Der synaptische Spalt ist eine mikroskopisch kleine, aber funktionell hochbedeutende Struktur im Nervensystem. Er stellt die räumliche Trennung zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Zielzelle (wie etwa einer Muskel- oder Drüsenzelle) dar. Trotz seiner geringen Größe ist der synaptische Spalt der zentrale Ort der Signalübertragung im menschlichen Körper.
Aufbau und Funktion des synaptischen Spalts
Der synaptische Spalt ist der extrazelluläre Raum zwischen der präsynaptischen Endigung eines Neurons und der postsynaptischen Membran einer nachgeschalteten Zelle. Dieser Spalt misst typischerweise etwa 20 bis 50 Nanometer in chemischen Synapsen und ermöglicht keine direkte zelluläre Verbindung, sondern erfordert spezielle Übertragungsmechanismen für neuronale Signale.
Präsynaptische Membran
Diese befindet sich am synaptischen Endknopf des sendenden Neurons.
Signalübertragung
Der synaptische Spalt ist der Ort der Signalübertragung zwischen Neuronen oder zwischen Neuronen und Effektorzellen. Ein ankommendes Aktionspotenzial an der präsynaptischen Endigung führt zur Öffnung spannungsgesteuerter Calciumkanäle. Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt. Aufgrund der geringen Breite geschieht dies innerhalb weniger Millisekunden. An der postsynaptischen Membran befinden sich spezifische Rezeptoren, die die Neurotransmitter binden und eine elektrische Antwort (beispielsweise ein exzitatorisches oder inhibitorisches postsynaptisches Potenzial) auslösen.
Beendigung der Signalübertragung
Nach erfolgter Signalübertragung muss das Neurotransmittersignal schnell und effizient beendet werden.
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Arten von Synapsen
- Axodendritische Synapsen: Zwischen einem Axon und einem Dendriten: die häufigste Form.
- Axoaxonale Synapsen: Zwischen zwei Axonen, sie regulieren oft die Transmitterfreisetzung.
- Axosomatische Synapsen: Zwischen einem Axon und dem Zellkörper, meist hemmend.
- Elektrische Synapsen (Gap Junctions): Kein synaptischer Spalt im klassischen Sinne, hier erfolgt die Übertragung direkt über Ionenströme durch Connexine.
Acetylcholin: Definition, Struktur und Synthese
Acetylcholin, kurz ACh, ist ein Neurotransmitter. Das heißt, er übernimmt zentrale Aufgaben in der Erregungsübertragung. Er kommt sowohl im zentralen als auch im peripheren Nervensystem vor. Zu seinen Funktionen gehören die Vermittlung von Muskelkontraktion und Signalübertragung im vegetativen Nervensystem.
Acetylcholin ist ein Ester der Essigsäure und des Aminoalkohols Cholin. Zur Synthese werden also sowohl Cholin als auch Acetyl-CoA benötigt. Acetyl-CoA ist sozusagen ein "aktivierter" Essigsäurerest, denn das angehängte Coenzym A kann die Acetylgruppe übertragen. Die Reaktion der beiden Bestandteile findet in den Endknöpfchen von Synapsen statt und wird vom Enzym Cholinacetyltransferase katalysiert. Das fertige Acetylcholin wird einen Transporter in Speichervesikeln verpackt. Der Transporter, der Acetylcholin in Vesikel einlagert, wird auch Vesikulärer Acetylcholintransporter (kurz VAChT) genannt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Antiporter, das heißt, zwei Stoffe werden in entgegesetzte Richtungen transportiert. Bei VAChT sind das Acetylcholin und Protonen.
Vorkommen von Acetylcholin
Wie zuvor erwähnt, kommt Acetylcholin sowohl im zentralen Nervensystem (ZNS), als auch im peripheren Nervensystem (PNS) vor. Im PNS ist Acetylcholin für die Einleitung der Muskelkontraktion relevant. Es wird über die neuromuskuläre Endplatte ausgeschüttet und gibt so das Signal an die Muskeln weiter.
