Ionenkanäle und ihre Funktion in der Synapse

Synapsen sind essenzielle Verbindungen im Körper, die den Informationsaustausch zwischen Zellen ermöglichen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Behandlung von Krankheiten.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle (z. B. Muskel- oder Drüsenzelle), an der Informationen übertragen werden. Sie ist ein zentraler Bestandteil der Kommunikation im Nervensystems. Synapsen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weitere Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. Die neuromuskuläre Synapse an der motorischen Endplatte des Axons ist ein typisches Beispiel. Sie verbindet das Axon eines Muskelneurons mit einer Muskelfaser. Synapsen sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Informationen in chemische Information erfolgt. Diese Verbindungen zwischen Neuronen, sogenannte interneuronale Synapsen, können auf mehrere Arten ausgestaltet sein: Verbindungen können zwischen Axon, Dendriten und Somata bestehen.

Man unterscheidet chemische und elektrische Synapsen. Chemische Synapsen sind im menschlichen Nervensystem weit verbreitet und übertragen Informationen durch chemische Moleküle (Neurotransmitter). Elektrische Synapsen sind seltener und ermöglichen einen direkten Austausch von Ionenströmen zwischen Zellen.

Aufbau einer chemischen Synapse

Die chemische Synapse besteht typischerweise aus:

• Präsynaptische Membran: Die Membran der sendenden Nervenzelle. Sie enthält Vesikel mit Neurotransmittern, die bei einem elektrischen Signal in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin).
• Synaptischer Spalt: Ein schmaler Raum zwischen der präsynaptischen und postsynaptischen Membran, durch den die Neurotransmitter diffundieren.
• Postsynaptische Membran: Die Membran der empfangenden Zelle. Sie enthält Rezeptoren, die die freigesetzten Neurotransmitter binden. Diese Bindung löst ein Signal in der empfänglichen Zelle aus, was zu einer Erregung oder Hemmung führen kann.

Die Rolle von Ionenkanälen in der synaptischen Übertragung

Ionenkanäle sind integrale Membranproteine, die in allen Zellen vorkommen. Sie lassen Ionen durch die ansonsten undurchlässige Membran passieren, und tun dies (relativ) spezifisch nur für bestimmte Ionen. Sie öffnen und schließen auf spezifische elektrische, chemische oder mechanische Signale. In Neuronen sind sie für die elektrische Aktivität und Signalübertragung unerlässlich. Ionenkanäle regulieren den Fluss von Ionen (z.B. Kalium, Natrium, Calcium, Chlorid) über die Zellmembran. Sie sind Proteine in der Zellmembran, die eine Pore bilden, durch die Ionen passieren können.

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Spannungsabhängige Calciumkanäle

Wenn ein Aktionspotential das Axonende erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran. Der Einstrom von Calcium-Ionen in die Zelle ist entscheidend für die Freisetzung von Neurotransmittern. Das SNARE-Protein Synaptotagmin registriert die erhöhte Calcium-Konzentration und aktiviert die restlichen SNARE-Proteine. Daraufhin interagiert das Protein Synaptobrevin der Vesikelmembran mit dem target-Protein der Zellmembran des Neurons.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle

An der postsynaptischen Membran binden die freigesetzten Neurotransmitter an spezifische Rezeptoren. Viele dieser Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Das bedeutet, dass die Bindung des Neurotransmitters eine Konformationsänderung des Kanals bewirkt, wodurch sich dieser öffnet und spezifische Ionen (z.B. Natrium, Kalium, Chlorid) einströmen können. Je nachdem, welche Ionen einströmen, kann dies zu einer Depolarisation (Erregung) oder Hyperpolarisation (Hemmung) der postsynaptischen Zelle führen.

• Erregende postsynaptische Potentiale (EPSP): Der Einstrom von Natrium-Ionen bewirkt eine Depolarisation bzw. ein EPSP (erregendes postsynaptisches Potenzial) der postsynaptischen Membran.
• Inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSP): Der Einstrom von Chlorid-Ionen oder der Ausstrom von Kalium-Ionen führt dagegen zu einer Hyperpolarisierung bzw. einem IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial).

Bedeutung der Ionen-Selektivität

Eine der wichtigen Eigenschaften von Ionenkanälen ist ihre Ionen-Selektivität. Das bedeutet, dass Ionenkanäle in der Regel nur bestimmte Arten von Ionen durchlassen können. Die Selektivität ist notwendig, damit die Zelle das geeignete Membranpotenzial aufrechterhalten kann. Die Selektivität eines Ionenkanals wird durch die Größe und Form der Pore und durch die ladungstragenden Moleküle, die die Pore umgeben, bestimmt.

