Die chemische Synapse ist ein grundlegendes Element der neuronalen Informationsübertragung im menschlichen Nervensystem. Sie ermöglicht die Weiterleitung von Erregungen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und anderen Zielzellen, wie Muskel- oder Drüsenzellen. Ihre besondere Struktur und Wirkweise ermöglicht nicht nur eine präzise Signalübertragung, sondern auch eine feine Modulation der neuronalen Kommunikation, was sie grundlegend für höhere Hirnfunktionen wie Lernen, Gedächtnis oder Wahrnehmung macht.
Einführung in die chemische Synapse
Chemische Synapsen sind spezialisierte Kontaktstellen, an denen eine elektrische Erregung einer Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt und an eine benachbarte Zelle weitergegeben wird. Strukturell besteht eine chemische Synapse aus drei Hauptkomponenten:
- der präsynaptischen Endigung
- dem synaptischen Spalt
- der postsynaptischen Membran
Die präsynaptische Seite enthält Vesikel mit Neurotransmittern, die bei Erregung freigesetzt werden. Diese Stoffe überqueren den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
Neurotransmitter und Rezeptoren
Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich größtenteils in drei Substanzklassen einordnen. Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA und Glycin sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind. Serotonin, Dopamin und weitere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden. Die dritte Gruppe bilden die Neuropeptide, von denen bis heute mehr als 50 entdeckt wurden. Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden. Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Unterscheiden lassen sie sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. So gibt es bei den Glutamatrezeptoren drei Subtypen. Einer davon lässt sich außer durch Glutamat auch durch eine als „AMPA“ bezeichnete Substanz aktivieren, ein anderer durch die Aminosäure NMDA und der dritte durch die so genannte Kainsäure. Solche Verbindungen, auf welche die Rezeptorsubtypen ansprechen, heißen auch Agonisten. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren. Unterscheiden lassen sich Rezeptoren auch noch durch ihren Wirkmechanismus. Alle Glutamatrezeptoren etwa, ob nun AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren).
Physiologische Abläufe an der chemischen Synapse
Die physiologischen Abläufe an einer chemischen Synapse sind hochkomplex und in mehreren aufeinander abgestimmten Schritten organisiert. Wenn ein Aktionspotenzial das präsynaptische Endknöpfchen erreicht, führt die Depolarisation zur Öffnung spannungsabhängiger Calciumkanäle. Calciumionen strömen ins Zellinnere und binden dort an das Protein Synaptotagmin. Dieser Prozess löst eine Kaskade aus, an der unter anderem die SNARE-Proteine Syntaxin, SNAP-25 und Synaptobrevin beteiligt sind. Diese Proteine vermitteln die Verschmelzung der Vesikelmembran mit der präsynaptischen Membran, sodass die enthaltenen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Rezeptortypen: ionotrope und metabotrope. Ionotrope Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die sich bei Bindung des Transmitters öffnen und unmittelbar Ionen durchlassen. Der einströmende Ionenfluss verändert das Membranpotenzial: Wird es depolarisiert, spricht man von einem exzitatorischen postsynaptischen Potenzial (EPSP), bei Hyperpolarisation entsteht ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP).
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Nach der Bindung an ihre Rezeptoren werden die Transmitter inaktiviert, um die Signalwirkung zu beenden. Dies geschieht durch enzymatischen Abbau (zum Beispiel durch Acetylcholinesterase), Wiederaufnahme in die Präsynapse (Reuptake, etwa bei Serotonin oder Dopamin) oder durch Aufnahme in Gliazellen.
Ein zentrales Merkmal chemischer Synapsen ist ihre Unidirektionalität. Dies bedeutet, dass das Signal immer von der Präsynapse zur Postsynapse läuft. Die Verarbeitung an chemischen Synapsen erfolgt mit einer Verzögerung von wenigen Millisekunden, was für die meisten neuronalen Prozesse ausreichend schnell ist.
