Simpleclub: Synapsen und Rezeptoren einfach erklärt

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das Informationen durch den Körper leitet. Stell dir vor, dein Körper wäre ein Smartphone - das Nervensystem ist sozusagen die Hardware und Software gleichzeitig. Das System teilt sich in zwei Hauptbereiche: Das zentrale Nervensystem (ZNS) aus Gehirn und Rückenmark ist deine Kommandozentrale. Besonders cool ist die Unterteilung in somatisches (bewusste Bewegungen wie Gehen) und vegetatives Nervensystem (unbewusste Prozesse wie Herzschlag). Die Nervenzellen und Synapsen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Dieser Artikel erklärt die Grundlagen von Synapsen, Rezeptoren und der Erregungsleitung auf einfache Weise.

Grundlagen des Nervensystems

Bevor wir uns den Details widmen, ist es wichtig, die grundlegenden Funktionen des Nervensystems zu verstehen. Das Nervensystem ist dein Kontrollzentrum für alle Aktivitäten im Körper. Es nimmt Reize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen aus. Jeder Umwelteinfluss, der eine Wirkung auf deinen Körper hat, ist ein Reiz. Die Verarbeitung von Reizen folgt immer einem Muster: Zuerst nimmt ein Sinnesorgan den Reiz auf. Dann leiten sensorische Nerven die Erregung zum Zentralnervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark. Bei einem Reflex läuft die Reaktion besonders schnell ab. Sie dient meist deinem Schutz und wird nicht bewusst gesteuert. Die Information geht über einen Reflexbogen direkt durchs Rückenmark, ohne dass das Gehirn beteiligt ist. Gut zu wissen: Das periphere Nervensystem umfasst alle Nerven außerhalb von Gehirn und Rückenmark.

Nervenzellen (Neuronen)

Nervenzellen (Neuronen) sind die Superstars deines Nervensystems. Sie bestehen aus mehreren wichtigen Teilen: Dendriten nehmen Signale auf und leiten sie zum Zellkörper weiter. Die Kommunikation zwischen Nervenzellen findet an den Synapsen statt. Das sind spezielle Verbindungsstellen, an denen Informationen weitergegeben werden. Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung elektrischer Signale entlang der Nervenzellen. Sie beginnt am Axonhügel und wandert als elektrischer Impuls (ein sogenanntes Aktionspotential) entlang des Axons. Spannend: Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen zu anderen Nervenzellen haben!

Eine Nervenzelle funktioniert wie ein biologisches Kabel mit verschiedenen Spezialteilen. Im Soma (Zellkörper) sitzt der Zellkern mit allen wichtigen Organellen für den Stoffwechsel. Hier wird entschieden, ob ein Signal stark genug ist, um weitergeleitet zu werden. Das Axon ist die "Datenleitung" der Nervenzelle und kann über einen Meter lang werden! Die Myelinscheide aus Schwann-Zellen umhüllt es wie ein Kabel und sorgt für superschnelle Übertragung. Deine Nervenzellen sind wie winzige Batterien, die ständig unter Spannung stehen. Diese Spannung entsteht durch eine ungleiche Verteilung von Ionen: Innen sind viele Kalium-Ionen K+ und organische Anionen, außen dagegen hauptsächlich Natrium-Ionen Na+ und Chlorid-Ionen Cl−. Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet wie ein Türsteher und sorgt aktiv dafür, dass diese Verteilung aufrechterhalten wird.

Synapsen: Die Schaltstellen des Nervensystems

Synapsen bilden die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen und einer weiteren Nerven-, Sinnes- oder Drüsenzelle oder einer Muskelfaser. Synapsen dienen der Informationsverarbeitung und -weiterleitung durch Erregungsübertragung. Nach Form der Übertragung unterscheidet man elektrische und chemische Synapsen.

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Elektrische Synapsen

In einer elektrischen Synapse wird die Erregung (Bildung bzw. Auslösung eines Aktionspotenzials) direkt in Form eines elektrischen Signals an die benachbarte Zelle weitergegeben. Dies geschieht fast verzögerungsfrei, da spezielle Proteinkanäle, sogenannte Gap Junctions, die Zellen miteinander verbinden. Die Informationsübertragung an elektrischen Synapsen erfolgt in weniger als einer Millisekunde! Die elektrische Synapse leitet das Signal über einen sehr engen Zellkontakt und über Ionenkanäle direkt weiter - ein Aktionspotenzial im präsynaptischen Neuron löst somit unmittelbar ein Aktionspotenzial im postsynaptischen Neuron aus. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist dadurch sehr hoch. Die Erregungsweiterleitung erfolgt aufgrund des Ionenstroms passiv.

