Proteinbiosynthese in synaptischen Endknöpfchen: Ein umfassender Überblick

Wenn wir unsere Umwelt wahrnehmen, sei es durch Berührung, Sehen oder andere Sinnesreize, werden sogenannte Reize erzeugt. Unser Körper ist in der Lage, diese Reize, auch Erregungen genannt, zu erfassen und zu verarbeiten. Jede dieser Erregungen wird zum Gehirn geleitet, wo sie entschlüsselt und interpretiert wird. Dieser Prozess ermöglicht es uns zu riechen, zu sehen, zu schmecken, zu hören und zu fühlen. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, spielen eine entscheidende Rolle bei diesem Vorgang. Sie sind für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung aller Reize und ihrer Informationen verantwortlich.

Aufbau einer Nervenzelle (Neuron)

Eine Nervenzelle besteht aus verästelten Dendriten und dem Zellkörper mit Zellkern, dem Soma. Das Soma bündelt die Dendriten im Axonhügel, der den Übergang zum Axon bildet. Das Axon ist die Nervenbahn, die zu den Synapsen (Endknöpfchen) führt. Einige Axone sind in regelmäßigen Abständen von Schwannschen Zellen ummantelt, die aus lipidreichem Myelin bestehen. Diese Ummantelungen werden Myelinscheiden genannt. Sie sind jedoch nicht durchgängig, sondern weisen Unterbrechungen auf, die Ranvierschen Schnürringe. Am Ende des Axons befinden sich die Endköpfchen bzw. Synapsen.

Funktionen der Bestandteile eines Neurons

Jeder Bestandteil des Neurons hat eine spezifische Aufgabe bei der Reizverarbeitung und -weiterleitung.

Die Dendriten

Die Dendriten sind die verästelten Ausläufer des Somas und die Kontaktstelle zu anderen Zellen oder Neuronen. Hier kommt ein Reiz zuerst an. Ihre Aufgabe ist es, diese Erregungen an das Soma weiterzuleiten.

Das Soma

Der Zellkörper einer Nervenzelle wird Soma genannt. Er enthält den Zellkern und alle wichtigen Zellorganellen, die notwendig sind, um die Zellfunktionen zu gewährleisten. Dazu gehören Ribosomen, das endoplasmatische Retikulum und die Mitochondrien.

Lesen Sie auch: Wie Alkohol die Signalübertragung im Gehirn beeinflusst

Der Axonhügel

Die Dendriten und das Soma werden am Axonhügel gebündelt, dem Übergang zum Axon. Hier werden die Erregungen, die die Dendriten aufgenommen haben, gesammelt und an das Axon weitergeleitet. Dies geschieht jedoch nur, wenn die Reize gemeinsam ein bestimmtes elektrisches Potenzial überschreiten, das Schwellenpotenzial.

Das Axon

Das Axon ist der Bereich der Nervenzelle, der die Erregungen weitergibt. Es kann unterschiedliche Längen haben, im menschlichen Körper teilweise bis zu einem Meter. Die Erregungen werden an den unisolierten Stellen, den Ranvierschen Schnürringen, sprunghaft weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung) bis zum Endköpfchen (der Synapse).

Das Endknöpfchen und die Synapse

Am Ende der Nervenzelle befinden sich die Übergangsstellen zu weiteren Neuronen oder Zielzellen, die Endknöpfchen oder Synapsen. An den Synapsen werden die Erregungen in chemische Reaktionen übertragen, die es ermöglichen, diese weiterzugeben.

Die synaptische Übertragung im Detail

Wenn ein Aktionspotential durch das Axon zur Synapse gelangt, öffnen sich durch die Depolarisation spannungsabhängige Calciumionenkanäle. Calciumionen (Ca2+) strömen in das Endknöpfchen (Präsynapse), da außerhalb der Nervenzelle größere Mengen an Ca2+-Ionen vorhanden sind. Die Ca2+-Ionen aktivieren transmittergefüllte Vesikel, die sich zur präsynaptischen Zellmembran bewegen und den Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin) durch Exocytose freisetzen.

