Aufbau und Funktion der Synapse: Eine einfache Erklärung

Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen und anderen Zellen ermöglichen. Sie wandeln elektrische Signale in chemische um und übertragen diese Informationen präzise und effizient.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle. Diese Zelle kann eine weitere Nervenzelle, eine Muskelzelle oder eine Sinneszelle sein. Synapsen sind für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich, indem sie elektrische Informationen in chemische umwandeln. Diese Umwandlung ermöglicht die Übertragung von Erregungen mittels chemischer Botenstoffe, den sogenannten Neurotransmittern. Die Reizweiterleitung erfolgt dabei immer nur in eine Richtung.

Aufbau der Synapse

Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:

1. Präsynaptische Membran: Befindet sich am Axonende des sendenden Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Hier befinden sich Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten diese Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten, steuern beispielsweise unsere Muskeln.
2. Synaptischer Spalt: Ein schmaler Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und binden sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Der synaptische Spalt ist nur etwa 20-50 Nanometer breit.
3. Postsynaptische Membran: Gehört zum Dendriten der empfangenden Nervenzelle. Hier befinden sich Rezeptoren, die spezifisch für die Neurotransmitter sind.

Arten von Synapsen

Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, die sich hauptsächlich in ihrer Funktionsweise unterscheiden:

Chemische Synapsen

Bei chemischen Synapsen erfolgt die Signalübertragung indirekt über Neurotransmitter. Diese Synapsen sind im Nervensystem von Säugetieren und damit auch beim Menschen am häufigsten. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffe, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dieser Prozess dauert etwa 1-2 Millisekunden.

Lesen Sie auch: Synapsen erklärt: Von der Struktur zur Funktion

Funktionsweise:

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen der Präsynapse, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, und Calcium-Ionen ($\ce{Ca^{2+}}$) strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert.
3. Mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel bewegen sich zur Präsynapse und verschmelzen mit ihr. Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
4. Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
5. Die Neurotransmitter binden an rezeptorgesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich, was zu einem Ioneneinstrom führt (z.B. Na+).
6. Ein Enzym baut den Transmitter ab, z.B. wird Acetylcholin von der Cholinesterase in Acetat und Cholin gespalten.
7. Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und aktiv aufgenommen.
8. Die Neurotransmittervesikel werden regeneriert, indem Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin synthetisiert werden.

Elektrische Synapsen

Bei elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne die Verwendung von Neurotransmittern. Hier fließen Ionen durch Gap Junctions direkt von einer Zelle zur anderen, was eine viel schnellere Übertragung ermöglicht. Elektrische Synapsen kommen im Körper eher selten vor, sind aber dort zu finden, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist. Sie ermöglichen auch eine bidirektionale Signalübertragung.

Chemische Vorgänge an der Synapse

Der Auslöser für die Reaktionen an der Synapse ist ein Aktionspotential, das vom Axon kommt und die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert.

Ablauf:

1. Depolarisation: Das Aktionspotential depolarisiert die Membran des synaptischen Endknöpfchens.
2. Calcium-Einstrom: Spannungsgesteuerte Calcium-Ionenkanäle öffnen sich, und Calciumionen ($\ce{Ca^{2+}}$) strömen ein.
3. Vesikel-Verschmelzung: Das Calcium bewirkt, dass Vesikel, die mit Neurotransmittern (z.B. Acetylcholin) gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Transmitter in den synaptischen Spalt ausschütten.
4. Rezeptorbindung: Die Neurotransmitter diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden sich an spezifische Rezeptoren von Ionenkanälen (z.B. Natriumionenkanäle). Diese Kanäle sind ligandengesteuert.
5. Ionenstrom und Depolarisation: Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen beispielsweise Natrium-Ionen ($\ce{Na+}$) ein, was zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt.
6. Aktionspotential: Ein neues Aktionspotential entsteht und wird weitergeleitet. Die Frequenz und Stärke des Aktionspotentials hängt von der Konzentration des Neurotransmitters im synaptischen Spalt ab.
7. Abbau der Neurotransmitter: Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter Acetylcholin ab, indem es ihn in Acetat und Cholin spaltet, wodurch die Weitergabe der Erregung gestoppt wird.
8. Recycling: Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. So steht der Neurotransmitter für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung.

Erregende und hemmende Synapsen

Chemisch-interneuronale Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken:

• Erregende Synapsen: Verstärken die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin und Serotonin in Frage. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran, was zu einer Depolarisation und einem erregenden postsynaptischen Potenzial (EPSP) führt.
• Hemmende Synapsen: Vermindern die Depolarisation (Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron. Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die γ-Aminobuttersäure (GABA). Bei der hemmenden Synapse werden Kalium- ($\ce{K+}$) bzw. Chlorid- ($\ce{Cl-}$) Kanäle geöffnet. Die darauf folgende Hyperpolarisation führt zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potenzial (IPSP).

Die Erregung eines Neurons ergibt sich aus der Summe der verschiedenen Signale, die das Neuron erhält (synaptische Integration). Dies bedeutet, dass alle EPSPs mit allen IPSPs verrechnet werden.

Summation von Signalen

Nicht jedes Endplattenpotential führt zu einer Reizüberschreitung in der postsynaptischen Membran. Oft sind mehrere Aktionspotentiale nötig, um tatsächlich eine Muskelkontraktion auszulösen oder zu unterbinden. Es gibt zwei Arten von Summation, die an einem Soma auftreten können:

Lesen Sie auch: Anatomie der Nerven im Detail

• Zeitliche Summation: Innerhalb kürzester Zeit laufen Aktionspotentiale am selben Dendrit in das Soma einer Synapse ein.
• Räumliche Summation: An einem Neuron laufen gleichzeitig mehrere Aktionspotentiale von verschiedenen Dendriten in das Soma einer Nervenzelle ein.

Beide Arten von Summation führen zu graduierten postsynaptischen Potentialen (PSP).

Synaptische Vesikel: Mehr als nur Speicher

Synaptische Vesikel sind nicht nur membranumhüllte „Konservendosen“ zur Speicherung der Botenstoffe. Ihre Membran enthält eine Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben.

• Neurotransmitter-Transporter: Diese Proteine pumpen die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hinein und reichern sie dort an.
• Protonen-ATPase (V-ATPase): Dieses Proteinmolekül stellt die für das „Auftanken“ erforderliche Energie bereit, indem es unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt.
• SNARE-Proteine (Synaptobrevin) und Calcium-Sensor (Synaptotagmin): Diese Komponenten sorgen dafür, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden.

Die synaptischen Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

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. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Ein bekanntes Beispiel ist die Langzeitpotenzierung (LTP), bei der Synapsen, die über längere Zeit wiederholt aktiviert werden, besonders leistungsfähig werden.

Bedeutung der Synapsen

Synapsen sind entscheidend für die Informationsverarbeitung im Nervensystem. Sie ermöglichen:

Lesen Sie auch: Nervensystem: Grundlagen verständlich gemacht

• Wahrnehmung: Die Verarbeitung von Sinneseindrücken.
• Bewegung: Die Steuerung von Muskelkontraktionen.
• Denken: Die Grundlage für kognitive Prozesse.
• Lernen und Gedächtnis: Die Anpassung des Nervensystems an neue Erfahrungen.

Störungen der synaptischen Funktion

Nicht immer funktioniert die synaptische Übertragung reibungslos. Störungen der synaptischen Funktion können zu verschiedenen neurologischen und psychischen Erkrankungen führen.

tags: #aufbau #der #synapse #einfach #erklärt