Die chemische Synapse ist eine grundlegende Struktur im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen und anderen Zellen ermöglicht. Der synaptische Spalt, ein mikroskopisch kleiner Raum zwischen den Zellen, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Dieser Artikel beleuchtet detailliert die Struktur, Funktion und Bedeutung des synaptischen Spalts innerhalb der chemischen Synapse.
Was ist eine Synapse?
Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen, in dem ein Signal chemisch oder elektrisch weitergeleitet wird. Ihre Funktion ist die Übertragung von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Synapsen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt.
Aufbau einer Synapse
Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:
- Präsynapse: Der Teil der Synapse, von dem das weitergeleitete Signal ausgeht (synaptisches Endknöpfchen).
- Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran.
- Postsynapse: Die Nachbarzelle, die das Signal empfängt (Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle).
Arten von Synapsen
Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen:
- Chemische Synapsen: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch Neurotransmitter, chemische Botenstoffe. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.
- Elektrische Synapsen: Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, sogenannte Konnexone. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Diese Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.
Der synaptische Spalt
Struktur des synaptischen Spalts
Der synaptische Spalt ist der extrazelluläre Raum zwischen der präsynaptischen Endigung eines Neurons und der postsynaptischen Membran einer nachgeschalteten Zelle. Dieser Spalt misst typischerweise etwa 20 bis 50 Nanometer in chemischen Synapsen. Er ist mit Extrazellulärflüssigkeit angefüllt und enthält Enzyme, die Neurotransmitter abbauen können.
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Funktion des synaptischen Spalts
Der synaptische Spalt ist der Ort der Signalübertragung zwischen Neuronen oder zwischen Neuronen und Effektorzellen. Die Hauptfunktionen des synaptischen Spalts sind:
- Übertragung von Neurotransmittern: Neurotransmitter, die in Vesikeln in der präsynaptischen Zelle gespeichert sind, werden durch Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Diffusion der Neurotransmitter: Aufgrund der geringen Breite des Spalts diffundieren die Neurotransmitter schnell zur postsynaptischen Membran.
- Bindung an Rezeptoren: An der postsynaptischen Membran binden die Neurotransmitter an spezifische Rezeptoren, was eine elektrische Antwort (z. B. ein exzitatorisches oder inhibitorisches postsynaptisches Potential) auslöst.
- Beendigung der Signalübertragung: Nach erfolgter Signalübertragung muss das Neurotransmittersignal schnell und effizient beendet werden. Dies geschieht durch:
- Enzymatischen Abbau der Neurotransmitter im synaptischen Spalt.
- Wiederaufnahme der Neurotransmitter in die präsynaptische Zelle (Reuptake).
- Aufnahme der Neurotransmitter durch Gliazellen.
Die chemische Erregungsübertragung in der Synapse
Der synaptische Spalt ist ein wesentlicher Bestandteil der chemischen Synapse und ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen. Hier ist ein detaillierterer Blick auf den Prozess der chemischen Erregungsübertragung:
- Aktionspotential erreicht das Axonende: Wenn ein Aktionspotential das synaptische Endknöpfchen erreicht, öffnet dies spannungsabhängige Calciumkanäle.
- Calcium-Einstrom: Calcium-Ionen ($\ce{Ca^{2+}}$) strömen in das Endknöpfchen ein, was die Membran depolarisiert.
- Vesikel-Fusion: Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen), die mit Neurotransmittern gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran aus.
- Freisetzung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Diffusion und Bindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran und binden an spezifische Rezeptoren.
- Öffnung der Ionenkanäle: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen. Diese Kanäle sind ligandengesteuert, d.h. sie öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
- Ionenstrom und postsynaptisches Potential: Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen Ionen (z. B. Natrium, Kalium, Chlorid) in die Zelle ein oder aus. Dieser Ionenstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
- Erregung oder Hemmung: Die Erregung oder Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.
- Abbau oder Wiederaufnahme der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden entweder im synaptischen Spalt abgebaut (z. B. durch Acetylcholinesterase) oder von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen und erneut verwendet.
Arten von postsynaptischen Potentialen
Je nachdem, welche Ionenkanäle geöffnet werden und welche Ionen ein- oder ausströmen, kann ein postsynaptisches Potential entweder erregend (exzitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch) sein:
- Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP): Eine Depolarisation der postsynaptischen Membran, die die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
- Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP): Eine Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran, die die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
Synaptische Integration
Die Erregung eines Neurons ergibt sich aus der Summe der verschiedenen Signale, die das Neuron erhält. Alle EPSPs werden mit allen IPSPs verrechnet (= Synaptische Integration). Es gibt zwei Arten von Summation, die an einem Soma auftreten können:
- Zeitliche Summation: Innerhalb kürzester Zeit laufen APo's am selben Dendrit in das Soma einer Synapse ein.
- Räumliche Summation: An einem Neuron laufen gleichzeitig mehrere APo's von verschiedenen Dendriten in das Soma einer Nervenzelle ein.
Beide Arten von Summation führen zu graduierten PSPs.
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Bedeutung der Enzyme im synaptischen Spalt
Die Enzyme im synaptischen Spalt spalten einige Neurotransmitter, welche die Rezeptoren aktivieren, wieder in ihre Einzelteile auf. Würden sie das nicht tun, so würden die Ionenkanäle geöffnet bleiben und dadurch die postsynaptische Zelle dauerhaft erregen. Zum Beispiel wäre so ein Muskel dauerhaft angespannt.
