Die Synapse ist eine essenzielle Struktur für die Erregungsübertragung im Nervensystem. Sie stellt die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskel-, Sinnes- oder Drüsenzelle dar. Dabei wird die Erregung von einer Zelle zur nächsten übertragen, wobei elektrische in chemische Informationen umgewandelt werden können.
Grundlagen der Synapse
Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Die neuromuskuläre Synapse, auch als motorische Endplatte bekannt, 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 Information in chemische Information erfolgt. Diese Verbindungen zwischen Neuronen, sogenannte interneuronale Synapsen, können auf verschiedene Arten ausgestaltet sein: Verbindungen können zwischen Axon, Dendriten und Somata bestehen.
Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen:
- Chemische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.
- Elektrische Synapse: 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 elektrische Synapse spielt im Schulunterricht meist keine Rolle!
Der Aufbau einer Synapse
Eine Synapse besteht vereinfacht gesehen aus drei Bereichen. An den Enden von Nerven- oder Sinneszellen befindet sich der präsynaptische Teil der Synapsen, der winzige Bläschen (Vesikel) mit Botenstoffen, die auch Neurotransmitter genannt werden, enthält. In der folgenden Abbildung sind die drei Teile einer Synapse bzw. Das Endknöpfchen stellt den präsynaptischen Teil der ersten Nervenzelle (blau) dar, die Rezeptoren gehören zum postsynaptischen Teil und sind damit ein Bestandteil der nachgeschalteten Nervenzelle (lila).
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Das Endknöpfchen
Das Axon der Nervenzelle endet in einem Endknöpfchen, das durch den synaptischen Spalt von der Muskelfasermembran getrennt ist. Wie bei der interneuronalen Synapse enthält das Endknöpfchen synaptische Vesikel mit Neurotransmittern.
Der synaptische Spalt
Nervenzellen sind in der Regel nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Das heißt: Um eine Information von einer Zelle zur nächsten übertragen zu können, muss eine Lücke überwunden werden. Diese Lücke nennt sich synaptischer Spalt.
Die Membran
Die Synapse Aufbau einer interneuronalen Synapse besteht aus mehreren wichtigen Komponenten. Das Endknöpfchen enthält die präsynaptische Membran, gefolgt vom synaptischen Spalt und der postsynaptischen Membran.
Die Funktion der Synapse
Mithilfe der Nervenzellen und ihrer Synapsen werden wahrgenommene Reize weitergeleitet und meist in chemische Signale umgewandelt, die eine Reaktion der Zielorgane bzw. der Muskeln hervorrufen. Legst du zum Beispiel eine Hand auf eine heiße Herdplatte, ziehst du diese unwillkürlich und blitzschnell zurück. Der Reiz „Hitze“ wird von den Sinneszellen der Haut wahrgenommen und über die Sinnesnerven als elektrische Erregung weitergeleitet. Diese elektrische Erregung gelangt zum präsynaptischen Endknopf (bzw.
Ablauf der Signalübertragung
- Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Die Synapse Funktion beginnt mit dem Eintreffen eines Aktionspotentials am Endknöpfchen. Dies führt zur Depolarisation und Öffnung von Calciumkanälen.
- Calcium-Einstrom: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung! Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich. Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran! Calciumionen-Einstrom => Ionenveränderung führt zur Signalweitergabe!
- Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Diffusion und Bindung: Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran.
- Öffnung der Ionenkanäle: Acetylcholin bindet an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelfaser. Dies führt zur Öffnung von Natriumkanälen und zur Ausbildung eines Endplattenpotentials.
- Signalweiterleitung: Dies führt zur Öffnung von Natriumkanälen in der postsynaptischen Membran.
- Abbau und Recycling: Nach der Signalübertragung werden die Neurotransmitter entweder von Enzymen im synaptischen Spalt abgebaut oder durch Vesikel wieder in das Endknöpfchen aufgenommen, um für zukünftige Übertragungen wiederverwendet zu werden. Nach der Signalübertragung wird Acetylcholin durch das Enzym Cholinesterase abgebaut und recycelt. Dies beendet die Erregung und bereitet die Synapse auf die nächste Übertragung vor.