Neben weiteren Neurotransmittern kommt es auch im Gehirn, also im ZNS, sehr häufig vor. Dort übernimmt es verschiedene Funktionen im Zusammenhang mit Aufmerksamkeit und Lernen. Ganz besonders wichtig ist ACh auch im vegetativen beziehungsweise autonomen Nervensystem, also in Sympathikus und Parasympathikus. Sowohl im Sympathikus, als auch im Parasympathikus ist Acetylcholin der Transmitter aller präganglionären Neurone. Im Parasympathikus übernimmt er außerdem auch postganglionär die Erregungsweiterleitung. Beim Sympathikus wird diese Aufgabe hingegen fast immer von Noradrenalin übernommen. Es gibt eine Ausnahme, bei der auch in sympathischen postganglionären Neuronen Acetylcholin statt Noradrenalin verwendet wird: Die Innervation von Schweißdrüsen.
Wirkung von Acetylcholin
So oft wie Acetylcholin im Körper vorkommt, so vielfältig sind seine Funktionen. Zunächst folgt hier der Ablauf einer Erregungsübertragung mit Acetylcholin in der Synapse: Wie oben beschrieben, wartet das fertig synthetisierte Acetylcholin zunächst in Vesikel verpackt auf seinen Einsatz.
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Kommt nun ein Aktionspotenzial an, werden die Vesikel per Exozytose in den synaptischen Spalt entlassen. An der postsynaptischen Membran interagiert es mit verschiedenen Rezeptoren, die entsprechend auch Cholinozeptoren genannt werden. Abhängig von dem Rezeptor, an den der Neurotransmitter bindet, wird das Signal nun auf verschiedene Weise weitergeleitet. So kommt es zur Erregung oder Hemmung der anschließenden Zelle.
Anschließend, je nach Rezeptor und Wirkungsort, kann Acetylcholin seine verschiedenen Funktionen entfalten. Dazu gehören:
- Einleitung der Muskelkontraktion (PNS)
- Einfluss auf Blutdruck, Herzfrequenz, Verdauung und Stoffwechsel (vegetatives Nervensystem)
- Steuerung verschiedener Gehirnaktivitäten mit Einfluss auf Aufmerksamkeit, Lernen, Erinnerungsbildung und mehr.
Acetylcholinrezeptoren
Es gibt zwei verschiedene Typen von Cholinozeptoren in der postsynaptischen Membran. Sie leiten die Erregung auf verschiedene Arten weiter.
Nikotinerger Acetylcholinrezeptor
Nikotinerge Acetylcholinrezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Das heißt, der Rezeptor selbst funktioniert als Kanal für Ionen und öffnet sich, sobald Acetylcholin aus dem synaptischen Spalt bindet. Geöffnet können positiv geladene Natrium-, Kalium- und Calcium-Ionen passieren. Die Zelle wird depolarisiert und folglich erregt. Acetylcholin ist sehr ähnlich aufgebaut wie Nikotin und bindet an dieselben Rezeptoren. Nikotin ist ein β2-Nikotinrezeptor-Agonist. Dihydro-β-erythroidine (DHβE) ist ein pflanzlicher kompetitiver Antagonist von Nikotinrezeptoren. Es ist ein Inhibitor von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren, die β2-Einheiten enthalten (β2* nAChRs; β2-Nikotinrezeptoren). Cholinerge Hirnstamm-Neuronen aktivieren nikotinische und muskarinische M5-Rezeptoren.
Muskarinerge Acetylcholinrezeptoren
Anders funktioniert die Signalübertragung im Fall des muskarinergen Acetylcholinrezeptors. Es handelt sich um ein G-Protein-gekoppelten Rezeptor. Abhängig von der Art des G-Proteins und ihrem Vorkommen im Körper werden auch hierbei verschiedene Typen unterschieden, die mit M1-M5 benannt werden. Bindet Acetylcholin an einen muskarinergen Rezeptor, wird ein G-Protein aktiviert, wodurch Second Messenger freigesetzt und eine Signalkaskade in Gang gesetzt wird.
