Abiturvorbereitung: Die Synapse im Fokus der Biologie

Die Synapse ist ein faszinierendes und essenzielles Element des Nervensystems. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen und ist somit die Grundlage für alle unsere Denkprozesse, Erinnerungen, Gefühle und Handlungen. Um die komplexen Vorgänge im Gehirn zu verstehen und sich optimal auf das Abitur vorzubereiten, ist ein tiefgehendes Verständnis der Synapse unerlässlich.

Was ist eine Synapse?

Bevor wir tiefer in die Materie eintauchen, ist es wichtig zu klären, was eine Synapse überhaupt ist. In der Biologie bezeichnet die Synapse die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle, beispielsweise einer Muskel- oder Drüsenzelle. Die Synapse ist keine starre Verbindung, sondern ein hochdynamischer, spezialisierter Bereich, der Reize gezielt weiterleitet, filtert, verstärkt oder hemmt. Ob beim Lernen, Erinnern oder Steuern eines Muskels - ohne Synapsen gäbe es keine Kommunikation im Nervensystem. Synapsen sorgen für die Weitergabe der Information von einem Neuron zum nächsten. Dabei erfolgt eine Umwandlung der elektrischen Information in chemische.

Aufbau einer Synapse

Um die Funktion einer Synapse zu verstehen, ist es hilfreich, ihren Aufbau genauer zu betrachten. Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:

1. Präsynapse: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden die sogenannten Neurotransmitter in kleinen Bläschen (Vesikeln) gespeichert. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin). Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Synaptischer Spalt: Der winzige Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) trennt das Endknöpfchen von der nächsten Zelle. Im synaptischen Spalt - ein nur ca. 20-30 nm breiter Zwischenraum - werden bei chemischen Synapsen die Neurotransmitter aus der Präsynapse ausgeschüttet. Sie diffundieren zu den Rezeptoren der Postsynapse und übermitteln so das Signal.
3. Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zur empfangenden Zelle.

Neben diesen Hauptbestandteilen existieren noch eine Vielzahl regulierender Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen.

Arten von Synapsen

Synapse ist nicht gleich Synapse: Unterschiedliche Anforderungen im Nervensystem haben zur Ausbildung verschiedener Synapsentypen geführt. Man unterscheidet hauptsächlich chemische und elektrische Synapsen.

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1. Chemische Synapse: Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt mittels Neurotransmittern. Sie ist im menschlichen Nervensystem am häufigsten und ermöglicht komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen. Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Im synaptischen Spalt wird das Signal in Form von chemischen Botenstoffen (Neurotransmitter) von einer Zelle zur nächsten übertragen. Diese Art ist am weitesten verbreitet, arbeitet aber mit einer kurzen Verzögerung.
2. Elektrische Synapse: Diese seltenere Form findet man z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen. Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. Der Signalfluss ist dabei extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. Elektrische Synapsen übertragen das Signal direkt per Ionenfluss über Gap Junctions sehr schnell und meist in beide Richtungen. Sie kommen vor allem dort vor, wo höchste Geschwindigkeit nötig ist. Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Auch nach der Art des Neurotransmitters lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden.

Funktionsweise der chemischen Synapse

Jetzt wird’s spannend: Wie funktioniert das Zusammenspiel der Synapsen beim Informationsaustausch? Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential trifft am Endknöpfchen ein. Die Membran depolarisiert und spannungsgesteuerte Calcium-Kanäle öffnen sich. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Calcium-Einstrom: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Positivierung und Depolarisation der Membran führt.
3. Vesikelverschmelzung und Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Calcium-Ionen regen Vesikel in der Präsynapse, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, dazu an, mit der präsynaptischen Membran zu verschmelzen.
4. Diffusion und Rezeptorbindung: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Dort bindet er an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran.
5. Ionenkanalöffnung und postsynaptisches Potential: Durch die Bindung des Neurotransmitters (Ligand) öffnen sich die Kanäle. Es kommt zu einem Ioneneinstrom (z.B. Na+), der eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge hat (= postsynaptisches Potential). Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
6. Erregung oder Hemmung: Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind. An jeder Synapse entscheidet sich: erregend (Na+ strömt ein → Depolarisation) oder hemmend (Cl- strömt ein → Hyperpolarisation).
7. Neurotransmitter-Entfernung: Damit Signale nicht "hängenbleiben", werden Neurotransmitter nach ihrem Einsatz rasch abgebaut oder zurück in die Präsynapse aufgenommen (Reuptake). Der Neurotransmitter wird durch Enzyme gespalten. Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Die Transmittermoleküle im synaptischen Spalt werden durch Enzyme gespalten, wodurch sich die Kanäle wieder schließen (Verhinderung der Dauererregung).
8. Recycling der Neurotransmitter: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen. Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin → Acetylcholin. Der Zyklus kann erneut beginnen.

Erregende vs. hemmende Synapsen

Eine wichtige Unterscheidung ist die zwischen erregenden und hemmenden Synapsen:

• Erregende Synapsen sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle. Ein typisches Beispiel ist Glutamat, das stimulierend im Gehirn wirkt. Bei EPSP öffnen sich Natrium-Kanäle.
• Hemmende Synapsen dagegen hyperpolarisieren ihre Zielzelle, bremsen also den Signalfluss. Beispiele hierfür sind GABA oder Glycin. Diese hyperpolarisieren durch Öffnen der Kalium- und Chloridkanäle der postsynaptischen Membran. Bei IPSP öffnen sich Chlorid-Kanäle.

