Die neuromuskuläre Synapse, auch motorische Endplatte genannt, ist eine spezielle chemische Synapse, die die Verbindung zwischen einer motorischen Nervenzelle (alpha-Motoneuron) und einer Muskelzelle (Muskelfaser) darstellt. Sie ermöglicht die Übertragung von Nervenimpulsen auf die Muskulatur, was zur Muskelkontraktion führt. Fehler an dieser kritischen Schnittstelle können schwerwiegende Muskelfehlfunktionen hervorrufen.
Aufbau einer Chemischen Synapse am Beispiel der Neuromuskulären Synapse
Die neuromuskuläre Synapse ist ein typisches Beispiel für eine chemische Synapse. Sie verbindet das Axon eines Muskelneurons mit einer Muskelfaser. Die motorische Endplatte befindet sich zwischen Nerven- und Muskelzellen.
Präsynaptische Membran
Die Präsynapse ist der Teil der Synapse, welcher durch das an der motorischen Endplatte beteiligte Neuron gebildet wird. Am präsynaptischen Axon läuft ein elektrisches Signal bis zum Endknöpfchen. Das Endknöpfchen enthält synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. In der motorischen Endplatte übernimmt Acetylcholin (ACh) die Rolle des Neurotransmitters. Acetylcholin ist eine Verbindung aus Essigsäure und Cholin. Im Gegensatz zu anderen Neurotransmittern wird Acetylcholin direkt im synaptischen Endknöpfchen synthetisiert und in Vesikel verpackt. Jedes der bis zu 1.000.000 synaptischen Vesikel kann bis zu 10.000 Acetylcholin-Moleküle enthalten.
Die Membran des Endknöpfchens ist mehrmals eingefaltet, sodass durch diese Oberflächenvergrößerung mehr Vesikel andocken können. Somit können mehr Neurotransmitter in kurzer Zeit in den synaptischen Spalt abgegeben werden.
Synaptischer Spalt
Der synaptische Spalt ist der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran. Er ist etwa zehn bis 50 Nanometer breit. Die freigesetzten Transmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Im synaptischen Spalt lässt sich außerdem die Acetylcholinesterase (ACh-Esterase) auffinden. Dies ist ein Enzym, welches den präsynaptischen Neurotransmitter spaltet, nachdem er an der Postsynapse angedockt ist.
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Postsynaptische Membran
Die Postsynapse ist der zur Muskelzelle gehörige Anteil der motorischen Endplatte. Genauer gesagt ist die Postsynapse ein Anteil an deren Membran. Die gesamte Membran der Muskelzellen bezeichnet man als Sarkolemm. Jedes Endknöpfchen der Nervenzelle kann ein Signal an jeweils eine Membran gleichzeitig abgeben.
Die postsynaptische Membran ist aufgefaltet und in ihrer Membran befinden sich viele Rezeptoren für das präsynaptische ACh. In der postsynaptischen Membran der motorischen Endplatte befinden sich ligandengesteuerte Natriumkanäle, welche normalerweise geschlossen sind. Jeder dieser Natriumkanäle hat auf der Außenseite eine spezielle Region, in die sich ein Neurotransmitter-Molekül (als Ligand) nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip setzen kann. Diese Region des Proteins wird als Rezeptorregion bezeichnet.
Funktion der Neuromuskulären Synapse
Die Hauptfunktion der motorischen Endplatte besteht darin, die Übertragung eines Aktionspotenzials von einem alpha-Motoneuron auf eine Muskelfaser zu ermöglichen. Die motorische Endplatte ermöglicht die Kommunikation des motorischen Nervensystems mit der Muskelfaser.
Ablauf der Signalübertragung
- Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen der präsynaptischen Membran. Bis hier ist alles genauso wie in der normalen Erregungsübertragung an einer Nervenzelle.
- Öffnung der Calciumkanäle: Das Aktionspotential bewirkt die Öffnung spannungsabhängiger Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran. Calciumionen strömen in das Endknöpfchen. Die Calcium-Ionen-Konzentration im Außenmedium der Synapse ist bedeutend höher als im Zellinnern, die Ionen strömen also mit dem Konzentrationsgradienten in die Zelle hinein.
- Freisetzung von Acetylcholin: Der Einstrom von Calciumionen führt dazu, dass synaptische Vesikel, die mit Acetylcholin gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und Acetylcholin in den synaptischen Spalt freisetzen (Exozytose).
- Bindung von Acetylcholin an Rezeptoren: Die freigesetzten Acetylcholin-Moleküle diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Acetylcholin-Rezeptoren (nikotinerge Acetylcholin-Rezeptoren) auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Diese Rezeptoren sind gleichzeitig auch Ionenkanäle.
- Öffnung der Ionenkanäle: Die Bindung von Acetylcholin an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Natriumkanälen. Natriumionen strömen in die Muskelzelle ein, während Kaliumionen aus der Zelle ausströmen.
- Entstehung des Endplattenpotentials (EPP): Der Netto-Einstrom von positiven Natriumionen depolarisiert die postsynaptische Membran. Diese Depolarisation wird als Endplattenpotential (EPP) bezeichnet. Wenn dieses an die Membran andockt, öffnen sich ligandengesteuerte Natriumkanäle und die Postsynapse wird depolarisiert.
