Signalübertragung an der Synapse: Eine umfassende Zusammenfassung

Im menschlichen Körper werden ständig Reize weitergeleitet und verarbeitet. Diese Reize, auch Erregungen genannt, entstehen beispielsweise durch Sinneseindrücke wie Sehen, Riechen, Fühlen, Schmecken und Hören. Diese Reize werden von ihrem Entstehungsort, beispielsweise dem Finger, bis zum Gehirn transportiert. Der Körper nutzt dafür Nervenzellen, die an ihren Enden Synapsen aufweisen. Diesen Synapsen kommt die spezielle Aufgabe zu, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle zu übergeben.

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 eine Muskel- oder Sinneszelle. Synapsen sind „Orte extremer Annäherung“ zwischen Nervenzellen, Nerven- und Muskelzellen oder Nerven- und Drüsenzellen. Sie dienen der Informationsübertragung mittels Botenmolekülen, sogenannten Transmittern. Die Synapse ist keine starre Kabelverbindung, sondern ein hochdynamischer, spezialisierter Bereich, der gezielt Reize weiterleitet, filtert, verstärkt oder hemmt.

Die menschliche Großhirnrinde enthält ungefähr 500 Billiarden synaptische Kontaktpunkte, wobei jede Synapse noch 10 verschiedene Zustände einnehmen kann. Die Verbindungen können gelöst und neu verknüpft werden. Überträgermoleküle (Transmitter) vermitteln zwischen den Zellen, wodurch eine gerichtete Signalübertragung erfolgt.

Aufbau einer chemischen Synapse

Als Beispiel dient hier eine chemisch-neuromuskuläre Synapse, also die Verbindung von Nervenzelle und Muskelzelle (motorische Endplatte). Eine Synapse besteht aus drei Bereichen:

1. Präsynapse: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden die Neurotransmitter in kleinen Bläschen (Vesikeln) gespeichert. Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Es gibt aber auch Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.
2. Synaptischer Spalt: Der winzige Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) trennt das Endknöpfchen von der nächsten Zelle. Die Zellen gehen keine unmittelbare Verbindung ein, es bleibt ein synaptischer Spalt von ca 20 nm. Im synaptischen Spalt - ein nur ca. 20-30 nm breiter Zwischenraum - werden bei chemischen Synapsen die Neurotransmitter aus der Präsynapse ausgeschüttet. Sie diffundieren zu den Rezeptoren der Postsynapse und übermitteln so das Signal.
3. Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zur empfangenden Zelle. Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt.

Neben diesen Hauptbestandteilen existiert noch eine Vielzahl regulierender Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen.

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Arten von Synapsen

Synapse ist nicht gleich Synapse: Unterschiedliche Anforderungen im Nervensystem haben zur Ausbildung verschiedener Synapsentypen geführt. Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen: chemische und elektrische Synapsen.

1. Chemische Synapse: Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt mittels Neurotransmittern. Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Erfolgt bei einer Synapse die Erregungsübertragung durch Transmitter, dann handelt es sich um chemische Synapse. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor und wird in diesem Kapitel behandelt. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen. Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.
2. Elektrische Synapse: Diese seltenere Form findet man z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen. Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist. Die Erregung wird direkt „elektrisch“ übertragen. 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. Die Elektrische Synapse spielt im Schulunterricht meist keine Rolle!

Selten sind Synapsen, bei denen die Erregung elektrisch übertragen wird. Bei elektrischen Synapsen ist der Spalt extrem schmal, sodass Ionen direkt hindurchfließen können. Die sind sehr schnell und ermöglichen auch eine bidirektionale Signalübertragung - etwa im Lidreflex.

Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden.

Funktion der chemischen Synapse

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. Die Aufgabe der Synapsen ist die Reizübertragung bzw. Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen.

