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Ionotrope Rezeptoren – Definition
Ionotrope Rezeptoren können auch als “ligandengesteuerte Kationenkanäle” bezeichnet werden.
Liganden sind Moleküle, die an einen Rezeptor binden und so eine Öffnung hervorrufen können.
Ionotrope Rezeptoren ermöglichen den Einstrom spezifischer Ionen in die Postsynapse, also dem Teil der Synapse, der die Erregung empfängt, und werden durch Ligandenkopplung gesteuert.
Dies bewirkt eine Änderung des Membranpotentials und hat eine Depolarisation oder Hyperpolarisation zur Folge. Die jeweilige Wirkung des Ionotropen Rezeptoren steht immer in Abhängigkeit zu den Ionen, welche ihn durchfließen.
Wenn Du Dich fragst, was genau Hyper- und Depolarisation sind, dann kannst Du die wichtigsten Informationen dazu in der Erklärung zum Aktionspotential nachlesen!
Doch was genau bedeutet das eigentlich?
Der Ionenkanal ist ein integrales Membranprotein, durch welches Ionen ein- und ausströmen können. Sie sind aus Proteinkomplexen gebildet und in der Zellmembran eingelagert. Die Namensgebung eines ionotropen Rezeptoren leitet sich durch den jeweiligen an sie bindenden Liganden ab. Wird ein Kanal z. B. durch Acetylcholin gesteuert, so wird er als ionotroper Acetylcholinrezeptor bezeichnet.
Ein Ligand ist ein Stoff, meist in Form eines Ions oder eines Moleküls, der sich an die Bindungsstelle eines Rezeptors binden kann. Dadurch entsteht eine Komplexverbindung, welche wiederum Prozesse innerhalb der Synapse aktivieren kann. Jene können jedoch i. d. R. nach dem Loslösen des Moleküls wieder rückgängig gemacht werden. Ligandenbindungen sind daher reversibel.
Adrenalin ist ein Ligand für die Betarezeptoren an den Herzmuskelzellen, wodurch die Herzaktivität gesteigert werden kann.
Wichtig für die Wirkung einer Komplexverbindung sind die unterschiedlichen Ladungen der Teilchen, die am Rezeptor aufeinandertreffen. Hierbei stehen sich ein Kation und ein Anion oder ein ungeladenes Teilchen gegenüber. Liganden besitzen freie Elektronenpaare, welche ihnen die Bindung an den Rezeptor ermöglichen.
Ionen können negativ oder positiv geladen sein. Eine negative Ladung bedeutet ein Anion, während ein positiv geladenes Ion als Kation bezeichnet wird.
Wie genau diese Teilchen entstehen und welche Wirkung sie haben, erfährst Du in der Erklärung zum Thema Ionen.
Ionotrope Rezeptoren – Klassifizierung und Wirkungsweise
Die physiologische Wirkungsweise der Rezeptoren definiert ihre Klassifizierung und wird insbesondere durch die Ionenart, welche den Rezeptor durchströmt, definiert.
Ligandengesteuerte Ionenkanäle können in zwei Untergruppen klassifiziert werden:
- Exzitatorische ionotrope Rezeptoren
- Inhibitorische ionotrope Rezeptoren
Ligandenaktivierte exzitatorische ionotrope Rezeptoren
“Exzitatorisch” bedeutet lediglich, dass die Kanäle bei Bindung eines Transmitters eine erregende Wirkung auf das Nervensystem haben. Ihre beiden Transmitter sind das Glutamat und Acetylcholin.
Acetylcholin entsteht aus einer Verknüpfung von Acetyl-CoA und Cholin in den Mitochondrien der Neuronen. Glutamat ist ein Salz der Glutaminsäure und ein rascher exzitatorischer Neurotransmitter.
Exzitatorische Acetylcholin- und Glutamatrezeptoren sind nicht selektive Kationenkanäle und v. a. für Natrium und Kalium permeabel.