Chemische Synapsen

Chemische Synapsen übertragen eine Erregung indirekt auf die nächste Zelle, indem sie ein elektrisches Signal in ein chemisches umwandeln. Dazu wird die Freisetzung von Botenstoffen durch ein elektrisches Signal ausgelöst. Sowohl elektrische als auch chemische Synapsen sind Kontaktstrukturen zur Übertragung eines Signals von einer Nervenzelle auf eine weitere Nerven- oder andere Zielzelle. Bei einer chemischen Synapse dauert die Übertragung länger (etwa 1 Millisekunde), denn hier wird ein elektrisches Signal in ein chemisches umgewandelt. Chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) werden freigesetzt und leiten die weitere Informationsübertragung ein. Es gibt erregende Synapsen und hemmende Synapsen, die im Nervensystem zu etwa gleichen Teilen vorkommen. Erregende (auch: exzitatorische) Synapsen sorgen für eine Weiterleitung von Impulsen. Beide Synapsentypen sind in Bau und Funktion gleich. Es ist ein Missverständnis, dass Synapsen immer Signale weiterleiten.

Aufbau einer chemischen Synapse

Synapsen bestehen 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). 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.

Die Botenstoffe überwinden den synaptischen Spalt und binden an die passenden Rezeptoren an der postsynaptischen Membran der nächsten (nachgeschalteten) Zelle. Diese Bindung zwischen den Botenstoffen und den Rezeptoren funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Durch die Bindung zwischen Botenstoff und Rezeptor wird erneut ein elektrischer Impuls ausgelöst, der wieder am Axon entlangwandert und so über die Synapsen von Zelle zu Zelle weitergegeben wird, bis die Zielzellen erreicht sind. Nach dieser Erregung werden die verbleibenden Botenstoffmoleküle im synaptischen Spalt durch Enzyme in Spaltprodukte zerlegt.

Der synaptische Spalt und die Neurotransmitter

Betrachten wir noch einmal etwas genauer, was im prä- und postsynaptischen Teil passiert. Ein Aktionspotenzial erreicht zunächst das Endknöpfchen, was zu einer Spannungsänderung führt. Das nennt man Depolarisation. Dadurch öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle und Calciumionen (Ca^{2+}) strömen durch die Kanäle in den präsynaptischen Teil. Die Zunahme der Calciumionen sorgt wiederum dafür, dass die Vesikel mit den Botenstoffen mit der präsynaptischen Membran verschmelzen - je höher die Calciumionenkonzentration, desto mehr Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran. Die Neurotransmitter gelangen daraufhin in den synaptischen Spalt und diffundieren zur postsynaptischen Membran. Dort befinden sich spezifische Rezeptoren, die wiederum mit Ionenkanälen verbunden sind. Sie öffnen sich, sobald die Neurotransmitter an die Rezeptoren binden. So können beispielsweise Natriumionen (Na^{+}) in den postsynaptischen Teil einströmen und es kommt zu einem postsynaptischen Potenzial. Je nach Ionenstrom wird ein aktivierendes oder hemmendes Signal in der postsynaptischen Zelle ausgelöst. Die Erregung oder Hemmung von einer Synapse allein kann keine Reaktion hervorrufen.

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Synapsengifte

Es gibt verschiedene Synapsengifte, die, je nach Art des Gifts, in allen Teilen der Synapse (Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse) wirken können. Sie beeinflussen die Erregungsübertragung also auf unterschiedliche Weise. 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. In diesem Moment fühlt sich eine Person oft unschlagbar und ist zu beeindruckenden Leistungen imstande, es kommt allerdings nicht selten zur Abhängigkeit. Schlimm wird es für Konsumierende insbesondere nach dem Rausch: Kokain wird schnell abgebaut. Da die freigesetzten Botenstoffe allerdings nicht wieder in die Präsynapse aufgenommen werden können, brauchen die Nervenzellen sehr lange, die Neurotransmitter wieder aufzufüllen. Synapsengifte sind Giftstoffe, die die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören. Giftstoffe, die den normalen Ablauf der Übertragung beeinflussen, kannst du als Synapsengifte bezeichnen. Du findest sie vor allem im Tier- und Pflanzenreich. Die Wirkungsweise eines Neurotoxins im Körper hängt vom Wirkort in der Synapse ab.

