen Verlauf (sofort bzw. erst bei Dauerbelastung) und in der Richtung (verlängerte Erregung bzw. abnehmende Erregung). Die Aussage ist deshalb nur in ihrer allgemeinen Form zutreffend; „im Grunde gleich“ wirken die Stoffe nicht.