Die Synapse ist ein essenzieller Bestandteil des Nervensystems. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen Nervenzellen und anderen Zellen im Körper, wie Muskel- oder Drüsenzellen. Diese Kontaktstelle ist keine starre Verbindung, sondern ein hochdynamischer, spezialisierter Bereich, der gezielt Reize weiterleitet, filtert, verstärkt oder hemmt. Ohne Synapsen gäbe es keine Kommunikation im Nervensystem, die für Lernen, Erinnern und die Steuerung von Muskeln unerlässlich ist.
Aufbau einer Synapse
Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:
Präsynapse: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden die sogenannten Neurotransmitter in kleinen Bläschen (Vesikeln) gespeichert. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, führt dies zu einer Spannungsänderung, woraufhin sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen und $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen in das Endknöpfchen einströmen, was die Membran depolarisiert.
Synaptischer Spalt: Der winzige Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) trennt das Endknöpfchen von der nächsten Zelle. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden.
Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zur empfangenden Zelle und befindet sich am Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle. Neben diesen Hauptbestandteilen existiert noch eine Vielzahl regulierender Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen.
Lesen Sie auch: Abiturwissen: Neurobiologie verständlich erklärt
Funktion der Synapse
Die Hauptaufgabe der Synapse ist die Reizweiterleitung bzw. Signalübertragung. Wird eine Nervenzelle erregt, wird diese Erregung innerhalb des Neurons als Aktionspotenzial elektrisch vom Zellkörper über das Axon bis zum synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet. An der Synapse wird das Aktionspotenzial auf benachbarte Zellen übertragen. Im Endknöpfchen befinden sich Vesikel mit Neurotransmittern. Erreicht ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen, öffnen sich Ionenkanäle in der Zellmembran. Der Anstieg der Ionenkonzentration in den Nervenzellen bewirkt, dass die Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. Die Neurotransmitter gelangen daraufhin in den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Diese Bindung hat zur Folge, dass sich in der postsynaptischen Zelle Ionenkanäle öffnen und ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Die Neurotransmitter lösen sich von den Rezeptoren, werden enzymatisch zerlegt und wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen.
Arten von Synapsen
Synapse ist nicht gleich Synapse: Unterschiedliche Anforderungen im Nervensystem haben zur Ausbildung verschiedener Synapsentypen geführt. Generell lassen sie sich in chemische und elektrische Synapsen einteilen.
Chemische Synapse
Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt mittels Neurotransmittern. Sie ist im menschlichen Nervensystem am häufigsten und ermöglicht komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung. Bei einer chemischen Synapse erzeugt ein elektrisches Signal (Aktionspotential) in der Präsynapse die Freisetzung von Neurotransmittern. Diese Moleküle überqueren den synaptischen Spalt und aktivieren Rezeptoren an der Postsynapse. Das ausgelöste Signal kann die nächste Nervenzelle entweder aktivieren (erregende Synapse) oder hemmen (hemmende Synapse). Dieser Prozess entscheidet, wie Informationen im Gehirn verarbeitet und weitergeleitet werden.
Elektrische Synapse
Diese seltenere Form findet man z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen. Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. Der Signalfluss ist dabei extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. In einer elektrischen Synapse (auch Gap Junction genannt) wird das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne einen Neurotransmitter als Botenstoff zu verwenden. Die Struktur der elektrischen Synapse basiert auf speziellen Proteinkomplexen, den Connexinen. Diese bilden Kanäle, durch die Ionen und kleine Moleküle direkt von einer Zelle zur anderen gelangen können. Die Besonderheit der elektrischen Synapsen liegt in ihrer bidirektionalen Übertragungsfähigkeit.
Erregende und hemmende Synapsen
Erregende Synapsen sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle - typisches Beispiel: Glutamat wirkt stimulierend im Gehirn. Hemmende Synapsen dagegen hyperpolarisieren ihre Zielzelle, bremsen also den Signalfluss - wie GABA oder Glycin. Die neuronale Verschaltung und Verrechnung erfolgt über zwei grundlegende Synapsentypen: erregende und hemmende Synapsen. Bei der erregenden Synapse wird durch Transmitter wie Acetylcholin eine Depolarisation ausgelöst. Erregende Synapsen lösen ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) aus und führen zur Depolarisation der Zellmembran. Die Bindung des Neurotransmitters führt zu einer Hyperpolarisation der Postsynapse.
