Die chemische Synapse ist ein essenzielles Element der neuronalen Informationsübertragung im Nervensystem und 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.
Was ist eine Synapse?
Eine Synapse ist eine spezialisierte Kontaktstelle, die für die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen verantwortlich ist. Sie bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weiteren Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. Synapsen sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Information in chemische Information erfolgt.
Chemische vs. Elektrische Synapsen
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Haupttypen von Synapsen: chemische und elektrische.
Chemische Synapsen: Bei der chemischen Synapse erfolgt die Informationsübertragung durch Neurotransmitter, die den synaptischen Spalt überqueren und an Rezeptoren der Zielzelle binden. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.
Elektrische Synapsen: Im Gegensatz dazu ist die elektrische Synapse direkter verbunden; hier fließen Ionen durch Gap Junctions direkt von einer Zelle zur anderen, was eine viel schnellere Übertragung ermöglicht. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Elektrische Synapsen kommen seltener vor, sind aber wichtig für schnelle Reaktionen. Sie haben direkte Verbindungskanäle, sogenannte Gap junctions, über welche die Intrazellulärräume unmittelbar aneinander grenzender Zellen miteinander gekoppelt sind. Gap junctions sind Poren in der Zellmembran, die durch bestimmte Proteine, die Connexine gebildet werden. Sechs Connexin-Moleküle kleiden die Pore aus, zusammen bilden sie ein Connexon. Durch den Kontakt zwischen zwei Connexonen benachbarter Zellen entsteht ein Kanal, der beide Membranen durchquert. Durch elektrische Synapsen erfolgt eine direkte Ausbreitung von Änderungen des Membranpotentials über einen relativ geringen ohmschen Widerstand, aber auch die Diffusion von Molekülen, wie z.B. sekundärer Botenstoffe. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.
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Aufbau einer chemischen 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:
- Präsynaptische Endigung: Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Das präsynaptische Element enthält Vesikel mit Neurotransmittern und spannungsabhängige Calciumkanäle. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
- Synaptischer Spalt: Der synaptische Spalt ist der kleine Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden.
- Postsynaptische Membran: Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle. An der postsynaptischen Membran, die auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes liegt, werden die freigesetzten Neurotransmitter an Rezeptoren gebunden.
Funktion der chemischen Synapse: Erregungsübertragung im Detail
Die physiologischen Abläufe an einer chemischen Synapse sind hochkomplex und in mehreren aufeinander abgestimmten Schritten organisiert. Die Synapse Funktion ist entscheidend für die Reizweiterleitung und Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten. Durch diesen komplexen Mechanismus wird sichergestellt, dass Informationen präzise und effizient im Nervensystem übertragen werden.
- Aktionspotential erreicht das präsynaptische Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotential das präsynaptische Endknöpfchen erreicht, führt die Depolarisation zur Öffnung spannungsabhängiger Calciumkanäle. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
- Calcium-Einstrom: Calciumionen strömen ins Zellinnere. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran! Angeregt durch die Ca2+ Ionen Konzentration, wandern die synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran. Die Ca2+ Ionen werden derweil wieder aus der Terminale ausgepumpt, um die Ausgangslage wiederherzustellen.
- Neurotransmitter-Freisetzung (Exozytose): Der Calcium-Einstrom bewirkt, dass Vesikel mit Transmittern zur Membran wandern und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt abgeben. 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. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Bindung an postsynaptische Rezeptoren: Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor.
- Postsynaptisches Potential: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen oder zur Aktivierung von Second-Messenger-Systemen in der postsynaptischen Zelle. Dies führt zu einer Änderung des Membranpotentials. 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). Die Bindung bewirkt eine Konformationsänderung und damit eine Öffnung, der rezeptorabhängigen Ionenkanäle. Durch die geöffneten Ionenkanäle findet ein starker Einstrom an Na+ in die Zelle und ein schwacher Ausstrom K+ aus der Zelle statt. Das führt zu einer Depolarisation der Membran (= Endplattenpotential (EPP) oder postsynaptisches Signal (PSP)). Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
- Metabotrope Rezeptoren sind nicht direkt an Ionenkanäle gekoppelt. Stattdessen aktivieren sie intrazelluläre Signalwege, die indirekt Ionenkanäle beeinflussen oder andere zelluläre Prozesse modulieren können. Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt; z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen.
