Der Transmitter bestimmt die Funktion der Synapse: Definition und Mechanismen

Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen und anderen Zellen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung im Nervensystem. Diese Verbindungen ermöglichen den Informationsaustausch und sind somit von Bedeutung bei der Entstehung von Krankheiten und deren Behandlung. Die meisten Synapsen arbeiten mit einer chemischen Informationsübertragung, wobei in einigen Fällen eine direkte elektrische Weiterleitung stattfindet.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen, in dem chemisch oder elektrisch ein Signal weitergeleitet wird. Ihre Funktion ist die Übertragung von Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle (z. B. Muskel- oder Drüsenzelle), an denen Informationen übertragen werden. Sie sind ein zentraler Bestandteil der Kommunikation im Nervensystem.

Aufbau einer Synapse

Eine Synapse besteht aus drei Bereichen:

1. Präsynapse: Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel.
2. Synaptischer Spalt: Der synaptische Spalt ist der schmale Raum zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran. Hier findet der entscheidende Austausch von Signalen zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer Zielzelle statt.
3. Postsynapse: Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt. Die postsynaptische Membran befindet sich auf der empfangenden Zelle und enthält Rezeptoren, die die freigesetzten Neurotransmitter binden. Diese Bindung löst ein Signal in der empfänglichen Zelle aus, was zu einer Erregung oder Hemmung führen kann.

Arten von Synapsen

Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen, insbesondere chemische und elektrische Synapsen.

Chemische Synapsen

Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Chemische Synapsen kommen im Körper viel häufiger vor als elektrische Synapsen. Sie sind spezialisierte Kontaktstellen, an denen eine elektrische Erregung einer Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt und an eine benachbarte Zelle weitergegeben wird.

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Ablauf der Signalübertragung an chemischen Synapsen:

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse), was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Öffnung der Calcium-Kanäle: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium-Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Positivierung und Depolarisation der Membran führt.
4. Vesikelbewegung und -verschmelzung: Mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel bewegen sich daraufhin zur Präsynapse und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
5. Diffusion der Neurotransmitter: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
7. Enzymatischer Abbau: Ein Enzym baut den Transmitter ab. Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
8. Wiederaufnahme der Spaltprodukte: Acetat und Cholin kehren zur präsynaptischen Membran zurück und werden aktiv aufgenommen.
9. Regeneration der Neurotransmittervesikel: Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin werden wieder zu Acetylcholin verbunden.

Elektrische Synapsen

In elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt und ohne Umwege auf die nachfolgende Zelle weitergeleitet. 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. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.

Neurotransmitter und ihre Bedeutung

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die im Nervensystem die Signalübertragung zwischen Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zielzelle ermöglichen. Sie werden an chemischen Synapsen freigesetzt, wenn ein elektrisches Signal die präsynaptische Nervenzelle erreicht. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist.

Wichtige Neurotransmitter und ihre Funktionen

• Acetylcholin: Acetylcholin hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Es wurde als erster Neurotransmitter entdeckt, weil er für das vegetative Nervensystem sowie an der Schnittstelle zwischen motorischen Nerven und Skelettmuskulatur eine entscheidende Rolle spielt.
• Glutamat: Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Ein Übermaß an Glutamat kann jedoch toxisch wirken und zu neuronalen Schäden führen (Exzitotoxizität).
• GABA (γ-Aminobuttersäure): GABA ist der wichtigste hemmende Mechanismus im ZNS. Diese inhibitorische Wirkung stabilisiert das neuronale Gleichgewicht und verhindert Übererregung.
• Dopamin: Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Es wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben und gilt als Belohnungssystem.
• Serotonin: Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems. Neurone, die Serotonin als Botenstoff ausschütten, beeinflussen zum Beispiel das Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand.
• Noradrenalin: Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern.
• Histamin: Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind.
• Neuropeptide: Viele Neuropeptide fungieren als Neurotransmitter. Neuropeptide binden an spezifische Rezeptoren, meist G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, und beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.

Erregende und hemmende Synapsen

Die Signalübertragung im Nervensystem basiert auf zwei grundlegenden Arten von Synapsen: erregende und hemmende. Diese komplexe Interaktion zwischen erregenden und hemmenden Synapsen ermöglicht die präzise Informationsverarbeitung im Nervensystem und bildet die Grundlage für höhere kognitive Funktionen.

• Erregende Synapsen (EPSP): Sie fördern die Weiterleitung von Signalen.
• Hemmende Synapsen (IPSP): Sie hemmen die Erregung auf die nachfolgende Zelle.

Synapsen und Erkrankungen

Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.

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• 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.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört.
• Myasthenia gravis: Myasthenia gravis ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört.
• Vergiftungen: Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert.
• Botulismus: Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum ist das Botolinumtoxin. Es hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur.
• Tetanus: Ein weiteres bakterielles Toxin ist das Gift von Clostridium tetani, welches als Tetanustoxin bekannt ist. Das Tetanustoxin verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.

Medikamente und Synapsen

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 (umgangssprachlich: „Botox“) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen.

Synapsengifte

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.

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