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. Im Nervensystem erfolgt die neuronale Verschaltung und Verrechnung über spezialisierte Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, den Synapsen. Diese komplexen Strukturen ermöglichen die präzise Weiterleitung von Nervenimpulsen im Körper.
Was ist eine Synapse?
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. Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weitere Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. Die Synapsen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischen Informationen in chemische Informationen erfolgt. 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. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen.
Aufbau einer chemischen Synapse
Die chemische Synapse besteht aus drei wesentlichen Komponenten:
Präsynaptische Endigung: An der präsynaptischen Endigung befinden sich Vesikel mit Neurotransmittern, die bei Erregung ausgeschüttet werden. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
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.
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Postsynaptische Membran: Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle.
Die Rolle der Neurotransmitter
Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen freigesetzt werden und für die Signalübertragung zwischen Nervenzellen verantwortlich sind.
Ablauf der Erregungsübertragung an der chemischen Synapse
Der Prozess der Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:
Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential, ein schneller, durch Ionenflüsse verursachter Anstieg des negativen Ruhepotenzials einer Zelle zu einem positiven Membranpotenzial, erreicht das Endknöpfchen (Synapse) und führt zu einer Spannungsänderung. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
Öffnung der Calciumkanäle: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
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Calciumionen-Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen $\rightarrow$ Positivierung $\rightarrow$ Depolarisation der Membran! Calciumionen-Einstrom => Ionenveränderung führt zur Signalweitergabe! Das Calcium bewirkt, dass Vesikel, die mit Neurotransmitter (Acetylcholin) gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Transmitter in den synaptischen Spalt ausschütten.
Ausschüttung der Neurotransmitter: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt. Nach neueren Erkenntnissen bewirkt bereits ein einziges Aktionspotenzial am synaptischen Endknöpfchen die Fusion von ca. 200 synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran. Jedes Vesikel enthält über 1000 Neurotransmitter-Moleküle.
Diffusion der Neurotransmitter: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+). Transmitter von hemmenden Synapsen sind Stoffe, die an der postsynaptischen Membran zu einem Einstrom von negativ geladenen Chloridionen und/oder dem Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen führen. 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.
** postsynaptische Membran:** Rezeptor von einem Neurotransmitter belegt wird. postsynaptische Membran.
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Weiterleitung der Erregung: zu einer Weiterleitung der elektrischen Erregung im Folgeneuron. Diese binden an der Postsynaptischen Membran und leiten die elektrische Erregung weiter.
Beendigung der Signalübertragung
Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Um die Signalübertragung zu beenden und eine kontinuierliche Stimulation zu verhindern, gibt es verschiedene Mechanismen:
Enzymatischer Abbau: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung.
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. Acetat und Cholin $\rightarrow$ zurück zur präsynaptischen Membran $\rightarrow$ aktiv aufgenommen. Sie werden von der Zelle "recycelt". Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. Es steht für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung.
Regeneration der Neurotransmittervesikel: Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Acetat und Cholin $\rightarrow$ Acetylcholin. Der Zyklus kann erneut beginnen.
Ionotrope und metabotrope Rezeptoren
Man unterscheidet im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen:
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.
Erregende und hemmende Synapsen
Die neuronale Verschaltung und Verrechnung erfolgt über zwei grundlegende Synapsentypen: erregende und hemmende Synapsen.
Erregende Synapsen: Bei der erregenden Synapse wird durch Transmitter wie Acetylcholin eine Depolarisation ausgelöst. Erregende Synapsen haben immer die Funktion, eine Depolarisation weiterzuleiten. Ein Beispiel für eine erregende Synapse ist die acetylcholinerge Synapse, die als Antwort auf eine Erregung den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet. Definition: Erregende Synapsen lösen ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) aus und führen zur Depolarisation der Zellmembran.
Hemmende Synapsen: Ein Beispiel für eine hemmende Synapse ist die GABA ausschüttende Synapse. GABA ist dabei die Abkürzung für den Neurotransmitter Gamma-Amino-Buttersäure, wobei das hintere A für das Wort acid (englisch für „Säure“) steht. Ihre Funktion ist hauptsächlich das Abschwächen von erregenden Signalen im Zentralnervensystem. Damit verhindern hemmende Synapsen Übererregungen, die im Extremfall zu Starrkrämpfen führen können.
Räumliche und zeitliche Summation
Die Verrechnung an Synapsen erfolgt durch räumliche und zeitliche Summation.
Räumliche Summation: Bei der räumlichen Summation werden gleichzeitig eintreffende Signale verschiedener Synapsen addiert. Von einer räumlichen Summation spricht man, wenn eine Nervenzelle gleichzeitig von mehreren präsynaptischen Zellen beeinflusst wird.
Zeitliche Summation: Wenn mehrere EPSP in schnellen Abständen durch die erregenden Synapsen erzeugt werden, dann reicht das eine IPSP der hemmenden Synapse nicht mehr aus, um die Weiterleitung zu verhindern. Die zeitliche Summation ist eigentlich recht einfach zu verstehen. Wenn ein Aktionspotenzial am synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird eine bestimmte Menge von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Diese Neurotransmitter setzen sich an entsprechende Rezeptoren der postsynaptischen Membran und führen zum Öffnen von Ionenkanälen; bei erregenden Synapsen sind dies Na+/K+-Kanäle. Nach kurzer Zeit (Millisekunden) lösen sich diese Neurotransmitter aus den Rezeptoren und gelangen wieder in den synaptischen Spalt. Ein Teil der Neurotransmitter-Moleküle setzt sich erneut in die Rezeptoren (Ping-Pong-Prinzip), ein anderer Teil wird durch bestimmte Enzyme im synaptischen Spalt abgebaut oder von Gliazellen aufgenommen, so dass die Neurotransmitter unwirksam werden.
Synapsengifte
Synapsengifte (Neurotoxine) sind Substanzen, die gezielt die synaptische Übertragung stören. Die Effizienz der synaptischen Übertragung kann durch verschiedene Faktoren moduliert werden, einschließlich Synapsengifte. Die Wirkung von Curare-Wirkung Synapse einfach erklärt zeigt sich primär an der chemischen Synapse, wo es als kompetitiver Hemmstoff agiert. Das Gift greift gezielt in die Signalübertragung zwischen Nervenzellen ein, indem es die Acetylcholin-Rezeptoren an der postsynaptischen Membran blockiert. Bei der Neuronalen Verschaltung und Verrechnung unter Curare-Einfluss bleibt die Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt zunächst unverändert. Allerdings können die Neurotransmitter nicht mehr an ihre Rezeptoren binden, was die Ausbildung eines erregenden postsynaptischen Potentials (EPSP) verhindert. Die Auswirkungen von Curare als eines der bekanntesten Nervengifte Beispiele sind dramatisch: Es kommt zu einer fortschreitenden Lähmung der Skelettmuskulatur, die unbehandelt zum Erstickungstod führen kann.
Die neuromuskuläre Synapse
Acetylcholin ist der Neurotransmitter für derartige Vorgänge zwischen Nerven- und Muskelzellen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion. 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.
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