Synaptische Plastizität

Wie kann unser Gehirn Erinnerungen speichern oder neue Bewegungen lernen? Die Antwort liegt in der synaptischen Plastizität. Die Effizienz einer präsynaptischen Zelle beim Erzeugen von Aktionspotentialen in einer Zielzelle wird umso größer, je häufiger diese Zellen gemeinsam aktiv sind. Diesen Umstand bezeichnet man auch als synaptische Plastizität.

Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig. Unter LTP versteht man die Langzeitpotenzierung einer Nervenzelle.

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Gehirnforscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen". Diese Anpassungsfähigkeit ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung.

Beispiele für synaptische Plastizität im Alltag

• Lernen am Instrument: Übst du Klavier, verstärken sich relevante Synapsen im Motorkortex.
• Reflexe: Hast du je die Hand blitzschnell zurückgezogen, nachdem du etwas Heißes berührt hast? Auch hier spielen synaptische Verbindungen eine entscheidende Rolle.
• Lernen unter Stress: Unter Adrenalineinfluss - etwa bei einer Prüfung - werden Synapsen kurzfristig besonders "aufmerksam" und speichern Informationen effizienter.

Synapsen und Erkrankungen

Nicht immer funktioniert die synaptische Übertragung reibungslos. Störungen in der synaptischen Funktion können zu verschiedenen neurologischen und psychischen Erkrankungen führen. Depressionen wiederum werden u. a. mit einer beeinträchtigten Neurotransmitterfunktion in Verbindung gebracht.

Die Rolle von Neurotransmittern

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen freigesetzt werden und die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern mit unterschiedlichen Funktionen. Einige wichtige Beispiele sind:

• Acetylcholin: Spielt eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion und im Gedächtnis. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.
• Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn.
• GABA: Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn.
• Dopamin: Spielt eine Rolle bei der Steuerung von Bewegungen, Motivation und Belohnung.
• Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf und Appetit.
• Noradrenalin: Ist an der Steuerung von Aufmerksamkeit, Wachheit und Stressreaktionen beteiligt.

Die Wirkungsweise eines Neurotransmitters kann in jeder Zelle anders sein!

Synapsengifte

Synapsengifte sind Substanzen, die die Funktion der Synapsen beeinträchtigen können. Sie werden gerne als Beispiel in Abituraufgaben herangezogen. Hier bitte nicht die einzelnen Gifte auswendig lernen, sondern die Abläufe an der Synapse einprägen. Das Arbeitsmaterial gibt Ihnen genug Information zum jeweiligen Synapsengift und dessen Wirkungsweise. Einige Beispiele sind:

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• Curare: Pflanzengift, wird als Pfeilgift der Indianer verwendet, blockiert Acetylcholinrezeptoren der motorischen Endplatten, Tod durch Atemlähmung
• Nikotin: Gift der Tabakpflanze, wirkt wie Acetylcholin, Cholinesterase kann Nikotin nicht abbauen. Nikotin sorgt für Beruhigung über nikotinischen GABA-Rezeptor. Auch Nikotin beruhigt über Gylcin-Rezeptor
• Alkylphosphate: org. Phosphorsäureester (Insektizide, Kampfstoffe), irreversible Hemmung der Cholinesterase, Tod durch Atemlähmung

Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

Membranpotenzial und Aktionspotenzial

Stell dir vor, deine Nervenzellen sind wie winzige Batterien - genau das ist das Membranpotenzial. Das Ruhepotenzial liegt bei etwa -70mV und ist die Grundspannung einer entspannten Nervenzelle. Die Spannung entsteht durch ungleiche Ionenverteilung: Innen sind viele Kalium-Ionen K+K+, außen viele Natrium-Ionen Na+Na+. Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt dafür, dass das System stabil bleibt. Merktipp: Denk an eine Batterie - innen negativ, außen positiv. Jetzt wird's spannend - das Aktionspotenzial ist dein Nervenimpuls in Aktion! Der Ablauf folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Entweder der Schwellenwert wird erreicht und es gibt einen vollständigen Impuls, oder gar nichts passiert. Das Rezeptorpotenzial ist der erste Schritt der Reizverarbeitung. Second Messenger verstärken das Signal innerhalb der Zelle und sorgen dafür, dass auch schwache Reize wahrgenommen werden können. Die saltatorische Weiterleitung ist viel effizienter!

Neuronale Plastizität und Lernen

Neuronale Plastizität macht Lernen möglich! Häufig benutzte Verbindungen werden stärker, seltene abgebaut - wie Trampelpfade im Gehirn. Synaptische Bahnung ist die Grundlage des Lernens. Das Nervensystem folgt dem Prinzip "Use it or lose it": Häufig genutzte Verbindungen werden gestärkt, unbenutzte abgebaut.

Neurophysiologische Verfahren

Neurophysiologische Verfahren wie EEG, MRT oder die klassische Potenzialmessung mit Glaskapillaren machen die elektrischen Prozesse sichtbar.

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