Aufbau und Funktion der Acetylcholin-Synapse

Die Acetylcholin-Synapse ist ein faszinierendes und komplexes System, das eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung im Nervensystem spielt. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen sowie zwischen Nervenzellen und anderen Zellen, wie Muskel- oder Drüsenzellen. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau, die Funktion und die Bedeutung der Acetylcholin-Synapse.

Einführung in die Synapse

Eine Synapse ist die Verbindungsstelle, über die eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Es erfolgt eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information. Die Synapse sorgt für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten. Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weitere Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. Die neuromuskuläre Synapse an der motorischen Endplatte des Axons ist ein typisches Beispiel. Sie verbindet das Axon eines Muskelneurons mit einer Muskelfaser. Synapsen sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Informationen 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: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.
• Elektrische Synapse: 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.

Die Elektrische Synapse spielt im Schulunterricht meist keine Rolle!

Die chemische Synapse am Beispiel der neuromuskulären Synapse

Die chemische Synapse ist die vorherrschende Form der synaptischen Verbindung im Nervensystem von Säugetieren. Sie ermöglicht eine unidirektionale Signalübertragung durch Neurotransmitter. Als Beispiel dient hier eine chemisch-neuromuskulären-Synapse (Verbindung von Nervenzelle und Muskelzelle (Motorische Endplatte)).

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Aufbau der chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht aus folgenden Elementen:

1. Präsynaptische Membran: Sie gehört zum Axonende des sendenden Neurons, dem synaptischen Endknöpfchen. Im Zytoplasma des Axonendes befinden sich Vesikel, in denen Neurotransmitter gespeichert werden.
2. Synaptischer Spalt: Dies ist der schmale Zwischenraum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran.
3. Postsynaptische Membran: Sie gehört in der Regel zum Dendriten des empfangenden Neurons oder der Membran der Zielzelle (z.B. Muskelzelle). Sie enthält Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden.

Funktion der chemischen Synapse (am Beispiel der neuromuskulären Synapse)

1. Aktionspotential erreicht die Terminale: Sobald ein Aktionspotential die Terminale erreicht, öffnen sich die spannungsabhängigen Ca2+ Ionenkanäle.
2. Ca2+-Einstrom: Es folgt ein starker Einstrom der Ionen in das Endknöpfchen.
3. Vesikelwanderung und Transmitterfreisetzung: Angeregt durch die Ca2+ Ionen Konzentration, wandern die synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran. Die Ca2+ Ionen werden derweil wieder aus der Terminale ausgepumpt, um die Ausgangslage wiederherzustellen. Die Vesikel verschmelzen mit der präsynaptischen Membran und setzen den Neurotransmitter (in diesem Fall Acetylcholin) in den synaptischen Spalt frei.
4. Diffusion und Rezeptorbindung: Die freigesetzten Transmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden reversibel an den für sie passenden rezeptorabhängigen Ionenkanälen.
5. Ionenkanalöffnung und Depolarisation: Die Bindung bewirkt eine Konformationsänderung und damit eine Öffnung, der rezeptorabhängigen Ionenkanäle.
6. Entstehung des Endplattenpotentials (EPP): Durch die geöffneten Ionenkanäle findet ein starker Einstrom an Na+ in die Zelle und ein schwacher Ausstrom K+ aus der Zelle statt. Das führt zu einer Depolarisation der Membran (= Endplattenpotential (EPP) oder postsynaptisches Signal (PSP)).
7. Ausbreitung des EPP und Auslösung eines Muskelaktionspotentials: Das EPP breitet sich elektrisch (durch Ionenwanderung) entlang der Membran aus. Erreicht es eine Stelle, die nicht mehr direkt unter der Terminale liegt, und überschreitet dort die Reizschwelle von -60mV wird ein Muskelaktionspotential ausgelöst.
8. Muskelkontraktion: Der Muskel wird kontrahiert.
9. Transmitterabbau: Der Transmitter (i.d.F. Acetylcholin) löst sich von den Ionenkanälen und wird an der Acetylcholinesterase in Acetat und Cholin abgebaut, um eine sofortige Neubesetzung des Rezeptors zu verhindern.
10. Wiederaufnahme und Resynthese: Die Spaltprodukte werden wieder ins Endknöpfchen aufgenommen und dort neu zu Acetylcholin synthetisiert.
11. Regeneration: Die Synapse ist jetzt voll regeneriert und kann erneut erregt werden!