Die Rolle von Neurotransmittern
Im Axon-Endknöpfchen befinden sich kleine Bläschen (Vesikel), die chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) enthalten. Wenn ein elektrischer Impuls im Endknöpfchen ankommt, verschmelzen die Vesikel mit der Zellmembran und die Botenstoffe werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Aus dem elektrischen Signal wird also ein chemisches. An der Zellmembran der Empfängerzelle sitzen spezielle Andockstellen (Rezeptormoleküle) für die Botenstoffe. Wenn ein Transmitter an ein Rezeptormolekül bindet, wird in der Empfängerzelle wieder ein elektrisches Signal ausgelöst, das sich entlang der Zelle fortpflanzen kann. So werden Nervenimpulse von Zelle zu Zelle weitergegeben.
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Ionotrope und metabotrope Rezeptoren
- ionotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
- metabotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt; z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen
Die neuromuskuläre Synapse
Die neuromuskuläre Synapse, auch als motorische Endplatte bekannt, ist eine spezielle Art von Synapse, die die Verbindung zwischen einer Nervenzelle und einer Muskelfaser herstellt. Das Axon der Nervenzelle endet in einem Endknöpfchen, das durch den synaptischen Spalt von der Muskelfasermembran getrennt ist. Wie bei der interneuronalen Synapse enthält das Endknöpfchen synaptische Vesikel mit Neurotransmittern. Die neuromuskuläre Synapse Funktion beginnt mit dem Eintreffen eines Aktionspotentials am Endknöpfchen. Dies führt zur Depolarisation und Öffnung von Calciumkanälen. Acetylcholin bindet an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelfaser. Dies führt zur Öffnung von Natriumkanälen und zur Ausbildung eines Endplattenpotentials. Nach der Signalübertragung wird Acetylcholin durch das Enzym Cholinesterase abgebaut und recycelt. Dies beendet die Erregung und bereitet die Synapse auf die nächste Übertragung vor.
Elektrische Synapsen im Detail
Bei den elektrischen Synapsen wird die Information direkt durch Ionenströme von der präsynaptischen Zelle auf die postsynaptische Zelle übertragen. Bereits 1959 haben Edwin Furspan und David Potter entdeckt, dass die Informationsübertragung beim Motoneuron einer großen Garnelenart durch elektrische Synapsen realisiert wird. Michael Bennett entdeckte im gleichen Jahr elektrische Synapsen im japanischen Kugelfisch. Wie genau die Übertragung der Information funktionierte, konnten die Forscher Ende der 50er Jahre aber noch nicht sagen, sie konnten nur nachweisen, dass keine Neurotransmitter bei der Informationsübertragung beteiligt sind, und so etwas wie einen synaptischen Spalt konnte man im Elektronenmikroskop auch nicht entdecken. Seit Mitte der 90er Jahr weiß man aber, wie eine elektrische Synapse aufgebaut ist und wie sie funktioniert.
Elektrische Synapsen sind wesentlich schneller als chemische Synapsen, da keine Umwandlung elektrisch → chemisch → elektrisch stattfinden muss, was ungefähr eine halbe Millisekunde dauert (das ist lang im Vergleich zu einer elektrischen Übertragung). Bei Schaltkreisen, bei denen es auf extrem hohe Geschwindigkeit ankommt (zum Beispiel Fluchtreflexe oder komplexen Analyseprozessen) werden hauptsächlich elektrische Synapsen eingesetzt. Auch in der menschlichen Netzhaut finden sich elektrische Synapsen, und zwar zwischen den Amakrinzellen und den Bipolarzellen. Sie beschleunigen hier die Auswertung der optischen Informationen, die auf die Photorezeptoren einwirken. Komplexe Verrechnungs- oder Verstärkungseffekte sind bei elektrischen Synapsen nicht möglich, dies ist ein Spezialgebiet der chemischen Synapsen. Im Grunde besteht eine elektrische Synapse aus zwei Poren- oder Kanalproteinen, die direkt miteinander verbunden sind.