Die Funktionsweise der chemischen Synapse lässt sich am Beispiel der neuromuskulären Synapse wie folgt beschreiben:

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1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential, das vom Axon kommt, depolarisiert die Membran des synaptischen Endknöpfchens. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
2. Öffnung der Calciumkanäle: Sobald ein Aktionspotential die Terminale erreicht, öffnen sich die spannungsabhängigen Ca2+ Ionenkanäle. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium-Einstrom: Es folgt ein starker Einstrom der Ionen in das Endknöpfchen. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran! Die Ca2+ Ionen werden derweil wieder aus der Terminale ausgepumpt, um die Ausgangslage wiederherzustellen.
4. Vesikelbewegung und Verschmelzung: Angeregt durch die Ca2+ Ionen Konzentration, wandern die synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr.
5. Ausschüttung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
6. Diffusion der Neurotransmitter: Die freigesetzten Transmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
7. Bindung an Rezeptoren: Die freigesetzten Transmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden reversibel an den für sie passenden rezeptorabhängigen Ionenkanälen. Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Die in der postsynaptischen Membran eingelagerten Ionenkanäle sind zumeist ligandabhängig (ionotrop). Der Ligand (hier Neurotransmitter) bindet an den Kanal. Erst wenn Neurotransmitter gebunden wurde, öffnet der Kanal und es kommt zum Einstrom der für diesen Kanal spezifischen Ionenart.
8. Öffnung der Ionenkanäle: Die Bindung bewirkt eine Konformationsänderung und damit eine Öffnung, der rezeptorabhängigen Ionenkanäle. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
9. Depolarisation der Membran: Durch die geöffneten Ionenkanäle findet ein starker Einstrom an Na+ in die Zelle und ein schwacher Ausstrom K+ aus der Zelle statt. Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen nun beispielsweise Natrium-Ionen (Na+) ein und es kommt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran. Das führt zu einer Depolarisation der Membran (= Endplattenpotential (EPP) oder postsynaptisches Signal (PSP)).
10. Auslösung eines Aktionspotentials: Ein Aktionspotential entsteht und wird weitergeleitet. Das EPP breitet sich elektrisch (durch Ionenwanderung) entlang der Membran aus. Erreicht es eine Stelle, die nicht mehr direkt unter der Terminale liegt, und überschreitet dort die Reizschwelle von -60mV wird ein Muskelaktionspotential ausgelöst. Der Muskel wird kontrahiert.
11. Abbau der Neurotransmitter: Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung. Der Transmitter (i.d.F. Acetylcholin) löst sich von den Ionenkanälen und wird an der Acetylcholinesterase in Acetat und Cholin abgebaut, um eine sofortige Neubesetzung des Rezeptors zu verhindern.
12. Wiederaufnahme und Regeneration: Acetat und Cholin -> zurück zur präsynaptischen Membran -> aktiv aufgenommen. Die Spaltprodukte werden wieder ins Endknöpfchen aufgenommen und dort neu zu Acetylcholin synthetisiert. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin -> Acetylcholin. Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. Es steht für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung. Die Synapse ist jetzt voll regeneriert und kann erneut erregt werden!

Die Frequenz und Stärke des Aktionspotenzials hängt von der Konzentration des Neurotransmitters, im synaptischen Spalt, ab. Durch eine hohe Frequenz, die bei der Membran des synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird auch eine hohe Transmitterkonzentration im synaptischen Spalt erreicht und es kommt zu einer entsprechend höheren Frequenz von Aktionspotenzialen auf der postsynaptischen Membran.

Chemisch-interneuronale Synapsen

Es gibt zwei Arten an chemisch-interneuronalen Synapsen:

1. Erregende Synapse: Eine erregende Synapse verstärkt die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage. Die Funktion der Synapse ist analog zu der normalen chemischen Synapse. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Darauf folgt die Depolarisation und ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP).
2. Hemmende Synapse: Eine hemmende / inhibitorische Synapse vermindert die Depolarisation (= Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron. Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die y-Aminobuttersäure. Im Gegensatz zur normalen Synapse werden bei der hemmenden Synapse K+ bzw. Cl- Kanäle geöffnet. Die darauf folgende Hyperpolarisation führt zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potenzial (IPSP). Die Bindung des Neurotransmitters bewirkt eine Hyperpolarisation der Postsynapse.

Die Erregung eines Neurons ergibt sich aus der Summe der verschiedenen Signale, die das Neuron erhält. Also alle EPSPs verrechnet mit allen IPSPs (= Synaptische Integration)

Summation von Signalen

Trotz allem: Nicht jedes Endplattenpotential - egal ob von einer erregenden oder hemmenden Synapse stammend - führt auch zu einer Reizüberschreitung in der postsynaptischen Membran. Oft sind mehrere APo's nötig, um tatsächlich zu einer Muskelkontraktion zu führen oder diese zu unterbinden.

