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Einführung

Skripte PLUS
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Das Nervensystem ist ein sensibles Netzwerk. Es kann leicht aus der Bahn gebracht werden. Durch eine Tasse Kaffee wird die Signalübertragung an den Neuronen stark beeinflusst. Sofort fühlt man sich wach und ausgeschlafen. Aber nicht nur Genussmittel bewirken eine Störung bei der Signalübermittlung an den Neuronen. Auch verschiedenen Krankheiten beeinflussen die Übertragung chemischer und elektrischer Signale. Damit gehen die bei einigen Krankheiten verminderte Gehirnleistungen einher.
In diesem Skript möchten wir dir anhand von verschiedenen Krankheiten und Rauschmittel aufzeigen, wie leicht das Nervensystem aus dem Gleichgewicht gebracht werden kann und welche Folgen das auf den menschlichen Körper hat.

Krankheiten

Zu den schwerwiegende Nervenerkrankungen zählen Multiple Sklerose, Depressionen, Schizophrenie und viele mehr. Nachfolgend werden wir dir zwei dieser Nervenerkrankungen genauer vorstellen.

Alzheimer-Krankheit

$\blacktriangleright$Symptome
Die Alzheimer-Krankheit ist eine der häufigsten Demenzerkrankungen (= Erkrankungen, die das Denkvermögen beeinträchtigen). Meist betrifft die Krankheit ältere Menschen ab dem 65. Lebensjahr, sie kann jedoch auch früher auftreten. Die Alzheimer-Krankheit beginnt schleichend. Menschen, die an ihr leiden, sind zu Beginn der Krankheit sehr vergesslich, da ihr Kurzzeitgedächtnis stark beeinträchtigt wird. Im Verlauf der Erkrankung verlieren sie immer mehr Fähigkeiten. Sie sind etwa nicht mehr in der Lage, für ihr eigens Wohl zu sorgen (kochen, putzen, essen…). Außerdem fällt es Betroffenen nach und nach immer schwerer, vertraute Personen wie Familienmitglieder zu erkennen. Oftmals führt das Krankheitsbild auch zu eine Persönlichkeitsänderung des Betroffenen, die sich etwa in Aggressivität äußert.
$\blacktriangleright$Ursachen
Die Ursachen der Alzheimer-Krankheit sind noch immer nicht vollständig wissenschaftlich geklärt. Eine mögliche Ursache ist die genetische Vererbung eines Gens, dass für die vermehrte Bildung von Plaque (= Ablagerungen von Beta-Amyloid) verantwortlich ist. Fest steht, dass große Ansammlungen von Plaque zwischen den Neuronen im Gehirn für die Symptomatik der Alzheimer-Krankheit verantwortlich sind. Des Weiteren bilden bestimmte Tau-Proteine, die sich bei der Alzheimer-Krankheit im Axon anlagern, sogenannte Tangles. Sie „verstopfen“ die Axone, sodass keine Proteine mehr vom Perikaryon durch das Axon zum Endknöpfchen transportiert werden können. Das funktioniert so:
Im synaptischen Endknöpfchen sind in die Zellmembran viele Proteine eingelassen, die wichtige Funktionen bei der Weitergabe von Aktionspotentialen erfüllen. Ionenkanäle, Membranproteine und Enzyme müssen regelmäßig ausgetauscht werden, um die volle Funktionsfähigkeit des synaptischen Endknöpfchens zu gewährleisten. Die dafür notwendigen Proteine werden bei der Proteinbiosynthese in der Nervenzelle gebildet. Ort der Proteinbiosynthese ist das Perikaryon, denn dort finden sich alle wichtigen Zellorganellen die für die Synthese benötigt werden. Nach der Proteinbiosynthese müssen die fertigen Proteine an ihren Bestimmungsort transportiert werden. Ist aber das Axon durch Tau-Proteine verstopft, können keine neuen Proteine zum synaptischen Endknöpfchen transportiert werden. Mit der Zeit verlieren die alternden Ionenkanäle, Membranproteine und Enzyme ihre Funktion. Es kommt zum Absterben des Neurons.