Mehr Information zu Glutamat und Acetylcholin erhältst Du in den jeweiligen Erklärungen.
Man unterscheidet allerdings zwischen zwei verschiedenen Acetylcholinrezeptoren – den nikotinischen Acetylcholinrezeptoren und den muscarinischen Acetylcholinrezeptoren. Nur erstere sind ionotrop, der zweite Rezeptortyp ist metabotrop.
Die Namensgebung nikotinisch und muskarinisch ist auf die Experimente zurückzuführen, in dessen Rahmen die beiden Rezeptorarten entdeckt wurden. Beides sind selektive Aktivatoren.
Nicotinischer Acetylcholinrezeptoren (nAChR)
Nicotinrezeptoren lassen sich vorwiegend in Nervenzellen und motorischen Endplatten der Skelettmuskelfasern finden und weisen eine besonders hohe Dichte an der postsynaptischen Membran auf.
Weitere Erkenntnisse zur motorischen Endplatte findest Du in der passenden StudySmarter Erklärung.
Ein nACh-Rezeptor ist aus fünf Proteinuntereinheiten zusammengesetzt und wird vorwiegend durch den Agonisten Nikotin (Gift der Tabakpflanze) erregt. An einen nikotinergen Acetylcholinrezeptor müssen stets zwei Acetylcholinmoleküle binden, damit der Ionenkanal geöffnet wird. Dadurch ist der Rezeptor recht unempfindlich gegen kleinere Mengen an Neurotransmittern und ist nur empfindlich bei entsprechend hohen Konzentrationen.
Dies ist z. B. der Fall, wenn eine Erregungsübertragung an der Synapse stattfindet und viele Neurotransmitter aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt entlassen werden.
Sowohl das Acetylcholin, als auch das Nikotin bilden die Agonisten des Nikotinrezeptors.
Wenn Du mehr zur Wirkungsweise des Nicotins erfahren möchtest, dann lies Dir die passende Erklärung dazu durch.
Muscarinischer Rezeptor
Muscarinerge Rezeptoren werden vorwiegend durch Muscarin (Gift des Fliegenpilzes), aber auch durch Atropin aktiviert. Sie sind überwiegend bei den parasympathisch innervierten Erfolgsorganen und den sympathisch innervierten Schweißdrüsen zu finden. Muscarinerge Rezeptoren sind vorwiegend G-Protein gekoppelt.
G-Proteine, auch GTPasen genannt, sind intrazelluläre Proteine. Sie können GDP (Guanosindiphosphat) und GTP (Guanosintriphosphat) binden.
Im Fall der Signaltransduktion dienen G-Proteine als Regulatorproteine bei der rezeptorvermittelten Aktivierung von Enzymen, da insbesondere das GTP sehr energiereich ist. Das Enzym kann so nach Aktivierung Second messenger produzieren, welche dann einen Effekt auf Hormone zur Folge haben.
G-Protein-gekoppelte-Rezeptoren haben in der Medizin eine wichtige Bedeutung, da auf ihnen die Wirkung vieler Medikamente beruht. Ein bekanntes Beispiel sind die Betablocker und Thrombozytenaggregationshemmer.
Weitere Informationen zu G-Protein gekoppelten Rezeptoren erhältst Du in der dazugehörigen Erklärung!
Auch sie lassen sich nochmals in drei weitere, wichtige Unterarten differenzieren, diese seien an dieser Stelle jedoch nur namentlich erwähnt: M1-Rezeptor, M2-Rezeptor und der M3-Rezeptor. Sie beeinflussen die glatte Muskulatur des Verdauungstraktes und eine Steigerung der Magensaftsekretion, wie auch eine Dilatation der Blutgefäße.
Die ionotropen Glutamatrezeptoren (iGluR)
Die ionotropen Glutamatrezeptoren entfalten ihre Wirkungsweise größtenteils im zentralen Nervensystem und lassen sich durch die Bindung des Neurotransmitters Glutamat aktivieren.
