Bau und Funktion der Synapse einfach erklärt

Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle (z.B. Muskel-, Sinnes- oder Drüsenzellen). Sie ermöglicht die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Synapsen sind essenziell für die Kommunikation im Nervensystem und spielen eine entscheidende Rolle bei Lernprozessen, Gedächtnis und der Steuerung von Muskeln.

Was ist eine Synapse?

Synapsen sind Verbindungsstellen, über die eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Diese Verbindungen können zwischen Axon, Dendriten und Somata bestehen. Die Reize werden innerhalb jeder Nervenzelle als elektrische Signale weitergeleitet. An der Synapse findet die Übertragung der Erregung auf die benachbarte Zelle statt.

Aufbau einer Synapse

Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:

1. Präsynapse: Das Endknöpfchen des sendenden Neurons, auch als synaptisches Endknöpfchen oder Axonende bezeichnet. Hier werden Neurotransmitter in Vesikeln gespeichert. Neben den Vesikeln befinden sich hier auch Ca2+-Kanäle und Ionenpumpen. Die präsynaptische Membran ist die Membran des Axonendes.
2. Synaptischer Spalt: Ein schmaler Zwischenraum (ca. 20-50 Nanometer breit) zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran. Neurotransmitter diffundieren durch diesen Spalt. Es befinden sich auch Enzyme im synaptischen Spalt, die für den Abbau der Neurotransmitter zuständig sind.
3. Postsynapse: Die Membran der empfangenden Zelle, in der sich Rezeptoren befinden, an die die Neurotransmitter binden können. Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle.

Arten von Synapsen

Je nach Art der Signalübertragung und Funktionalität werden Synapsen in verschiedene Typen unterteilt:

Chemische Synapsen

Bei chemischen Synapsen erfolgt die Erregungsübertragung durch Neurotransmitter, chemische Botenstoffe. Diese Synapsen sind im Nervensystem von Säugetieren weit verbreitet. Die Erregungsweiterleitung kann hierbei nur in eine Richtung erfolgen.

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Elektrische Synapsen

Elektrische Synapsen übertragen die Erregung direkt über spezielle Ionenkanäle, sogenannte Konnexionen, zwischen zwei eng aneinanderliegenden Membranen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, was zur Erzeugung eines Aktionspotentials führt. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Diese Synapsen finden sich dort, wo eine besonders schnelle Reizübertragung notwendig ist.

Neuromuskuläre Synapsen

Neuromuskuläre Synapsen sind spezielle chemische Synapsen zwischen dem Axon eines Muskelneurons und einer Muskelfaser. Ein typisches Beispiel ist die motorische Endplatte des Axons.

Funktion der chemischen Synapse

Die Funktionsweise einer chemischen Synapse lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Öffnung der Ca2+-Kanäle: Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich, und Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen. Dies führt zu einer Depolarisation der Membran.
3. Vesikelverschmelzung und Neurotransmitterausschüttung: Mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel wandern zur präsynaptischen Membran und verschmelzen mit ihr. Dadurch werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Neurotransmitterbindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran und binden an spezifische Rezeptoren.
5. Ionenkanalöffnung und postsynaptisches Potential: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran. Dies kann zu einem Einstrom von positiv geladenen Na+-Ionen führen, was eine Depolarisation (erregendes postsynaptisches Potential, EPSP) oder zu einem Einstrom von Chloridionen oder Ausstrom von Kaliumionen führen, was eine Hyperpolarisation (inhibitorisches postsynaptisches Potential, IPSP) verursacht.
6. Abbau oder Wiederaufnahme der Neurotransmitter: Ein spezielles Enzym baut den Neurotransmitter ab, oder er wird zurück in die Präsynapse transportiert. Zum Beispiel wird Acetylcholin von der Cholinesterase in Acetat und Cholin gespalten. Diese Produkte werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen.
7. Regeneration der Neurotransmittervesikel: Im Endknöpfchen werden die abgebauten Produkte wieder zu Neurotransmittern regeneriert und in Vesikel verpackt, um für das nächste Aktionspotential bereit zu sein.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren

Die Wirkung der Neurotransmitter an der Postsynapse kann auf zwei Arten erfolgen:

• 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, was zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger löst dann eine Kaskade von Ereignissen aus, die zu einem Effekt führt, z.B. den Einbau von bestimmten Ionenkanälen.

Informationsübertragung am Endknöpfchen

Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, was zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation führt. 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.

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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 präsynaptischen 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. Der enzymatische 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.

Synaptische Plastizität

Synapsen unterliegen ständigen Veränderungen und sind nicht starr. Sie können verstärkt, neu gebildet oder umgebaut werden (synaptische Plastizität). Die synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Dementsprechend schwankt die Anzahl der Synapsen im menschlichen Körper. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.

Diese Anpassungsfähigkeit ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung. Gehirnforscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".

Beispiele für synaptische Plastizität

• Lernen am Instrument: Übt man Klavier, verstärken sich relevante Synapsen im Motorkortex.
• Reflexe: Zieht man die Hand blitzschnell zurück, nachdem man etwas Heißes berührt hat, werden entsprechende Synapsen gestärkt.
• Lernen unter Stress: Unter Adrenalineinfluss werden Synapsen kurzfristig besonders "aufmerksam" und speichern Informationen effizienter.

Erregende und hemmende Synapsen

Synapsen können erregend oder hemmend wirken:

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• Erregende Synapsen: Sie sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle. Ein typisches Beispiel ist Glutamat, das stimulierend im Gehirn wirkt.
• Hemmende Synapsen: Sie hyperpolarisieren ihre Zielzelle und bremsen so den Signalfluss. Beispiele hierfür sind GABA oder Glycin.

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

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.

Synapse - Gifte und Krankheiten

Viele Krankheiten des Gehirns haben ihre Ursache in der Störung der synaptischen Übertragung, z. B. Depressionen oder andere mentale Erkrankungen. Medikamente können die Abläufe an den Synapsen wieder ins Gleichgewicht bringen.

Die Wirkung von einigen Giften beruht darauf, dass die Substanzen die normalen Prozesse an der Synapse stören. Beispielsweise verhindert das Botulinumtoxin (Botox), dass die Vesikel mit den Neurotransmittern mit der präsynaptischen Membran verschmelzen können. Curare blockiert an Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen die Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, sodass die Neurotransmitter nicht mehr binden können.

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