Parkinson-Krankheit

$\blacktriangleright$Symptome
Die Parkinson-Krankheit äußert sich durch heftiges Muskelzittern bzw. Muskelstarre, Beschwerden beim Gehen und bei der Körperhaltung sowie immer langsamer werdende Bewegungsabläufe. Neben diesen können diverse weitere Symptome auftreten. Auch bei der Parkinson-Krankheit handelt sich um eine Erkrankung des Gehirns, die vor allem Menschen ab dem 65. Lebensjahr betrifft.
$\blacktriangleright$Ursachen
Auch die Ursachen der Parkinson-Krankheit sind noch nicht vollständig geklärt. Eine genetische Vererbung ist nicht auszuschließen.
Bei Menschen die an Parkinson erkrankt sind, kommt es mit der Zeit zum Neuronensterben im Gehirn. Betroffen sind hauptsächlich Neuronen, die für die Produktion des Neurotransmitters Dopamin verantwortlich sind. Bei zunehmendem Verlust von Neuronen kommt es zu einem Ungleichgewicht der Neurotransmitter Dopamin, Acetylcholin und Glutamat, die für verschiedene Bewegungsabläufe verantwortlich sind.
Bei medikamentöser Behandlung der Parkinson-Krankheit wird die Aminosäure L-Dopa verabreicht. L-Dopa ist in der Lage, die Blut-Hirn-Schranke (= Grenze zwischen Blutkreislauf und Zentralnervensystem) zu überwinden. Über verschiedene Stoffwechselprozesse wird dann aus der Aminosäure L-Dopa der Neurotransmitter Dopamin synthetisiert. Er kann dann seinen Aufgaben nachgehen. Dopamin wird in großen Mengen im Gehirn ausgeschüttet und hat, wie viele Neurotransmitter, mehrere Funktionen. U. a. gibt es Befehle an unsere Muskulatur und steuert die Durchblutung verschiedener Organe.
Die Behandlung mit L-Dopa ist nur eine Möglichkeit der Parkinson-Therapie. Wie bereits beschrieben, sterben bei der Parkinson-Krankheit Neuronen ab, die für die Ausschüttung von Dopamin verantwortlich sind. Das Medikament Monoaminooxidase-Hemmer bewirkt eine Hemmung des Enzym Monoaminooxidase, sodass der Abbau von Dopamin verzögert oder eingestellt wird.
$\blacktriangleright$Blick in die Zukunft
Wissenschaftler arbeiten auf Hochtourten an Therapiemöglichkeiten gegen die Prakinson-Krankheit. In einer aktuellen Studie wurde gezeigt, dass die Krankheitssymptome bei Parkinson-Patienten gelindert werden können, wenn den Patienten genetisch veränderte Viren injiziert werden. Durch ihre genetische Veränderung regen die Viren Neuronen dazu an, wieder Dopamin zu produzieren.

Nervengifte

Nicht nur Krankheiten können unser Nervensystem beeinflussen. Auch verschiedenen Substanzen wie Medikamente, Drogen und biologische Waffen greifen gezielt ins Nervensystem ein und beeinflussen dort zentral ablaufende Prozesse. Im Folgenden lernst du, welche Abläufe im Nervensystem auf molekularer Ebene beeinflusst werden.
$\blacktriangleright$Rauschmittel
Unter dem Begriff „ Rauschmittel“ oder auch „Drogen“ versteht man Substanzen, die maßgeblich unsere Wahrnehmung beeinflussen. Einige Rauschmittel machen bereits nach einmaliger Einnahme abhängig, beeinträchtigen Körper und Geist oder können sogar zum Tod führen. Dennoch sind in vielen Kulturen einige Rauschmittel gesellschaftlich anerkannt, werden beworben und gehören stellenweise zum Alltagsgeschehen. Man unterscheidet daher zwischen legalen und illegalen Drogen. In vielen westlichen Kulturen ist etwa der Konsum von Alkohol, Nikotin (in Form von Zigaretten) oder coffeinhaltigen Getränken legal. Im Anschluss stellen wir dir die Wirkungsweise ausgewählter Drogen dar.

