Zoals kort beschreven in het vorige hoofdstuk, zijn neurotransmitters chemische signalen die vrijkomen van presynaptische zenuwuiteinden in de synaptische spleet. De daaropvolgende binding van neurotransmitters aan specifieke receptoren op postsynaptische neuronen (of andere klassen van doelcellen) verandert van voorbijgaande aard de elektrische eigenschappen van de doelcellen, wat leidt tot een enorme verscheidenheid van postsynaptische effecten (zie de hoofdstukken 7 en 8).
Het idee dat elektrische informatie van het ene neuron naar het andere kan worden overgebracht door middel van chemische signalering was het onderwerp van intense discussie gedurende de eerste helft van de twintigste eeuw. Een belangrijk experiment dat dit idee ondersteunde werd in 1926 uitgevoerd door de Duitse fysioloog Otto Loewi. Naar aanleiding van een idee dat naar verluidt midden in de nacht bij hem was opgekomen, bewees Loewi dat elektrische stimulatie van de nervus vagus de hartslag vertraagt door het vrijgeven van een chemisch signaal. Hij isoleerde en perfundeerde de harten van twee kikkers en controleerde de snelheid waarmee ze sloegen (figuur 6.1). De essentie van zijn experiment was het opvangen van het perfusaat dat door het gestimuleerde hart stroomde en dit over te brengen naar het tweede hart. Hoewel het tweede hart niet was gestimuleerd, vertraagde ook de hartslag. Dit toont aan dat de nervus vagus de hartslag regelt door een chemische stof af te geven die zich ophoopt in het perfusaat. De stof werd oorspronkelijk “vagussubstantie” genoemd, maar later werd aangetoond dat het acetylcholine (ACh) was, dat in de loop der jaren de meest bestudeerde neurotransmitter is geworden. ACh werkt niet alleen in het hart, maar op een verscheidenheid van postsynaptische doelen in het centrale en perifere zenuwstelsel, bij uitstek bij de neuromusculaire junctie van de dwarsgestreepte spieren en in het viscerale motorische systeem (zie de hoofdstukken 5 en 21).
Figuur 6.1
Loewi’s experiment waarin chemische neurotransmissie wordt gedemonstreerd. (A) Schema van de experimentele opstelling. (B) Wanneer de nervus vagus van het hart van een geïsoleerde kikker werd gestimuleerd, daalde de hartslag (bovenste paneel). Als de perfusievloeistof van het gestimuleerde hart (meer…)
In de loop der jaren is een aantal formele criteria naar voren gekomen die een stof definitief als neurotransmitter identificeren (kader A). Niettemin blijft het identificeren van de neurotransmitters die actief zijn op een bepaalde synaps een moeilijke onderneming, en voor veel synaps (met name in de hersenen) is de aard van de neurotransmitter niet goed vastgesteld. Stoffen die niet aan alle criteria van kader A voldoen, worden “vermoedelijke” neurotransmitters genoemd.
Kader A
Criteria die een neurotransmitter definiëren.
De onderscheidende kenmerken van neurotransmitters, in vergelijking met andere signaalmoleculen, worden duidelijker door een vergelijking met de werking van de hormonen die door het endocriene systeem worden afgescheiden. Hormonen beïnvloeden doorgaans doelcellen die ver verwijderd zijn van de hormoon afscheidende cel (zie hoofdstuk 8). Deze “actie op afstand” wordt bereikt door het vrijkomen van hormonen in de bloedbaan. De afstand waarover neurotransmitters werken is daarentegen minuscuul. Bij veel synapsen binden zenders alleen aan receptoren op de postsynaptische cel die direct onder de presynaptische terminal ligt (figuur 6.2A); in dergelijke gevallen werkt de zender over afstanden van minder dan een micrometer. Zelfs wanneer neurotransmitters zich lokaal verspreiden om de elektrische eigenschappen van meerdere postsynaptische (en soms presynaptische) cellen in de nabijheid te veranderen (figuur 6.2B), werken zij slechts over afstanden van tientallen tot honderden micrometers. Terwijl de langgerekte axonale processen van neuronen het mogelijk maken dat neurotransmitters tot op een meter afstand van het neuronale cellichaam worden afgegeven, werken deze transmitters nog steeds alleen in de buurt van de presynaptische plaats van afgifte (figuur 6.2C).
Figuur 6.2
Lokalisatie van de werking van neurotransmitters. Neurotransmitters werken in het algemeen hetzij lokaal (A), door de elektrische prikkelbaarheid van een klein gebied van een enkele postsynaptische cel te veranderen, hetzij meer diffuus (B), door de elektrische prikkelbaarheid van een (meer…)
Hoewel het onderscheid tussen neurotransmitters en hormonen in het algemeen duidelijk is, kan een stof in een bepaald gebied van de hersenen als neurotransmitter werken en elders als hormoon fungeren. Zo fungeren vasopressine en oxytocine, twee peptidehormonen die vanuit de hypofyse aan de achterzijde in de circulatie worden gebracht, ook als neurotransmitters bij een aantal centrale synapsen. Een aantal andere peptiden fungeren ook als zowel hormonen als neurotransmitters.