Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen, Nerven- und Muskelzellen sowie Nerven- und Drüsenzellen ermöglichen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Informationsübertragung im Körper.
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. Die Verbindungen können gelöst und neu verknüpft werden. Die menschliche Großhirnrinde enthält ungefähr 500 Billiarden synaptische Kontaktpunkte, wobei jede Synapse noch 10 verschiedene Zustände einnehmen kann. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen.
Aufbau einer Synapse
Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:
- Präsynapse: Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin). Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran und führt zu einer Spannungsänderung.
- Synaptischer Spalt: Die Zellen gehen keine unmittelbare Verbindung ein, es bleibt ein synaptischer Spalt von ca. 20 nm.
- Postsynapse: Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt.
Arten von Synapsen
Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen: chemische und elektrische.
Chemische Synapsen
Bei einer chemischen Synapse erfolgt die Erregungsübertragung durch Neurotransmitter. Überträgermoleküle (Transmitter) vermitteln zwischen den Zellen, dadurch erfolgt eine gerichtete Signalübertragung. Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor.
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Ablauf der Erregungsübertragung an chemischen Synapsen:
- Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) und verursacht eine Spannungsänderung.
- Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Positivierung und Depolarisation der Membran führt.
- Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich daraufhin zur Präsynapse und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
- Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
- Enzyme bauen den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
- Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und aktiv aufgenommen.
- Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin werden zu Acetylcholin regeneriert.
Elektrische Synapsen
Elektrische Synapsen ermöglichen eine direkte "elektrische" Erregungsübertragung von einer Zelle zur nächsten. Hier wird die Erregung 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. Riesenfasern beim Regenwurm, im Nervensystem von Krebsen und im Rückemark bzw. Gehirn vieler Wirbeltiere ist der Kontakt zwischen prä- und postsynaptischer Membran so eng, dass eine direkte Übertragung des Aktionspotentials möglich ist.
Rolle der Neurotransmitter
Neurotransmitter spielen eine zentrale Rolle bei der Erregungsübertragung an chemischen Synapsen. Sie sind chemische Botenstoffe, die von der präsynaptischen Zelle freigesetzt werden und an Rezeptoren der postsynaptischen Zelle binden.
Acetylcholin
Acetylcholin ist ein wichtiger Neurotransmitter, der an vielen Synapsen im Körper vorkommt, beispielsweise an der neuromuskulären Synapse. Ein ankommendes Aktionspotential bewirkt einen Kalziumioneneinstrom in das Synapsenendknöpfchen. Die synaptischen Vesikel mit dem Transmitter Acetylcholin verschmelzen mit der Präsynaptischen Membran, so dass Acetylcholin in den synaptischen Spalt abgegeben wird. Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet ca.
Rezeptoren und Ionenkanäle
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.
Erregende und hemmende Synapsen
Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken, abhängig von den freigesetzten Neurotransmittern und den Rezeptoren der postsynaptischen Zelle.
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Erregende Synapsen
Erregende Synapsen haben immer die Funktion, eine Depolarisation weiterzuleiten. Ein Beispiel für eine erregende Synapse ist die acetylcholinerge Synapse, die als Antwort auf eine Erregung den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet.
Hemmende Synapsen
Die grundlegenden Prinzipien einer hemmenden Synapse sind beinahe identisch zu denen einer erregenden Synapse. Ein Aktionspotential führt über einen Calciumioneneinstrom an der Präsynapse zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt. Transmitter von hemmenden Synapsen sind Stoffe, die an der postsynaptischen Membran zu einem Einstrom von negativ geladenen Chloridionen und/oder dem Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen führen. Ein Beispiel für eine hemmende Synapse ist die GABA ausschüttende Synapse. Ihre Funktion ist hauptsächlich das Abschwächen von erregenden Signalen im Zentralnervensystem. Damit verhindern hemmende Synapsen Übererregungen, die im Extremfall zu Starrkrämpfen führen können.
Postsynaptische Potentiale (PSP)
Die Bindung von Neurotransmittern an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran führt zu einer Veränderung des Membranpotentials, die als postsynaptisches Potential (PSP) bezeichnet wird. Es gibt zwei Arten von PSPs:
- Erregende postsynaptische Potentiale (EPSP): Sie entstehen durch erregende Synapsen und führen zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran.
- Hemmende postsynaptische Potentiale (IPSP): Sie entstehen durch hemmende Synapsen und führen zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran.
Räumliche und zeitliche Summation
Ein Aktionspotenzial wird aber in der Regel nicht durch eine Erregung von einer einzigen Synapse erzeugt. Vielmehr werden in einer Zelle immer mehrere EPSP und IPSPS verrechnet. Je mehr erregende Synapsen also an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr EPSP können gebildet werden. Diese EPSP kommen in der Zelle zusammen und werden summiert. So wird die Reizschwelle am Axonhügel schneller überschritten und ein Aktionspotenzial kann gebildet werden. Je mehr hemmende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr IPSP werden gebildet und umso schwieriger ist es für die erregenden Nervenzellen, die Zielzelle stark genug zu erregen, um die Reizschwelle am Axonhügel zu überschreiten und ein Aktionspotenzial zu erzeugen.
Zeitliche Summation
Wenn mehrere EPSP in schnellen Abständen durch die erregenden Synapsen erzeugt werden, dann reicht das eine IPSP der hemmenden Synapse nicht mehr aus, um die Weiterleitung zu verhindern.
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Pharmakologische Beeinflussung der Synapsen
Es gibt Substanzen, die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Es aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
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