Die chemische Synapse: Funktion, Aufbau und Bedeutung

Die chemische Synapse ist ein essenzieller Bestandteil des Nervensystems und ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen sowie zwischen Nervenzellen und anderen Zellen im Körper. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung.

Einführung in die Synapse

Die Synapse stellt den Verbindungspunkt einer Nervenzelle dar und ermöglicht die Übertragung eines chemischen oder elektrischen Signals auf eine andere Nerven- oder Körperzelle. Im Wesentlichen unterscheidet man zwei Haupttypen von Synapsen: chemische und elektrische Synapsen. Elektrische Synapsen (auch Gap Junctions genannt) leiten das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form weiter, ohne Neurotransmitter zu verwenden. Chemische Synapsen hingegen nutzen Neurotransmitter, um Signale zu übertragen.

Aufbau einer chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Präsynaptische Membran: Befindet sich am Axonende des sendenden Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen befinden sich Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
• Synaptischer Spalt: Der schmale Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter, um die postsynaptische Membran zu erreichen.
• Postsynaptische Membran: Gehört zum Dendriten der empfangenden Nervenzelle. Sie enthält Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden.

Die chemische Synapse kann sich zwischen zwei Neuronen oder einem Neuron und einer anderen Zelle ausbilden. Im ersten Fall besteht damit eine Verbindung des Axonendes der einen mit den Dendriten der anderen Nervenzelle.

Funktion der chemischen Synapse

Die Erregungsübertragung an der chemischen Synapse erfolgt in mehreren Schritten:

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1. Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, kommt es zu einer Spannungsänderung.
2. Öffnung von Calciumkanälen: Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, und Calcium-Ionen ($\ce{Ca^{2+}}$) strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert.
3. Neurotransmitterausschüttung: Der Calcium-Einstrom bewirkt, dass die Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzen. Das SNARE-Protein Synaptotagmin registriert die erhöhte Calcium-Konzentration und aktiviert die restlichen SNARE-Proteine. Daraufhin interagiert das Protein Synaptobrevin der Vesikelmembran mit dem target-Protein der Zellmembran des Neurons. Das Ausschleusen der Neurotransmitter aus der präsynaptischen Membran von Nervenzellen erfolgt meist über Exocytose
4. Diffusion und Bindung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, wo sie an rezeptorgesteuerte Ionenkanäle binden.
5. Ionenkanalöffnung und postsynaptisches Potenzial: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung der Ionenkanäle. Je nach Art der Ionenkanäle kommt es zu einem Einstrom von Natrium-Ionen (Na+) oder anderen Ionen, was die postsynaptische Membran depolarisiert oder hyperpolarisiert. Wird die postsynaptische Membran dadurch überschwellig depolarisiert, entsteht ein neues Aktionspotenzial der Zelle. Unterbleibt eine überschwellige Reizung bleibt die Zelle im Ruhepotenzial.
6. Beendigung des Signals: Das Signal an der Synapse wird beendet, indem die freigesetzten Neurotransmitter auf verschiedene Weise inaktiviert werden. Die Transmitterwirkung wird entweder durch enzymatische Spaltung oder Aufnahme in die präsynaptische Endigung oder in Astrocyten beendet, wobei die Wiederaufnahme den bedeutendsten Mechanismus zur Inaktivierung darstellt. Die wichtigsten Enzyme, die sich um eine Inaktivierung der Neurotransmitter kümmern, heißen COMT und MAO (Catechyl-O-Methyltransferase und Monoaminooxidase).

Neurotransmitter: Die Botenstoffe der Synapse

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die im Nervensystem die Signalübertragung zwischen Nervenzellen ermöglichen. Sie werden an chemischen Synapsen freigesetzt, wenn ein elektrisches Signal die präsynaptische Nervenzelle erreicht. Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Sie sind in den präsynaptischen Nervenenden (Synapse) in winzigen „Bläschen“, Vesikel genannt, gespeichert. Diese Neurotransmitter helfen bei der Übertragung von Nervenimpulsen von Zelle zu Zelle. Sie können durch Calcium-Ionen freigesetzt werden. Sie sind meist kettenförmig (manchmal ringförmig) und bestehen aus bis zu 39 Aminosäuren. Neurotransmitter lassen sich einteilen in Monoamine und Peptide. Die Synthese der Monoamine erfolgt in den Synapsen der Nervenzellen, die der Peptide an den Ribosomen der Nervenzelle.

