Arbeitsblatt: Aufbau und Funktion der Synapse

Einleitung

Die Synapse ist eine essenzielle Struktur im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) und anderen Zellen ermöglicht. Sie sorgt für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über den Aufbau und die Funktion der Synapse, insbesondere der chemischen Synapse, die bei Säugetieren vorherrscht.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Diese Zellen können weitere Nervenzellen sein (interneuronale Synapsen), aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen oder Muskelzellen. Die neuromuskuläre Synapse an der motorischen Endplatte des Axons ist ein typisches Beispiel. Sie verbindet das Axon eines Muskelneurons mit einer Muskelfaser und führt zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.

Synapsen sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Diese Verbindungen zwischen Neuronen, sogenannte interneuronale Synapsen, können auf mehrere Arten ausgestaltet sein: Verbindungen können zwischen Axon, Dendriten und Somata bestehen.

Arten von Synapsen

Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen:

Chemische Synapse

Bei der chemischen Synapse erfolgt die Übertragung der Erregung durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.

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Elektrische Synapse

Bei der elektrischen Synapse erfolgt die Übertragung der Erregung 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. Die Elektrische Synapse spielt im Schulunterricht meist keine Rolle!

Aufbau einer chemischen Synapse

Die chemische Synapse besteht aus folgenden Komponenten:

1. Präsynaptische Membran: Die Membran des Endknöpfchens des sendenden Neurons.
2. Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran.
3. Postsynaptische Membran: Die Membran der empfangenden Zelle (Neuron, Muskelzelle, etc.).

Detaillierter Aufbau der Nervenzelle

Um die Funktion der Synapse besser zu verstehen, ist es wichtig, den Aufbau einer Nervenzelle zu kennen:

• Zellkern: Wie jede Zelle besitzt auch die Nervenzelle einen Zellkern, die Steuerzentrale der Zelle. Hier werden wichtige Prozesse wie die Eiweißproduktion und die Zellaktivität reguliert.
• Soma: Das Soma, auch Zellkörper genannt, enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
• Dendriten: Dies sind verästelte Fortsätze, an denen Informationen von anderen Nervenzellen empfangen werden. Diese Informationen werden über einen langen Fortsatz - das Axon - weitergeleitet. Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Zellen eingehen. Manche Axone können über einen Meter lang werden.
• Axonhügel: Der Übergang vom Soma zum Axon wird Axonhügel genannt. Hier wird entschieden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.
• Synaptische Endigungen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endigungen. Dort wird eine Synapse gebildet - die Kontaktstelle zu einer anderen Zelle. Über diese werden mithilfe von chemischen Botenstoffen (den Neurotransmittern) Informationen an die nächste Nervenzelle weitergegeben. Man unterscheidet dabei:
  • präsynaptische Zelle (die sendende Zelle)
  • postsynaptische Zelle (die empfangende Zelle)
  • (lat. „prä“ = vor, „post“ = nach)
• Myelinscheide: Um Informationen schnell und verlustfrei weiterzuleiten, ist das Axon bei vielen Nervenzellen von einer Myelinscheide (auch Markscheide) umgeben. Diese besteht aus Schwann’schen Zellen, einer Art von Gliazellen, die das isolierende Myelin produzieren. Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird regelmäßig von Ranvier’schen Schnürringen unterbrochen. Neuronen mit Myelinscheide nennt man markhaltig.

Funktion der chemischen Synapse

Die Erregungsübertragung an der chemischen Synapse erfolgt in mehreren Schritten:

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Calcium-Ionen-Einstrom: Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich. Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Positivierung und Depolarisation der Membran führt. Calciumionen-Einstrom => Ionenveränderung führt zur Signalweitergabe!
3. Vesikelverschmelzung und Neurotransmitterfreisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin).
4. Diffusion und Rezeptorbindung: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Dort bindet er an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor.
5. Signalbeendigung: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen. Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Der Zyklus kann erneut beginnen.
6. Regeneration der Neurotransmittervesikel: Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential.

Rezeptortypen

Es gibt zwei Haupttypen von Rezeptoren in der postsynaptischen Membran:

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• Ionotrope Rezeptoren: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen. Der Rezeptor ist gleichzeitig ein Ionenkanal, z.B. Acetylcholinrezeptor.
• Metabotrope Rezeptoren: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt; z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen.

Informationsübertragung am Endköpfchen des Neurons

Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. 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.

Pro Neuron gibt es ca. 1.000 bis 10.000 Synapsen.

Chemische Vorgänge an den Synapsen

Das elektrische Signal wird in der präsynaptischen Membran in ein chemisches Signal umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert, erfolgt der Einstrom von Calciumionen. Dies löst die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Synapsenmembran (präsynaptische Membran) aus. Die Vesikel setzen enthaltene Neurotransmitter frei, die über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran diffundieren. Dort binden sie an bestimmte Rezeptoren und öffnen dadurch spezielle Ionenkanäle (z.B. Natrium-Kanäle). Dies ermöglicht den Einstrom von Natriumionen und damit die Depolarisation der postsynaptischen Membran. Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Abbruch der Signalweitergabe.

Die Frequenz des Aktionspotentials und damit die Stärke des ursprünglichen Reizes wird durch die Konzentration der Neurotransmitter weitergegeben. Die Einzelsubstanzen des Neurotransmitters werden zur präsynaptischen Membran zurücktransportiert, in das Endknöpfchen aufgenommen, in den ursprünglichen Zustand zurückverwandelt und erneut verwendet. Neben Acetylcholin wird eine Reihe weiterer Neurotransmitter im ZNS (zentralen Nervensystem) benutzt. Ihre Wirkungsweise ist je nach Zelltyp, in dem sie vorkommen, unterschiedlich. Des Weiteren hängt sie maßgeblich von der Rezeptorfunktion ab.

Anmerkung: Die in der postsynaptischen Membran eingelagerten Ionenkanäle sind zumeist ligandabhängig (ionotrop). Der Ligand (hier Neurotransmitter) bindet an den Kanal. Erst wenn Neurotransmitter gebunden wurde, öffnet der Kanal und es kommt zum Einstrom der für diesen Kanal spezifischen Ionenart. Wie in Abbildung oben zu erkennen ist, besitzt der ligandenabhänige Natrium-Kanal zwei Bindestellen für Acetylcholin.

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Bedeutung für das Lernen und Gedächtnis

Synapsen spielen eine entscheidende Rolle beim Lernen und im Gedächtnis. Die synaptische Plastizität, die Fähigkeit der Synapsen, sich in ihrer Stärke zu verändern, ist ein grundlegender Mechanismus für das Lernen. Durch wiederholte Aktivierung bestimmter Synapsen können diese verstärkt werden (Langzeitpotenzierung), was die Grundlage für das Speichern von Informationen darstellt.

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