Vertiefung

• ionotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
• metabotrop: 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 (z.B. Video wird geladen …

Merke

Calciumionen-Einstrom => Ionenveränderung führt zur Signalweitergabe!

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.

Merke

Informationsübertragung am Endköpfchen des Neurons: Pro Neuron gibt es ca. 1.000 bis 10.000 Synapsen.

• Ionotrope Rezeptoren: Der Rezeptor ist gleichzeitig ein Ionenkanal, z.B. Acetylcholinrezeptor.

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.

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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 Bindungsstellen für Acetylcholin. Ein sehr bedeutender Neurotransmitter in deinem Körper ist Acetylcholin. Hier erklären wir was Acetylcholin genau ist, wo es vorkommt und wie es wirkt.

Acetylcholin: Der Schlüsselneurotransmitter

Acetylcholin (ACh) ist ein wichtiger Neurotransmitter, der in vielen Synapsen des Gehirns und an der motorischen Endplatte wirkt. Acetylcholin ist einer der am längsten bekannten und am besten untersuchten Neurotransmitter. Die Verbindung wurde 1921 von Otto Loewi bei der Untersuchung von Fröschen nachgewiesen. Eine zentrale Funktion von Acetylcholin ist deshalb die Steuerung wichtiger Körperfunktionen, wie dem Herzschlag, der Atmung oder dem Gedächtnis. Acetylcholin (engl. acetylcholine) ist ein Amin mit der Summenformel C7H16NO2.

Vorkommen von Acetylcholin

• Im parasympathischen Nervensystem wirkt es an allen Kontaktstellen der Neuronen.

Wirkung von Acetylcholin

Acetylcholin sorgt dafür, dass die Botenstoffe in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Dort sorgen sie dafür, dass Ionen durch die Membran strömen können. Schauen wir uns jetzt an, wie der Neurotransmitter Acetylcholin hergestellt, gespeichert und wieder abgebaut wird.

Synthese, Speicherung und Abbau von Acetylcholin

Das Molekül Acetylcholin wird in den Endknöpfchen der Nervenzellen produziert. Cholinacetyltransferase die Bestandteile Acetyl-CoA und Cholin miteinander. Schon gewusst? Daran ist das Enzym Acetylcholinesterase beteiligt. Es spaltet die Verbindung nämlich in Essigsäure (Acetat) und Cholin. Das Endknöpfchen kann Cholin durch spezielle Transporter wieder aufnehmen. Übrigens: Der Abbau von Acetylcholin lässt sich durch Acetylcholinesterase-Hemmer verlangsamen.

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Acetylcholinrezeptoren

In den cholinergen Synapsen gibt es zwei Typen von Membranrezeptoren, an die Acetylcholin binden kann:

1. Muskarinerger Acetylcholinrezeptor: Dabei handelt es sich um einen G-Protein gekoppelten Rezeptor, einen sogenannten metabotropen Rezeptor. Nach der Bindung von Acetylcholin wird die Wirkung über weitere Signalmoleküle gesteuert. In deinem Herzen gibt es zahlreiche muskarinische Acetylcholinrezeptoren, die sogenannten M2-Rezeptoren. Bindet Acetylcholin daran, öffnet sich ein Kaliumkanal. Dabei strömen vermehrt Kaliumionen (K+) aus der Herzzelle, wodurch das Membranpotential dort niedriger wird. Das nennst du auch Hyperpolarisation.
2. Nikotinerger Acetylcholinrezeptor: Darunter versteht du einen ligandengesteuerten Ionenkanal, einen ionotropen Rezeptor.

