Wie Erregungen an einer Synapse übertragen werden - Einfach erklärt

Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische sowie chemische Potenziale angewandt werden - und das im Bruchteil einer Sekunde. Denn nur so können wir schnell reagieren, beispielsweise im Straßenverkehr, wenn wir einem Auto ausweichen müssen. Im menschlichen Körper werden ständig Reize weitergeleitet und verarbeitet. Reize, die man auch Erregungen nennt, können beispielsweise durch die Sinneseindrücke (sehen, riechen, fühlen, schmecken, hören) entstehen. Diese werden von ihrem Entstehungsort (z.B. dem Finger) bis zum Gehirn transportiert. Dafür nutzt der Körper sogenannte Nervenzellen, die an Ihren Enden die Synapsen aufweisen. Diesen kommt die spezielle Aufgabe zu, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle zu übergeben.

Grundlagen der Reizweiterleitung im Nervensystem

Ganz allgemein kann ein Reiz unterschiedlicher Natur sein: zum Beispiel das Wahrnehmen einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz. Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung, die nicht verarbeitet werden kann, zu verhindern.

Viele Axone im peripheren Nervensystem (der Teil des Nervensystems, der nicht zu Gehirn und Rückenmark gehört) werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen = Hüll- und Stützzellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen - die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung).

Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron folgende Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen (zum Beispiel Eiweiß), während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ.

Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.

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Die Rolle der Synapse bei der Erregungsübertragung

Noch ist das Nervensystem des Fußballers nicht so weit, dass es einen Stimulus an die Muskeln aussenden und er den Ball des Mitspielers annehmen kann. Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (sogenannte Neurotransmitter) aus. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.

Die Synapse stellt den essenziellen Verbindungspunkt einer Nervenzelle dar und ermöglicht die Übertragung eines chemischen oder elektrischen Signals auf eine andere Nerven- oder Körperzelle. An der Synapse passiert die Weiterleitung von Nervenimpulsen zwischen Nervenzellen - ein faszinierender Prozess, der das gesamte Nervensystem am Laufen hält.

Arten von Synapsen

Im Körper gibt es verschiedene Arten von Synapsen. Generell lassen sie sich in chemische und elektrische Synapsen einteilen.

• Elektrische Synapse (Gap Junction): In einer elektrischen Synapse wird das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne einen Neurotransmitter als Botenstoff zu verwenden. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.
• Chemische Synapse: Bei einer chemischen Synapse findet die Übertragung durch in Vesikel verpackte chemische Stoffe, die sogenannten Neurotransmitter, statt. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen. Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden.

Aufbau und Funktion der chemischen Synapse

Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Die Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle. Dies kann wiederum eine Nervenzelle sein, aber auch eine ganz andere 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.

Eine Synapse besteht aus drei Bereichen:

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1. Präsynaptische Membran: Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
2. Synaptischer Spalt: Der synaptische Spalt ist der kleine Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden.
3. Postsynaptische Membran: Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle. Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt. An der postsynaptischen Membran warten Rezeptorproteine, die perfekt zu den Transmittermolekülen passen. Wenn sie sich verbinden, öffnen sich Natriumkanäle und Na+-Ionen strömen hinein.

Der Ablauf der Erregungsübertragung an der chemischen Synapse

Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig. Die Erregungsübertragung läuft wie eine perfekt choreographierte Kettenreaktion ab. Die synaptischen Bläschen wandern zur präsynaptischen Membran und verschmelzen mit ihr.

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, führt dies zu einer Spannungsänderung. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) $\rightarrow$ Spannungsänderung! Die Präsynapse wird durch ein ankommendes Aktionspotenzial depolarisiert, was - nach Einströmen extrazellulärer Ca2+-Ionen - eine Freisetzung der Transmittersubstanz (z.B. Acetylcholin) in den synaptischen Spalt bewirkt.
2. Öffnung der Calciumkanäle: Daraufhin öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Ausschüttung der Neurotransmitter: Die synaptischen Bläschen (Vesikel), die ca. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
4. Diffusion der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter, zum Beispiel Acetylcholin, diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, wo sie an rezeptorgesteuerte Ionenkanäle binden. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
5. Bindung an Rezeptoren: 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. Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
6. ** postsynaptisches Potential:** 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. Erregende Synapsen sorgen dafür, dass das Potential der nachgeschalteten Zelle positiver wird. Hemmende Synapsen funktionieren genau anders herum als erregende. Ihre Transmitter öffnen Chloridkanäle statt Natriumkanäle.
7. Inaktivierung der Neurotransmitter: Mit der Zeit wird das Acetylcholin enzymatisch durch Acetylcholinesterase in Cholin und Acetat zerlegt, die dann wieder in die Präsynapse aufgenommen werden. Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Acetat und Cholin $\rightarrow$ zurück zur präsynaptischen Membran $\rightarrow$ aktiv aufgenommen. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden. Im synaptischen Spalt wird der Transmitter wieder inaktiviert, im vorliegenden Fall spaltet das Enzym Acetylcholinesterase Acetylcholin in Cholin und Essigsäure (Acetat).
8. Recycling der Neurotransmitter: Dort werden aus Cholin und Acetat erneut Acetylcholin synthetisiert und in Vesikel verpackt, um für die Weiterleitung eines neuen Potenzials bereit zu sein. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin $\rightarrow$ Acetylcholin. Während dieser Zeit kann auf kein neues Aktionspotenzial reagiert werden.

Bedeutung von Neurotransmittern

Definition: Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die von Nervenzellen freigesetzt werden, um Signale an andere Zellen zu übertragen. Die Erregungsübertragung kann durch an verschiedenen Stellen angreifende Synapsengifte unterbrochen werden, z. B. die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen.

Highlight: Acetylcholin spielt eine zentrale Rolle bei der Erregungsübertragung an der Synapse, insbesondere an der neuromuskulären Endplatte, wo es für die Muskelkontraktion verantwortlich ist. Nikotin aktiviert zusätzlich Acetylcholinrezeptoren, während Atropin sie blockiert. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert. Insektizide wie E605 hemmen die Acetylcholinesterase, das Enzym, das normalerweise die Transmitter abbaut.

Reizcodierung und Synapsengifte

Die Reizcodierung ist ziemlich clever: Entlang des Axons wird die Reizstärke über die Frequenz der Aktionspotentiale übertragen. Synapsengifte können diesen Prozess ordentlich durcheinanderbringen.

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