Synapsen sind die grundlegenden Kontaktstellen im Nervensystem, die für die Kommunikation zwischen Neuronen und anderen Zellen wie Muskel-, Nerven- und Drüsenzellen verantwortlich sind. Hier findet die Erregungsübertragung statt, die für die Weiterleitung von Aktionspotentialen unerlässlich ist. Dieser Artikel beleuchtet die Definition, den Aufbau und die Funktionsweise von Synapsen, insbesondere im Kontext der Erregungsübertragung.
Was sind Synapsen?
Synapsen (gr. σύν, syn = zusammen, ἅπτειν, haptein = ergreifen, fassen, tasten) sind Kontaktstellen zwischen Nervenzellen und anderen Zellen (wie Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen). Der Begriff Synapse wurde im Jahre 1897 von Charles S. Sherrington geprägt. Synapsen sind spezialisierte Verbindungen, über die Nervenzellen miteinander oder mit anderen Zelltypen wie Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen in Kontakt treten. Sie ermöglichen die Reizweiterleitung und Erregungsübertragung durch die Umwandlung von elektrischen in chemische Informationen. Diese Verbindungen zwischen Neuronen werden als interneuronale bzw. neuro-neuronale Synapsen bezeichnet und sind besonders häufig im Gehirn und Rückenmark anzutreffen, wo sie als zentrale Synapsen fungieren. Eine Synapse zwischen einem Motoneuron und einer Muskelzelle wird als neuromotorische Synapse oder motorische Endplatte bezeichnet.
Arten von Synapsen
Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen:
- Elektrische Synapsen: Hier stehen Prä- und Postsynapse in direktem Kontakt.
- Chemische Synapsen: Hier erfolgt die Erregungsübertragung durch Neurotransmitter.
Elektrische Synapsen
Bei elektrischen Synapsen stehen Prä- und Postsynapse in direktem Kontakt miteinander und sind nur durch einen schmalen Spalt getrennt. Durch den engen Kontakt von Prä- und Postsynapse findet die elektrische Erregungsübertragung verzögerungsfrei statt. In elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt und ohne Umwege auf die nachfolgende Zelle weitergeleitet.
Die Reizweiterleitung kann in beide Richtungen - also bidirektional - verlaufen. Das geschieht über direkte Zell-Zell-Verbindungen - die Gap Junctions. Gap Junctions verbinden benachbarte bzw. aneinander grenzende Zellen miteinander. Sie sind Poren in der Zellmembran und verbinden die Intrazellularräume der Nachbarzellen über Ionenkanäle.
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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.
Elektrische Synapsen kommen dort vor, wo eine schnelle Erregungsübertragung notwendig ist, wie z. B. beim Lidreflex oder in den Herzmuskelzellen. Im Körper selbst sind sie allerdings nicht sehr oft vorhanden.
Chemische Synapsen
Die meisten Synapsen arbeiten über chemische Erregungsübertragung. Chemische Synapsen sind durch einen schmalen Abstand zwischen prä- und postsynaptischer Membran gekennzeichnet. Der synaptische Spalt ist mit Extrazellularflüssigkeit gefüllt. Die Erregungsübertragung chemischer Signale erfolgt über Botenstoffe bzw. Transmitter.
Grundsätzlich durchläuft die Erregung die chemische Synapse in einer Richtung (»unidirektional«), und zwar vom prä- zum postsynaptischen Teil.
Aufbau einer Synapse
Synapsen bestehen grob aus drei Teilen:
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- Die präsynaptische Membran: Sie enthält Neurotransmitter, die in Vesikel verpackt sind. Diese Neurotransmitter dienen als Botenstoffe für die Erregungsübertragung.
- Der synaptische Spalt: Diese ist der Zwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran und besteht aus extrazellulärer Matrix.
- Die postsynaptische Membran: Hier gibt es Rezeptoren, die Informationen über Dendriten empfangen.
Die Moleküle des Neurotransmitters werden in den Nervenzellen produziert und wandern verstaut in kleinen Bläschen (= Vesikeln) zum Synapsenendknöpfchen des Axons, welches den präsynaptischen Teil der Synapse darstellt. Die Freisetzung von Neurotransmittern wird dort durch einen Anstieg der intrazellulären Calcium-Konzentration innerhalb weniger Millisekunden ausgelöst. Dies geschieht durch die Öffnung spannungsaktivierter Calciumkanäle. Voraussetzung dafür ist ein ankommendes Aktionspotential. Die Neurotransmitter befinden sich in Clustern direkt zwischen den an der präsynaptischen Membran angedockten Vesikeln. Das ermöglicht einen sehr starken und schnellen Anstieg der lokalen Ca2+-Konzentration in der Nähe der Vesikel.
