Die Synapse: Struktur, Funktion und Bedeutung für die neuronale Kommunikation

Die Synapse ist die grundlegende Verbindung zwischen Nervenzellen und ermöglicht die Übertragung von Signalen im Nervensystem. Sie ist nicht nur für die schnelle Kommunikation zwischen Neuronen unerlässlich, sondern spielt auch eine entscheidende Rolle bei Lernprozessen, der Speicherung von Informationen und der Entstehung neurologischer Erkrankungen.

Einführung in die synaptische Funktion

Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die durch Synapsen miteinander verbunden sind und so komplexe Rechenleistungen ermöglichen. Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet. In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden. Dort werden die aus dem Axon eintreffenden elektrischen Impulse in chemische Signale umgewandelt. Die Information fließt dabei nur in einer Richtung: Eine Zelle redet, die andere hört zu. 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. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.

Arten von Synapsen: Chemische und Elektrische

Synapsen lassen sich grundsätzlich in zwei Haupttypen einteilen: chemische und elektrische Synapsen.

Chemische Synapsen

Die chemische Synapse ist die häufigste Form im Nervensystem von Säugetieren. Sie funktioniert über die Freisetzung von Neurotransmittern, chemischen Botenstoffen, die von einer Nervenzelle zur anderen wandern. 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. Zwischen den beiden Strukturen befindet sich ein kleiner Spalt, der als synaptischer Spalt bezeichnet wird. Im Zytoplasma des Axonendes befinden sich Vesikel, in denen Neurotransmitter gespeichert werden. Diese werden im Zellkörper des Neurons (Perikaryon) produziert und anterograd entlang des Axons transportiert um zur Synapse zu gelangen.

Elektrische Synapsen

Elektrische Synapsen sind seltener als chemische Synapsen. Sie ermöglichen eine direkte und sehr schnelle Signalübertragung zwischen Nervenzellen. Bei elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über die sogenannten Gap Junctions verbunden. Das sind Zell-Zell-Kontakte, über die ein Austausch von Ionenströmen zwischen den zwei Zellen möglich ist. 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.

Lesen Sie auch: Wie Alkohol die Signalübertragung im Gehirn beeinflusst

Der Aufbau einer chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Präsynaptische Membran: Die Membran des Axonendes der sendenden Nervenzelle. Hier befinden sich Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
• Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran.
• Postsynaptische Membran: Die Membran der empfangenden Zelle (z.B. Dendrit einer anderen Nervenzelle), die Rezeptoren für Neurotransmitter enthält.

Die Signalübertragung an der chemischen Synapse

Der Prozess der Signalübertragung an einer chemischen Synapse lässt sich in folgende Schritte unterteilen:

1. Aktionspotential erreicht das Axonende: Wenn ein Aktionspotential das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, führt dies zu einer Spannungsänderung.
2. Calcium-Einstrom: Daraufhin öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert.
3. Neurotransmitter-Freisetzung: Der Einstrom von Calcium-Ionen löst die Verschmelzung der Vesikel mit der präsynaptischen Membran aus, wodurch die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt.
4. Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren.
5. ** postsynaptisches Potential:** Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst eine Änderung des Membranpotentials in der postsynaptischen Zelle aus. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten. Dieser Spannungswechsel kann entweder erregend (exzitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch) sein. Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.
6. Beendigung des Signals: Um eine kontinuierliche Stimulation der postsynaptischen Zelle zu verhindern, müssen die Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt werden. Dies geschieht durch:
   • Wiederaufnahme: Die Neurotransmitter werden von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen und in Vesikeln gespeichert. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden.
   • Enzymatischer Abbau: Enzyme im synaptischen Spalt bauen die Neurotransmitter ab. im synaptischen Spalt abgebaut (z. B. die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können.
   • Diffusion: Die Neurotransmitter diffundieren aus dem synaptischen Spalt.

Neurotransmitter: Die chemischen Botenstoffe

Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die an den Synapsen freigesetzt werden, um Signale von einer Nervenzelle zur nächsten zu übertragen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern mit unterschiedlichen Funktionen. Zu den wichtigsten gehören:

• Acetylcholin: Spielt eine Rolle bei Muskelkontraktion, Gedächtnis und Lernen. Die quartäre Ammoniumverbindung 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. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren. Erstere sind vor allem im Zusammenhang mit dem vegetativen Nervensystem von Bedeutung.
• Glutamat: Der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Links: Erregende Synapse, die über den Neurotransmitter Glutamat eine Depolarisation und somit ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) erzeugt.
• GABA: Der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Gehirn. GABA gehört zu den Aminosäuren und wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet. Rechts: Hemmende Synapse, die über den Neurotransmitter GABA eine Hyperpolarisation und somit ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) erzeugt.
• Dopamin: Beteiligt an der Steuerung von Bewegung, Motivation und Belohnung. Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf und Appetit. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems. 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.
• Noradrenalin: Spielt eine Rolle bei Aufmerksamkeit, Erregung und Stressreaktionen. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern.