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Als Beispiel für einen muskarinergen Rezeptor kann man sich den M2-Rezeptor, der zum Beispiel im Herzen vorkommt, ansehen. Er gehört zur parasympathischen Innervation des Herzens. Werden die M2-Rezeptoren durch Acetylcholin aktiviert, öffnet sich nach einer Signalkaskade ein Kaliumkanal, wodurch Kalium aus den erregungsbildenden Herzzellen ausströmen kann. Die Zelle hyperpolarisiert. Die Folge ist unter anderem eine erniedrigte Herzfrequenz. Das ergibt Sinn, wenn Du Dich nochmal daran erinnerst, dass der Parasympathikus dem Prinzip "rest and digest" folgt.
In der klassischen Signalkaskade in den vegetativen Ganglien folgt auf die Bindung an einen M1-Cholinozeptor die Aktivierung der sogenannten Phospholipase C. Dadurch werden die Second Messenger IP3 und DAG freigesetzt, was zu Calcium-Einstrom führt. Im Gegensatz zum M2-Cholinozeptor am Herzen kommt es zur postsynaptischen Erregung.
Sicher fragst Du Dich, woher die Rezeptoren ihre Namen haben. "Nikotinerg" erinnert schließlich an Nikotin, das man als Inhaltsstoff von Tabak kennt. Ganz richtig: Die Rezeptoren wurden nach Stoffen benannt, die sie ebenso aktivieren. Im Fall von nikotinergen Rezeptoren ist dies tatsächlich Nikotin, beim muskarinergen Rezeptor das Muskarin, also das Gift des Fliegenpilzes.
Abbau von Acetylcholin
Was passiert nun mit dem Acetylcholin im synaptischen Spalt, wenn es nicht mehr benötigt wird? Dazu ist das Enzym Acetylcholinesterase essenziel. Es spaltet das Acetylcholin wieder in Cholin und Essigsäure, sodass es unwirksam gemacht wird. Das Cholin gelangt über einen Transporter wieder in die Synapse. Das ist wichtig, da es benötigt wird, um wieder neues Acetylcholin zu synthetisieren.
Regulation der Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt
Die Konzentration von Acetylcholin im synaptischen Spalt wird durch verschiedene Mechanismen reguliert:
- Synthese: Acetylcholin wird in acetylcholinergen Terminalen aus Cholin und Acetyl-CoA durch das Enzym Cholinacetyltransferase synthetisiert. Das meiste Cholins im Körper findet sich in Phospholipiden. Cholinhaltige Phospholipide (insbesondere Phosphatidylcholin und Sphingomyelin) sind strukturelle Bestandteile von Zellmembranen und Vorstufen für intrazelluläre Botenstoffe. Die frühere Annahme, Deanol sei ein Präkursor von Cholin und würde darüber auch Acetylcholin erhöhen, steht in Zweifel. Nur bei extrem hohen Dosen wurde ein Anstieg von Acetylcholin bei Ratten gefunden, und dies nur im Striatum.
- Speicherung: Aufnahme durch Antiporter in Speichervesikel.
- Freisetzung: Durch Exozytose als Reaktion auf ein Aktionspotential.
- Rezeptorbindung: Acetylcholin bindet an nikotinerge oder muskarinerge Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
- Abbau: Acetylcholin wird im synaptischen Spalt durch Acetylcholinesterase in Cholin und Essigsäure gespalten.
Klinische Bedeutung: Störungen des synaptischen Spalts und der Acetylcholinregulation
Störungen in der Struktur oder Funktion des synaptischen Spalts können große Auswirkungen auf die neuronale Kommunikation haben und sind an der Entstehung zahlreicher neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen beteiligt.