Man findet sie vorwiegend an der postsynaptischen Membran von glutamatergen Synapsen – das sind exzitatorische Synapsen, die vorrangig in der Großhirnrinde vorkommen. Sie sind essenziell für das Erinnerungsvermögen, Lernen und neuronale Kommunikation.
Auch hier wird wieder von ionotropen und metabotropen Typen unterschieden: zu den ionotropen Rezeptoren gehören die NMDA-Rezeptoren, AMPA-Rezeptoren und Kainat-Rezeptoren.
Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen liegt eine Überstimulation bzw. Überaktivierung für Glutamat vor. Diese sorgt dafür, dass sich die Neurotransmitter schädlich auf den Organismus auswirken. Häufig sind davon die NMDA- und AMPA-Rezeptoren betroffen. Ihre Überaktivierung führt zu einem erhöhten Calciumspiegel in der postsynaptischen Zelle. Diese hohe Konzentration aktiviert auf Dauer bestimmte Enzyme, die die Zelle in die Apoptose treiben können. Dieser neurotoxische Mechanismus spielt bei Schlaganfällen, Epilepsie oder Alzheimer eine tragende Rolle.
Ligandenaktivierte inhibitorische ionotrope Rezeptoren
“Inhibitorisch” bedeutet, dass die Rezeptoren eine hemmende Wirkung auf die Postsynapse haben.
Ihre beiden Transmitter sind das GABA (y-Amino-Butyrat) und Glycin.
Inhibitorische GABA- und Glycinrezeptoren weisen eine hohe Selektivität v. a. für Chloridionen auf. Sie gelten daher auch als transmittergesteuerte Chlorid-Ionenkanäle.
Mehr Information zu GABA und Glycin erhältst Du in den jeweiligen Erklärungen.
GABA- und Glycinrezeptoren wirken abhängig von der intrazellulären Chlorid-Ionenkonzentration. Nach ihnen können die beiden inhibitorischen Rezeptoren abgeleitet werden:
GABA-Rezeptoren
GABA-Rezeptoren sind primär in inhibitorischen Synapsen des menschlichen Cortex (Gehirnrinde) und dem Cerebellum (Kleinhirn) aufzufinden. Sie stellen praktisch das Gegenstück zum Glutamatrezeptor dar.
Der GABA-Rezeptor ist unter anderem beteiligt an der Einleitung und Aufrechterhaltung des Schlafs und der Koordination von Bewegungsabläufen. Er wird durch den Neurotransmitter GABA (y-Aminobuttersäure) aktiviert. Dieser hat bei Konzentrationserhöhung eine beruhigende Wirkung auf die Skelettmuskulatur.
Auch der GABA-Rezeptor kann nochmals in einen GABAA- und einen GABAB-Rezeptoren untergliedert werden. Erster ist ligandengekoppelt, Zweiter wirkt über G-Protein-Kopplung.
Glycinrezeptoren
Glycinrezeptoren befinden sich größtenteils im Hirnstamm und dem Rückenmark und wirken über einen ligandengekoppelten Cl--Kanal. Die darüber ausgelöste Hyperpolarisation hat die Hemmung der nachgeschalteten Zelle zur Folge.
Glycinrezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Rückwärtshemmung. Dieses Prinzip soll eine Übererregung verhindern. Hierbei wirkt ein hemmende Interneurone rückwärts auf ein aktives Motoneuron ein. Dadurch wird der Impuls rückgeführt und das Motoneuron wird kurzzeitig inaktiviert und der Impuls kann nicht weitergeführt werden.
Der Mechanismus sorgt z. B. dafür, dass beim Stehen Ausgleichsbewegungen geschaffen werden können.
Glycin wirkt im Rückenmark an den Renshaw-Zellen. Dies sind hemmende Interneuronen, welche einen Einfluss auf die motorische Aktivität von Motoneuronen des Rückenmarks besitzen, da sie ein sensorisches und ein motorisches Neuron miteinander verbinden.