Der Neurotransmitter gelangt in den synaptischen Spalt und bindet an die passenden Andockstellen der transmittergesteuerten Natriumionenkanäle auf der Seite der Postsynapse (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Acetylcholin öffnet also lediglich einen Kanal. Diese Öffnung bewirkt den Einstrom von Natriumionen, die die postsynaptische Membran depolarisieren. Je mehr Kanäle geöffnet werden, desto stärker ist die Depolarisation. Die entstehende Spannung wird EPSP (erregendes postsynaptisches Potential) genannt.

Lesen Sie auch: Wie Opiate Synapsen beeinflussen

Der Neurotransmitter wird zügig vom Enzym Acetylcholinesterase in Acetyl (Essigsäureanionen) und Cholin gespalten, wodurch er unwirksam wird und sich von den Bindungsstellen löst. Die Spaltprodukte werden in die Präsynapse aufgenommen und dort wieder zu Acetylcholin vereinigt.

Das EPSP ist ein amplitudenmoduliertes Signal. Je höher seine Spannung, desto stärker war der zu übertragende Impuls. Im Vergleich dazu ist das Aktionspotential frequenzmoduliert.

Hemmende und erregende Synapsen

Man unterscheidet zwischen hemmenden und erregenden Synapsen. Welcher Typ vorliegt, ist unabhängig vom Transmitter, wobei bei hemmenden Synapsen vor allem GABA als Transmitter auftritt. Ob eine Synapse erregend oder hemmend ist, hängt vom Kanaltyp ab. Der Neurotransmitter öffnet diesen nur! Es handelt sich um eine Eigenschaft der postsynaptischen Membran. Eine Synapse kann immer nur einen Neurotransmitter enthalten und entweder hemmend oder erregend sein.

Erregende Synapsen geben die ankommende Depolarisation weiter und verfügen über einen Transmitter, der die Durchlässigkeit für Na+-Ionen erhöht. Hemmende Synapsen bilden durch Einstrom von negativen Chloridionen eine Hyperpolarisation, die IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) genannt wird. Diese negative Spannung addiert sich mit eventuell vorhandenen positiven Spannungen und hebt diese auf, sodass am Axonhügel keine weiteren Aktionspotentiale ausgelöst werden (Hyperpolarisation der Folgezelle).

Synaptische Plastizität und Langzeitpotenzierung (LTP)

Die Effizienz einer präsynaptischen Zelle beim Erzeugen von Aktionspotentialen in einer Zielzelle wird umso größer, je häufiger diese Zellen gemeinsam aktiv sind. Diesen Umstand bezeichnet man als synaptische Plastizität. Unter LTP versteht man die Langzeitpotenzierung einer Nervenzelle.

Lesen Sie auch: Funktionsweise hemmender Synapsen

Schüttet eine Präsynapse den Transmitter Glutamat in einen synaptischen Spalt, so führt das zu einer Öffnung der AMPA-Rezeptorkanäle, die für Natrium durchlässig sind. Einströmende Natrium-Ionen depolarisieren dann die postsynaptische Membran. An der Postsynapse gibt es aber noch weitere Rezeptoren: Die NMDA-Rezeptorkanäle. Wird an der Postsynapse hochfrequent und wiederholt depolarisiert oder werden gleichzeitig mehrere Synapsen depolarisiert, so werden die Magnesium-Ionen aus den NMDA-Rezeptoren entfernt und diese Kanäle öffnen sich. Dies hat zur Folge, dass neben den Natrium-Ionen auch Calcium-Ionen in die Postsynapse einströmen. Diese aktivieren dann Enzyme, welche die AMPA-Rezeptoren phosphorylieren.

Informationsverarbeitung am Axonhügel

Ein Neuron empfängt mehrere tausend Signale von Synapsen, die erregend oder hemmend sein können. Führt der Gesamteffekt zu einer Depolarisation, die höher liegt als der Schwellenwert, kommt es zur Auslösung eines Aktionspotentials am Axonhügel. Das integrierende Zentrum am Neuron ist der Axonhügel.

Ist das Gesamtsignal stark genug, um den Schwellenwert zu überschreiten, spricht man von einem EPSP oder erregendem postsynaptischen Potential. Liegt die Summe der Erregung unterhalb der zur Auslösung eines Aktionspotentials benötigten Stärke, ist das entstandene Potential ein IPSP oder inhibitorisches postsynaptisches Potential.