Autoimmunerkrankungen
- Myasthenia gravis: Ein klassisches Beispiel für eine Autoimmunerkrankung, die direkt am synaptischen Spalt angreift (konkret an der neuromuskulären Endplatte). Die körpereigenen Antikörper blockieren oder zerstören nikotinerge Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran. Dadurch werden die vom Motoneuron freigesetzten Acetylcholinmoleküle im synaptischen Spalt zwar weiterhin ausgeschüttet, können jedoch nicht ausreichend wirksam binden. Klinisch äußert sich dies in belastungsabhängiger Muskelschwäche, vor allem der Augen-, Gesichts- und Schlundmuskulatur.
- Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom (LEMS): Auch hier handelt es sich um eine Autoimmunerkrankung, allerdings richten sich die Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle (P/Q-Typ) in der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind entscheidend für die durch Aktionspotenziale ausgelöste Transmitterausschüttung. Ihre Blockade führt zu einer stark reduzierten Freisetzung von Acetylcholin in den synaptischen Spalt, obwohl die postsynaptischen Rezeptoren intakt bleiben. Typischerweise beginnt die Muskelschwäche bei LEMS proximal und in den unteren Extremitäten. LEMS tritt häufig paraneoplastisch im Zusammenhang mit kleinzelligem Bronchialkarzinom auf, kann aber auch idiopathisch verlaufen.
Affektive Störungen
In der Pathophysiologie affektiver Störungen wie Depression oder generalisierter Angststörung wird eine Dysbalance bestimmter Neurotransmitter vermutet (vor allem Serotonin, Noradrenalin und Dopamin). Die Regulation dieser Transmittersysteme im synaptischen Spalt ist ein Hauptziel pharmakologischer Intervention. Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) wie Citalopram oder Sertralin hemmen gezielt den präsynaptischen Transporter für Serotonin (SERT), wodurch die Konzentration von Serotonin im synaptischen Spalt erhöht wird. Dadurch soll die postsynaptische Rezeptorbindung gesteigert und langfristig eine neuroplastische Adaptation erzielt werden. Depressionsbedingte Apathie lässt sich gut mit noradrenergen Antidepressiva behandeln, weniger dagegen mit SSRI.
Neurodegenerative Erkrankungen
Die Alzheimer-Krankheit ist durch eine synaptische Degeneration charakterisiert, die häufig früher einsetzt als der Verlust von Nervenzellen selbst. Besonders betroffen ist das cholinerge System: Die Zahl der Synapsen und die Effizienz der Neurotransmission nehmen deutlich ab. Gleichzeitig wird die synaptische Architektur durch die Ablagerung von Amyloid-β-Peptiden im Spalt gestört, was zu funktioneller Isolation von Neuronen führen kann. Daher zielen einige Alzheimer-Medikamente auf eine Hemmung der Acetylcholinesterase, das Enzym, das Acetylcholin abbaut - um so die Konzentration des Neurotransmitters im synaptischen Spalt zu erhöhen.
Pharmakologische und toxische Einflüsse
Verschiedene pharmakologische Substanzen und toxische Stoffe können die Signalübertragung am synaptischen Spalt gezielt oder unbeabsichtigt beeinflussen. Dabei lassen sich sowohl physiologisch genutzte Wirkmechanismen als auch pathologische Intoxikationsmuster beobachten.
- Botulinumtoxin: Ein bekanntes Beispiel ist Botulinumtoxin, das von Clostridium botulinum gebildet wird. Es hemmt die Freisetzung von Acetylcholin aus den präsynaptischen Endigungen, indem es SNARE-Proteine spaltet, die für die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran notwendig sind. Klinisch äußert sich eine Botulinumvergiftung durch schlaffe Lähmungen, beginnend mit okulomotorischen Ausfällen, gefolgt von Dysphagie, Dysarthrie und schließlich einer generalisierten Muskelschwäche bis hin zur Atemlähmung.
