Die Erregungsübertragung an der neuromuskulären Synapse, auch motorische Endplatte genannt, ist ein fundamentaler Prozess für die willkürliche Steuerung der Skelettmuskulatur. Diese spezialisierte Synapse ermöglicht die Umwandlung eines elektrischen Signals vom Nervensystem in eine chemische Botschaft, die dann eine Muskelkontraktion auslöst. Im Folgenden werden die Definition, der Aufbau, die Funktion und die Beeinflussung der motorischen Endplatte detailliert erläutert.
Einführung in die Neuromuskuläre Synapse
Im menschlichen Körper werden ständig Reize weitergeleitet und verarbeitet. Diese Reize, auch Erregungen genannt, können durch Sinneseindrücke wie Sehen, Riechen, Fühlen, Schmecken und Hören entstehen. Sie werden von ihrem Entstehungsort (z.B. dem Finger) zum Gehirn transportiert. Hierbei nutzen Nervenzellen die Synapsen an ihren Enden, um den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle zu übergeben. Die motorische Endplatte ist eine spezielle Art von Synapse, die die Verbindung zwischen einer Nervenzelle und einer Muskelfaser herstellt und für die Muskelkontraktion unerlässlich ist.
Was ist eine Synapse?
Eine Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle. Dies kann wiederum eine Nervenzelle sein, aber auch eine ganz andere Zelle, wie zum Beispiel Muskel- oder Sinneszellen. Die Synapsen sorgen für die Erregungsweiterleitung durch die Umwandlung von elektrischen Informationen in chemische Informationen. Diese Synapse wird daher auch chemische Synapse genannt. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dabei läuft die Weiterleitung der Reize immer nur in eine Richtung ab. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen.
Aufbau der Motorischen Endplatte
Die motorische Endplatte stellt eine Synapse zwischen einer Nervenzelle (Neuron) und einer Muskelzelle dar. Es handelt sich dabei immer um die Muskelzellen eines Skelettmuskels. An glatten Muskelzellen findet keine Erregungsübertragung über eine motorische Endplatte statt. Dazu gehören beispielsweise die glatten Muskelzellen des Darms. Die motorische Endplatte wird auch als neuromuskuläre Synapse bezeichnet. Es handelt sich dabei immer um motorische Nervenzellen, die efferente Eigenschaften besitzen.
Efferente Nervenzellen
Efferente Nerven sind solche, die vom zentralen Nervensystem (ZNS) in die Peripherie ziehen. Mit Peripherie ist das Nervensystem außerhalb des ZNS gemeint. Dabei leiten die efferenten Nerven die Nervenimpulse weiter, um so eine bestimmte Reaktion im Körper hervorzurufen. Efferenzen, welche für die Kontraktion der Skelettmuskulatur verantwortlich sind, werden auch als Alpha-Motoneurone bezeichnet.
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Die motorische Endplatte stellt eine wichtige Synapse in der Neurobiologie dar. Durch diese Erregungsübertragung kann die Muskelfaser erregt werden und der Muskel zieht sich zusammen (kontrahiert). Die zelluläre Grundeinheit eines Muskels ist die Muskelfaser. Man bezeichnet sie auch als Muskelzelle oder Myozyt.
Bestandteile der Motorischen Endplatte
Die motorische Endplatte besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Präsynapse: Der präsynaptische Anteil der Synapse wird durch das an der motorischen Endplatte beteiligte Neuron gebildet. Am präsynaptischen Axon läuft ein elektrisches Signal bis zum Endknöpfchen.
- Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran, durch den die Neurotransmitter diffundieren.
- Postsynapse: Der zur Muskelzelle gehörige Anteil der motorischen Endplatte. Genauer gesagt ist die Postsynapse ein Anteil an deren Membran. Die gesamte Membran der Muskelzellen bezeichnet man als Sarkolemm.
Detaillierter Aufbau
- Präsynaptische Membran: Hier befindet sich das Endknöpfchen der Nervenzelle, das synaptische Vesikel enthält, welche mit dem Neurotransmitter Acetylcholin (ACh) gefüllt sind. Die Membran des Endknöpfchens ist mehrmals eingefaltet, um die Oberfläche zu vergrößern und mehr Vesikel andocken zu lassen.
- Synaptischer Spalt: Dieser schmale Raum (etwa 10 bis 50 Nanometer breit) trennt die Nervenzelle von der Muskelzelle. Im synaptischen Spalt befindet sich das Enzym Acetylcholinesterase (ACh-Esterase), das ACh abbaut.
- Postsynaptische Membran: Die Membran der Muskelzelle (Sarkolemm) ist ebenfalls aufgefaltet, um die Oberfläche zu vergrößern. Sie enthält viele Rezeptoren für ACh. Diese Rezeptoren sind gleichzeitig ligandengesteuerte Natriumkanäle.
