Einführung
Das Nervensystem, ein komplexes Netzwerk, das die Kommunikation im Körper steuert, nutzt spezielle Kontaktstellen, die als Synapsen bezeichnet werden. Diese Synapsen ermöglichen die Weitergabe von elektrischen oder chemischen Signalen von einem Neuron zu einem anderen oder zu einer Effektorzelle. Die Art und Weise, wie diese Signale übertragen werden, und die beteiligten Neurotransmitter spielen eine entscheidende Rolle für die Funktion des Nervensystems und die Steuerung verschiedener Körperfunktionen.
Grundlagen der Synapse
Definition und Struktur
Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Das Neuron, welches das Signal sendet, wird als präsynaptisches Neuron bezeichnet, während das empfangende Neuron als postsynaptisches Neuron bezeichnet wird. Zwischen diesen Neuronen befindet sich ein schmaler Spalt, der synaptische Spalt.
Neurotransmission: Die Signalübertragung
Neurotransmitter vermitteln die Interaktion zwischen den Zellen und übertragen die Signale. Die Neurotransmission ist der Prozess, bei dem ein Neuron ein Signal an ein anderes Neuron oder eine Effektorzelle weitergibt. An chemischen Synapsen wird vom vorgeschalteten (präsynaptischen) Neuron ein Botenstoff (Transmitter) in den synaptischen Spalt ausgeschüttet, der an spezifische Rezeptormoleküle der nachgeschalteten (postsynaptischen) Zelle bindet und in dieser eine physiologische Reaktion hervorruft, typischerweise eine Änderung des Erregungszustandes.
Arten von Synapsen
Synapsen lassen sich hauptsächlich in zwei Typen unterteilen: elektrische und chemische Synapsen.
Elektrische Synapsen
Elektrische Synapsen ermöglichen eine direkte und schnelle Übertragung von Aktionspotentialen zwischen Zellen. Sie werden von Gap Junctions gebildet, direkten Verbindungskanälen, über welche die Intrazellulärräume unmittelbar aneinander grenzender Zellen gekoppelt sind. Diese Gap Junctions sind Poren in der Zellmembran, die durch Connexine gebildet werden. Elektrische Synapsen kommen im Körper eher selten vor, finden sich aber dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist, wie z.B. im Herzmuskel und im Uterus.
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Chemische Synapsen
Chemische Synapsen nutzen Neurotransmitter, um Signale von einem Neuron zum nächsten zu übertragen. Sie bestehen aus der synaptischen Endigung eines Axons einer Nervenzelle und dem Dendriten einer benachbarten Nervenzelle. Die präsynaptische Endigung ist gefüllt mit Membranvesikeln, die Neurotransmitter enthalten. Auf der postsynaptischen Membran sitzen zahlreiche Rezeptoren, die diese Neurotransmitter binden können. Chemische Synapsen sind im Körper viel häufiger anzutreffen als elektrische Synapsen.
Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Nervensystems
Vielfalt und Funktion
Mehr als 100 unterschiedliche Moleküle sind bekannt, die im Nervensystem der Tiere über Synapsen Botschaften austauschen. Darunter befinden sich weniger als 20 kleine Transmittermoleküle wie Acetylcholin, Glutamat, GABA und Glyzin, die in den meisten Tiergruppen vorhanden sind, und viele unterschiedliche Neuropeptide, die häufig nur in bestimmten Tiergruppen auftreten. Neurotransmitter sind essentielle Botenstoffe im Nervensystem, die eine Schlüsselrolle bei der Übertragung von Nervenimpulsen zwischen Neuronen spielen. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Nervenzellen und sind von grundlegender Bedeutung für zahlreiche neurologische Prozesse, einschließlich Bewegung, Wahrnehmung, Emotionen und Gedächtnisbildung.
Erregende und hemmende Neurotransmitter
Neurotransmitter können erregende oder hemmende Funktionen haben. Erregende Synapsen rufen eine Depolarisation, hemmende Synapsen eine Hyperpolarisation an der Postsynapse hervor. Der wichtigste Transmitter erregender Synapsen im ZNS ist Glutamat, der an ligandengesteuerte Ionenkanäle bindet. Ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) wird erzeugt, wenn Glutamat an AMPA- oder Kainat-Rezeptoren bindet, wodurch Na+-Ionen eintreten. Der wichtigste hemmende Transmitter im Gehirn ist GABA, der an ligandengesteuerte Ionenkanäle bindet und Cl- in die Zelle einströmen lässt.