Einige wichtige Neurotransmitter sind:

• Acetylcholin: Hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Im Perikaryon wird seine Bildung aus Cholin und Acety-CoA von der Cholinacetyltransferase katalysiert.
• Adrenalin und Noradrenalin: Bedeutende Vertreter der Monoamine. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern.
• Dopamin: Ein Katecholamin, das sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems befindet.
• Serotonin: Ein Neurotransmitter des limbischen Systems. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind.
• GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Eine Aminosäure, die in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems wirkt. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet.
• Neuropeptide: Beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.

Die Wirkung eines Neurotransmitters hängt von den Eigenschaften der postsynaptischen Rezeptor- und Ionenkanäle sowie der intrazellulären Überführung mechanischer Signale in Erregung ab. Neurotransmitter können sowohl erregende als auch hemmende Funktionen haben. Agonisten sind dabei Substanzen, die stimulierend auf einen Rezeptor wirken, Antagonisten wirken hemmend.

Erregende und hemmende Synapsen

Chemisch-interneuronale Synapsen lassen sich in zwei Arten unterteilen:

• Erregende Synapsen: Verstärken die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage. Die Funktion der Synapse ist analog zu der normalen chemischen Synapse. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Darauf folgt die Depolarisation und ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP).
• Hemmende Synapsen: Vermindern die Depolarisation (= Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron. Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die y-Aminobuttersäure. Im Gegensatz zur normalen Synapse werden bei der hemmenden Synapse K+ bzw. Cl- Kanäle geöffnet. Die darauf folgende Hyperpolarisation führt zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potenzial (IPSP).

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)

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Synaptische Integration

An den Dendriten und den Zellkörpern der meisten Nervenzellen findet sich ein Gemisch aus hemmenden und erregenden Synapsen. Bei Eindringen bestimmter Ionen aus dem Ionenkanal in die Zielzelle wird das Potenzial der Zelle entweder erhöht oder verringert. Die Ladung der durch die Ionenkanäle wandernden Ionen bestimmt, ob es sich bei der Synapse um eine erregende oder hemmende Synapse handelt. Positiv geladene Ionen erhöhen das Potenzial im Inneren der Zelle und damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle Transmittersubstanzen freisetzt. In diesem Fall nennt man die Synapse erregend (excitatorisch).

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.

Bedeutung der Synapse für Gesundheit und Krankheit

Synapsen sind von großer Bedeutung für die Funktion des Nervensystems und des gesamten Organismus. Sie ermöglichen die schnelle und gezielte Reaktion auf Umweltreize sowie die Steuerung von Muskelbewegungen, Sinneswahrnehmungen, Denken und Gedächtnis. Störungen der synaptischen Signalübertragung können zu verschiedenen Erkrankungen führen. Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserrregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.

Einige Beispiele für Erkrankungen, die mit Synapsen in Verbindung stehen, sind:

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• Depressionen: Spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Bei dem Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom bildet das Immunsystem jedoch Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind notwendig, damit Calcium in die Nervenzelle einströmt und die Freisetzung von Acetylcholin auslöst.
• Myasthenia gravis: Eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt.

Auch Vergiftungen können die Funktion der Synapsen beeinträchtigen:

• Vergiftungen mit Parathion: Führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann.
• Botulismus: Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur.
• Tetanus: Das Gift von Clostridium tetani verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.

Therapeutische Nutzung der Synapse

Die Kenntnis der synaptischen Funktion ermöglicht es, gezielt in die Signalübertragung einzugreifen und therapeutische Effekte zu erzielen.

• Botulinumtoxin (Botox): Wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es wirkt an der neuromuskulären Synapse, indem es die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle blockiert - dadurch wird die Signalübertragung unterbrochen, und der Muskel entspannt sich.
• Antidepressiva: Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern.

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