Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Körper, die einen sicheren Informationsaustausch zwischen Zellen ermöglichen. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Krankheiten und deren Behandlung. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion der Nervenzelle und ihrer ersten Synapse, wobei ein besonderer Fokus auf die chemischen und elektrischen Synapsen, die beteiligten Neurotransmitter und die Bedeutung für medizinische Zwecke gelegt wird.
Die Synapse: Schaltstelle der Informationsübertragung
Eine Synapse ist der Bereich, in dem eine Nervenzelle (Neuron) mit einer anderen Zelle in Kontakt tritt. Ihre Hauptaufgabe ist die Weiterleitung von Signalen. Ein elektrischer Impuls wandert durch die fein verästelten Ausläufer der Zelle zur Synapse, wo er an die Nachbarzelle weitergegeben werden kann. Da ein winziger Spalt zwischen den Zellen überwunden werden muss, übernehmen dies Moleküle, die Neurotransmitter.
Chemische versus elektrische Synapsen
Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen: chemische und elektrische. Chemische Synapsen sind im menschlichen Nervensystem weit verbreitet und ermöglichen die Informationsübertragung durch den Austausch chemischer Moleküle, den Neurotransmittern. Elektrische Synapsen hingegen sind seltener und ermöglichen einen direkten Austausch von Ionenströmen zwischen den Zellen.
Aufbau und Funktion der chemischen Synapse
Die chemische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Präsynapse: Das Ende des Axons der sendenden Nervenzelle.
- Synaptischer Spalt: Ein schmaler Raum zwischen der Prä- und Postsynapse.
- Postsynapse: Die Membran der empfangenden Zelle, die Rezeptoren für Neurotransmitter enthält.
Der Ablauf der Signalübertragung
- Erregung erreicht das Axonende: Ein Aktionspotential erreicht das Axonende der präsynaptischen Zelle.
- Calcium-Einstrom: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich, was zu einem Einstrom von Calcium-Ionen in die Zelle führt.
- Vesikel-Fusion: Die erhöhte Calcium-Konzentration aktiviert SNARE-Proteine, die die Verschmelzung von Vesikeln mit der Zellmembran auslösen. Diese Vesikel sind mit Neurotransmittern gefüllt.
- Neurotransmitter-Freisetzung: Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
- Reaktion in der Zielzelle: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst eine Reaktion in der Zielzelle aus, die entweder erregend oder hemmend sein kann.
- Beendigung des Signals: Das Signal wird beendet, indem die Neurotransmitter abgebaut, wieder aufgenommen oder aus dem synaptischen Spalt entfernt werden.
Die Rolle der Neurotransmitter
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die für die Signalübertragung an der Synapse unerlässlich sind. Sie werden in Vesikeln im Zytoplasma des Axonendes gespeichert und bei Bedarf freigesetzt. Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen und an spezifische Rezeptoren binden.
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- Acetylcholin: Ein Neurotransmitter, der häufig erregende Eigenschaften hat und eine wichtige Rolle bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark spielt.
- Monoamine: Dazu gehören Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Histamin und Serotonin. Diese Neurotransmitter sind an verschiedenen Prozessen beteiligt, wie z.B. der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus, der Stimmung und des emotionalen Erlebens.
- GABA: Eine Aminosäure, die im zentralen Nervensystem eine hemmende Wirkung hat.
- Neuropeptide: Eine vielfältige Gruppe von Neurotransmittern, die Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen beeinflussen.
Die elektrische Synapse
Im Gegensatz zur chemischen Synapse sind Prä- und Postsynapse bei elektrischen Synapsen über Gap Junctions verbunden. Diese Zell-Zell-Kontakte ermöglichen den direkten Austausch von Ionenströmen zwischen den Zellen. Elektrische Synapsen ermöglichen eine sehr schnelle Signalübertragung, da keine Neurotransmitter freigesetzt werden müssen. Sie finden sich vor allem dort, wo eine rasche Reizübertragung erforderlich ist, beispielsweise bei Fluchtreflexen.
Bedeutung der Synapsen für Lernen und Gedächtnis
Lernen und Gedächtnis sind eng mit den Synapsen verbunden. Übung und Erfahrung verbessern die Weiterleitung von Signalen an den Synapsen und können auch zum Aufbau weiterer Synapsen zwischen zwei Zellen führen. Diese synaptische Plastizität, die Fähigkeit der Synapsen, sich in ihrer Stärke zu verändern, ist eine wichtige Grundlage für Lernprozesse.
Synapsen und Erkrankungen
Störungen der synaptischen Funktion können zu verschiedenen Erkrankungen führen.
- Epilepsie: Bei vielen Menschen mit Epilepsie sind Mutationen in Proteinen bekannt, die an der Vesikelfusion beteiligt sind.
- Depressionen: Störungen der synaptischen Signalübertragung, insbesondere der Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, spielen eine zentrale Rolle bei Depressionen.
- Lambert-Eaton-Syndrom: Eine Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle gebildet werden.
- Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, bei der Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren gebildet werden, was die Signalweiterleitung an der neuromuskulären Synapse beeinträchtigt.
Toxine und Synapsen
Auch Gifte und Toxine von Krankheitserregern können die Funktion der Synapsen beeinträchtigen.
- Parathion (E 605): Dieser Phosphorsäureester führt zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, was zu einer Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen führt.
- Botulinumtoxin: Dieses Gift des Bakteriums Clostridium botulinum verhindert die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur.
- Tetanustoxin: Das Gift von Clostridium tetani verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, indem es Synaptobrevin abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.
Therapeutische Anwendungen
Die Kenntnis der synaptischen Funktion hat auch zu therapeutischen Anwendungen geführt.
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- Botulinumtoxin (Botox): Wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen, indem es die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Synapse blockiert.
- Antidepressiva: Bestimmte Antidepressiva verhindern die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse, wodurch die Konzentration dieser Neurotransmitter im synaptischen Spalt erhöht wird.
Aktuelle Forschung und zukünftige Perspektiven
Die Erforschung der Synapsen ist ein aktives Forschungsgebiet. Ein Team um Prof. Christian Rosenmund und Dr. Jana Kroll hat eine Technologie entwickelt, um Synapsen bei der Arbeit zuzusehen, ohne sie dabei zu stören. Mithilfe der Optogenetik konnten sie Nervenzellen von Mäusen durch ein Lichtsignal aktivieren und die Ausschüttung von Neurotransmittern in Echtzeit beobachten. Dabei entdeckten sie, dass die meisten fusionierenden Vesikel über kleine Filamente mit mindestens einem weiteren Vesikel verbunden sind.
"Wir konnten erkennen, dass die meisten der fusionierenden Vesikel über kleine Filamente mit mindestens einem weiteren Vesikel verbunden sind - sobald ein Vesikel mit der Zellmembran verschmilzt, steht schon das nächste bereit", berichtet Jana Kroll.
Die Wissenschaftler schockfroren die Neuronen innerhalb von ein bis zwei Millisekunden in minus 180 Grad Celsius kaltem Ethan und konnten so den Fusionsprozess der Vesikel visualisieren.
„Der vor uns vorgestellte Ansatz für eine zeitaufgelöste Kryo-Elektronenmikroskopie mittels Licht ist zudem nicht auf Neurone beschränkt, sondern lässt sich in vielen Bereichen der Struktur- und Zellbiologie anwenden“ ergänzt Jana Kroll.
Zukünftig möchte Jana Kroll ihre Experimente am Max Delbrück Center mit menschlichen Neuronen wiederholen, die sie aus Stammzellen gewinnt.
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