Beispiele für Synapsengifte und ihre Wirkung

• α-Latrotoxin (Gift der schwarzen Witwe): Führt zu einem übermäßigen Einstrom von Calciumionen in die präsynaptische Membran, was zur Entleerung aller Vesikel in den synaptischen Spalt führt. Dies führt zu einer Dauererregung und Muskelkrämpfen.
• Botulinumtoxin (Botox): Verhindert die Vesikelfusion mit der präsynaptischen Membran, wodurch die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin gehemmt wird. Dies führt zu Muskellähmung.
• Insektizid E 605: Hemmt die Aktivität der Acetylcholinesterase, einem Enzym, das Acetylcholin abbaut. Dies führt zu einer verlängerten Wirkung von Acetylcholin im synaptischen Spalt.
• Curare: Blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren in der postsynaptischen Membran und verhindert, dass Acetylcholin binden kann. Dies führt zu Muskellähmung und Atemstillstand.
• Batrachotoxin (Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs): Bindet an den Acetylcholin-Rezeptor und verhindert das Schließen der Na+-Kanäle, was zu einem erhöhten Natriumeinstrom und einer Dauererregung führt.
• Atropin und Curare: Ahmen die Rolle des Neurotransmitters Acetylcholin nach und konkurrieren mit diesem um die Bindungsstelle am Rezeptor (kompetitive Hemmung).

Rezeptoren: Die Empfänger der Signale

In der postsynaptischen Membran befinden sich spezielle Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden können. Dadurch kommt es zur Öffnung von Ionenkanälen, durch die Ionen aus der Nervenzelle heraus oder in die Nervenzelle reinströmen. Die Rolle kann zum Beispiel das Curare-Gift übernehmen und verhindert, dass Acetylcholin selber binden kann. So bleiben die Kanäle geschlossen und es können keine Na+-Ionen in die Zelle strömen. Die Curare-Wirkung hat zur Folge, dass kein Signal weitergeleitet wird und die Muskeln erschlaffen. Schließlich kommt es zum Atemstillstand. Daher tränken die indigenen Völker Südamerikas ihre Pfeile für die Jagd damit. Die indigenen Völker tränken ihre Pfeile allerdings auch mit dem Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin). Es ist eines der tödlichsten Gifte, das wir kennen. Es hat genau die gegenteilige Wirkung: es bindet an den Acetylcholin-Rezeptor und verhindert dadurch das Schließen der Na+-Kanäle. Durch die durchgehend geöffneten Kanäle wird der Natriumeinstrom also erhöht.

Kompetitive Hemmung

Die Nervengifte Atropin und Curare ahmen beide die Rolle des Neurotransmitters Acetylcholin nach. Das bedeutet, sie haben eine ähnliche Struktur und können an die gleiche Bindestelle am Rezeptor binden. Hier konkurrieren also zwei Moleküle miteinander um die gleiche Bindestelle. Das bezeichnest du als kompetitive Hemmung.

Erregungsleitung: Die Weiterleitung der Signale

Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Dazu benötigt dein Körper die Erregungsweiterleitung (Neuronen). Eine Erregung entsteht immer am Axonhügel eines Neuron und wird weitergeleitet. Das Aktionspotential einer Nervenzelle wird entlang des Nervenzellfortsatzes - dem Axon - weitergeleitet. Dieser Vorgang heißt Erregungsleitung. Aufgepasst: Begriffe wie Reizleitung oder Reizweiterleitung werden oft anstelle der Erregungsleitung benutzt. Das ist eigentlich nicht ganz richtig. Schlussendlich ermöglicht die Erregungsleitung die Weiterleitung eines elektrischen Signals ans Ende einer Nervenzelle. Wenn das Signal am Ende des Neurons angelangt ist, findet an der Synapse (Kontaktstelle) die Erregungsübertragung auf die nächste Zelle statt.