Neurotransmitter-Systeme und ihre Funktionen
Chemische Synapsen lassen sich anhand des verwendeten Neurotransmitters in verschiedene Typen einteilen. Jeder Transmitter wirkt über spezifische Rezeptoren und erfüllt charakteristische Aufgaben im zentralen und peripheren Nervensystem. Besonders bekannte und bedeutsame Beispiele solcher Neurotransmittersysteme sind das cholinerge System rund um den Transmitter Acetylcholin, das serotonerge System mit dem Botenstoff Serotonin und analog das dopaminerge System mit dem Neurotransmitter Dopamin.
Cholinerge Synapsen
Cholinerge Synapsen verwenden Acetylcholin als Neurotransmitter. Dieser wird entweder im Zellkörper oder direkt im Axonterminal synthetisiert und in Vesikeln gespeichert. Neben der Skelettmuskulatur spielt Acetylcholin auch im parasympathischen Nervensystem eine bedeutende Rolle: Hier wirkt es auf muskarinerge Rezeptoren an Zielorganen wie Herz, Magen-Darm-Trakt oder Speicheldrüsen. Im zentralen Nervensystem ist es unter anderem im basalen Vorderhirn aktiv und an Prozessen wie Aufmerksamkeit, Lernen und Gedächtnis beteiligt.
Glutamaterge Synapsen
Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Glutamat wirkt über mehrere Rezeptortypen, darunter die AMPA-Rezeptoren (schnell aktivierend) und die NMDA-Rezeptoren, die spannungs- und ligandengesteuert sind und vor allem bei der Langzeitpotenzierung (LTP) eine Rolle spielen. Ein Übermaß an Glutamat kann jedoch toxisch wirken und zu neuronalen Schäden führen. Diese Phänomen bezeichnet man als Exzitotoxizität.
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GABAerge Synapsen
Die GABAerge Synapse nutzt γ-Aminobuttersäure (GABA) als Transmitter und ist der wichtigste hemmende Mechanismus im ZNS. Diese inhibitorische Wirkung stabilisiert das neuronale Gleichgewicht und verhindert Übererregung. Viele Medikamente wie Benzodiazepine, Barbiturate oder Alkohol verstärken GABAerge Wirkungen.
Glycinerge Synapsen
Glycin ist ein weiterer hemmender Transmitter, der vor allem im Rückenmark und Hirnstamm aktiv ist. Sie sind entscheidend für die Koordination von Muskelaktivitäten, zum Beispiel bei reflektorischen Bewegungen. Die Blockade von glycinergen Rezeptoren durch Stoffe wie Strychnin führt zu spastischen Krämpfen, da hemmende Signale unterdrückt werden.
Dopaminerge Synapsen: Die Funktion von Dopamin
Dopamin ist ein biogenes Amin mit vielfältigen Wirkungen im ZNS. Das nigrostriatale System ist essenziell für motorische Kontrolle. Dopamin wirkt über D1- bis D5-Rezeptoren, die alle metabotrop sind.
Dopamin (DA) ist ein biogenes Amin aus der Gruppe der Katecholamine und ein wichtiger Neurotransmitter. Im Volksmund gilt es als Glückshormon. Neurone, in denen Dopamin vorkommt, werden dopaminerg genannt. Dopaminerge Neurone befinden sich im Zentralnervensystem und hier vor allem im Mittelhirn. Vom Mittelhirn aus steigen wichtige dopaminerge Systeme auf ins Endhirn und ins Zwischenhirn. Die zugehörigen Neuronenpopulationen finden sich in der Substantia nigra, dem ventralen Tegmentum und in den retro-rubralen Regionen. Dopamin ist aber auch ein Neurotransmitter in einigen Systemen des vegetativen Nervensystemes und reguliert hier die Durchblutung innerer Organe. Unter anderem beeinflusst Dopamin die extrapyramidale Motorik (hier besteht möglicherweise ein Zusammenhang mit der Parkinsonschen Erkrankung). Ebenso steht der Dopaminhaushalt im Zusammenhang mit den neurobiologischen Aspekten von Psychosen und verschiedenen Störungen. Auch in die Regulation des Hormonhaushaltes greifen dopaminerge Systeme ein. So hemmt Dopamin aus Neuronen, die entlang des 3. Hirnventrikels lokalisiert sind, an der Hypophyse die Ausschüttung des Hormones Prolactin. Die Wirkung einer Dopaminausschüttung durch eine präsynaptische Endigung auf das postsynaptische Neuron hängt vom Dopamin-Rezeptortyp in der Postsynapse ab. Zur Zeit unterscheidet man fünf Dopamin-Rezeptoren (D1-D5). Bindet Dopamin an D1 oder D5 wird die nachgeschaltete Zelle depolarisiert (ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial, EPSP, entsteht). Eine Bindung an die Rezeptoren D2-D4 bewirkt eine Hyperpolarisierung der Postsynapse (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial, IPSP).