Man unterscheidet:

• Zeitliche Summation: Eine Synapse erregt zeitlich kurz aufeinanderfolgend.
• Räumliche Summation: Gleichzeitige Stimulierung an verschiedenen Synapsen.

Die Frage, ob das Rezeptorpotential für ein neues Aktionspotential ausreicht, wird am Axonhügel geklärt. Bei der zeitlichen Summation findet die Erregung zeitlich so kurz hintereinander statt, dass das Membranpotential nach der vorhergehenden Reizung nicht auf das Niveau des Ruhepotentials zurückgehen kann. Bei der räumlichen Summation addieren sich die postsynaptischen Potentiale durch die gleichzeitige Stimulation der Nervenzelle durch mehrere bzw. verschiedene Synapsen.

Wichtige Begriffe

• Schwellenwert: Der Spannungswert des Membranpotentials, bei dem ein Aktionspotential entsteht. Hier wird das Potential "überschwellig".
• Ruhemembranpotential: Entspricht einem (fast) reinem Kalium-Membranpotential und liegt daher in der Nähe des Wertes für das Kaliumpotential ca. -70 mV (Kaliumpotential liegt bei -90 mV).
• Aktivierungsschwelle: Die für das Aktionspotential verantwortlichen schnellen, spannungsaktivierten Natrium-Kanäle haben eine Aktivierungsschwelle von ca. -40 mV! Diese Kanäle öffnen nur, wenn die Membran zumindest bis zu diesem Wert depolarisiert wurde. Dies kann durch Neurotransmitter geschehen, die postsynaptisch eine lokale Depolarisation bewirken oder auch Generator- oder Rezeptorpotentiale (je nach Zelltyp und Situation) oder elektrotonisch durch ein ankommendes Aktionspotential.
• Adäquater Reiz: Der Reiz, für den ein Rezeptor die größte Empfindlichkeit besitzt (z. B. Lichtsignal für Photorezeptoren im Auge).
• Inadäquater Reiz: Der Reiz, der auf ein bestimmtes Sinnesorgan nicht oder nur bei sehr hohen Intensitäten erregungsauslösend wirkt (z. B. "Sterne sehen" bei hohen Druckbelastungen des Auges).
• Rezeptorpotential: Eine Membran-elektrische Antwort der Rezeptoren auf einen Reiz. Es bildet sich als Folge der Öffnung von Natriumporen in der Rezeptorzelle (elektro-tonische Weiterleitung). Dabei addieren sich erregende (exzitatorische) und hemmende (inhibitorische) postsynaptischen Potentialen (IPSPs und EPSPs). Das Rezeptorpotential wächst mit der Stärke des Reizes. Bei Erreichen/Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes erfolgt dann ein Aktionspotential, welches dem Alles-oder-Nichts-Gesetz folgt.
• Präsynaptische Hemmung: Hier findet die Hemmung vor der Synapse statt, das heißt, dass eine hemmende Synapse am Ende des Axons einer Nervenzelle andockt. So kann das Aktionspotential, welches über dieses Neuron geleitet wird, durch die Beeinflussung der hemmenden Synapse gestoppt werden.

Aufbau einer Synapse

Eine Synapse lässt sich in drei Abschnitte gliedern:

• Präsynapse: Das Neuron, von dem die Information kommt.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran.
• Postsynapse: Die Empfängerin der Informationsübertragung.

Die Synapse dient der Reizweiterleitung bzw. Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen. Wird eine Nervenzelle erregt, wird diese Erregung innerhalb des Neurons als Aktionspotenzial elektrisch vom Zellkörper über das Axon bis zum synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet. An der Synapse wird das Aktionspotenzial auf benachbarte Zellen übertragen. Im Endknöpfchen befinden sich Vesikel mit Botenstoffen, den Neurotransmittern. 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. 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 lösen sich von den Rezeptoren, werden enzymatisch zerlegt und wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen.

Synapsentypen

Es können verschiedene Arten von Synapsen unterschieden werden. Die Signalübertragung erfolgt über Neurotransmitter. Die Erregung wird direkt von Nervenzelle zu Nervenzelle durch elektrische Signale übermittelt. Die Bindung des Neurotransmitters bewirkt eine Hyperpolarisation der Postsynapse.