- Auslösung eines Aktionspotentials in der Muskelzelle: Wenn das EPP einen Schwellenwert überschreitet, öffnet es spannungsabhängige Natriumkanäle in der benachbarten Muskelzellmembran. Dies führt zur Auslösung eines Aktionspotentials, das sich entlang der Muskelzelle ausbreitet.
- Muskelkontraktion: Das Aktionspotential in der Muskelzelle löst eine Kaskade von Ereignissen aus, die letztendlich zur Kontraktion der Muskelfaser führen. Der Muskel zieht sich zusammen (kontrahiert).
- Abbau von Acetylcholin: Nach der Signalübertragung wird Acetylcholin durch das Enzym Acetylcholinesterase (ACh-Esterase) im synaptischen Spalt schnell abgebaut. Acetylcholin wird in die beiden Bestandteile Cholin und Essigsäure (Acetat) gespalten.
- Wiederaufnahme und Recycling von Cholin: Das Cholin wird aktiv zurück in das präsynaptische Endknöpfchen transportiert, wo es wieder mit Acetyl-CoA zu Acetylcholin synthetisiert und in Vesikeln gespeichert wird. Die Stoffe befinden sich nach dem fertigen Recycling wieder in den präsynaptischen Vesikeln.
Motorische Einheit
Im Zusammenhang mit der motorischen Endplatte wird oftmals der Begriff der motorischen Einheit erwähnt. Ein alpha-Motoneuron innerviert eine bestimmte Anzahl an Muskelzellen und Muskelfasern. Diese Gesamtheit der Muskelzellen, die von einem Nerv innerviert werden, wird als die motorische Einheit dieses Neurons bezeichnet.
Beeinflussung der Neuromuskulären Synapse
Normalerweise ist in den präsynaptischen Vesikeln der Synapse ACh als Botenstoff der Erregungsübertragung enthalten. Die Erregungsübertragung an der motorischen Endplatte kann durch verschiedene Substanzen beeinflusst werden.
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Nikotin
Der Stoff Nikotin kann auch an die synaptischen Kanäle an der motorischen Endplatte andocken. Nikotin ist beispielsweise in Tabakrauch enthalten und kann so vom Körper aufgenommen werden. Damit kann das ACh aus den präsynaptischen Vesikeln nicht mehr anbinden, Nikotin hemmt die Rezeptoren der Membran. Damit verlangsamt es die Erregungsübertragung an der Membran auf die Muskelfaser, beziehungsweise Muskelzelle. Nikotin bleibt, im Gegensatz zu ACh, länger im synaptischen Spalt. Dies ist der Fall, da ACh schnell von synaptischen Spaltenzymen gespalten wird. Dadurch, dass Nikotin länger im synaptischen Spalt verweilt und die Muskelzelle länger erregt wird, dauert die Repolarisation der Postsynapse länger. Dadurch hemmt Nikotin sozusagen die Zelle für eine bestimmte Zeit.
Botulinumtoxin
Auch Botulinumtoxin ("Botox") und andere Stoffe können in die Erregungsübertragung an der Muskelzelle an der Synapse eingreifen. Im Falle von Botulinumtoxin wird die Ausschüttung von ACh unterbunden. Dadurch kommt es zu einer Hemmung der Erregungsweiterleitung und damit zur Relaxation kommt. Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Es wird von Bakterien der Gattung Clostridium produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter.
Krankheiten der Neuromuskulären Synapse
In der Neurobiologie ist das Verständnis der Grundlagen die Basis für mögliche Therapieansätze bei einer Erkrankung. Krankheiten aufgrund von pathologischen Veränderungen an der motorischen Endplatte bezeichnet man auch als "Endplattenerkrankungen".
Myasthenia Gravis
Myasthenia gravis ist eine Autoimmunerkrankung, die durch eine Störung an der neuromuskulären Endplatte gekennzeichnet ist. Hierbei werden Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gebildet. Autoantikörper sind Antikörper, die sich gegen den eigenen Körper und dessen Strukturen richten. Durch die Besetzung der Membran mit Autoantikörpern kann das Aktionspotential an der Muskelfaser schlechter ausgelöst werden. Merkmale für die Erkrankung sind in der Folge eine Belastungsschwäche der Muskeln. Dabei ist oftmals die Muskulatur der Mimik früh betroffen.
Lambert-Eaton-Syndrom
Auch beim Lambert-Eaton-Syndrom stören Antikörper die Funktion an der Synapse zwischen Nerv und Muskelzelle. Bei dieser Krankheit richten sich die Antikörper jedoch gegen Calcium-Kanäle in der Präsynapse, welche für die Vesikelfreisetzung kritisch sind. Da dadurch die Exozytose der Vesikel mit Acetylcholin behindert wird, tritt bei Betroffenen eine Skelettmuskelschwäche auf.
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Weitere Erkrankungen
Weitere Erkrankungen, die mit der Funktion der neuromuskulären Synapse in Verbindung stehen, sind:
- Tetanus: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA.
- Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist.
- Chorea Huntington: progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung.
- Schizophrenie: schwere chronische psychische Störung.
- Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
Chemisch-Interneuronale Synapsen
Neben den neuromuskulären Synapsen gibt es auch chemisch-interneuronale Synapsen, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen ermöglichen. Es gibt zwei Arten:
- 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).
- Hemmende 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).
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).
Summation
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.
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.