Das Mesostriatale System (auch Nigro-Striatale System) nimmt seinen Ursprung in der Substantia nigra im Mittelhirn und projiziert v.a. zu den Basalganglien, welche eine wichtige Rolle bei der Bewegungssteuerung spielen. Das Mesolimbische System entspringt ebenfalls im ventralen Tegmentum und projiziert v.a. zum limbischen System (Hippocampus, Amygdala, Corpus mamillare, Fornix etc.). Dieser Pfad trägt sehr wahrscheinlich wesentlich zu psychotischen Symptomen bei schizophrenen Störungen bei. Es gilt als das »Belohnungssystem«, bei dessen Funktionsreduktion Patienten lust- und antriebslos werden (Anhedonie, oft bei Parkinsonpatienten). In diesem System setzt z.B. die intrakranielle Selbststimulation ein, bei welcher Mäuse sich bis zur völligen Erschöpfung über implantierte Elektroden selbst stimulieren. Das Mesocorticale System verläuft vom ventralen Tegmentum zum Frontallappen der Cortex. Seine Funktion scheint ähnlich wie jene des Mesolimbischen Systems. So kommt es beim Gebrauch von verschiedenen Rauschdrogen zur Ausschüttung von Endorphinen, Dopamin, Serotonin und Gamma-Aminobuttersäure. Dopamin ist ein Zwischenprodukt in der Biosynthese von Adrenalin ausgehend von der Aminosäure Tyrosin.
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Serotonerge Synapsen
Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist ein weiterer modulierender Neurotransmitter mit essentieller Bedeutung für Stimmung, Schlaf-Wach-Rhythmus, Appetit und Schmerzverarbeitung. Die Wirkung erfolgt über eine Vielzahl von Rezeptortypen (mindestens 14 Subtypen), die sowohl ionotrop als auch metabotrop sein können. Ein Mangel an Serotonin wird mit Depression, Angststörungen und Migräne in Verbindung gebracht.
Adrenerge Synapsen
Adrenerge Synapsen verwenden Noradrenalin (Norepinephrin) oder Adrenalin (Epinephrin). Im sympathischen Nervensystem ist Noradrenalin der Haupttransmitter in postganglionären Neuronen und reguliert Funktionen wie Herzfrequenz, Blutdruck und Bronchodilatation. Im ZNS beeinflussen adrenerge Systeme Wachheit, Aufmerksamkeit und Stressreaktionen.
Neuropeptid-Synapsen
Neuropeptide wirken meist als Co-Transmitter und modulieren die Wirkung klassischer Transmitter. Substanz P vermittelt Schmerzreize im Rückenmark. Endorphine binden an Opioidrezeptoren und hemmen die Schmerzleitung. Hierbei handelt es sich um einen Mechanismus, der auch bei der Wirkung von Morphin genutzt wird.
Die Dopamin Funktion im Detail
Dopamin als Neurotransmitter
Dopamin ist ein Neurotransmitter, der eine entscheidende Rolle in verschiedenen Gehirnfunktionen spielt. Es ist an der Steuerung von Bewegung, Motivation, Belohnung und Lernen beteiligt. Dopamin wird in dopaminergen Neuronen produziert, die sich hauptsächlich in der Substantia nigra und dem ventralen Tegmentum befinden.
