Endplattenpotentiale unter Tubocurarin und Neostigmin
In einem Neurologiepraktikum werden Endplattenpotentiale an einem Nerv-Muskel-Präparat intrazellulär abgeleitet. Bei Reizung des Nervs entsteht ein Endplattenpotential (EPP) von 30 mV, das ein Muskelaktionspotential auslöst. Spontan treten Miniaturendplattenpotentiale (MEPP) mit einer Amplitude von 0,6 mV und einer Frequenz von 1,8 pro Sekunde auf. Nach Zugabe von Tubocurarin (10⁻⁷ mol/l) sinkt die EPP-Amplitude auf 9 mV, die MEPP-Amplitude auf 0,18 mV, die MEPP-Frequenz bleibt mit 1,7 pro Sekunde nahezu konstant; ein Muskelaktionspotential bleibt aus. Nach zusätzlicher Gabe von Neostigmin (10⁻⁶ mol/l) steigt die EPP-Amplitude wieder auf 22 mV, die MEPP-Amplitude auf 0,45 mV. Eine Studentin schlägt vor, den Versuch mit erhöhter MgCl2-Konzentration zu wiederholen, um zu prüfen, ob Tubocurarin prä- oder postsynaptisch wirkt.
1. Erklären Sie mit der Quantentheorie, warum Tubocurarin die EPP- und die MEPP-Amplitude senkt, die MEPP-Frequenz aber unverändert lässt.
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Messgrößen zuordnen: Ein MEPP ist die postsynaptische Antwort auf die spontane Fusion einer einzelnen Vesikel, also eines Quantums. Seine Amplitude ist die Quantengröße und hängt ab von der ACh-Menge pro Vesikel und von der Zahl und Empfindlichkeit der postsynaptischen nikotinischen Rezeptoren. Die Frequenz spiegelt die präsynaptische Rate spontaner Fusionen. Das EPP ist die Summe vieler gleichzeitig freigesetzter Quanten, also Quantengehalt mal Quantengröße.
Tubocurarin: Es ist ein kompetitiver Antagonist am nikotinischen ACh-Rezeptor. Es besetzt die Bindungsstelle, ohne den Ionenkanal zu öffnen; pro freigesetztem ACh-Molekül stehen weniger freie Rezeptoren zur Verfügung. Die Antwort auf ein einzelnes Quantum sinkt (0,6 → 0,18 mV), und die Summenantwort sinkt überproportional (30 → 9 mV). Unterschreitet das EPP die Schwelle, entsteht kein Aktionspotential – die neuromuskuläre Blockade ist erklärt. Die Frequenz bleibt konstant, weil die präsynaptische Freisetzungswahrscheinlichkeit unverändert ist.
Schlussfolgerung: Die Diskrepanz – Amplitude stark erniedrigt, Frequenz unverändert – lokalisiert die Wirkung postsynaptisch. Eine präsynaptisch wirksame Substanz würde die Frequenz senken und die MEPP-Amplitude kaum verändern.
2. Erklären Sie die Wirkung von Neostigmin. Beurteilen Sie, ob sich damit eine tubocurarinbedingte Muskelschwäche behandeln lässt, und nennen Sie eine Situation, in der Neostigmin kontraindiziert wäre.
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Wirkmechanismus: Neostigmin hemmt die Acetylcholinesterase reversibel. ACh bleibt länger im synaptischen Spalt, die effektive Agonistenkonzentration steigt, und mehr Rezeptoren werden trotz des kompetitiven Antagonisten besetzt. Kompetitive Blockaden lassen sich grundsätzlich durch Erhöhung der Agonistenkonzentration überwinden – deshalb steigt die EPP-Amplitude wieder auf 22 mV. Auch die MEPP-Amplitude nimmt zu (0,45 mV), weil jedes Quantum länger und stärker wirkt.
Klinische Beurteilung: Bei einer nicht-depolarisierenden Blockade vom Curare-Typ ist Neostigmin das Mittel der Wahl zur Antagonisierung, sofern eine gewisse spontane Erholung der Transmission eingesetzt hat; die Wirkung ist durch die Wiederherstellung des EPP und die Auslösung von Aktionspotentialen belegbar. Bei einer depolarisierenden Blockade (z. B. Suxamethonium) wäre Neostigmin kontraindiziert: Mehr ACh hält die Rezeptoren länger depolarisiert und verstärkt die Blockade.
Nebenwirkungen und Grenzen: Über muskarinische Rezeptoren kann Neostigmin Bradykardie und vermehrte Sekretion auslösen; in der Klinik wird daher mit Atropin oder Glycopyrrolat kombiniert. Das Präparat zeigt außerdem nur die Endplatte: Eine präsynaptische Störung wie das Lambert-Eaton-Syndrom würde ein anderes Muster zeigen – normale MEPP-Amplitude, aber erniedrigter Quantengehalt bei repetitiver Stimulation.
3. Prüfen Sie den Vorschlag der Studentin, mit erhöhter MgCl2-Konzentration zu arbeiten. Welche Erwartung folgt aus dem Quantenmodell, und was würde das Ergebnis zur Lokalisation der Tubocurarinwirkung beitragen?
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Wirkung von Mg2+: Erhöhtes extrazelluläres Mg2+ blockiert spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle der präsynaptischen Endigung und konkurriert mit Ca2+ beim Einstrom. Die Freisetzungswahrscheinlichkeit sinkt, also sinkt die Zahl der pro Aktionspotential freigesetzten Quanten – der Quantengehalt des EPP nimmt ab. Auch die spontane Fusionsrate sinkt, die MEPP-Frequenz wird kleiner. Die Quantengröße bleibt dagegen unbeeinflusst, weil die postsynaptische Empfindlichkeit und die ACh-Menge pro Vesikel unverändert sind; die MEPP-Amplitude bleibt also gleich.
Erwartung im Versuch: Mit Mg2+ allein sinken EPP-Amplitude und MEPP-Frequenz, die MEPP-Amplitude bleibt konstant. Damit ist die präsynaptische Wirkung von Mg2+ belegt.
Beitrag zur Lokalisation: Der Vergleich der beiden Eingriffe ergibt ein Muster: Mg2+ verändert die Frequenz, nicht die Amplitude; Tubocurarin verändert die Amplitude, nicht die Frequenz. Diese doppelte Dissoziation ist der eigentliche Beleg für die postsynaptische Wirkung von Tubocurarin – überzeugender als die Betrachtung eines einzelnen Parameters. Der Vorschlag der Studentin ist daher methodisch sinnvoll, sofern die Mg2+-Konzentration so gewählt wird, dass die Transmission nicht vollständig erlischt und die MEPP-Frequenz noch messbar bleibt.