Synapse - Gifte 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. 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. Curare blockiert an Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen die Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, sodass die Neurotransmitter nicht mehr binden können.

Neurotransmitter: Botenstoffe der Nervenzellen

Neurotransmitter sind chemische Verbindungen, die bei der synaptischen Übertragung eine entscheidende Rolle spielen. Sie werden in der Nervenzelle produziert und in synaptische Vesikel verpackt, die dann in die synaptischen Endknöpfchen transportiert werden. Ein ankommendes Aktionspotenzial sorgt für einen Calcium-Einstrom in das Endknöpfchen, und die Calcium-Ionen wiederum bewirken eine Fusion der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Das führt dann zu einer Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt.

Beispiele für Neurotransmitter

• Aminosäuren: Glutaminsäure (Glutamat) ist der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn, während γ-Aminobuttersäure (GABA) der wichtigste hemmende Neurotransmitter ist. Glycin ist eine weitere Aminosäure, die als Neurotransmitter fungiert.
• Peptide: Enkephalin, Neuropeptid Y, Somatostatin und Dynorphin sind Beispiele für kurze Peptide (Oligopeptide), die im menschlichen Nervensystem als Neurotransmitter fungieren.
• Lösliche Gase: Stickstoffmonoxid, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelwasserstoff können ebenfalls als Neurotransmitter wirken.

Rezeptoren für Neurotransmitter

Die Rezeptoren für Neurotransmitter lassen sich in zwei Klassen einteilen:

• Ionotrope Rezeptoren: Integrale Membranproteine, die einen Neurotransmitter binden können und gleichzeitig einen Ionenkanal besitzen (z. B. AMPA- und NMDA-Rezeptoren für Glutamat).
• Metabotrope Rezeptoren: Nicht direkt mit einem Ionenkanal verbunden, sondern arbeiten über ein G-Protein.

Wirkungsweise von Synapsengiften

Synapsengifte können im Körper vielfältige Wirkungen aufweisen. An Muskeln führen sie meist zu einer Lähmung oder einem Krampf. Beide Mechanismen können durch ihre Wirkung auf die Atemmuskulatur tödlich sein.

Lähmung

Zu einer Lähmung kommt es, wenn die Signalübertragung an einer Synapse gestört ist und dadurch die Depolarisation der Postsynapse ausbleibt. Zu einer Lähmung kann es durch verschiedene Mechanismen kommen:

• Die Vesikel werden durch einen Giftstoff so verändert, dass sie nicht mehr mit der Membran verschmelzen können (Botox).
• Das Gift verhindert die Aufnahme von Acetyl und Cholin in die Präsynapse.
• Das Gift konkurriert mit dem Transmitter um die Bindungsstelle an dem ligandengesteuerten Rezeptor (Curare).

Krampf

Ein Krampf entsteht, wenn die Postsynapse durch einen zu starken Einstrom von Natriumionen zu stark depolarisiert. Dadurch kann es zu einer übermäßigen Muskelkontraktion kommen.

• Viele mit Transmittern gefüllte Vesikel verschmelzen schlagartig mit der Membran.
• Die Acetylcholinesterase wird durch einen Giftstoff gehemmt und Acetylcholin kann nicht mehr in Acetyl und Cholin gespalten werden (Insektizid Parathion).
• Bestimmte Gifte erhöhen die Offenwahrscheinlichkeit an den Kalziumkanälen der präsynaptischen Endknöpfchen und es erfolgt ein verstärkter Kalzium-Ionen-Einstrom (Latrotoxine der Schwarzen Witwe).
• Ein Gift kann am Rezeptor auch agonistisch zum Transmitter wirken.

Die Bedeutung der Proteinbiosynthese in synaptischen Endknöpfchen

Die Proteinbiosynthese ist ein grundlegender Prozess für das Funktionieren synaptischer Endknöpfchen. Sie ermöglicht die Synthese von Neurotransmittern, Rezeptoren, Ionenkanälen und anderen Proteinen, die für die synaptische Übertragung notwendig sind. Störungen der Proteinbiosynthese können daher zu schweren neurologischen Erkrankungen führen.

tags: #proteinbiosythese #im #synapsen #endknopfchen