Dopamin-Synthese, Freisetzung und Wiederaufnahme
Dopamin entsteht ebenso wie Noradrenalin und Adrenalin - weitere Neurotransmitter, die besonders im peripheren vegetativen Nervensystem wichtig sind, man denke an den berühmten „Adrenalinstoß“ - aus der Aminosäure Tyrosin.
Das gebildete Dopamin wird über Nervenbahnen (Axone) in dopaminerge Zellen transportiert. Dort wird es in Vesikel eingelagert, die später an die Zellmembran herangeführt und dann auf elektrische Impulse hin ausgeschüttet werden, u.a. in den ca. 20 bis 40 Nanometer breiten und 0,5 Nanometer tiefen synaptischen Spalt.
Nach der Signalübertragung muss Dopamin aus dem synaptischen Spalt entfernt werden, um die Signalübertragung zu beenden und die Synapse für weitere Signale vorzubereiten. Dies geschieht hauptsächlich durch die Wiederaufnahme von Dopamin in die präsynaptische Zelle durch den Dopamintransporter (DAT).
Dopaminrezeptoren
Die Wirkung einer Dopaminausschüttung durch eine präsynaptische Endigung auf das postsynaptische Neuron hängt vom Dopamin-Rezeptortyp in der Postsynapse ab. Zur Zeit unterscheidet man fünf Dopamin-Rezeptoren (D1-D5). Bindet Dopamin an D1 oder D5 wird die nachgeschaltete Zelle depolarisiert (ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial, EPSP, entsteht). Eine Bindung an die Rezeptoren D2-D4 bewirkt eine Hyperpolarisierung der Postsynapse (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial, IPSP).
Dopamin und Belohnung
Dopamin spielt eine zentrale Rolle im Belohnungssystem des Gehirns. Wenn wir etwas Angenehmes erleben, wie z.B. Essen, Sex oder soziale Interaktion, wird Dopamin freigesetzt, was ein Gefühl von Freude und Zufriedenheit auslöst. Dieses Gefühl motiviert uns, das Verhalten zu wiederholen, das zu der Belohnung geführt hat.
Dopamin und Motivation
Neben seiner Rolle bei der Belohnung spielt Dopamin auch eine wichtige Rolle bei der Motivation. Es hilft uns, Ziele zu setzen und uns auf sie zu konzentrieren. Dopaminmangel kann zu Antriebslosigkeit und Apathie führen.
Dopamin und Lernen
Dopamin ist auch am Lernen beteiligt. Es hilft uns, die Verbindung zwischen Verhalten und Konsequenzen zu lernen. Wenn ein Verhalten zu einer Belohnung führt, wird die Dopaminfreisetzung verstärkt, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass wir das Verhalten in der Zukunft wiederholen.
Dopamin und Bewegung
Dopamin ist auch an der Steuerung von Bewegung beteiligt. Dopaminerge Neuronen in der Substantia nigra projizieren in das Striatum, eine Hirnregion, die für die Planung und Ausführung von Bewegungen wichtig ist. Der Verlust von dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra führt zu Parkinson-Krankheit, einer neurologischen Erkrankung, die durch Zittern, Muskelsteifheit und langsame Bewegungen gekennzeichnet ist.
Dopamin und psychische Erkrankungen
Störungen des Dopaminsystems können zu verschiedenen psychischen Erkrankungen führen, darunter Schizophrenie, Depression und Sucht.
- Schizophrenie: Eine Überaktivität des Dopaminsystems im mesolimbischen Pfad wird mit den Positivsymptomen der Schizophrenie in Verbindung gebracht, wie z.B. Halluzinationen und Wahnvorstellungen.
- Depression: Ein Dopaminmangel wird mit den Symptomen der Depression in Verbindung gebracht, wie z.B. Antriebslosigkeit, Interessenverlust und Freudlosigkeit.
- Sucht: Dopamin spielt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Aufrechterhaltung von Sucht. Suchtmittel erhöhen die Dopaminfreisetzung im Belohnungssystem des Gehirns, was zu einem Gefühl von Euphorie und Verlangen führt.