Durch Konformationsänderungen Calcium-bindender Proteine, besonders von Synaptotagmin wird die exozytotische Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran herbeigeführt und der Inhalt der Vesikel in den synaptischen Spalt freigesetzt. Außer Synaptotagmin ist eine Reihe anderer Proteine beteiligt. Dazu zählen zum Beispiel Complexin I und II, welche die Ausschüttung der Neurotransmitter beschleunigen. Fehlen beide Proteine, ist der Organimsus nicht lebensfähig. Fehlt nur eines der beiden Complexine treten Lernprobleme oder starke Bewegungsstörungen auf.
An der postsynaptischen Membran, die auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes liegt, werden die freigesetzten Neurotransmitter an Rezeptoren gebunden. Dadurch kann es zu einer Öffnung von ligandenabhängigen Ionenkanälen und damit zu einer Änderung des Membranpotentials der postsynaptischen Nervenzelle kommen. Alternativ kann eine Second-Messenger-Kaskade ausgelöst werden, die ebenfalls zu einer Änderung des Membranpotentials in der postsynaptischen Zelle führt.
Reizübertragung an der Synapse
Die Erregungsübertragung an einer Synapse beginnt mit einem Aktionspotential, welches ein synaptisches Endknöpfchen erreicht und es depolarisiert. Dadurch werden Calciumkanäle geöffnet, die dazu führen, dass Vesikel mit Neurotransmittern in den synaptischen Spalt ausgeschüttet werden.
Kommt es zur Erregung eines Motoneurons, wandern Aktionspotenziale axonabwärts zu den Endknöpfchen. Das Aktionspotential erreicht ein synaptisches Endknöpfchen und depolarisiert es. Dieses elektrische Signal hat zur Folge, dass sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen und Ca+-Ionen in das synaptische Endknöpfchen einströmen. Die präsynaptische Speichervesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, verschmelzen mithilfe des Calciums mit der präsynaptischen Membran. Der Transmitter wird anschließend in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
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Die Transmitter diffundieren dann zur postsynaptischen Membran und binden an dessen Rezeptoren. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, die ligandengesteuert sind. Die Bindung der Transmittermoleküle mit ihrem Rezeptor verändert die Form des Rezeptors und führt zur Öffnung von Na+-Kanälen. Es strömen Natrium-Ionen in die Zelle und depolarisieren die postsynaptische Membran. So entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP).
Exzitatorische und inhibitorische postsynaptische Potentiale
Die Erregung einer einzelnen Synapse würde jedoch niemals zum Weiterleiten eines Aktionspotentials im angeschlossenen Neuron führen. Vielmehr gibt es erregende (exzitatorische) und hemmende (inhibitorische) Synapsen, welche erregende (EPSP = exzitatorisches postsynaptisches Potential) oder hemmende (IPSP = inhibitorisches postsynaptisches Potential) Wirkung haben können. Nur wenn mehrere erregende EPSP gleichzeitig an verschiedenen Stellen (räumliche Summation) oder in ausreichend schneller zeitlicher Abfolge (zeitliche Summation) in einem Neuron eintreffen, entsteht in diesem ein Aktionspotential. Die Aktivierung hemmender Synapsen führt zu Hyperpolarisation (IPSP), wodurch ihr Membranpotential verändert wird und sie schwerer erregbar sind. EPSP führen zu Depolarisation (beides ca. 2 mV). Diese gequantelte Form der Informationsübertragung wurde zuerst von dem Nobelpreisträger Sir Bernard Katz untersucht und beschrieben. Ein Quantum ist die Menge an Neurotransmittern, die von einem Vesikel ausgeschüttet werden.
Ein erregendes postsynaptisches Potential (EPSP) 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. Die Ionenkanäle bleiben nämlich so lange geöffnet, je mehr Transmitter sich im synaptischen Spalt befinden bzw. je mehr Transmitter freigesetzt wurden.