- Inaktivierung der Neurotransmitter: 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 spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
- Recycling der Neurotransmitter: Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen. Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Die Synapse ist jetzt voll regeneriert und kann erneut erregt werden! Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Der Zyklus kann erneut beginnen.
Unidirektionalität und synaptische Verzögerung
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.
Arten von Neurotransmittern 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. Beim Menschen wurden mehr als 500 verschiedene Neurotransmitter identifiziert.
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. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.
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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.
London-Taxifahrer-Experiment: Im berühmten „London-Taxifahrer-Experiment“ stellte man fest, dass Taxifahrer mit langer Berufserfahrung einen deutlich vergrößerten Hippocampus aufwiesen, also genau in dem Hirnareal, das mit glutamaterger Signalübertragung und räumlichem Gedächtnis verknüpft ist.
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
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.
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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.
Neuropeptide
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.
Synaptische Integration: Summation von Signalen
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). 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. Nur wenn mehrere erregende EPSP gleichzeitig an verschiedenen Stellen (räumliche Summation) oder in ausreichend schneller zeitlicher Abfolge (zeitliche Summation) in einem Neuron eintreffen, entsteht in diesem ein Aktionspotential. Die Aktivierung hemmender Synapsen führt zu Hyperpolarisation (IPSP), wodurch ihr Membranpotential verändert wird und sie schwerer erregbar sind. EPSP führen zu Depolarisation (beides ca. 2 mV).
Bedeutung von Synapsen für Lernprozesse
Lernprozesse beruhen auf der synaptischen Plastizität. Die Aktivierung hemmender Synapsen führt zu Hyperpolarisation (IPSP), wodurch ihr Membranpotential verändert wird und sie schwerer erregbar sind. EPSP führen zu Depolarisation (beides ca. 2 mV). Diese gequantelte Form der Informationsübertragung wurde zuerst von dem Nobelpreisträger Sir Bernard Katz untersucht und beschrieben. Ein Quantum ist die Menge an Neurotransmittern, die von einem Vesikel ausgeschüttet werden.
Synapsengifte und Medikamente
Bei einer Vielzahl von psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen liegen Störungen der Neurotransmitter-Freisetzung vor. Eine Vielzahl von Medikamenten oder Giftstoffen entfalten ihre Wirkung an den Synapsen. Als Synapsengifte werden chemische Substanzen bezeichnet, welche die Funktion von Synapsen erheblich stören oder sogar ganz unterbinden können. Diese Gifte blockieren entweder die Abgabe der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt, oder aber sie sind den Neurotransmittern so ähnlich, dass sie an ihrer Stelle mit den Rezeptormolekülen in der postsynaptischen Membran reagieren und so die Erregungsleitung stören. Zu den bekanntesten Synapsengiften gehören viele Alkaloide wie etwa Muskarin, Atropin und Curare sowie Nikotin. Ein besonders wirksames Gift überhaupt ist das von Clostridien gebildete Botulinumtoxin.
Beispiele:
- Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist. Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
- Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
- Tetanustoxin: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA. Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur, die sich durch Krämpfe zeigt. Besonders betroffen ist die Kiefermuskulatur. Dadurch entsteht das klassische Zeichen der Kieferklemme. Im Verlauf wird zudem die Atemmuskulatur gelähmt.
- Botulismus: Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Clostridien produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter.
- Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist. Diese Störung wird aufgrund der großen Variabilität in der Ausprägung und Symptomatik als „Spektrum“ bezeichnet. Autismus-Spektrum-Störung leiden unter schweren Beeinträchtigungen der Sprachfähigkeit und des Intellekts, während andere einen normalen oder sogar fortgeschrittenen Intellekt aufweisen.
- Chorea Huntington: progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung. Sie wird durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen (Cytosin-Adenin-Guanin) im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht. Zum klinischen Erscheinungsbild im Erwachsenenalter gehören eine Bewegungsstörung, die als Chorea bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um abrupte, unwillkürliche Bewegungen des Gesichts, des Rumpfes und der Extremitäten.
- Schizophrenie: schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.