Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Übertragung von Informationen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und anderen Zelltypen ermöglichen. Diese Übertragung kann auf zwei grundlegende Arten erfolgen: elektrisch oder chemisch. Obwohl beide Synapsentypen die gleiche grundlegende Funktion erfüllen, unterscheiden sie sich erheblich in ihrer Struktur, Funktionsweise und ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen.
Was ist eine Synapse?
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. Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet.
Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:
- Präsynapse: Der Bereich der sendenden Zelle, der das Signal abgibt. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind.
- Synaptischer Spalt: Der Zwischenraum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran.
- Postsynapse: Der Bereich der empfangenden Zelle, der das Signal empfängt.
Arten von Synapsen
Man unterscheidet elektrische und chemische Synapsen. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen.
Elektrische Synapsen
Bei elektrischen Synapsen wird die Information direkt durch Ionenströme von der präsynaptischen Zelle auf die postsynaptische Zelle übertragen. Elektrische Synapsen sind wesentlich schneller als chemische Synapsen, da keine Umwandlung elektrisch → chemisch → elektrisch stattfinden muss, was ungefähr eine halbe Millisekunde dauert (das ist lang im Vergleich zu einer elektrischen Übertragung).
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Aufbau und Funktion
Elektrische Synapsen zeichnen sich durch einen sehr geringen Abstand zwischen prä- und postsynaptischer Membran von etwa 3,5 nm aus. Im Grunde besteht eine elektrische Synapse aus zwei Poren- oder Kanalproteinen, die direkt miteinander verbunden sind. Im menschlichen Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.
Die Verbindung zwischen den Zellen wird durch sogenannte Gap Junctions hergestellt. Gap Junctions verbinden benachbarte bzw. aneinander grenzende Zellen miteinander. Sie sind Poren in der Zellmembran und verbinden die Intrazellularräume der Nachbarzellen über Ionenkanäle. Die Verbindung über Ionenkanäle erlaubt eine Diffusion von Molekülen wie z. B. von sekundären Botenstoffen. Außerdem ist bei elektrischen Synapsen die Übertragung von Änderungen des Membranpotentials bei relativ geringem ohmschen (elektrischen) Widerstand möglich. Gap Junctions werden durch Connexine gebildet. Sechs Connexine bilden ein Connexon (Hemikanal). Treten zwei Connexone zwei benachbarter Zellen in Kontakt, bilden sie einen Ionenkanal, der durch beide Membranen verläuft.
Vorkommen und Bedeutung
Bei Schaltkreisen, bei denen es auf extrem hohe Geschwindigkeit ankommt (zum Beispiel Fluchtreflexe oder komplexen Analyseprozessen) werden hauptsächlich elektrische Synapsen eingesetzt. Auch in der menschlichen Netzhaut finden sich elektrische Synapsen, und zwar zwischen den Amakrinzellen und den Bipolarzellen. Sie beschleunigen hier die Auswertung der optischen Informationen, die auf die Photorezeptoren einwirken. Ein weiteres Vorkommen ist im Herzmuskel und im Uterus.
Eigenschaften
- Schnelle Übertragung: Die Erregungsübertragung erfolgt nahezu verzögerungsfrei.
- Bidirektionale Signalübertragung: Die Reizweiterleitung kann in beide Richtungen verlaufen.
- Direkte Verbindung: Prä- und Postsynapse stehen in direktem Kontakt miteinander.
- Synchronisation: Ermöglichen die Synchronisation ganzer Zellgruppen.
- Keine Verstärkung oder Verrechnung: Komplexe Verrechnungs- oder Verstärkungseffekte sind nicht möglich.
Chemische Synapsen
Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Bei einer chemischen Synapse wird die an dem synaptischen Endknöpfchen ankommende elektrische Information (Aktionspotenziale mit einer bestimmten Frequenz) in eine chemische Information umgewandelt. Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Die Neurotransmitter werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken.
Ablauf der Erregungsübertragung
Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.
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- Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) → Spannungsänderung!
- Öffnung von Calciumkanälen: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Calciumionen Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen → Positivierung → Depolarisation der Membran!
- Vesikelverschmelzung und Neurotransmitterfreisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Diffusion der Neurotransmitter: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
- Bindung an Rezeptoren: 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.
- Ionenstrom und postsynaptisches Potential: Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
- Beendigung der Erregung: 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. im synaptischen Spalt abgebaut.
Postsynaptische Potentiale (EPSP und IPSP)
Je nach Art des Neurotransmitters und des Rezeptors kann die Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse entweder erregend oder hemmend wirken.
- Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP): Ein erregendes postsynaptisches Potential entsteht, wenn sich Ionenkanäle öffnen und es zu einem Einstrom von Na+-Ionen in die postsynaptische Membran kommt. Das Potential steigt an, da die Natrium-Ionen positiv geladen sind. Wird die Spannung positiver bzw. nimmt die negative Spannung ab, spricht man von einer Depolarisierung. Die ankommenden EPSPs summieren sich und werden in Form eines Aktionspotentials weitergegeben, wenn der Schwellenwert von ca. -50 mV überschritten wird. Die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung eines Aktionspotentials ist umso höher, je mehr EPSPs eintreffen und desto länger die Depolarisation anhält.
- Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP): Bei einer hemmenden Synapse kann es zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potential kommen. Die Spannung der Postsynapse nimmt ab, bis unter dem Wert des Ruhepotentials (ca. -70 mV) und stoppt dadurch die Erregung. Das wird auch als Hyperpolarisation bezeichnet. Ursache hierfür sind Kalium- und Chloridkanäle, die durch Neurotransmitter geöffnet werden. K+-Ionen strömen aus der Zelle heraus und Cl--Ionen in die Zelle hinein. Die Ladung im Zellinneren wird dadurch negativer und die Synapse kann Reize nicht mehr weiterleiten - sie ist gehemmt.
Neurotransmitter
Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist, etwa das dopaminerge System oder das cholinerge System.
Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich großteils in drei Substanzklassen einordnen. Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA und Glycin sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind. Serotonin, Dopamin und weitere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden. Die dritte Gruppe bilden die Neuropeptide, von denen bis heute mehr als 50 entdeckt wurden.
Eigenschaften
- Langsamere Übertragung: Die Signalübertragung ist durch die chemische Signalübertragung etwas verzögert (ca. 0,5 ms).
- Unidirektionale Signalübertragung: Die Erregung durchläuft die Synapse in der Regel nur in eine Richtung.
- Indirekte Verbindung: Die prä- und postsynaptische Membran sind durch den synaptischen Spalt getrennt.
- Verstärkung und Verrechnung: Ermöglichen komplexe Verrechnungs- und Verstärkungseffekte.
- Plastizität: Die Stärke der synaptischen Verbindung kann sich verändern (synaptische Plastizität).
Vergleich: Elektrische vs. Chemische Synapsen
| Merkmal | Elektrische Synapse | Chemische Synapse |
|---|---|---|
| Übertragungsmodus | Ionenfluss | Neurotransmitter |
| Übertragungsverzögerung | Keine | Ca. 0,5 ms |
| Signalübertragung | Bidirektional | Unidirektional |
| Abstand | Sehr gering (ca. 3,5 nm) | Größer (ca. 20 nm) |
| Verbindung | Direkte Verbindung über Gap Junctions | Indirekte Verbindung über synaptischen Spalt |
| Geschwindigkeit | Schnell | Langsam |
| Vorkommen | Herzmuskel, Uterus, einige Nervenzellen | Häufig im Nervensystem von Säugetieren und Menschen |
| Funktion | Schnelle Synchronisation, Reflexe | Komplexe Informationsverarbeitung, Lernen, Gedächtnis |
| Plastizität | Gering | Hoch |
| Modulation | Begrenzt | Umfangreich |
| Neurotransmitter | Nicht erforderlich | Erforderlich (z.B. Acetylcholin, Glutamat, GABA) |
| Rezeptoren | Nicht erforderlich | Erforderlich (ionotrope und metabotrope Rezeptoren) |
| Postsynaptisches | Direkte Potentialänderung | EPSP oder IPSP |
Pharmakologische Beeinflussung von Synapsen
Viele Medikamente und Drogen wirken auf die synaptische Übertragung, indem sie die Freisetzung, Bindung oder den Abbau von Neurotransmittern beeinflussen. Die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen.
- Agonisten: Substanzen, die an Rezeptoren binden und diese aktivieren (z.B. Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden).
- Antagonisten: Substanzen, die an Rezeptoren binden und diese blockieren (z.B. Atropin hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert).
- Wiederaufnahmehemmer: Substanzen, die die Wiederaufnahme von Neurotransmittern in die präsynaptische Zelle verhindern und so deren Konzentration im synaptischen Spalt erhöhen (z.B. selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) bei Depressionen).
- Enzymhemmer: Substanzen, die den Abbau von Neurotransmittern verhindern und so deren Wirkung verlängern (z.B. Cholinesterasehemmer bei Alzheimer).
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