- Tetanustoxin: Ein weiterer bedeutsamer Wirkstoff ist Tetanustoxin, das von Clostridium tetani produziert wird. Im Gegensatz zum Botulinumtoxin wirkt es zentral und hemmt dort inhibitorische Interneurone, was zu einer ungehemmten Aktivität motorischer Neurone führt. Die Folge ist eine spastische Lähmung, also eine übermäßige Muskelkontraktion, die sich klinisch in Form von Trismus, Opisthotonus und generalisierten Krämpfen manifestiert.
- Curare: Curare blockiert die nikotinergen Cholinozeptoren an der Muskelzellen und verhindert dadurch die Atmung. Stört man allerdings den Abbau von Acetylcholin, "konkurriert" es mit Curare wieder um die Bindungsplätze und kann es verdrängen.
- Atropin: Atropin konkurriert mit Acetylcholin um Bindungsstellen, diesmal jedoch an muskarinergen Rezeptoren, weshalb die Auswirkungen teilweise anders sind. Vor allem vermindert Atropin die Wirkung des Parasympathikus. Atropin ist auch in der schwarzen Tollkirsche enthalten.
- Acetylcholinesterasehemmer: Acetylcholinesterasehemmer können jedoch auch großen Schaden anrichten, indem die Acetylcholinesterase irreversibel gehemmt wird. Beispiele für solche Substanzen sind verschiedene chemische Kampfstoffe sowie das Insektizid Parathion. Durch sie kann das Acetylcholin nicht mehr unwirksam gemacht werden, sodass es zu einer oft tödlich Überstimulierung kommt.
Acetylcholin und Dopamin
Acetylcholin-Neurone im Striatum können durch eine Aktivierung von Acetylcholin-Rezeptoren auf Dopamin-Axonen, ein Aktionspotenzial in den dopaminergen Axonen auslösen, das in der Folge eine phasische Dopaminausschüttungen an den dopaminergen Terminalen auslöst. Im Striatum sind 1 % bis 3 % der Neuronen tonisch aktive Interneuronen, die Acetylcholin (ACh) freisetzen. Die Axone der ACh-Neuronen sind mit den Axonen der Dopamin-Neuronen an vielen Stellen verflochten, wo Dopamin-Axone hohe Konzentrationen an nikotinischen ACh-Rezeptoren (nAChRs) aufweisen.
Die Dopaminfreisetzung aus den Axonendigungen im NAc wird unabhängig von der somatischen Aktivität im VTA durch lokale regulatorische Mikroschaltkreise rasch moduliert. Die tonische (langsam und regelmäßig) und phasische (kurz, Burst/Spikes) Dopaminfreisetzung im NAc unterliegt einer starken Modulation durch cholinerge (ChAT) Interneuronen. Die ChAT-Regulierung der Dopaminfreisetzung durch nAChRs ist bei Männern und Frauen grundlegend unterschiedlich. Bei weiblichen Mäusen ist eine ChAT-Regulation der Dopaminfreisetzung durch α4β2-nAChRs meist nicht vorhanden. Eine beeinträchtigte nAChR-Modulation der Dopaminfreisetzung wurde bei intakten (nicht-ovariektomierten) Weibchen nicht durch den Östrus-Zyklus beeinflusst. Bei ovariektomierten Weibchen wurde eine beeinträchtigte nAChR-Modulation der Dopaminfreisetzung jedoch wiederhergestellt. 17β-Estradiol (E2) erhöhte die Dopaminfreisetzung akut, was durch α4β2-NAChRs-Antagonisten blockiert wurde.
Die recht neue Entdeckung einer unmittelbaren Steuerung der Dopaminausschüttung im Striatum durch Acetylcholin-Neuronen erfordert eine Neubewertung der Rolle von Acetylcholin in Bezug auf Dopamin und ADHS. MPH (1,25 und 2,5 mg/kg) erhöhte die Acetylcholinfreisetzung im Kortex von Ratten um 173 %.
Neuroplastizität und der synaptische Spalt
Der synaptische Spalt ist nicht nur ein passiver Ort der Signalübertragung, sondern auch ein dynamisches Zentrum neuronaler Anpassung. In der Neuroplastizität, also der Fähigkeit des Nervensystems, sich an Erfahrungen und Reize anzupassen, spielt der Spalt eine wichtige Rolle.