Bei einem Wundstarrkrampf, auch “Tetanus” genannt, wird durch die Bakterieninfektion eine Freisetzung der inhibitorischen Transmitter gemindert. Das Glycin kann nun keinen gesteuerten Einfluss mehr auf die Motoneurone nehmen, was zu deren unkontrollierter Aktivierung führt. Daraus resultiert eine sogenannte spastische Muskeltonus-Erhöhung, welche sich v. a. durch Dysfunktionen wie Kieferstarre oder eine Verkrampfung der Rücken- und Gesichtsmuskulatur bemerkbar macht.
Ionotrope Rezeptoren – Aufbau
Ionotrope Rezeptoren sind aus verschiedenen Proteinuntereinheiten und mindestens einer Bindungsdomäne für Liganden zusammengesetzt. Aus diesen Grundbestandteilen entsteht ein Ionenkanal.
Aufbau Exzitatorischer Rezeptoren
Die Untereinheiten exzitatorischer (erregender) Rezeptorkanäle, insbesondere die der Glutamatrezeptoren, bestehen aus vier hydrophoben Segmenten, die als Hetero- oder Homotretramer ausfallen können. Jedes der vier Untereinheiten (Tetramer) eines iGluR besitzt eine Glutamatbindungsstelle.
ACh-Rezeptoren setzen sich für gewöhnlich aus fünf Untereinheiten (Pentamer) zusammen und jeder AChR verfügt über zwei Agonistenbindungsstellen. Diese werden meist durch die α-Untereinheit gebildet.
Agonisten können Rezeptoren aktivieren. Dadurch kann ein Signal ausgelöst werden.
Abhängig davon, welcher der Rezeptoren schlussendlich gebildet wird, unterscheiden sie sich nochmals in der jeweiligen Kanalarchitektur. Aus diesem Zusammenschluss einzelner Segmente entsteht ein Ionenkanal.
Glutamatrezeptoren und Acetylcholinrezeptoren gleichen sich sowohl in ihren funktionellen Eigenschaften, der Ionenpermeabilität, als auch in ihrem Regulationsverhalten.
“Tetramer” und “Pentamer” beschreibt die Anzahl zusammengesetzter Monomere eines Makromoleküls. Sind die Bausteine identisch, so wird das Makromolekül als Homotetramer/-pentamer bezeichnet. Unterscheiden sich die Bausteine voneinander, so wird das entstandene Makromolekül als Heterotetramer/-pentamer bezeichnet.
Aufbau inhibitorischer Rezeptoren
Wusstest Du, dass sowohl die GABAA- als auch die Glycinrezeptoren trotz unterschiedlicher Wirkungsweise genetisch gesehen zu den nACh-Rezeptoren gehören?
Dies ist auf den Aufbau der Rezeptoren zurückzuführen, da sie, genau wie die exzitatorischen Rezeptoren auch, aus vier Segmenten mit einer pentameren Untereinheit bestehen. GABAA-Rezeptoren sind aus zwei α-, zwei β-, wie einer weiteren beliebigen Untereinheit aufgebaut. Glycinrezeptoren sind Heteropentamere, zusammengesetzt aus drei α- und zwei β-Untereinheiten.
Ionotrope Rezeptoren – Funktionsweise
Die Funktionsweise (Gating) der ionotropen Rezeptoren beruht, egal ob exzitatorisch oder inhibitorisch, auf dem gleichen funktionellen Prinzip:
Der Agonist-Rezeptor-Interaktion. Sofern keine Agonisten in Rezeptornähe sind, befinden sich die Kanäle in einem geschlossenen Zustand. Dieser kann jedoch durch Agonistenbindung aufgehoben werden und führt zur Aktivierung jener Kanäle.
Diese läuft folgendermaßen ab:
- Das spezifische Molekül – in einer Synapse wäre dies z. B. ein Neurotransmitter – bindet an der Empfangsstelle des Rezeptors.