Beispiele für wichtige Neurotransmitter
Acetylcholin (ACh): Wirkt meist erregend und ist, neben Noradrenalin, der wichtigste Transmitter im Peripheren Nervensystem. Es spielt auch eine herausragende Rolle im Vegetativen Nervensystem sowie bei der Erregung von Muskelzellen an der motorischen Endplatte.
Glutamat: Der häufigste exzitatorische (erregende) Neurotransmitter im Zentralen Nervensystem.
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Gamma-Aminobuttersäure (GABA): Der häufigste inhibitorische, also hemmende Neurotransmitter im ZNS.
Dopamin: Spielt eine entscheidende Rolle bei einer Vielzahl von Funktionen, wozu beispielsweise Motorik, Denken, Wahrnehmung und das Belohnungssystem gehören.
Serotonin: Ist an der Regulation von Schlaf-Wach-Rhythmus, Schmerz, Emotion sowie Ess- und Sexualverhalten beteiligt.
Die Rolle von Synapsen bei der Signalübertragung
Ablauf der Signalübertragung an chemischen Synapsen
- Aktionspotential erreicht die präsynaptische Endigung: Ein ankommender elektrischer Reiz in der Nervenzelle führt zur Veränderung des elektrischen Potenzials der Zelle.
- Öffnung von Calciumkanälen: Durch diesen aktiviert, öffnen sich in der Membran spannungsabhängige Calciumkanäle.
- Einstrom von Calcium-Ionen: Ca2+-Ionen strömen in die Zelle.
- Freisetzung der Neurotransmitter: Die Ca2+-Ionen binden an Synaptotagmin und lösen die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran aus. Die Transmitter werden durch Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Bindung an Rezeptoren: Nach schneller Diffusion der Neurotransmitter über den synaptischen Spalt binden sie sich an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran.
- Öffnung von Ionenkanälen: Die Bindung an einen Rezeptor führt meist zur Öffnung von Ionenkanälen, was einen Ein-/ Ausstrom von Ionen bewirkt.
- ** postsynaptisches Potenzial:** Dadurch entsteht wiederum ein neues elektrisches Signal und die Weiterleitung war erfolgreich.
- Beendigung der Signalübertragung: Die Signalübertragung in einer Synapse endet aufgrund von verschiedenen Mechanismen, wie Repolarisation der präsynaptischen Membran, Inaktivierung und Abbau der Transmitter oder Wiederaufnahme in die präsynaptische Endigung.
Räumliche und zeitliche Summation
Ein Neuron im ZNS kann mehrere Tausend synaptische Verbindungen eingehen und Signale austauschen. Impulse werden am Axonhügel des postsynaptischen Neurons "verrechnet" und weitergeleitet (räumliche und zeitliche Summation). Nur wenn mehrere erregende EPSP gleichzeitig an verschiedenen Stellen (räumliche Summation) oder in ausreichend schneller zeitlicher Abfolge (zeitliche Summation) in einem Neuron eintreffen, entsteht in diesem ein Aktionspotential.
Synaptische Plastizität
Synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit der synaptischen Verbindungen im Gehirn, ihre Stärke und Effizienz anzupassen. Diese ist grundlegend für das Lernen, die Gedächtnisbildung und die Anpassungsfähigkeit des Nervensystems. Kurzzeitpotenzierung ist eine kurzfristige Verstärkung der Transmitterfreisetzung bei hohen Aktionspotenzialfrequenzen.
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Bedeutung von Synapsen für neurologische Erkrankungen
Störungen der Neurotransmission können zu schwerwiegenden neurologischen und psychischen Erkrankungen führen.
Beispiele für Erkrankungen
Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist.
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, die durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht wird.
Schizophrenie: Schwere chronische psychische Störung, die durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie gekennzeichnet ist.
Toxine und ihre Wirkung auf Synapsen
Verschiedene Toxine können die Funktion von Synapsen beeinträchtigen und zu neurologischen Störungen führen.
- Tetanustoxin: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA.
- Botulismus: Botulinumtoxin verhindert die Freisetzung von Acetylcholin.
Das Gleichgewicht der Neurotransmitter wiederherstellen
Ein Ungleichgewicht zwischen den Neurotransmittern kann massive Folgen haben, sowohl auf kognitiver als auch auf motorischer Ebene. Um die Neurotransmitter wieder ins Gleichgewicht zu bringen, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
- Ernährung: Eine gesunde und ausgewogene Ernährung ist die Basis, um Körper und Geist zu optimieren.
- Supplements: Die Gehirnleistung kann auch über Supplements gefördert werden.
- Änderung des Lifestyles: Regelmäßiger Sport, ausreichend Schlaf, frische Luft und Sonnenschein sorgen für die Ausschüttung von Serotonin und Dopamin.