Mögliche Mechanismen:
- Vermehrte Freisetzung von Neurotransmittern
- Hochregulation postsynaptischer Rezeptoren (zum Beispiel AMPA-Rezeptoren bei Glutamatsynapsen)
- Veränderungen in der Matrix des Spalts
- Verstärkung der strukturellen Kopplung
Im Rahmen von kritischen Perioden in der Hirnentwicklung werden synaptische Spalte selektiv stabilisiert oder eliminiert, je nachdem, ob sie aktiv genutzt werden oder nicht.
Weitere neurologische Erkrankungen und der synaptische Spalt
- Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist. Diese Störung wird aufgrund der großen Variabilität in der Ausprägung und Symptomatik als „Spektrum“ bezeichnet. Autismus-Spektrum-Störung leiden unter schweren Beeinträchtigungen der Sprachfähigkeit und des Intellekts, während andere einen normalen oder sogar fortgeschrittenen Intellekt aufweisen.
- Chorea Huntington: progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung. Sie wird durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen (Cytosin-Adenin-Guanin) im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht. Zum klinischen Erscheinungsbild im Erwachsenenalter gehören eine Bewegungsstörung, die als Chorea bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um abrupte, unwillkürliche Bewegungen des Gesichts, des Rumpfes und der Extremitäten.
- Schizophrenie: schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.
- Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
Acetylcholin in der Medizin
Inzwischen wurde schon sehr viel über das sogenannte cholinerge System herausgefunden. Es ist bekannt, wie wichtig der Neurotransmitter für den Organismus ist, sodass Veränderungen oder andere Eingriffe schwere Folgen haben können. So gibt es zum Beispiel einige Krankheiten, die mit dem cholinergen System in Verbindung gebracht werden. Zu nennen ist Alzheimer, bei der ein Mangel von Acetylcholin vorliegt. Als Therapieansatz wird versucht, mit Acetylcholinesterasehemmern gegenzusteuern. Das heißt, man hemmt vorübergehend das Enzym, das Acetylcholin im synaptischen Spalt abbaut. Das stellt sicher, dass die Konzentration des Neurotransmitters hoch genug bleibt, um zu wirken.
Acetylcholin als Gegengift
Ein weiterer Nutzen von Acetylcholinesterasehemmern ist der Einsatz als Gegengift für das Toxin Curare. Bekannt ist es vor allem als "Pfeilgift", das ursprünglich in Südamerika für die Jagd verwendet wurde. Es blockiert die nikotinergen Cholinozeptoren an der Muskelzellen und verhindert dadurch die Atmung. Stört man allerdings den Abbau von Acetylcholin, "konkurriert" es mit Curare wieder um die Bindungsplätze und kann es verdrängen. Auch bei Vergiftung mit Atropin werden Acetylcholinesterasehemmer eingesetzt. Genau wie Curare konkurriert es mit Acetylcholin um Bindungsstellen, diesmal jedoch an muskarinergen Rezeptoren, weshalb die Auswirkungen teilweise anders sind. Vor allem vermindert Atropin die Wirkung des Parasympathikus.
Negative Aspekte von Acetylcholin
Acetylcholinesterasehemmer können jedoch auch großen Schaden anrichten, indem die Acetylcholinesterase irreversibel gehemmt wird. Beispiele für solche Substanzen sind verschiedene chemische Kampfstoffe sowie das Insektizid Parathion. Durch sie kann das Acetylcholin nicht mehr unwirksam gemacht werden, sodass es zu einer oft tödlich Überstimulierung kommt. Auch bei der Autoimmunkrankheit Myasthenia gravis ist die Wirksamkeit von Acetylcholin reduziert. Antikörper zerstören die Cholinozeptoren der Muskelzellen. Als Folge können sie nicht mehr erregt werden und die Muskeln verlieren ihre Kontraktionsfähigkeit.
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