Saltatorische und kontinuierliche Erregungsleitung

Die meisten Nervenzellen bei uns Menschen sind wie elektrische Kabel isoliert oder Markscheide umgeben. Die Myelinschicht bildet aber keine durchgehende Umhüllung, sondern ist im Abstand von etwa 0,5-2 mm immer wieder unterbrochen. Das ermöglicht eine saltatorische Erregungsleitung. (Spannungsabnahme) am Anfang des Axons aus. Das führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumionenkanäle. Die Kanäle findest du nur an den Ranvier’schen Schnürringen. Dort strömen dann die positiv geladenen Natriumionen ins Zellinnere. Dadurch wird ein erneutes Aktionspotential bzw. eine neue Depolarisierung ausgelöst. Sie reicht bis zum nächsten Schnürring. Es wird also immer nur an einem nicht-isolierten Bereich ein Aktionspotential gebildet. Durch die Isolation kann die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden und Energie sparen. Natriumionenkanäle in Bereichen, die das Aktionspotential bereits passiert hat, werden danach inaktiviert. Die Zeit, die sie brauchen, bis sie wieder erregt werden können, nennst du Refraktärzeit.

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Wenn Nervenzellen nicht isoliert sind, müssen sie die elektrischen Signale kontinuierlich (fortlaufend) weiterleiten. Diese Art der Weiterleitung ist deshalb vergleichsweise langsam, kann aber erhöht werden, indem der Durchmesser der Leitungsbahn erhöht wird. Denn dadurch nimmt der Innenwiderstand ab. Das kannst du dir vorstellen wie bei einem Wasserschlauch: je dicker er ist, desto mehr Wasser kann in gleicher Zeit durchfließen. Das ist der Grund, warum zum Beispiel die Riesenaxone von Tintenfischen und Meeresschnecken einen Durchmesser von bis zu einem Millimeter haben. Du kannst also zwischen der saltatorischen und der kontinuierlichen Weiterleitung von Erregungen unterscheiden. max. bei Wirbellosen, z.B.

Aktionspotential

Wenn ein Reiz stark genug ist, explodiert deine Nervenzelle förmlich - das Aktionspotential ist wie ein elektrischer Blitz, der durch das Axon rast.

• Phase 1 - Depolarisation: Die Na+-Kanäle öffnen sich schlagartig und Natrium-Ionen strömen rein. Die Zelle wird plötzlich positiv geladen - eine komplette Umkehrung!
• Phase 2 - Repolarisation: Die Na+-Kanäle schließen sich wieder und K+-Kanäle öffnen sich.
• Phase 3 - Hyperpolarisation: Die K+-Kanäle brauchen etwas länger zum Schließen, deshalb sinkt die Spannung sogar unter das normale Ruhepotential.

Vom Reiz zur Reaktion

Von einem Lichtstrahl bis zur Augenbewegung - so läuft der komplette Prozess in deinem Körper ab.

• Schritt 1-2: Reizaufnahme und Weiterleitung - Deine Rezeptoren (wie das Auge) wandeln Umweltreize in elektrische Signale um.
• Schritt 3: Reizverarbeitung - Dein Gehirn ist der Supercomputer, der entscheidet, was mit der Information passiert. Hier wird verglichen, gespeichert und eine passende Antwort ausgewählt.

Reizstärke und Reizqualität

Dein Nervensystem muss zwei wichtige Fragen beantworten: Was für ein Reiz (Qualität) und wie stark ist er (Quantität)? Die Reizstärke wird durch die Aktionspotenzial-Frequenz codiert - das ist Frequenzmodulation. Starke Reize = hohe Frequenz, schwache Reize = niedrige Frequenz. Die Reizqualität erkennt das Gehirn an der Nervenbahn, über die das Signal ankommt.

Am Zellkörper und den Dendriten findet die Verrechnung statt - hier werden alle eingehenden Signale miteinander verrechnet. Räumliche Summation: Gleichzeitig eintreffende Aktionspotenziale an verschiedenen Synapsen addieren sich ebenfalls. Die Verrechnung von EPSPs und IPSPs entscheidet am Axonhügel, ob ein neues Aktionspotenzial ausgelöst wird.

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