Damit das nicht geschieht, werden die Transmitter durch die Enzyme entfernt, aus dem synaptischen Spalt transportiert und in der präsynaptischen Zelle wieder in Vesikel verpackt.
Auswirkungen verschiedener Stoffe auf den synaptischen Spalt
Viele verschiedene Stoffe, die Auswirkungen auf das Nervensystem haben, entfalten diese am synaptischen Spalt. Das können Drogen, Gifte oder auch Medikamente sein.
Wirkung von Medikamenten
Bestimmte Arten von Antidepressiva wirken, indem sie die Wiederaufnahme von Neurotransmittern behindern. Dazu zählen die selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs). Diese Wirkstoffe sorgen dafür, dass die Wiederaufnahme von Serotonin gehemmt wird, indem sie den Transport des Transmitters zurück in die präsynaptische Zelle blockieren. Dadurch bleibt der Transmitter Serotonin länger im synaptischen Spalt und kann die Postsynapse auch mehrfach anregen.
Wirkung von Drogen
Dopamin spielt im Belohnungssystem des Menschen eine große Rolle. Drogen wie Nikotin oder Kokain stimulieren eine vermehrte Ausschüttung von Dopamin und sorgen so für ein gewisses Glücksgefühl. Lässt die Wirkung der Droge nach, sinkt auch der Dopaminspiegel und das Glücksgefühl verschwindet. Was bleibt, ist das Verlangen, diesen "Kick" zu wiederholen.
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Wirkung von Alkohol
Wird Alkohol konsumiert, wird die Bildung von Gamma-Aminobuttersäure (GABA) angeregt. Dabei handelt es sich um einen inhibitorischen Neurotransmitter, welcher die Erregbarkeit von Nervenzellen verringert. Dadurch werden Informationsströme gehemmt und der Alkohol entfaltet seine beruhigende Wirkung.
Synaptische Gifte
Synapsengifte sind chemische Substanzen, welche die Funktion von Synapsen erheblich stören oder sogar ganz unterbinden können. Diese Gifte blockieren entweder die Abgabe der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt, oder aber sie sind den Neurotransmittern so ähnlich, dass sie an ihrer Stelle mit den Rezeptormolekülen in der postsynaptischen Membran reagieren und so die Erregungsleitung stören. Zu den bekanntesten Synapsengiften gehören viele Alkaloide wie etwa Muskarin, Atropin und Curare sowie Nikotin. Ein besonders wirksames Gift ist das von Clostridien gebildete Botulinumtoxin.
Erkrankungen und Störungen im Zusammenhang mit dem synaptischen Spalt
Störungen in der Struktur oder Funktion des synaptischen Spalts können große Auswirkungen auf die neuronale Kommunikation haben und sind an der Entstehung zahlreicher neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen beteiligt.
- Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, bei der Antikörper die Acetylcholinrezeptoren an der postsynaptischen Membran blockieren oder zerstören.
- Lambert-Eaton-Syndrom (LEMS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran gerichtet sind.
- Affektive Störungen (Depression, Angststörung): Eine Dysbalance bestimmter Neurotransmitter (Serotonin, Noradrenalin, Dopamin) im synaptischen Spalt wird vermutet.
- Alzheimer-Krankheit: Synaptische Degeneration und Störung der synaptischen Architektur durch Amyloid-β-Peptide.
- Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
- Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist.
- Chorea Huntington: progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung. Sie wird durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen (Cytosin-Adenin-Guanin) im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht.
- Schizophrenie: schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.
- Tetanus: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA.
- Botulismus: Botulinumtoxin verhindert die Freisetzung von Acetylcholin.
Neuroplastizität und der synaptische Spalt
Der synaptische Spalt ist nicht nur ein passiver Ort der Signalübertragung, sondern auch ein dynamisches Zentrum neuronaler Anpassung. In der Neuroplastizität, also der Fähigkeit des Nervensystems, sich an Erfahrungen und Reize anzupassen, spielt der Spalt eine wichtige Rolle.
- Langzeitpotenzierung (LTP): Vermehrte Freisetzung von Neurotransmittern, Hochregulation postsynaptischer Rezeptoren (zum Beispiel AMPA-Rezeptoren bei Glutamatsynapsen), Veränderungen in der Matrix des Spalts und Verstärkung der strukturellen Kopplung.
- Synaptische Stabilisierung oder Eliminierung: Im Rahmen von kritischen Perioden in der Hirnentwicklung werden synaptische Spalte selektiv stabilisiert oder eliminiert, je nachdem, ob sie aktiv genutzt werden oder nicht.
Synaptischer Spalt im Vergleich zu Gap Junctions
Ein synaptischer Spalt ist nur bei einer chemischen Synapse zu finden. Bei elektrischen Synapsen wird die Verbindung zwischen zwei Zellen stattdessen als Gap Junctions oder Nexus bezeichnet. Im Gegensatz zu dem synaptischen Spalt ist eine Gap Junction nur etwa 2-3,5 nm breit. Sie leitet elektrische Signale in Form von Ionenströmen weiter, braucht aber anders als die chemische Synapse keine Transmitter, die Ionenkanäle öffnen. Während bei chemischen Zellen durch den synaptischen Spalt eine Verzögerung von etwa 0,5 Millisekunden bei der Informationsweiterleitung auftritt, ist die Weiterleitung bei einer Gap Junction verzögerungsfrei.
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