Chemische Synapsen: Aufbau, Funktion und Bedeutung

Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle (z. B. Muskel- oder Drüsenzelle) ermöglichen. Diese Verbindungen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Synapsen ermöglichen es einem Neuron, ein elektrisches oder chemisches Signal an ein anderes Neuron oder eine Effektorzelle weiterzugeben. Das Neuron, welches das Signal sendet, wird als präsynaptisches Neuron bezeichnet, während das empfangende Neuron als postsynaptisches Neuron bezeichnet wird.

Arten von Synapsen

Generell lassen sich Synapsen in zwei Haupttypen einteilen:

• Chemische Synapsen: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch Neurotransmitter, chemische Botenstoffe. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.
• Elektrische Synapsen: Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Diese Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Die elektrische Synapse spielt im Schulunterricht meist keine Rolle.

Aufbau einer chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten:

1. Präsynaptische Membran: Sie befindet sich am Axonende des präsynaptischen Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmittern (z.B. Acetylcholin).
2. Synaptischer Spalt: Dies ist der kleine Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter von der präsynaptischen zur postsynaptischen Membran.
3. Postsynaptische Membran: Sie gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle und enthält Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden.

Funktion einer chemischen Synapse

Die Funktion einer chemischen Synapse lässt sich in folgende Schritte unterteilen:

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1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Calcium-Einstrom: Spannungsabhängige $\ce{Ca^{2+}}$-Kanäle öffnen sich. $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert. Calciumionen-Einstrom führt zur Ionenveränderung und somit zur Signalweitergabe.
3. Vesikel-Fusion und Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt. Die Freisetzung der Neurotransmitter erfolgt durch die Fusion der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Dieser Vorgang wird durch den Einstrom von Calciumionen ausgelöst.
4. Diffusion und Rezeptorbindung: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Dort bindet er an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor. Die Bindung des Neurotransmitters an den Rezeptor öffnet Ionenkanäle, was zu einer Änderung des Membranpotentials der postsynaptischen Zelle führt.
5. Signalbeendigung: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. 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. Der Zyklus kann erneut beginnen. Die Frequenz des Aktionspotentials und damit die Stärke des ursprünglichen Reizes wird durch die Konzentration der Neurotransmitter weitergegeben. Die Einzelsubstanzen des Neurotransmitters werden zur präsynaptischen Membran zurücktransportiert, in das Endknöpfchen aufgenommen, in den ursprünglichen Zustand zurückverwandelt und erneut verwendet.

Rezeptortypen

Die Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen:

• Ionotrope Rezeptoren: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen. Der Rezeptor ist gleichzeitig ein Ionenkanal, z.B. Acetylcholinrezeptor.
• Metabotrope Rezeptoren: 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.

Neurotransmitter

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen die Signalübertragung ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die sich in ihrer chemischen Struktur und Funktion unterscheiden. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören:

• Acetylcholin (ACh): 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.
• Dopamin: Ist an der Steuerung von Bewegungen, Emotionen und kognitiven Prozessen beteiligt.
• Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf, Appetit und Schmerzempfinden.
• GABA (γ-Aminobuttersäure): Ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Gehirn.
• Glutamat: Ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn.
• Noradrenalin (Norepinephrin): Spielt eine Rolle bei Aufmerksamkeit, Wachheit und Stressreaktionen.
• Adrenalin (Epinephrin): Wirkt als Hormon und Neurotransmitter und ist an der Stressreaktion beteiligt.
• Histamin: Ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind.

Neben Acetylcholin wird eine Reihe weiterer Neurotransmitter im ZNS (zentralen Nervensystem) benutzt. Ihre Wirkungsweise ist je nach Zelltyp, in dem sie vorkommen, unterschiedlich. Des Weiteren hängt sie maßgeblich von der Rezeptorfunktion ab.

Erregende und hemmende Synapsen

Je nach Art des Neurotransmitters und des Rezeptors können Synapsen erregend oder hemmend wirken:

• Erregende Synapsen: Verstärken die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Darauf folgt die Depolarisation und ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP). Eine erregende Synapse, die über den Neurotransmitter Glutamat eine Depolarisation und somit ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) erzeugt.
• 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). Eine hemmende Synapse, die über den Neurotransmitter GABA eine Hyperpolarisation und somit ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) erzeugt.

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

Die postsynaptische Zelle verrechnet die ankommenden Signale und erzeugt ein neues Signal, das entweder ein Aktionspotential auslöst oder die Zelle hemmt. 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 von Synapsen für Krankheiten und Medikamente

Synapsen spielen eine zentrale Rolle bei der Entstehung verschiedener neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Störungen der synaptischen Funktion können zu einer beeinträchtigten Signalübertragung im Nervensystem führen und sich in unterschiedlichen Symptomen äußern.

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

• Depressionen: Bei 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.
• Myasthenia gravis: Ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Normalerweise bindet der Neurotransmitter Acetylcholin, der von der Nervenzelle freigesetzt wird, an diese Rezeptoren, um eine Muskelkontraktion auszulösen. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Normalerweise wird an dieser Synapse der Neurotransmitter Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle freigesetzt, um einen Muskelreiz auszulösen. 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.
• Parkinson-Krankheit: Neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• 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.

Auch viele Medikamente entfalten ihre Wirkung an Synapsen, indem sie beispielsweise die Freisetzung, Wiederaufnahme oder den Abbau von Neurotransmittern beeinflussen. Einige Beispiele sind:

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• 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.
• 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. Klinisch wird es z. B.
• Parathion (E 605): Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) 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.
• 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.

Forschung zu Synapsen

Die Erforschung der Synapsen ist ein wichtiges Gebiet der Neurowissenschaften. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, die komplexen molekularen Prozesse, die an der synaptischen Übertragung beteiligt sind, besser zu verstehen. Dazu gehört die Untersuchung der Struktur und Funktion von synaptischen Vesikeln, der Mechanismen der Neurotransmitter-Freisetzung und -bindung, sowie der Rolle von Synapsen bei Lern- und Gedächtnisprozessen.

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