Bei einer hemmenden Synapse kann es zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potential (IPSP) 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.
Ob eine verstärkte (EPSP) oder gehemmte (IPSP) Erregung weitergeleitet wird, kommt nicht auf den Transmitter, sondern auf die Synapse an.
Neurotransmitter und ihre Funktion
Neurotransmitter sind Liganden und werden in den Nervenzellen produziert. Sie binden spezifisch nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptoren und lösen Folgereaktionen aus.
Neben Acetylcholin gibt es eine Reihe weiterer Neurotransmitter im ZNS (zentralen Nervensystem). Ihre Wirkungsweise ist je nach Zelltyp, in dem sie vorkommen, unterschiedlich. Des Weiteren hängt sie maßgeblich von der Rezeptorfunktion ab.
Einige wichtige Neurotransmitter sind:
- Acetylcholin: Wirkt sowohl im zentralen als auch im peripheren Nervensystem und ist an Muskelkontraktion, Aufmerksamkeit, Lernen und Gedächtnis beteiligt.
- Glutamat: Der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem.
- GABA (γ-Aminobuttersäure): Der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im ZNS, der das neuronale Gleichgewicht stabilisiert und Übererregung verhindert.
- Glycin: Ein weiterer hemmender Transmitter, der vor allem im Rückenmark und Hirnstamm aktiv ist.
- Dopamin: Ein biogenes Amin mit vielfältigen Wirkungen im ZNS, essenziell für motorische Kontrolle und Belohnungssysteme.
- Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT): Ein modulierender Neurotransmitter mit essentieller Bedeutung für Stimmung, Schlaf-Wach-Rhythmus, Appetit und Schmerzverarbeitung.
- Noradrenalin (Norepinephrin) und Adrenalin (Epinephrin): Wichtige Transmitter im sympathischen Nervensystem und im ZNS, die Wachheit, Aufmerksamkeit und Stressreaktionen beeinflussen.
- Neuropeptide: Modulieren die Wirkung klassischer Transmitter, z.B. Substanz P, die Schmerzreize vermittelt, und Endorphine, die die Schmerzleitung hemmen.
Dauer der Erregungsübertragung
Der Transmitter bindet nur sehr kurz an den Rezeptor, um eine Repolarisierung der Postsynapse zu ermöglichen. Eine permanente Aktivierung der Postsynapse muss nämlich verhindert werden. Die Reizweitergabe findet so lange statt, wie Acetylcholin im synaptischen Spalt noch vorhanden ist. Das Enzym Cholinesterase im synaptischen Spalt baut den Neurotransmitter ab.
Acetylcholin wird in Acetat (Essigsäure) und Cholin gespalten und diffundiert wieder zurück zur präsynaptischen Membran. Je länger dieser Abbau dauert, umso länger dauert auch die Reizweitergabe. Pro Sekunde kann ein Enzymmolekül ca. 25.000 Acetylcholin-Moleküle zu nicht reaktivem Acetat und Cholin spalten. Diese werden dann per Endozytose in die Präsynapse wieder aufgenommen, um dort erneut Acetylcholin zu resynthetisieren und in Vesikel zu verpacken. Damit schließt sich der Acetylcholin-Kreislauf.
Gäbe es keine Cholinesterase, wären die postsynaptischen Natrium-Kanäle permanent geöffnet und die Postsynapse dauerhaft depolarisiert. Wird die Cholinesterase z. B. in der Herz- bzw. Rippenmuskulatur deaktiviert, würde das zu einem Herzstillstand oder einer Atemlähmung führen.
Pharmakologische Beeinflussung von Synapsen
Viele Medikamente und Drogen entfalten ihre Wirkung an den Synapsen. Zum Beispiel können Antidepressiva die Serotonin-Wiederaufnahme hemmen, wodurch die Serotoninkonzentration im synaptischen Spalt erhöht wird. Synapsengifte wie Muskarin, Atropin, Curare und Nikotin stören die Funktion der Synapsen erheblich. Botulinumtoxin, ein besonders wirksames Gift, blockiert die Abgabe von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.
Klinische Bedeutung
Störungen der Neurotransmitter-Freisetzung können zu einer Vielzahl von psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen führen. Zum Beispiel kann eine unzureichende Serotoninbildung oder -ausschüttung zu Depressionen führen.
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