Die Informationsübertragung an der Synapse ist ein fundamentaler Prozess in der Neurobiologie, der die Grundlage für die Kommunikation zwischen Nervenzellen und anderen Zellen im Körper bildet. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte dieses komplexen Vorgangs, von den beteiligten Strukturen über die unterschiedlichen Synapsentypen bis hin zu den Faktoren, die die synaptische Übertragung beeinflussen können.
Grundlagen der neuronalen Informationsübertragung
Die Schüler setzen sich mit den Grundprinzipien der Informationsübertragung bei Neuronen auseinander. Dabei lernen sie nach dem Grundsatz „die Form bestimmt die Funktion“ zunächst den Aufbau eines Neurons kennen, um sich anschließend den elektrischen Vorgängen der Informationsübertragung am Axon und den stofflichen Vorgängen an den Synapsen und deren Beeinflussung zu widmen. Ebenso wird die Informationsverrechnung vieler Neuronen betrachtet.
Das Neuron: Die Basiseinheit des Nervensystems
Das Neuron, auch Nervenzelle genannt, ist die grundlegende Baueinheit des Nervensystems. Es besteht aus einem Zellkörper (Soma), Dendriten und einem Axon. Die Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen, während das Axon Signale an andere Zellen weiterleitet.
Das Aktionspotenzial: Der elektrische Impuls
Die Erregung einer Nervenzelle wird innerhalb des Neurons als Aktionspotenzial elektrisch vom Zellkörper über das Axon bis zum synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet. An marklosen Nervenfasern entstehen Ausgleichsströmchen, die für eine Depolarisation der Membran im direkten Umfeld sorgen. Bei markhaltigen Nervenfasern können nur an den Schnürringen Natriumionenkanäle in Aktion treten. Das Aktionspotenzial wandert immer vom Axonhügel über das Axon bis zum Endknöpfchen.
Die Synapse: Schaltstelle der Informationsübertragung
Die Synapse stellt den essenziellen Verbindungspunkt einer Nervenzelle dar und ermöglicht die Übertragung eines chemischen oder elektrischen Signals auf eine andere Nerven- oder Körperzelle. Die Aufgabe der Synapsen ist die Reizübertragung bzw. Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen.
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Aufbau einer Synapse
Eine Synapse lässt sich in drei Abschnitte gliedern:
- Präsynapse: Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Die präsynaptische Zelle ist das Neuron, von dem die Information kommt.
- 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. Der synaptische Spalt ist der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran. vergleichsweise recht engen synaptischen Spalt.
- Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle. Die postsynaptische Zelle ist die Empfängerin der Informationsübertragung in einer Synapse.
Ablauf der Informationsübertragung an der Synapse
- Aktionspotenzial erreicht Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, führt dies zu einer Spannungsänderung. An der Synapse wird das Aktionspotenzial auf benachbarte Zellen übertragen.
- Öffnung von Calciumkanälen: Daraufhin öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert. Erreicht ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen, öffnen sich Ionenkanäle in der Zellmembran. Der Anstieg der Ionenkonzentration in den Nervenzellen bewirkt, dass die Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen.
- Freisetzung von Neurotransmittern: Die Neurotransmitter, zum Beispiel Acetylcholin, diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, wo sie an rezeptorgesteuerte Ionenkanäle binden. Im Endknöpfchen befinden sich Vesikel mit Botenstoffen, den Neurotransmittern. Erreicht ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen, verschmelzen die Vesikel mit der präsynaptischen Membran und entlassen die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt.
- Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter gelangen daraufhin in den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Diese Bindung hat zur Folge, dass sich in der postsynaptischen Zelle Ionenkanäle öffnen und ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Die Neurotransmitter diffundieren schnell zur postsynaptischen Membran und binden dort an spezifische Rezeptoren. Dies löst eine Konformationsänderung der Rezeptorproteine aus und öffnet Ionenkanäle.
