Synapsen sind die grundlegenden Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen ermöglichen. Dieser Artikel beleuchtet die Struktur und Funktion von Synapsen, die verschiedenen Arten von Synapsen, die Rolle von Neurotransmittern und die Mechanismen der DNA-Synthese.
Was sind Synapsen?
Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle.
Aufbau einer Synapse
Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:
- Präsynapse: Die Zelle, die das Signal aussendet. Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus.
- Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen den beiden Zellen.
- Postsynapse: Die Zelle, die das Signal empfängt. Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt.
Arten von Synapsen
Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen:
Elektrische Synapsen
Bei elektrischen Synapsen wird das Signal direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.
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Chemische Synapsen
Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.
Ablauf an chemischen Synapsen
- Ein Aktionspotential erreicht die präsynaptische Zelle.
- Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich.
- Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
- Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden.
- Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
- Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
- Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.
- Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden.
- Neurotransmitter werden im synaptischen Spalt abgebaut (z. B. durch Enzyme).
Neurotransmitter
Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden. Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die von Nervenzellen verwendet werden, um Signale über Synapsen zu übertragen. Beispiele für Neurotransmitter sind:
- Acetylcholin
- Serotonin
- Dopamin
- Glutamat
Serotonin und Dopamin sind nicht nur wichtige Botenstoffe im Gehirn, die unter anderem an Sucht und Depression beteiligt sind. Die beiden Moleküle können sogar die Aktivität von Genen kontrollieren.
Wirkungsweise von Synapsengiften
Synapsengifte können die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Synapsengifte können im Körper vielfältige Wirkungen aufweisen. An Muskeln führen sie meist zu einer Lähmung oder einem Krampf. Beide Mechanismen können durch ihre Wirkung auf die Atemmuskulatur tödlich sein.
Lähmung
Zu einer Lähmung kommt es, wenn die Signalübertragung an einer Synapse gestört ist und dadurch die Depolarisation der Postsynapse ausbleibt. Zu einer Lähmung kann es durch verschiedene Mechanismen kommen:
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- Die Vesikel werden durch einen Giftstoff so verändert, dass sie nicht mehr mit der Membran verschmelzen können.
- Das in Schönheitsoperationen verwendete Botox (Botulinumtoxin) spaltet diejenigen Proteine, die für die Verschmelzung mit der Membran essenziell sind.
- Das Gift verhindert die Aufnahme von Acetyl und Cholin in die Präsynapse.
- Das Gift konkurriert mit dem Transmitter um die Bindungsstelle an dem ligandengesteuerten Rezeptor. Curare wurde schon vor Jahrhunderten von Ureinwohnern des Amazonasgebiets als Pfeilgift verwendet. Dieses Gift wirkt antagonistisch zu Acetylcholin und kann kompetitiv an die Rezeptoren binden. Dadurch kann Acetylcholin nicht mehr binden und der Rezeptor bleibt verschlossen.
- Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
Krampf
Ein Krampf entsteht, wenn die Postsynapse durch einen zu starken Einstrom von Natriumionen zu stark depolarisiert. Dadurch kann es zu einer übermäßigen Muskelkontraktion kommen. Verschiedene Mechanismen können zu einem Krampf führen:
- Viele mit Transmittern gefüllte Vesikel verschmelzen schlagartig mit der Membran. Dadurch gelangen sehr viel Transmitter in den synaptischen Spalt.
- Die Acetylcholinesterase wird durch einen Giftstoff gehemmt und Acetylcholin kann nicht mehr in Acetyl und Cholin gespalten werden. Dieses ist dadurch permanent aktiv. Das Insektizid Parathion (E 605) wurde jahrelang als Spritzmittel eingesetzt, musste jedoch 2002 verboten werden, da es die oben aufgeführte Acetylcholinsterinesterase hemmt.
- Bestimmte Gifte erhöhen die Offenwahrscheinlichkeit an den Kalziumkanälen der präsynaptischen Endknöpfchen und es erfolgt ein verstärkter Kalzium-Ionen-Einstrom. Dadurch werden vermehrt Transmitter freigesetzt. Die Schwarze Witwe (Spinnenart) gibt bei einem Biss sogenannte Latrotoxine ab, welche sich an Kalziumkanäle setzen und diese öffnen. Ein Biss führt jedoch in den seltensten Fällen zum Tod.