Bedeutende Vertreter der Monoamine sind Adrenalin und Noradrenalin. Aber auch Dopamin, Histamin und Serotonin gehören zu ihnen. Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind.

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. Beim Menschen wurden mehr als 500 verschiedene Neurotransmitter identifiziert.

Lesen Sie auch: Wie Opiate Synapsen beeinflussen

Erregende und hemmende Synapsen

Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken, je nachdem, welche Neurotransmitter freigesetzt werden und welche Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran vorhanden sind.

• Erregende Synapsen depolarisieren die postsynaptische Zelle und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird. Links: Erregende Synapse, die über den Neurotransmitter Glutamat eine Depolarisation und somit ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) erzeugt.
• Hemmende Synapsen hyperpolarisieren die postsynaptische Zelle und verringern die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird. GABA gehört zu den Aminosäuren und wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet. Rechts: Hemmende Synapse, die über den Neurotransmitter GABA eine Hyperpolarisation und somit ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) erzeugt. 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.

Die Balance zwischen erregender und hemmender Aktivität ist entscheidend für die normale Funktion des Nervensystems.

Synaptische Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit der Synapsen

Synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Anpassungsfähigkeit ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis. Üben verbessert die Weiterleitung der Signale und kann auch zum Bau weiterer Synapsen zwischen zwei Zellen führen.

Es gibt verschiedene Formen der synaptischen Plastizität, darunter:

• Langzeitpotenzierung (LTP): Eine langanhaltende Verstärkung der synaptischen Übertragung nach wiederholter Stimulation.
• Langzeitdepression (LTD): Eine langanhaltende Abschwächung der synaptischen Übertragung nach geringer Stimulation.

Synapsen und neurologische Erkrankungen

Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserrregern können diese Strukturen gezielt ausschalten. Zu diesen gehören:

Lesen Sie auch: Funktionsweise hemmender Synapsen

• Depression: 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.
• Alzheimer-Krankheit: Die Alzheimer-Krankheit ist durch den Verlust von Synapsen und Neuronen im Gehirn gekennzeichnet.
• Parkinson-Krankheit: Die Parkinson-Krankheit ist durch den Verlust von dopaminproduzierenden Neuronen in der Substantia nigra gekennzeichnet. Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• Schizophrenie: Es gibt Hinweise darauf, dass bei Schizophrenie die synaptische Funktion gestört ist. Schizophrenie: schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.
• 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.
• Myasthenia gravis: 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. 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.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Das 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.

Medikamente und Synapsen

Viele Medikamente wirken auf die synaptische Funktion, um neurologische oder psychiatrische Erkrankungen zu behandeln. 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.

• Antidepressiva: Viele Antidepressiva erhöhen die Konzentration von Serotonin oder Noradrenalin im synaptischen Spalt, indem sie die Wiederaufnahme der Neurotransmitter in die präsynaptische Zelle hemmen.
• Antipsychotika: Einige Antipsychotika blockieren Dopaminrezeptoren im Gehirn, um die Symptome von Schizophrenie zu lindern.
• Benzodiazepine: Benzodiazepine verstärken die Wirkung von GABA, um Angstzustände zu reduzieren.

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.

• Botulinumtoxin: 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. 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.
• Tetanustoxin: 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.
• 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.

Einige Medikamente und Gifte wirken auf die Acetylcholin-Rezeptoren. Es aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

Forschung zur Synapsenentstehung

Wie entstehen eigentlich Synapsen, also jene Kontaktstellen, die die Erregungsübertragung von einer Nervenzelle zur anderen ermöglichen? Forschende vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben jetzt zusammen mit einem internationalen Team einen entscheidenden Mechanismus aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt. Die Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen, um künftig die Regeneration von Nervenzellen zu befördern oder auch Alterungsprozessen entgegenzuwirken.

Um die Entstehung von Präsynapsen von Anfang an nachverfolgen zu können, haben die Forschenden in humanen Stammzellen per Genschere CRISPR ein leuchtendes Protein eingebaut und aus den so modifizierten Stammzellen Nervenzellen generiert. „Die synaptischen Vesikelproteine und die Proteine der sogenannten aktiven Zone ebenso wie die Adhäsionsproteine, die die Synapse zusammenkleben nehmen alle den gleichen Bus“, beschreibt Forschungsgruppenleiter Prof. Dr. Volker Haucke den überraschenden Befund. In der Arbeit konnten die Forschenden zum einen darlegen, dass für den axonalen Transport eine Maschinerie aus Motorproteinen angeworfen wird. Der Haupttreiber ist demnach das sogenannte Kinesin „KIF1A“. Dieses Motorprotein ist vor allem im Zusammenhang mit neurologischen Störungen im peripheren Nervensystem und im Gehirn bekannt. Aber auch die zellbiologische Identität des eigentlichen Transportmittels konnten die Forschenden bestimmen. Während die allermeisten sekretorischen Vesikel aus dem sogenannten Golgi-Apparat stammen, haben diese axonalen Transportvesikel keine Golgi-Markierung, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System, das in anderen Zellen den Abbau von defekten Proteinen bewirkt.

tags: #die #synapsen #du #girn #ziehe