Nikotinischer Rezeptor, Endplattenpotential und Acetylcholinesterase
Wie Acetylcholin über nikotinische Rezeptoren das Endplattenpotential und damit das Muskelaktionspotential auslöst und wie die Acetylcholinesterase das Signal beendet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren der Endplatte sind exzitatorische, ligandengesteuerte Kationenkanäle in der subsynaptischen Membran, die auch durch Nikotin aktiviert werden.
- Anders als muskarinische Rezeptoren sind sie nicht G-Protein-gekoppelt und öffnen deshalb deutlich schneller.
- In der normal innervierten Faser sind nikotinische Rezeptoren auf die subsynaptische Membran beschränkt, spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle liegen in den Faltentiefen und im Sarkolemm daneben.
- Das Endplattenpotential entsteht durch \(\ce{Na+}\)-Einstrom, ist in der Regel überschwellig und löst über spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle in der Umgebung das fortgeleitete Muskelaktionspotential aus.
- Die Acetylcholinesterase inaktiviert Acetylcholin rasch durch Esterhydrolyse zu Cholin und Acetat, Cholin wird über präsynaptische Transporter wieder aufgenommen.
Worum es geht
An der motorischen Endplatte wird ein chemisches Signal in ein elektrisches übersetzt. Das leisten nikotinische Rezeptoren, das Endplattenpotential und die Acetylcholinesterase. Sie sind zugleich Angriffspunkte wichtiger Arzneistoffe, von Muskelrelaxanzien bis zu Cholinesterasehemmern wie Pyridostigmin.
Nikotinische Rezeptoren
Acetylcholin wird aus der Nervenendigung in den synaptischen Spalt freigesetzt (Bau und Acetylcholin-Freisetzung). Auf der anderen Seite des Spalts trifft es auf die subsynaptische Membran der Muskelfaser (Bau der Synapse). Dort bindet es an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren (nAChR). Ihren Namen tragen sie, weil sich auch Nikotin an ihnen als Agonist verhält und sie aktiviert.
Rezeptor und Kanal in einem
Der nikotinische Rezeptor ist ein ligandengesteuerter Ionenkanal (Ionenkanäle und ihre Steuerung). Bindungsstelle und Pore gehören zum selben Protein. Binden zwei Moleküle Acetylcholin, öffnet sich die Pore innerhalb von Millisekunden. Das Membranpotential steuert diesen Kanal nicht, er ist also nicht spannungsgesteuert.
Die Pore ist ein Kationenkanal. Sie lässt \(\ce{Na+}\) und \(\ce{K+}\) etwa gleich gut passieren, Anionen dagegen nicht. Ein hochselektiver \(\ce{K+}\)-Kanal ist sie daher nicht. Weil netto vor allem Natrium einströmt, wirkt der Rezeptor exzitatorisch: Er erregt die Muskelfaser.
Abgrenzung zu muskarinischen Rezeptoren
Acetylcholin besitzt eine zweite Rezeptorfamilie. Die muskarinischen Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Sie sitzen etwa am Herzen, an Drüsen und an glatter Muskulatur. Ihr Signal läuft über ein G-Protein und weitere Schritte. Deshalb antworten sie deutlich langsamer als der nikotinische Kanal. Adrenerge Rezeptoren kommen an der Endplatte ebenfalls nicht in Frage, denn sie binden Noradrenalin und Adrenalin statt Acetylcholin.
- ligandengesteuerter Kationenkanal
- Signal direkt über die eigene Pore
- öffnet in Millisekunden
- durch Nikotin aktivierbar
- G-Protein-gekoppelter Rezeptor
- Signal über G-Protein und Folgeschritte
- antwortet deutlich langsamer
- durch Muscarin aktivierbar
Lage an der Endplatte
Die subsynaptische Membran ist in Falten gelegt. Die nikotinischen Rezeptoren drängen sich dicht auf den Faltenkämmen, direkt gegenüber den Freisetzungsstellen. In den Faltentiefen und im angrenzenden Sarkolemm liegen dagegen spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle. In einer normal innervierten Faser sind die nikotinischen Rezeptoren auf die subsynaptische Membran beschränkt. Erst nach einer Denervierung baut die Muskelfaser sie auch außerhalb der Endplatte ein.
Examensklassiker: Der Acetylcholin-Rezeptor der Endplatte ist nikotinisch, exzitatorisch und ein ligandengesteuerter Kationenkanal in der subsynaptischen Membran. Achte darauf, ihn klar vom muskarinischen, G-Protein-gekoppelten Typ zu trennen, der langsamer antwortet.
Endplattenpotential
Öffnen sich die Rezeptorkanäle, strömt Natrium in die Faser. Der Grund ist die Triebkraft. Das Ruhemembranpotential der Muskelfaser liegt bei etwa −90 mV. Das ist weit vom Natrium-Gleichgewichtspotential entfernt, aber nahe am Kalium-Gleichgewichtspotential (Ruhemembranpotential). Der \(\ce{Na+}\)-Einstrom überwiegt deshalb deutlich den \(\ce{K+}\)-Ausstrom. Die subsynaptische Membran wird depolarisiert.
Das Endplattenpotential (EPP) ist die lokale Depolarisation der subsynaptischen Membran, die Acetylcholin über nikotinische Rezeptoren auslöst. Es ist abgestuft und wird selbst nicht fortgeleitet.
