Vorgang der Erregungsübertragung an einer Synapse einfach erklärt

Im menschlichen Körper werden ständig Reize weitergeleitet und verarbeitet. Diese Reize, auch Erregungen genannt, können durch Sinneseindrücke wie Sehen, Riechen, Fühlen, Schmecken und Hören entstehen. Diese Informationen werden von ihrem Ursprungsort, beispielsweise einem Finger, zum Gehirn transportiert. Der Körper nutzt dafür Nervenzellen, die an ihren Enden Synapsen aufweisen. Diesen Synapsen kommt die spezielle Aufgabe zu, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle weiterzugeben.

Was sind Synapsen?

Synapsen sind Kontaktstellen zwischen mehreren Neuronen und nachgeschalteten Muskel-, Nerven- und Drüsenzellen, wo die Erregungsübertragung sowie die Weiterleitung von Aktionspotentialen stattfinden. Synapsen zwischen Neuronen werden als interneuronale oder neuro-neuronale Synapsen bezeichnet und im Gehirn und Rückenmark als zentrale Synapsen. Eine Synapse zwischen einem Motoneuron und einer Muskelzelle wird als neuromotorische Synapse oder motorische Endplatte bezeichnet. An einem Motoneuron können bis zu 200 Endknöpfchen abzweigen, die bis zu 200 Muskelfasern mit elektrischen Signalen versorgen und somit zur Erregungsübertragung beitragen.

Motoneuronen sind efferente Nervenzellen, die die Muskulatur direkt oder indirekt kontrollieren und erregen. Sie sind grundlegend für die Kontraktion der Skelettmuskulatur.

Aufbau einer Synapse

Synapsen bestehen grob aus drei Teilen:

1. Präsynaptische Membran: Sie enthält Neurotransmitter, die in Vesikel verpackt sind. Diese Neurotransmitter dienen als Botenstoffe für die Erregungsübertragung.
2. Synaptischer Spalt: Dies ist der Zwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran und besteht aus extrazellulärer Matrix. Er ist 10-15 nm breit.
3. Postsynaptische Membran: Hier gibt es Rezeptoren, die Informationen über Dendriten empfangen.

Das Endknöpfchen und die nachfolgende Zelle berühren sich nicht direkt, sondern sind durch den synaptischen Spalt getrennt. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.

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Arten von Synapsen

Es werden zwei Arten von Synapsen unterschieden: elektrische und chemische.

Elektrische Synapsen

Hier stehen Prä- und Postsynapse in direktem Kontakt miteinander. Durch den engen Kontakt findet die elektrische Erregungsübertragung verzögerungsfrei statt. Die Reizweiterleitung kann bidirektional verlaufen. Dies geschieht über Gap Junctions, direkte Zell-Zell-Verbindungen, die benachbarte Zellen über Ionenkanäle verbinden und die Diffusion von Molekülen und die Übertragung von Membranpotentialänderungen ermöglichen. Gap Junctions werden durch Connexine gebildet, wobei sechs Connexine ein Connexon bilden. Treten zwei Connexone benachbarter Zellen in Kontakt, bilden sie einen Ionenkanal, der durch beide Membranen verläuft. Elektrische Synapsen kommen dort vor, wo eine schnelle Erregungsübertragung notwendig ist, wie beim Lidreflex oder in Herzmuskelzellen. Im Körper sind sie jedoch weniger häufig.

Chemische Synapsen

Diese sind durch einen schmalen Abstand zwischen prä- und postsynaptischer Membran gekennzeichnet. Der synaptische Spalt ist mit Extrazellularflüssigkeit gefüllt. Die Erregungsübertragung erfolgt über Botenstoffe bzw. Transmitter. Chemische Synapsen kommen im Körper viel häufiger vor.

Reizübertragung an der Synapse

Die meisten Synapsen arbeiten über chemische Erregungsübertragung, aber es gibt auch die direkte elektrische Weiterleitung.

Ablauf der Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential wandert axonabwärts zu den Endknöpfchen eines Motoneurons.
2. Depolarisation und Öffnung der Calciumkanäle: Das Aktionspotential erreicht ein synaptisches Endknöpfchen und depolarisiert es. Dadurch öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und Calcium-Ionen (Ca2+) strömen in das Endknöpfchen ein.
3. Verschmelzung der Vesikel mit der Membran: Das einströmende Calcium bewirkt, dass synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen.
4. Ausschüttung der Neurotransmitter: Der Transmitter wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Neurotransmitter sind Liganden, die spezifisch nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptoren binden und Folgereaktionen auslösen.
5. Bindung an Rezeptoren der postsynaptischen Membran: Die Transmitter diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden an dessen Rezeptoren. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, die ligandengesteuert sind.
6. Öffnung der Ionenkanäle und postsynaptisches Potential: Die Bindung der Transmittermoleküle verändert die Form des Rezeptors und führt zur Öffnung von Ionenkanälen (z.B. Natriumkanäle). Es strömen Ionen (z.B. Natrium-Ionen) in die Zelle und depolarisieren die postsynaptische Membran, wodurch ein postsynaptisches Potential (PSP) entsteht.

Erregendes und inhibitorisches postsynaptisches Potential

Es gibt zwei Arten von postsynaptischen Potentialen:

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• Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP): Es entsteht, wenn sich Ionenkanäle öffnen und Natrium-Ionen in die postsynaptische Membran einströmen. Das Potential steigt an, da die Natrium-Ionen positiv geladen sind (Depolarisation). Die ankommenden EPSPs summieren sich und werden in Form eines Aktionspotentials weitergegeben, wenn der Schwellenwert von ca. -50 mV überschritten wird.
• Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP): Bei einer hemmenden Synapse kann es zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potential kommen. Die Spannung der Postsynapse nimmt ab, bis unter dem Wert des Ruhepotentials (ca. -70 mV), was als Hyperpolarisation bezeichnet wird. Ursache hierfür sind Kalium- und Chloridkanäle, die sich durch Neurotransmitter öffnen. Kalium-Ionen strömen aus der Zelle heraus und Chlorid-Ionen in die Zelle hinein, wodurch die Ladung im Zellinneren negativer wird und die Synapse Reize nicht mehr weiterleiten kann.

Ob eine verstärkte (EPSP) oder gehemmte (IPSP) Erregung weitergeleitet wird, hängt von der Synapse ab, nicht vom Transmitter selbst.

Dauer der Erregungsübertragung

Der Transmitter bindet nur kurz an den Rezeptor, um eine Repolarisierung der Postsynapse zu ermöglichen. Eine permanente Aktivierung der Postsynapse muss verhindert werden. Die Reizweitergabe findet so lange statt, wie Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es Acetylcholin in Acetat (Essigsäure) und Cholin spaltet. Diese diffundieren zurück zur präsynaptischen Membran und werden per Endozytose wieder aufgenommen, um dort erneut zu Acetylcholin resynthetisiert und in Vesikel verpackt zu werden.

Der Acetylcholin-Kreislauf

Pro Sekunde kann ein Enzymmolekül ca. 25.000 Acetylcholin-Moleküle spalten. Gäbe es keine Cholinesterase, wären die postsynaptischen Natriumkanäle permanent geöffnet und die Postsynapse dauerhaft depolarisiert.

Medikamente und Drogen

Bestimmte Substanzen können die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Beispielsweise aktiviert Nikotin postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden, während Atropin Acetylcholin-Rezeptoren hemmt, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

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