Legale Rauschmittel

$\blacktriangleright$Alkohol
Alkoholhaltige Getränke, die man legal als Genussmittel im Handel kaufen kann, bestehen zu Teilen aus Ethanol. Die Einnahme von Ethanol hat verschiedene Wirkungen zur Folge: Zunächst werden Neurotransmitter wie Dopamin freigesetzt, die ein Glücksgefühl auslösen. Außerdem besetzt der Alkohol verschiedene Rezeptoren an den Synapsen und blockiert dadurch die Signalübertragung an Neuronen. Gehirnleistungen werden immer geringer. Dadurch fallen Prozesse wie Sprachsteuerung und Bewegungskoordination schwerer.
Abb. 1: Verschiedene Alkoholsorten.
Abb. 1: Verschiedene Alkoholsorten.
Dem Ethanol ist der Alkohol Methanol sehr ähnlich. Die Aufnahme von Methanol führt zwangsläufig zu einer Methanolvergiftung. Bei einer unbehandelten Methanolvergiftung wird der Körper meist irreversibel geschädigt. Die Wirkung dieser Vergiftung tritt allerdings erst bis zu 72 Stunden nach Einnahme ein. Die Symptome sind dann meist Übelkeit, Kopfschmerzen, Erbrechen und Sehstörungen. Folgen können Erblinden und Organschäden in Herz, Nieren, Leber und dem zentralen Nervensystem sein. Abhängig vom Körpergewicht kann eine Methanolvergiftung schon ab einer Einnahme von 30\;ml Methanol tödlich sein, da Methanol narkotisch wirkt und das Atem- und Kreislaufzentrum lähmen kann.
Zur Behandlung einer Methanolvergiftung wird der Patient über einige Tage mit Ethanol behandelt, sodass der Blutalkoholspiegel zwischen 0.5 und 1\permil\; liegt. Grund hierfür ist, dass die Abbaugeschwindigkeit des Enzyms Alkoholdehydrogenase (ADH) für Ethanol viel schneller ist als für Methanol. Das Methanol, das bei einer Methanolvergiftung in den Körper gelangt ist, wird langsam von der ADH in Produkte abgebaut, die hochgiftig für den Körper sind. Eine Einnahme von Ethanol bewirkt nun, dass bevorzugt Ethanol von der ADH abgebaut wird. Ethanol wird demnach von der ADH schneller abgebaut als Methanol. Dies kann daran liegen, dass es durch seine leicht andere Strukturformel als Methanol besser in das aktive Zentrum der ADH passt als das Methanol. Da das Methanol nicht mehr abgebaut wird, wird es vom Körper über die Niere unverändert ausgeschieden. Eine Methanolvergiftung verhindert, denn die schädlichen Produkte des Methanolabbaus werden durch das Enzym nicht mehr produziert.
$\blacktriangleright$Coffein
Coffein ist ein weißer, kristalliner Feststoff. Es findet sich nicht nur in Kaffee, sondern auch in vielen Teesorten und Kakao. Auf molekularer Ebene besetzt Coffein anstelle des Nukleosids Adenosin verschiedene Rezeptoren und verhindert dadurch, dass bei enormer Anstregung die Gehirnleistung gedrosselt wird. Man wird leistungsfähiger. Außerdem hemmt Coffein das Enzym, das für den Abbau des Second-Messengers cAMP in Neuronen verantwortlich ist. Dadurch kann es zu einer Dauererregung der in der Membran befindlichen Ca2+-Kanäle kommen.
Abb. 2: Kaffeebohnen.
Abb. 2: Kaffeebohnen.

Illegale Rauschmittel

$\blacktriangleright$Cannabis
Cannabis ist ein pflanzliches Rauschmittel, dass aus der Hanfpflanze gewonnen wird. Es werden ausschließlich Teile der weiblichen Pflanze konsumiert. Blüten (= Marihuana, Gras) oder auch gepresstes Harz (= Haschisch) werden häufig in Kombination mit Tabak als Joint geraucht. Der Wirkstoff Tetrahydrocannabinol (= THC) führt zu Wahrnehmungsänderungen. Er blockiert sogenannte CB1- und CB2-Rezeptoren, die sich an Neuronen und Immunzellen befinden.
Abb. 3: Weibliche Blüte.
Abb. 3: Weibliche Blüte.