- Beendigung des Signals: Mit der Zeit wird das Acetylcholin enzymatisch durch Acetylcholinesterase in Cholin und Acetat zerlegt, die dann wieder in die Präsynapse aufgenommen werden. Dort werden aus Cholin und Acetat erneut Acetylcholin synthetisiert und in Vesikel verpackt, um für die Weiterleitung eines neuen Potenzials bereit zu sein. Anschließend werden die Neurotransmitter durch Enzyme gespalten und die Spaltprodukte von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen. Die Neurotransmitter lösen sich von den Rezeptoren, werden enzymatisch zerlegt und wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen. Während dieser Zeit kann auf kein neues Aktionspotenzial reagiert werden.
Arten von Synapsen
Im Körper gibt es verschiedene Arten von Synapsen. Generell lassen sie sich in chemische und elektrische Synapsen einteilen. Es existieren hemmende und erregende Synapsen mit unterschiedlichen Transmittern.
Chemische Synapsen
Bei einer chemischen Synapse findet die Übertragung durch in Vesikel verpackte chemische Stoffe, die sogenannten Neurotransmitter, statt. Die Signalübertragung erfolgt über Neurotransmitter.
Elektrische Synapsen
In einer elektrischen Synapse (auch Gap Junction genannt) wird das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne einen Neurotransmitter als Botenstoff zu verwenden. Die elektrische Synapse besteht aus zwei Poren- oder Kanalproteinen, die direkt miteinander verbunden sind. Zellmembranen gehende Pore bilden, durch die Na+-Ionen und andere Ionen strömen können. Die Kanäle sind in beide Richtungen durchlässig (bidirektional). Komplexe Verrechnungs- oder Verstärkungseffekte sind bei elektrischen Synapsen nicht möglich, dies ist ein Spezialgebiet der chemischen Synapsen. Neben chemischen Synapsen gibt es auch einen Übertragungsweg an sogenannten elektrischen Synapsen. bei Wirbellosen.
Erregende und hemmende Synapsen
Es existieren hemmende und erregende Synapsen mit unterschiedlichen Transmittern. Potentiale (EPSP) und hemmende Synapsen hemmende (inhinitatorische) postsynaptische Potentiale durch Hyperpolaristaion der postsynaptisches Membran. Die Bindung des Neurotransmitters bewirkt eine Hyperpolarisation der Postsynapse. Die Bindung des Neurotransmitters führt zu einer Hyperpolarisation der Postsynapse.
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Beeinflussung der synaptischen Übertragung
Die Informationsübertragung an der Synapse kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, darunter:
- Medikamente: Medikamente können die Abläufe an den Synapsen wieder ins Gleichgewicht bringen. Medikamente haben beispielsweise auch interessante Möglichkeiten, durch ihre Wirkung in die Tätigkeit der Synapse einzugreifen.
- Gifte: 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. Verkürzter Entwurf zur Wirkung des Neurotoxins Nowitschok. SuS. UPP- Unterrichtspraktische Prüfung mit sehr gut bewertet (Entwurf und Stunde). Das Nervengift Nowitschock - Molekulare Wirkungsmechanismus. Einzel- und Partnerarbeit.
- Krankheiten: Viele Krankheiten des Gehirns haben ihre Ursache in der Störung der synaptischen Übertragung, z. B. Depressionen oder andere mentale Erkrankungen. Wenn Synapsen nicht richtig funktionieren, ist die Informationsübertragung gestört. Das kann zu Erkrankungen, z. B.
Synaptische Plastizität
Synapsen unterliegen ständigen Veränderungen. Sie können verstärkt, neu gebildet oder umgebaut werden (synaptische Plastizität). Dementsprechend schwankt die Anzahl der Synapsen im menschlichen Körper.
Bedeutung der Synapsen für das Nervensystem
Die Informationsübertragung an der Synapse ist ein essenzieller Prozess für die Funktion des Nervensystems. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen und anderen Zellen im Körper, die für eine Vielzahl von Funktionen wie Bewegung, Wahrnehmung, Denken und Gedächtnis notwendig ist.
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