So werden beispielsweise in Kaliumkanälen die Natriumionen durch eine spezifische Filtersequenz der Aminosäuren in der Pore herausgefiltert.

Arten von Neurotransmittern und ihre Wirkung

Je nach Transmitter, den eine chemische Synapse freisetzt, erfüllt sie unterschiedliche Aufgaben. Auch der Rezeptor auf der postsynaptischen Membran spielt eine wichtige Rolle bei der Unterscheidung der Funktion.

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• Acetylcholin: Hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren.
• Monoamine (Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Histamin, Serotonin): Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern. Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind. Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
• GABA: Wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems hemmend.
• Neuropeptide: Beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.

Beendigung des Signals an der Synapse

Ein Signal an der Synapse wird beendet, indem die freigesetzten Neurotransmitter auf verschiedene Weise inaktiviert werden.

• Enzymatischer Abbau: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
• Wiederaufnahme in die Präsynapse: Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen.
• Diffusion: Neurotransmitter können aus dem synaptischen Spalt diffundieren und abtransportiert werden.

Synaptische Plastizität und Lernen

Synapsen sind in ihrer Effizienz modifizierbar, d.h., bei hoher neuronaler Aktivität funktioniert die Übertragung besser als bei geringer oder seltener Aktivität. Sie zeigen somit eine gewisse Plastizität und besitzen Lernfunktionen (Lernen) sowie Gedächtnisfunktionen (Gedächtnis). Lernprozesse beruhen auf der synaptischen Plastizität.

Erkrankungen und Störungen der synaptischen Funktion

Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserrregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.

• Depressionen: Bei Depressionen spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Das Immunsystem bildet Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran.
• Myasthenia gravis: Eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Das Immunsystem bildet Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle.
• Vergiftungen: Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase. Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum (Botulinumtoxin) hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte. Das Gift von Clostridium tetani (Tetanustoxin) verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen.

Pharmakologische Beeinflussung von Synapsen

Viele Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen.

• Antidepressiva: Gewisse Antidepressiva verhindern die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse.
• Botulinumtoxin (Botox): Wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es blockiert die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle.
• Ionenkanalblocker: Die Aktivität von Ionenkanälen kann durch verschiedene Substanzen, die als Ionenkanalblocker bezeichnet werden, beeinflusst werden. Diese Blocker können den Ionenfluss durch die Kanäle hemmen oder in einigen Fällen komplett blockieren. Ein Beispiele für Ionenkanalblocker sind Lokalanästhetika wie Lidocain und Novocain, die spannungsabhängige Natriumkanäle blockieren und so die Schmerzempfindung im behandelten Bereich unterdrücken. Beta-Blocker wie Propranolol sind ein weiteres Beispiel für Ionenkanalblocker. Sie blockieren die Beta-Rezeptoren im Herzmuskel, was dazu führt, dass sich die Herzfrequenz verlangsamt und der Blutdruck sinkt.

Ionenkanäle und Membranpotential

Ionenkanäle sind essentiell für das Aufrechterhalten des Membranpotenzials einer Zelle, welches wiederum eine grundlegende Rolle in der Physiologie und Funktion einer Zelle spielt. Das elektrische Membranpotenzial wird durch die ungleiche Verteilung von Ionen auf beiden Seiten der Membran erzeugt und hängt stark von der Aktivität der Ionenkanäle ab. Das Ruhemembranpotenzial ist ein stabiles, leicht negatives elektrisches Potenzial über die Zellmembran. Während des Ruhemembranpotenzials überwiegt die Aktivität von Kaliumkanälen - durch sie kann Kalium aus der Zelle strömen und dadurch die Innenseite der Membran negativ aufladen. Wird die Zelle aktiviert, etwa durch ein ankommendes Aktionspotenzial oder ein chemisches Signal, so können zusätzliche Ionenkanäle geöffnet werden, und die Permeabilität der Membran kann sich ändern. Bei einem Aktionspotenzial in einer Nervenzelle öffnen sich zunächst die Natriumkanäle, was zu einer raschen Depolarisation der Membran führt. Anschließend öffnen sich Kaliumkanäle, die zur Repolarisation und Hyperpolarisation der Membran beitragen.

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