Funktionsweise der Synapse: Ein umfassender Überblick

Das menschliche Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das ständig Reize weiterleitet und verarbeitet. Diese Reize, auch Erregungen genannt, entstehen durch Sinneseindrücke wie Sehen, Riechen, Fühlen, Schmecken oder Hören. Sie werden von ihrem Entstehungsort, beispielsweise dem Finger, zum Gehirn transportiert. Der Körper nutzt dafür Nervenzellen, die an ihren Enden Synapsen aufweisen. Diese Synapsen haben die Aufgabe, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle weiterzugeben.

Die Synapse: Schaltstelle der Reizweiterleitung

Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, die sich in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise unterscheiden. Grundsätzlich lassen sich elektrische und chemische Synapsen unterscheiden.

Elektrische Synapsen

Bei elektrischen Synapsen wird das Signal direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Diese Art von Synapsen kommt im menschlichen Körper eher selten vor und findet sich dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.

Chemische Synapsen

Chemische Synapsen sind im menschlichen Körper viel häufiger anzutreffen. Hier wird die Erregung nicht direkt elektrisch weitergeleitet, sondern durch chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter. 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 einer chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:

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• Präsynapse: Das ist das Ende der Nervenzelle, die das Signal sendet. Hier befinden sich synaptische Endknöpfchen, die mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel enthalten.
• Synaptischer Spalt: Ein schmaler Spalt (ca. 20-40 nm) zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran.
• Postsynapse: Der Teil der nachfolgenden Zelle (Nervenzelle, Muskelzelle oder Drüsenzelle), die das Signal empfängt. Hier befindet sich die postsynaptische Membran mit Rezeptoren für die Neurotransmitter.

Als Beispiel hier eine chemisch-neuromuskulären-Synapse (Verbindung von Nervenzelle und Muskelzelle (Motorische Endplatte)):

Abb. 1: Schema einer Synapse

Funktionsweise der chemischen Synapse

Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig:

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) → Spannungsänderung!
2. Öffnung der Calciumkanäle: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen → Positivierung → Depolarisation der Membran!
4. Vesikelbewegung 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.
5. Diffusion durch den synaptischen Spalt: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
7. Ionenstrom und postsynaptisches Potential: Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen nun beispielsweise Natrium-Ionen (Na+) ein und es kommt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran. Ein Aktionspotenzial entsteht und wird weitergeleitet. 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.
8. Inaktivierung des Neurotransmitters: Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung. 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. Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
9. Recycling der Neurotransmitter: Acetat und Cholin → zurück zur präsynaptischen Membran → aktiv aufgenommen. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin → Acetylcholin.

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.

Motorische Endplatte: Die neuromuskuläre Synapse

Die motorische Endplatte ist eine spezielle Form der chemischen Synapse, die die Verbindung zwischen einer Nervenzelle (Neuron) und einer Muskelzelle herstellt. Sie wird auch als neuromuskuläre Synapse bezeichnet. Die motorische Endplatte ist für die Übertragung von Nervenimpulsen auf die Muskulatur verantwortlich, was zur Kontraktion des Muskels führt.

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Aufbau der motorischen Endplatte

Die motorische Endplatte besteht aus folgenden Komponenten:

• Präsynapse: Das Endknöpfchen des Axons eines alpha-Motoneurons. Hier werden die Neurotransmitter in Vesikeln gespeichert. Der präsynaptische Neurotransmitter, also Botenstoff, der durch ein Signal in den synaptischen Spalt abgegeben wird, ist immer der Transmitter Acetylcholin, kurz ACh.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran. Im synaptischen Spalt lässt sich außerdem die ACh-Esterase auffinden. Dies ist ein Enzym, welches den präsynaptischen Neurotransmitter spaltet, nachdem er an der Postsynapse angedockt ist.
• Postsynapse: Die Membran der Muskelzelle (Sarkolemm), die Rezeptoren für Acetylcholin enthält. Auch diese ist aufgefaltet und in ihrer Membran befinden sich viele Rezeptoren für das präsynaptische ACh.

Funktion der motorischen Endplatte

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen des Motoneurons.
2. Calcium-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein.
3. Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Acetylcholin bindet an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle.
5. Natriumkanäle öffnen sich, und Natrium strömt in die Muskelzelle ein.
6. Ein Endplattenpotential (EPP) entsteht, das die Muskelzelle depolarisiert.
7. Wenn das EPP stark genug ist, wird ein Aktionspotential in der Muskelzelle ausgelöst.
8. Das Aktionspotential breitet sich über die Muskelzelle aus und führt zur Muskelkontraktion.
9. Acetylcholin wird durch Acetylcholinesterase abgebaut, um die Erregung zu beenden.

Motorische Einheit

Ein alpha-Motoneuron innerviert eine bestimmte Anzahl an Muskelzellen und Muskelfasern. Diese Gesamtheit der Muskelzellen, die von einem Nerv innerviert werden, wird als die motorische Einheit dieses Neurons bezeichnet.

Unterschied zur interneuronalen Synapse

In der folgenden Tabelle wird eine Synapse, die zwischen zwei Nervenzellen besteht, mit der motorischen Endplatte verglichen, damit die Unterschiede eindeutiger zu erkennen sind.

	Motorische Endplatte	Interneuronale Synapse
Erregungsübertragung	Elektrisch, dann chemisch	Elektrisch, dann chemisch
		In seltenen Fällen nur elektrisch
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 beeinflusst werden:

• Nikotin: Kann an die synaptischen Kanäle an der motorischen Endplatte andocken und die Rezeptoren der Membran hemmen. Damit verlangsamt es die Erregungsübertragung an der Membran auf die Muskelfaser, beziehungsweise Muskelzelle.
• Botulinumtoxin ("Botox"): Unterbindet die Ausschüttung von ACh und führt somit zur Relaxation des Muskels.

Krankheiten der motorischen Endplatte

Eine Störung der motorischen Endplatte kann zu verschiedenen Erkrankungen führen:

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• Myasthenia gravis: Hierbei werden die ACh-Rezeptoren an der Membran der Postsynapse durch Autoantikörper besetzt, was zu einer Belastungsschwäche der Muskeln führt.

Erregende und hemmende Synapsen

Es gibt zwei Arten an chemisch-interneuronalen Synapsen:

• 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).
• 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 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

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

• Zeitliche Summation: Innerhalb kürzester Zeit laufen APo's am selben Dendrit in das Soma einer Synapse ein.
• 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.

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