Vom Endplattenpotential zum Aktionspotential
Bei jeder Erregung des Motoneurons wird viel Acetylcholin auf einmal freigesetzt. Deshalb ist das Endplattenpotential in der Regel überschwellig, und zwar mit großem Abstand zur Schwelle. Man kann sich das wie eine Sicherung mit Reserve vorstellen. Auch wenn etwas weniger Transmitter ankommt, reicht es noch. So löst jede Erregung des Motoneurons normalerweise ein Muskelaktionspotential aus.
- Bindung: Acetylcholin bindet an die nikotinischen Rezeptoren auf den Faltenkämmen.
- Kanalöffnung: Kationen fließen, netto strömt vor allem \(\ce{Na+}\) ein.
- Endplattenpotential: Die subsynaptische Membran depolarisiert lokal.
- Schwelle: Die Depolarisation breitet sich elektrotonisch aus und öffnet spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle in der Umgebung der Endplatte.
- Aktionspotential: Von diesen Kanälen geht das fortgeleitete Muskelaktionspotential aus (Aktionspotential).
Wo das fortgeleitete Aktionspotential entsteht, wird im Examen gerne gefragt. Es entspringt den spannungsgesteuerten \(\ce{Na+}\)-Kanälen neben der Endplatte, während der Rezeptorkanal nur das lokale EPP liefert. Das Aktionspotential läuft dann über das Sarkolemm und die T-Tubuli in die Tiefe und startet die elektromechanische Kopplung.
Die Abbildung zeigt auch, wann die Schwelle verfehlt wird. Ein einzelnes Vesikel erzeugt nur ein winziges Miniatur-Endplattenpotential. Bei der Myasthenia gravis zerstören Autoantikörper nikotinische Rezeptoren. Das EPP fällt kleiner aus und bleibt teilweise unterschwellig, die Muskeln ermüden rasch.
Inaktivierung
Damit die Endplatte die nächste Erregung sauber übertragen kann, muss Acetylcholin rasch wieder verschwinden. Das erledigt ein Enzym, das in der Basallamina des synaptischen Spalts verankert ist.
Die Acetylcholinesterase ist ein Enzym im synaptischen Spalt, das die Esterbindung des Acetylcholins hydrolytisch spaltet. Sie gehört zu den schnellsten bekannten Enzymen.
Die Spaltung ist eine Esterhydrolyse:
\[\text{Acetylcholin} + \ce{H2O} \longrightarrow \text{Cholin} + \text{Acetat} + \ce{H+}\]
Auf dieser enzymatischen Spaltung beruht die kurze Wirkdauer von Acetylcholin. Abdiffusion aus dem Spalt wäre dafür viel zu langsam. Die Spaltprodukte Cholin und Acetat aktivieren den Rezeptor nicht mehr.
Das Cholin geht nicht verloren. Transporter in der präsynaptischen Membran holen es in die Nervenendigung zurück. Dort entsteht daraus mit Acetyl-CoA neues Acetylcholin, das wieder in Vesikel verpackt wird.
Hemmstoffe der Acetylcholinesterase wie Pyridostigmin verlängern die Wirkung von Acetylcholin an der Endplatte. Sie werden bei Myasthenia gravis eingesetzt, Neostigmin auch zur Aufhebung einer nichtdepolarisierenden Muskelrelaxation.
Quiz
Aussage 1
Die kurze Wirkdauer von Acetylcholin an der Endplatte beruht vor allem auf seiner Abdiffusion aus dem synaptischen Spalt.
Sie beruht auf der raschen Esterhydrolyse durch die Acetylcholinesterase. Abdiffusion wäre dafür zu langsam.
Aussage 2
In einer normal innervierten Skelettmuskelfaser sind nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren gleichmäßig über das gesamte Sarkolemm verteilt.
Bei normaler Innervation sind sie auf die subsynaptische Membran der Endplatte beschränkt. Erst nach Denervierung treten sie auch außerhalb auf.
Aussage 3
Unter normalen Bedingungen ist das Endplattenpotential überschwellig und löst ein Muskelaktionspotential aus.
Pro Erregung wird so viel Acetylcholin freigesetzt, dass das EPP die Schwelle mit großem Abstand übersteigt.
Aussage 4
Das Endplattenpotential entsteht überwiegend durch einen Einstrom von \(\ce{Na+}\) durch die geöffneten Rezeptorkanäle.
Beim Ruhepotential von etwa −90 mV ist die Triebkraft für \(\ce{Na+}\) groß, für \(\ce{K+}\) klein. Der Natriumeinstrom überwiegt und depolarisiert die Membran.
Aussage 5
An der motorischen Endplatte wirkt Acetylcholin über muskarinische, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren.
Die Endplatte trägt nikotinische Rezeptoren, die selbst Ionenkanäle sind. Muskarinische Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelt und sitzen etwa an Herz, Drüsen und glatter Muskulatur.
Aussage 6
Der Acetylcholin-Rezeptor der motorischen Endplatte ist ein ligandengesteuerter Kationenkanal, der sich bei Bindung von Acetylcholin öffnet.
Bindungsstelle und Pore gehören zum selben Protein, das Öffnen steuert der Ligand und nicht das Membranpotential.
Aussage 7
Das fortgeleitete Muskelaktionspotential geht direkt von den nikotinischen Rezeptorkanälen aus.
Die Rezeptorkanäle erzeugen nur das lokale Endplattenpotential. Das fortgeleitete Aktionspotential geht von spannungsgesteuerten \(\ce{Na+}\)-Kanälen in der Umgebung der Endplatte aus.
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