Lesen Sie auch: Nervenzellen: Aufbau und Funktion
Beispiel einer chemischen Synapse: Acetylcholin
Ein bekanntes Beispiel für eine chemische Synapse ist die, die Acetylcholin als Neurotransmitter nutzt. Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, führt dies zu einer Spannungsänderung. Daraufhin öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert. Die Neurotransmitter, zum Beispiel Acetylcholin, diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, wo sie an rezeptorgesteuerte Ionenkanäle binden. Mit der Zeit wird das Acetylcholin enzymatisch durch Acetylcholinesterase in Cholin und Acetat zerlegt, die dann wieder in die Präsynapse aufgenommen werden. Dort werden aus Cholin und Acetat erneut Acetylcholin synthetisiert und in Vesikel verpackt, um für die Weiterleitung eines neuen Potenzials bereit zu sein. Während dieser Zeit kann auf kein neues Aktionspotenzial reagiert werden.
Neuronale Verrechnung: Räumliche und zeitliche Summation
Die Neuronale Verrechnung zeitliche räumliche Summation ist ein fundamentaler Mechanismus für die Informationsverarbeitung im Nervensystem. Bei der Verrechnung an Synapsen räumliche und zeitliche Summation werden mehrere Eingangssignale zusammengefasst. Bei der räumlichen Summation werden gleichzeitig eintreffende Signale verschiedener Synapsen addiert. Die Verrechnung von Potentialen wird durch Neurotransmitter gesteuert.
Synaptische Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit der Synapsen
Synapsen unterliegen ständigen Veränderungen. Sie können verstärkt, neu gebildet oder umgebaut werden (synaptische Plastizität). Dementsprechend schwankt die Anzahl der Synapsen im menschlichen Körper. 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. 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. Gehirnforscherinnen und -forscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".
Beispiele für synaptische Plastizität:
Lesen Sie auch: Die Rolle des Somas im Aufbau einer Nervenzelle
- Lernen am Instrument: Übst du Klavier, verstärken sich relevante Synapsen im Motorkortex.
- Reflexe: Hast du je die Hand blitzschnell zurückgezogen, nachdem du etwas Heißes berührt hast?
- Lernen unter Stress: Unter Adrenalineinfluss - etwa bei einer Prüfung - werden Synapsen kurzfristig besonders "aufmerksam" und speichern Informationen effizienter.
Synapsengifte und Krankheiten
Nicht immer funktioniert die synaptische Übertragung reibungslos. 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.
Synapsengifte (Neurotoxine) sind Substanzen, die gezielt die synaptische Übertragung stören. Die Effizienz der synaptischen Übertragung kann durch verschiedene Faktoren moduliert werden, einschließlich Synapsengifte. Die Erregungsübertragung kann durch an verschiedenen Stellen angreifende Synapsengifte unterbrochen werden.
Beispielsweise verhindert das Botulinumtoxin (Botox), dass die Vesikel mit den Neurotransmittern mit der präsynaptischen Membran verschmelzen können. Ein anderes Beispiel ist Curare. Dieses Gift wurde von Ureinwohnern Südamerikas zum Jagen verwendet. Curare blockiert an Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen die Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, sodass die Neurotransmitter nicht mehr binden können. Die Wirkung von Curare-Wirkung Synapse einfach erklärt zeigt sich primär an der chemischen Synapse, wo es als kompetitiver Hemmstoff agiert. Das Gift greift gezielt in die Signalübertragung zwischen Nervenzellen ein, indem es die Acetylcholin-Rezeptoren an der postsynaptischen Membran blockiert. Bei der Neuronalen Verschaltung und Verrechnung unter Curare-Einfluss bleibt die Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt zunächst unverändert. Allerdings können die Neurotransmitter nicht mehr an ihre Rezeptoren binden, was die Ausbildung eines erregenden postsynaptischen Potentials (EPSP) verhindert. Die Auswirkungen von Curare als eines der bekanntesten Nervengifte Beispiele sind dramatisch: Es kommt zu einer fortschreitenden Lähmung der Skelettmuskulatur, die unbehandelt zum Erstickungstod führen kann.
tags: #biologie #synapsen #klassenarbeit