Hemmstoffe und Substanzen mit anticholinerger Wirkung

Es gibt aber auch natürliche Hemmer des Enzyms Acetylcholinesterase. Sie können das Enzym dauerhaft und irreversibel blockieren. Sie sorgen für einen Acetylcholin Überschuss. So kommt es zu einer Überaktivierung der Nervenzelle, die oft tödlich endet. Genauso gibt es Substanzen mit anticholinerger Wirkung. Sie haben den gegenteiligen Effekt und hemmen den Neurotransmitter.

Chemisch-interneuronale Synapsen

Neben der neuromuskulären Synapse gibt es auch chemische Synapsen zwischen Neuronen (interneuronale Synapsen). Diese lassen sich in erregende und hemmende Synapsen unterteilen.

Erregende Synapse

Eine erregende Synapse verstärkt die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage. Die Funktion der Synapse ist analog zu der normalen chemischen Synapse. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Darauf folgt die Depolarisation und ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP). Links: Erregende Synapse, die über den Neurotransmitter Glutamat eine Depolarisation und somit ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) erzeugt.

Hemmende Synapse

Eine hemmende / inhibitorische Synapse vermindert die Depolarisation (= Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron. Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die y-Aminobuttersäure. Im Gegensatz zur normalen Synapse werden bei der hemmenden Synapse K+ bzw. Cl- Kanäle geöffnet. Die darauf folgende Hyperpolarisation führt zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potenzial (IPSP). Rechts: Hemmende Synapse, die über den Neurotransmitter GABA eine Hyperpolarisation und somit ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) erzeugt.

Synaptische Integration

Die Erregung eines Neurons ergibt sich aus der Summe der verschiedenen Signale, die das Neuron erhält. Also alle EPSPs verrechnet mit allen IPSPs (= Synaptische Integration)

Beachte

Trotz allem: Nicht jedes Endplattenpotential - egal ob von einer erregenden oder hemmenden Synapse stammend - führt auch zu einer Reizüberschreitung in der postsynaptischen Membran. Oft sind mehrere APo's nötig, um tatsächlich zu einer Muskelkontraktion zu führen oder diese zu unterbinden.

Summation

Es gibt zwei Arten von Summation, die an einem Soma auftreten können: die zeitliche und die räumliche Summation.

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

Beide Arten von Summationen führen zu graduierten PSPs.

Klinische Bedeutung der Acetylcholin-Synapse

Die Acetylcholin-Synapse spielt eine wichtige Rolle bei verschiedenen Erkrankungen und Vergiftungen.

Erkrankungen

• Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist. Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages. Myasthenia gravis ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Normalerweise bindet der Neurotransmitter Acetylcholin, der von der Nervenzelle freigesetzt wird, an diese Rezeptoren, um eine Muskelkontraktion auszulösen. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Normalerweise wird an dieser Synapse der Neurotransmitter Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle freigesetzt, um einen Muskelreiz auszulösen. Bei dem Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom bildet das Immunsystem jedoch Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind notwendig, damit Calcium in die Nervenzelle einströmt und die Freisetzung von Acetylcholin auslöst.
• Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• 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.
• Depressionen: spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind.

Vergiftungen

• Tetanustoxin: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA. Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur, die sich durch Krämpfe zeigt. Besonders betroffen ist die Kiefermuskulatur. Dadurch entsteht das klassische Zeichen der Kieferklemme. Im Verlauf wird zudem die Atemmuskulatur gelähmt.
• Botulismus: Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Clostridien produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter. Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum ist das Botolinumtoxin. Es hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur.
• Phosphorsäureester-Vergiftung: Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann.
• Botox: Botulinumtoxin (umgangssprachlich: „Botox“) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es wirkt an der neuromuskulären Synapse, indem es die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle blockiert - dadurch wird die Signalübertragung unterbrochen, und der Muskel entspannt sich. Klinisch wird es z. B.

Medikamentöse Beeinflussung der Acetylcholin-Synapse

Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern.

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