Es gibt zwei Arten von Summation, die an einem Soma auftreten können: die zeitliche und die räumliche Summation.

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1. Zeitliche Summation: Innerhalb kürzester Zeit laufen APo's am selben Dendrit in das Soma einer Synapse ein.
2. Räumliche Summation: An einem Neuron laufen gleichzeitig mehrere APo's von verschiedenen Dendriten in das Soma einer Nervenzelle ein.

Beide Arten von Summationen führen zu graduierten PSPs.

Synaptische Vesikel: Mehr als nur Speicher

Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden.

Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt. Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit.

Forschung zu synaptischen Vesikeln

Es ist gelungen, Vesikel, die unterschiedliche Botenstoffe transportieren, voneinander zu trennen und miteinander zu vergleichen. Anders als vorher vermutet, unterscheiden sie sich nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung. Ein zweiter Schwerpunkt der Forschung besteht darin, die Proteinmaschine, die die Membranfusion bewerkstelligt, in ihren funktionellen Details zu verstehen. Für die Fusion selber sind SNARE-Proteine verantwortlich - kleine Proteinmoleküle, die in der Plasmamembran wie in der Vesikelmembran sitzen. Kommen die Membranen nahe aneinander, lagern sich die dieser Proteine aneinander, wobei sie sich in Richtung der Membran wie Taue miteinander verdrillen. Bei dieser Zusammenlagerung wird Energie freigesetzt, die für das Verschmelzen der Membranen benutzt wird. Um zu verstehen, wie diese Zusammenlagerung die Verschmelzung der Membranen bewirkt, wurden die SNARE-Proteine in künstliche Membranen eingebaut, an denen man die Fusion mit hochauflösenden Methoden, darunter der Kryo-Elektronenmikroskopie, untersuchen konnte. Dabei wurden erstmalig Zwischenstufen der Fusionsreaktion identifiziert. Fortschritte sind ebenfalls bei der Frage erzielt worden, wie die einströmenden Calcium-Ionen die Fusionsmaschine aktivieren.

Trotz großer Fortschritte sind die komplexen molekularen Prozesse immer noch nicht vollständig verstanden: Umso erstaunlicher ist es, wie reibungslos Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie effektiv die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert, bei jeder unserer Bewegungen, in unserem Fühlen und Denken. Deshalb forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin daran, diese Prozesse noch besser zu verstehen.

Synaptische Plastizität: Die Grundlage für Lernen und Anpassung

Synapsen sind nicht statisch, sondern unterliegen ständigen Veränderungen. Sie können verstärkt, neu gebildet oder umgebaut werden (synaptische Plastizität). Dementsprechend schwankt die Anzahl der Synapsen im menschlichen Körper. Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.

Diese Anpassungsfähigkeit ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung. Gehirnforscherinnen und -forscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".

Beispiele für synaptische Plastizität:

• Lernen am Instrument: Übst du Klavier, verstärken sich relevante Synapsen im Motorkortex.
• Reflexe: Hast du je die Hand blitzschnell zurückgezogen, nachdem du etwas Heißes berührt hast?
• Lernen unter Stress: Unter Adrenalineinfluss - etwa bei einer Prüfung - werden Synapsen kurzfristig besonders "aufmerksam" und speichern Informationen effizienter.

Störungen der synaptischen Übertragung

Nicht immer funktioniert die synaptische Übertragung reibungslos. Wenn Synapsen nicht richtig funktionieren, ist die Informationsübertragung gestört. Das kann zu Erkrankungen führen. Viele Krankheiten des Gehirns haben ihre Ursache in der Störung der synaptischen Übertragung, z. B. Depressionen oder andere mentale Erkrankungen. Depressionen wiederum werden u. a. mit einem Mangel an bestimmten Neurotransmittern in Verbindung gebracht. Medikamente können die Abläufe an den Synapsen wieder ins Gleichgewicht bringen.

Die Wirkung von einigen Giften beruht darauf, dass die Substanzen die normalen Prozesse an der Synapse stören. Beispielsweise verhindert das Botulinumtoxin (Botox), dass die Vesikel mit den Neurotransmittern mit der präsynaptischen Membran verschmelzen können. Ein anderes Beispiel ist Curare. Dieses Gift wurde von Ureinwohnern Südamerikas zum Jagen verwendet. Curare blockiert an Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen die Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, sodass die Neurotransmitter nicht mehr binden können.

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