Dopamin-Agonisten und -Antagonisten
Substanzen, die die Wirkung von Dopamin verstärken, werden als Dopamin-Agonisten bezeichnet. Sie werden zur Behandlung von Parkinson-Krankheit und Restless-Legs-Syndrom eingesetzt. Substanzen, die die Wirkung von Dopamin blockieren, werden als Dopamin-Antagonisten bezeichnet. Sie werden zur Behandlung von Schizophrenie und anderen psychotischen Störungen eingesetzt.
Dopamin-Dysregulation und Krankheiten
Ein Ungleichgewicht im Dopaminsystem kann zu einer Reihe von neurologischen und psychischen Erkrankungen führen.
Morbus Parkinson
Morbus Parkinson ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminproduzierenden Zellen in der Substantia nigra gekennzeichnet ist. Dies führt zu einem Dopaminmangel im Striatum, was zu den charakteristischen motorischen Symptomen wie Zittern, Muskelsteifheit und Bewegungsverlangsamung führt.
Zur Behandlung von Parkinson, bei der es wegen des Unterganges der Zellen in der Substantia nigra zu einem Mangel an Dopamin in den Basalganglien kommt, und des Restless-Legs-Syndroms wird Levodopa (L-DOPA), ein Prodrug des Dopamin, gegeben. Dopamin selbst würde nicht ins Zentralnervensystem gelangen, da es die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren kann. Aus L-DOPA wird in den Basalganglien über Decarboxylierung Dopamin gebildet (siehe Abbildung). Dies würde auch schon vor dem Einfluten ins ZNS geschehen, weshalb es notwendig ist, L-DOPA mit einer Substanz zu kombinieren, welches das Enzym hemmt, das für die Decarboxylierung verantwortlich ist (Aromatische Aminosäure Decarboxylase). Zumeist erfolgt eine galenische Aufarbeitung des L-DOPA zu einem Kombinationspräparat mit einem der Decarboxylase-Hemmer: Carbidopa oder Benserazid.
Schizophrenie
Gemäß Dopaminhypothese wird ein übermäßig hoher Dopamin-Spiegel in bestimmten Hirnarealen mit den Symptomen der Schizophrenie (Psychosen) in Verbindung gebracht. Ein Überschuss an freiem Dopamin - insbesondere im limbischen System - wird mit Symptomen von Wahn, Halluzinationen oder der Entstehung einer Schizophrenie in Verbindung gebracht.
Suchterkrankungen
Dopamin spielt eine zentrale Rolle bei Suchterkrankungen. Suchtmittel wie Kokain, Amphetamin und Opioide erhöhen die Dopaminfreisetzung im Belohnungssystem des Gehirns, was zu einem Gefühl von Euphorie und Verlangen führt. Dies kann zu einem Teufelskreis der Sucht führen, in dem der Betroffene immer wieder nach dem Suchtmittel sucht, um das angenehme Gefühl zu erleben.
Depression
Ein Dopaminmangel kann zu den Symptomen der Depression beitragen, wie z. B. Antriebslosigkeit, Interessenverlust und Freudlosigkeit.
Beeinflussung des Dopaminspiegels
Unser Lebensstil hat großen Einfluss darauf, wie viel Dopamin unser Körper produziert. Bewegung (vor allem Ausdauersport wie Joggen oder Radfahren), gesunde Ernährung, ausreichend Schlaf und positive soziale Kontakte können den Dopaminspiegel erhöhen. Auch kleine Ziele setzen und sich über Erfolge freuen hilft!
Kontroverse und Missverständnisse über Dopamin
Dopamin ist heute omnipräsent - nicht nur in der Neurologie, sondern auch im gesellschaftlichen Diskurs. Es wird oft als reines „Glückshormon“ verkauft, doch das ist ein Missverständnis: Dopamin steht weniger für das Gefühl an sich, sondern für die Steuerung von Motivation, Zielerreichung und zielgerichtetem Handeln. Ein weiterer Irrtum: Mehr Dopamin ist nicht automatisch besser. Das Gleichgewicht zählt - zu viel oder zu wenig können krank machen oder destruktive Verhaltensweisen befeuern.