- Ein Gift kann am Rezeptor auch agonistisch zum Transmitter wirken. Es aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden.
DNA-Synthese: Der Prozess der genetischen Replikation
Die DNA-Synthese ist der Prozess, durch den eine neue DNA-Doppelstrang-Kopie aus einem bestehenden DNA-Strang hergestellt wird. Dabei spielt sie eine zentrale Rolle in der Zellteilung und setzt spezifische enzymatische Aktionen voraus. Die DNA-Synthese ist essenziell für das Wachstum und die Entwicklung aller lebenden Organismen. Sie sorgt dafür, dass genetische Informationen präzise an Tochterzellen weitergegeben werden.
Bedeutung der DNA-Synthese
Einige der wichtigsten Funktionen sind:
- Sicherung der genetischen Kontinuität
- Reparatur von DNA-Schäden
- Unterstützung der genetischen Variation
Dabei spielt die DNA-Synthese eine wesentliche Rolle bei der Mitose und Meiose. Sie gewährleistet, dass jede Zelle die benötigte genetische Information erhält.
Mechanismus der DNA-Synthese
Die DNA-Synthese ist ein vielschichtiger Prozess, der essenziell für die Zellteilung und die Erhaltung genetischer Informationen ist. Sie wird durch eine Reihe von enzymatischen Reaktionen reguliert. Ein häufig verwendetes Enzym bei der DNA-Synthese ist die DNA-Polymerase, die neue Nukleotide zu einem wachsenden DNA-Strang verknüpft.
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Ablauf der DNA-Replikation
Generell läuft der Replikationsprozess in folgender Weise ab:
- Um das Ablesen der innenliegenden Basen überhaupt zu ermöglichen, muss der DNA-Strang zuerst geöffnet werden. Enzym: Helikase.
- Die DNA-Polymerase III (und auch andere DNA-Polymerasen) ist nur aktiv, wenn ein freies 3'-OH zur Verfügung steht. Da dies zu Beginn der DNA-Replikation nicht der Fall ist, muss ein Starter- oder Helfermolekül (= Primer) bereitgestellt werden. Dies ist der DNA-Primer, ein kurzes Stück komplementärer RNA-Nukleotide, die an den DNA-Strang binden und das benötigte 3'-OH beinhalten. Das Primer-produzierende Enzym wird als Primase bezeichnet und ist eine RNA-Polymerase. Dieses RNA- oder Primermaterial muss aus dem replizierten DNA-Strang entfernt werden!
Diskontinuierliche DNA-Synthese
Bei der diskontinuierlichen DNA-Synthese wird einer der beiden DNA-Stränge, der sogenannte Lagging Strand, in kurzen Abschnitten synthetisiert. Diese Fragmente nennt man Okazaki-Fragmente.
Merkmale der diskontinuierlichen Synthese:
- Verläuft in kleinen Abschnitten
- Benötigt viele Primer
- Zusammenfügen durch das Enzym DNA-Ligase
Obwohl die diskontinuierliche Synthese langsamer erscheint, ist sie unerlässlich, um sicherzustellen, dass die DNA-Polymerase in der korrekten 5' zu 3' Richtung arbeiten kann. Die Okazaki-Fragmente, benannt nach dem japanischen Wissenschaftler Reiji Okazaki, werden durch Enzyme namens Primase initiiert, die kurze RNA-Primer erzeugen. Diese Primer sind notwendig, da die DNA-Polymerase nicht in der Lage ist, DNA von Grund auf zu synthetisieren, sondern lediglich an ein bestehendes 3'-Ende von DNA oder RNA anfügen kann. In Verbindung mit der DNA-Polymerase Delta übernehmen dann Korrekturlese-Mechanismen, um Fehler bei der Synthese zu vermeiden.
DNA-Synthese Prozess
Der DNA-Synthese Prozess umfasst mehrere Schritte, die präzise koordiniert werden müssen. Folgende Phasen gehören zum Ablauf:
- Initiation: Beginn der Replikation, oft an spezifischen DNA-Sequenzen, den sogenannten Replikationsursprüngen.