Funktion der Motorischen Endplatte
Die Hauptfunktion der motorischen Endplatte besteht darin, ein Aktionspotential von einem Alpha-Motoneuron auf eine Muskelfaser zu übertragen. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte:
- Ankunft des Aktionspotentials: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen der Nervenzelle.
- Calcium-Einstrom: Die Depolarisation der präsynaptischen Membran führt zur Öffnung von spannungsabhängigen Calciumkanälen. Calciumionen strömen in das Endknöpfchen ein.
- Ausschüttung von Acetylcholin: Der Calcium-Einstrom löst die Exozytose der synaptischen Vesikel aus, wodurch Acetylcholin in den synaptischen Spalt freigesetzt wird.
- Bindung an Rezeptoren: Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an nikotinerge Acetylcholin-Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle.
- Öffnung der Ionenkanäle: Die Bindung von Acetylcholin öffnet die ligandengesteuerten Natriumkanäle. Natriumionen strömen in die Muskelzelle ein.
- Endplattenpotential (EPP): Der Natrium-Einstrom depolarisiert die postsynaptische Membran und erzeugt ein Endplattenpotential.
- Aktionspotential in der Muskelzelle: Wenn das Endplattenpotential einen Schwellenwert erreicht (ca. -50 mV), wird ein Aktionspotential in der Muskelzelle ausgelöst.
- Muskelkontraktion: Das Aktionspotential breitet sich über die Muskelzelle aus und führt zur Freisetzung von Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, was die Muskelkontraktion auslöst.
- Abbau von Acetylcholin: Das Enzym Acetylcholinesterase spaltet Acetylcholin in Cholin und Acetat. Diese werden zurück in die Präsynapse transportiert und zur Synthese von neuem Acetylcholin verwendet.
Signalübertragung auf die Muskelfaser
An der Muskelzelle wird durch die Erregung der motorischen Endplatte und des EPP das Sarkolemm, also die Membran der Muskelzelle, durchlässiger für Natrium. Das Muskelaktionspotential, welches somit ausgelöst wird, hält bis zu 10 Millisekunden an. Damit ist es positiver als ein normales Aktionspotential zwischen zwei Nervenzellen. Es bewirkt eine Kontraktion der Muskelfaser, womit die neuromuskuläre Kopplung des Muskels und der motorischen Endplatte abgeschlossen ist.
Motorische Einheit
Ein Alpha-Motoneuron innerviert eine bestimmte Anzahl von Muskelzellen und Muskelfasern. Diese Gesamtheit der Muskelzellen, die von einem Nerv innerviert werden, wird als die motorische Einheit dieses Neurons bezeichnet.
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Unterschied zur Interneuronalen Synapse
Es gibt wesentliche Unterschiede zwischen der motorischen Endplatte und einer Synapse zwischen zwei Nervenzellen (interneuronale Synapse):
| Merkmal | Motorische Endplatte | Interneuronale Synapse |
|---|---|---|
| Erregungsübertragung | Elektrisch, dann chemisch | Elektrisch, dann chemisch |
| Neurotransmitter | Acetylcholin (erregend) | Viele unterschiedliche (hemmend und erregend) |
| Aktionspotential | Stark positiv | Positiv |
| Beteiligte Zellen | Alpha-Motoneuron und Muskelzelle | Zwei Neurone |
Beeinflussung der Motorischen Endplatte
Die Funktion der motorischen Endplatte kann durch verschiedene Substanzen und Krankheiten beeinflusst werden:
- Nikotin: Kann an die synaptischen Kanäle an der motorischen Endplatte andocken und die Rezeptoren der Membran hemmen. Dies verlangsamt die Erregungsübertragung auf die Muskelfaser.
- Botulinumtoxin (Botox): Unterbindet die Ausschüttung von Acetylcholin und führt zur Relaxation des Muskels.
- Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, bei der Autoantikörper die Acetylcholin-Rezeptoren an der Membran der Postsynapse besetzen und die Auslösung eines Aktionspotentials erschweren.
Pharmakologische Aspekte
Einige Substanzen können die Funktion der motorischen Endplatte beeinflussen:
- Nikotin: Aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden.
- Atropin: Hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
Krankheiten der Motorischen Endplatte
Erkrankungen, die die motorische Endplatte betreffen, können schwerwiegende Muskelfehlfunktionen verursachen.
Myasthenia Gravis
Bei Myasthenia gravis handelt es sich um eine Autoimmunerkrankung, bei der Autoantikörper die Acetylcholin-Rezeptoren auf der Postsynapse blockieren und zerstören. Dies führt zu einer Belastungsschwäche der Muskeln, insbesondere der Mimikmuskulatur.
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Lambert-Eaton-Syndrom
Beim Lambert-Eaton-Syndrom stören Antikörper die Funktion der Calcium-Kanäle in der Präsynapse, die für die Vesikelfreisetzung kritisch sind. Dies beeinträchtigt die Exozytose der Vesikel mit Acetylcholin und führt zu einer Skelettmuskelschwäche.
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