Signale können an der Synapse von Neronen nicht mehr weitergegeben werden, sodass u. a. das G-Protein gehemmt wird. Die Signalkette, die für die Aktivierung des sekundären Botenstoffs cAMP und damit zur Öffnung von Ca2+-Kanälen verantwortlich ist, ist blockiert. Durch diese Vorgänge im zentralen Nervensystem (ZNS) und peripheren Nervensystem (PNS) kommt es u. a. zu einem starken Entspannungsgefühl der Konsumenten.
$\blacktriangleright$Crystal Meth
Crystal Meth, auch Ice, Crystal Speed oder Crank, ist eine synthetisch hergestellte Droge. Häufig wird Crystal Meth geschnupft (= über die Nase aufgenommen). Kennzeichnend bei Konsumenten sind zunächst Angstzustände und Kreislufprobleme. Weiterführend ein starker körperlicher Zerfall, der Aggressivität, Haar- und Zahnausfall sowie eine Schwächung des gesamten Immunsystems zur Folge hat. Der Wirkstoff Methamphetamin bewirkt eine vermehrte Ausschüttung der Neurotransmitter Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin im Gehirn. Darauf lassen sich starke Glücksgefühle und gesteigerte Leistungsfähigkeit der Konsumenten zurückführen.
Abb. 4: Crystal Meth.
Abb. 4: Crystal Meth.

Weitere Neurotoxine

Neurotoxine (= Nervengifte) sind Giftstoffe, die ausschließlich auf Neuronen wirken. Meist werden durch Neurotoxine verschiedenen Membranproteine in den Neuronen zerstört, z. B. Ionenkanäle oder Enzyme. Dadurch können Signale nicht weitergegeben werden oder es kommt zur Dauererregung der Neuronen.
$\blacktriangleright$Curare
Abb. 5: Strychnos nux-vomica (Gewöhnliche Brechnuss).
Abb. 5: Strychnos nux-vomica (Gewöhnliche Brechnuss).

$\blacktriangleright$Botulinumtoxin (Botox)
Unter biologischen Waffen versteht man natürlich vorkommenden Krankheitserreger und Gifte, die im Falle eines Krieges oder Terroranschlags als Kampfstoff eingesetzt werden können. Das „ Dreckige Dutzend“ ist eine Liste mit 12 Biowaffen, bei denen angenommen wird, dass sie im Ernstfall als Erstes zum Einsatz kommen. Auch das Protein Botulinumtoxin findet sich auf dieser Liste. Würde man versuchen, die gesamte Weltbevölkerung auszulöschen, würden für dieses Vorhaben zwei Esslöffel Botox genügen.
Medizinisch kann Botox auch zur Faltenglättung verwendet werden.
Das Botulinumtoxin, besteht aus einem leichten und einem schwereren Bestandteil. Es kann an den Botulinumtoxin-Rezeptor der präsynaptischen Membran am synaptische Endknöpfchen des Neurons andocken. Über Endocytose wird das Toxin in das Zellinnere aufgenommen. Durch diesen Vorgang bildet sich ein Vesikel um das Botulinumtoxin. Dabei spaltet sich die leichte Kette des Botulinumtoxins von der schweren Kette ab. Die schwere Kette verbleibt im Inneren des Vesikels.
Die leichte Kette wird an die Außenseite des Vesikels angebaut und wirkt als Enzym. Es spaltet enzymatisch sogenannte SNARE-Proteine (Synaptobrevin, SNAP-25, Syntaxin), die sich an der Innenseite der präsynaptischen Membran befinden. Die SNARE-Proteine helfen transmittergefüllte Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen zu lassen, damit der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt gelangen kann. Sind jedoch die SNARE-Proteine außer Kraft gesetzt, findet die Transmitterausschüttung nicht mehr statt. Das Botox-Molekül verhindert, dass die Vesikel des synaptischen Endknöpfchens mit der postsynaptischen Membran verschmelzen und der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt wird. Die Erregungsübertragung wird dadurch am synaptischen Spalt unterbrochen. Es bildet sich an der postsynaptische Membran kein postsynaptisches Potenzial (PSP) aus und das Erregungssignal geht verloren.
Folgen einer Vergiftung mit Botox sind zunächst Übelkeit und Erbrechen. Durch Lähmung der Atemmuskulatur, aufgrund der gehemmten Signalübertragung zwischen Neuron und Muskelzelle führen, kann eine Vergiftung sogar zum Tod führen.
Abb. 7: Bindung des Botox-Moleküls.
Abb. 7: Bindung des Botox-Moleküls.
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