- Elongation: Verlängerung des DNA-Strangs, wobei die DNA-Polymerase neue Nukleotide in ergänzender Weise anfügt.
- Termination: Abschluss der Synthese, wenn die gesamte DNA vollständig repliziert worden ist.
Techniken der DNA-Synthese
Die DNA-Synthese ist eine wesentliche Methode in der genetischen Forschung und Biotechnologie, um DNA-Stränge nachzubilden. Verschiedene Techniken ermöglichen die gezielte Manipulation und Vervielfältigung von DNA.
- Polymerase-Kettenreaktion (PCR): Eine Technik, mit der kleine Mengen DNA sehr schnell vervielfältigt werden können.
- Solid-Phase-Synthese: Eine Methode, bei der DNA auf einem festen Träger synthetisiert wird. In der Solid-Phase-Synthese werden einzelne Nukleotide in einer festgelegten Reihenfolge zusammengefügt. Dadurch ermöglicht diese Methode die präzise Kontrolle über die Sequenz und ergibt eine hohe Reinheit. Aufgrund dieser Präzision ist die Solid-Phase-Synthese besonders in der Forschung und bei der Entwicklung neuer Medikamente von großem Nutzen.
- Klonierungsverfahren: Verfahren zur Einführung von DNA in lebende Zellen, um deren Vermehrung zu ermöglichen.
Anwendung und Bedeutung in den Biowissenschaften
Die DNA-Synthese hat sich als grundlegendes Werkzeug in den Biowissenschaften etabliert. Sie ermöglicht Forschern das Verständnis genetischer Abläufe und bietet vielseitige Anwendungen in der Medizin und Biotechnologie.
Anwendungen in der Medizin
In der medizinischen Forschung ist die DNA-Synthese essenziell für die Entwicklung neuer Therapien und Diagnoseverfahren. Einige der wichtigsten Anwendungen sind:
- Gentherapie: Korrektur genetischer Defekte durch das Einfügen synthetisierter DNA. In der Gentherapie wird synthetisierte DNA verwendet, um fehlerhafte Gene zu reparieren oder zu ersetzen, um so genetische Krankheiten zu behandeln.
- Diagnostik: Spezielle Tests zur Identifizierung genetischer Erkrankungen.
- Krebsforschung: Untersuchung genetischer Veränderungen, die zur Krebsentwicklung beitragen. Im Bereich der Krebsforschung ermöglicht die DNA-Synthese die Analyse von Tumor-DNA, um spezifische Mutationen zu detektieren. Dadurch können zielgerichtete Therapien entwickelt werden, die die Wirksamkeit der Behandlung erhöhen und Nebenwirkungen minimieren.
Beteiligte Enzyme
Bei der DNA-Synthese spielen die Enzyme DNA-Polymerase, Helikase, Primase und Ligase eine entscheidende Rolle. Die DNA-Synthese ist entscheidend für das Zellwachstum und die Zellteilung, da sie sicherstellt, dass jede Tochterzelle eine vollständige Kopie des genetischen Materials erhält.
Die Rolle von ELAV
Eines der am stärksten in der Evolution konservierten Proteine ist ELAV. Dieses RNA-bindende Protein findet sich nicht nur in Drosophila, sondern in den Nervenzellen eines jeden Tieres. Beim Menschen sind ELAV-Proteine an zahlreichen neurologischen Krankheiten beteiligt. Unsere Forschung konnte zeigen, dass ELAV die Prozesse der 3‘-UTR-Verlängerung und die Synthese von Spleiß-Isoformen in Neuronen steuert.
Das Nervensystem - ein Wandlungskünstler
Um neue Verdrahtungen live mitzuerleben, setzt Mark Hübener auf die Zwei-Photonen-Mikroskopie. „Sie erlaubt es, auch sehr feine Strukturen im intakten Nervensystem zu untersuchen“, sagt der Neurobiologe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München „Der Vorteil ist, dass man tiefer ins Gewebe schauen kann als mit einem normalen Mikroskop, - bis zu einem Millimeter." Denn bei der Zwei-Photonen-Mikroskopie nutzt man Licht einer langen Wellenlänge, nämlich Infrarotlicht. Es dringt leichter durch das Gewebe als kurzwelligeres Licht.