Spezielle Beispiele und Mechanismen
Bei der Meeresschnecke Aplysia (Seehase) hat man viele Versuche zur synaptischen Übertragung gemacht. Reizt man den Schwanz von Aplysia mechanisch, so reagiert das Tier nahezu sofort mit der Freisetzung von blauvioletter Tinte, ähnlich wie ein Tintenfisch. Das sensorische Neuron im Schwanz ist über drei chemische Synapsen mit drei Motoneuronen verbunden, diese sind über chemische Synapsen mit einer Tintendrüse verknüpft. Wenn die Motoneurone Neurotransmitter ausschütten, wird die Tinte schlagartig ausgestoßen. Um diese Synchronisierung der drei Motoneurone zu gewährleisten, sind die Motoneurone über elektrische Synapsen miteinander verbunden.
Synaptische Plastizität
Die Vernetzung von Nervenzellen über die Synapsen ermöglicht uns, unser Verhalten flexibel an verschiedene Situationen anzupassen. Wiederkehrende Aktivitäten können zu langfristigen Veränderungen in der Kommunikation zwischen Neuronen führen. Auf diesem Weg lernen wir. Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen wenige tausendstel Millimeter lange Fortsätze.
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Synapsen unterliegen ständigen Veränderungen. Sie können verstärkt, neu gebildet oder umgebaut werden (synaptische Plastizität). Dementsprechend schwankt die Anzahl der Synapsen im menschlichen Körper.
Um einen synaptischen Kontakt herzustellen, wachsen bei einander gegenüberliegenden Nervenzellen diese Fortsätze zu pilzartigen Strukturen. Auf der vorgeschalteten Seite des Neurons - da, wo der Reiz herkommt - bilden sich axonale Endknöpfchen. Auf der gegenüberliegenden Empfängerseite entstehen so genannte dendritische Dornen. Das Zusammenspiel beider Fortsätze ermöglicht den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Nervenzellen. Dabei gilt die Lernregel: Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander.
Einfluss von Dopamin
Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen dabei die sinnliche Wahrnehmung und damit Entscheidungen. Hungrige Tiere bewerten Gerüche und Geschmack höher als sonst. Denn in solchen Fällen wird in verschiedenen Hirnregionen an den Synapsen verstärkt das „Belohnungshormon“ Dopamin ausgeschüttet.
Die Rolle von RNA
Bei Nervenzellen wird ein Teil der RNA, der Abschrift der DNA, nicht nur im Zellkörper, sondern auch vor Ort an den Dendriten in neue Proteine übersetzt. Zu diesem Zweck muss die Abschrift zielgerichtet zu den Synapsen transportiert werden. Wie sich herausstellte, zirkulierte dieselbe RNA immer wieder vom Zellkörper in die Fortsätze und zurück, bis sie von einer Synapse benötigt wurde. Dabei dienen bestimmte Erkennungssequenzen in der RNA als eine Art Briefmarke für den Transport und sorgen dafür, dass die Abschrift an die richtigen Stellen der Zelle gelangt.
Synapsen und Krankheiten
Viele Krankheiten des Gehirns haben ihre Ursache in der Störung der synaptischen Übertragung, z. B. Depressionen oder andere mentale Erkrankungen. Medikamente können die Abläufe an den Synapsen wieder ins Gleichgewicht bringen.
Synapsengifte
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.
Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper und selbst schwächere Signale können bereits eine Depolarisation auslösen. Kokain bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Dopamin spielt eine Rolle bei der Motivations- und Emotionsregulation und ist auch als Botenstoff des Glücks bekannt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert. Dadurch ist ein Vielfaches der normalen Botenstoffmenge im synaptischen Spalt vorhanden und die nachfolgende Zelle wird dauergereizt.
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