- Es kommt zu einer Konformationsänderung der Bindungsstelle: Der geschlossene Zustand des Ionenkanals wird durch die Ligandenbindung an den Rezeptor geändert.
- Der Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen hindurchströmen.
- Das Membranpotential verändert sich und spezifische Proteine werden aktiviert.
- Schließlich wird die Bindung unterbrochen – was entweder durch Dissoziation des Liganden von der Bindungsstelle oder durch Inaktivierung des Liganden.
- Der Ionenkanal kehrt wieder zu seinem Ausgangszustand zurück und schließt sich.
Durch diesen einfachen Mechanismus haben ionotrope Rezeptoren nahezu keine Verzögerung und können rasch aktiviert und wieder deaktiviert werden.
Ionotrope und metabotrope Rezeptoren im Vergleich
Metabotrope Rezeptoren wirken im Vergleich zu ionotropen Rezeptoren über sogenannte Second messenger. Die Aktivierung dieser Second messenger bildet den größten Unterschied zu ionotropen Rezeptoren.
Second messenger werden als Antwort auf vorherige Primärsignale ausgeschüttet. Sie wandeln extrazelluläre in zelluläre Signale um und leiten sie innerhalb einer Zelle weiter. Sie sorgen also für eine selektive Zellantwort durch den Rezeptor und die ausgeschütteten Botenstoffe (Transmitter).
Der Second messenger ist oftmals der Auslöser für eine längere Signalkaskade innerhalb von Zellen. Sie dienen demnach der Signaltransduktion. Beispiele sind cAMP oder Calciumionen.
Im Regelfall sind metabotrope Rezeptoren Transmembranproteine. Eine Art dieser Rezeptoren bilden die G-Protein-gekoppelten-Rezeptoren.
Metabotrope Rezeptoren beeinflussen also nicht Membranpotenziale, sondern lediglich intrazelluläre Stoffwechselprozesse. Da sie über den Second-Messenger-Weg arbeiten, haben sie einen deutlich längeren Übertragungsweg als ionotrope Rezeptoren.
Ionotrope Rezeptoren – Das Wichtigste
Ionotrope Rezeptoren werden durch Ligandenkopplung gesteuert.
Sie wirken vorwiegend an postsynaptischen Membranen.
Es gibt exzitatorische und inhibitorische, ionotrope Rezeptoren.
Beispiele für inhibitorische Rezeptoren sind die Glycin und GABA-Rezeptoren.
- Beispiele für exzitatorische Rezeptoren sind Acetylcholin- und Glutamatrezeptoren.
Ionotrope Rezeptoren sind aus verschiedenen Proteinuntereinheiten und mindestens einer Bindungsdomäne für Liganden zusammengesetzt.
Die Funktionsweise ionotroper Rezeptoren beruht auf der Agonist-Rezeptor-Interaktion.
Acetylcholinrezeptoren können nochmals in nikotinische und muscarinische Rezeptoren unterteilt werden.
Nachweise
- eref.thieme.de: Ionotrope Rezeptoren. (16.07.2022)
- uniklinikum-jena.de: Ionotrope Azetylcholin-Rezeptoren. (16.07.2022)
- chemie.de: Metabotropie (22.07.2022)
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Ionotrope Rezeptoren
Was kennzeichnet IONO und Metabotrope Rezeptoren?
Ein ionotroper Rezeptor wird direkt aktiviert, wenn ein spezifisches Molekül an ihm bindet. Ein metabotroper Rezeptor wird “über einen Umweg aktiviert”: Das Molekül bindet am Rezeptor, dann spaltet sich ein Teil eines Proteins ab und dieses bindet dann an einem Ionenkanal.
Was heißt Ionotrop?
Ionotrop beschreibt die Funktionsweise von ligandengesteuerten Ionenkanälen, welche deswegen auch als ionotrope Rezeptoren bezeichnet werden. Diese Rezeptoren besitzen bestimmte Bindungsstellen, an welche spezielle Moleküle binden und direkt einen Ionenkanal öffnen können.
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