Synapse: Definition, Struktur und Funktion

Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) und anderen Zellen, wie beispielsweise Muskel- oder Drüsenzellen, ermöglichen. Der Begriff "Synapse" wurde im Jahr 1897 von Charles S. Sherrington geprägt und leitet sich von den griechischen Wörtern "syn" (zusammen) und "haptein" (ergreifen, fassen, tasten) ab. Obwohl die meisten Synapsen chemische Botenstoffe zur Informationsübertragung nutzen, gibt es auch elektrische Synapsen, die eine direkte Weiterleitung ermöglichen.

Arten von Synapsen

Grundsätzlich lassen sich Synapsen in zwei Haupttypen unterteilen: chemische und elektrische Synapsen.

Chemische Synapsen

Die meisten Synapsen im menschlichen Nervensystem sind chemische Synapsen. Hier wird das elektrische Signal der präsynaptischen Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt. Die präsynaptische Nervenzelle setzt Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei, die dann an Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden. Dieser Prozess ist unidirektional, das heißt, die Erregung durchläuft die chemische Synapse in einer Richtung, vom prä- zum postsynaptischen Teil.

• Präsynaptischer Teil: Das Axonendknöpfchen der sendenden Nervenzelle, welches Neurotransmitter in Vesikeln speichert.
• Synaptischer Spalt: Ein schmaler Zwischenraum (20-50 Nanometer breit) zwischen der prä- und postsynaptischen Membran.
• Postsynaptischer Teil: Die Membran der empfangenden Zelle, die Rezeptoren für Neurotransmitter enthält.

Die Moleküle der Neurotransmitter werden in den Nervenzellen produziert und in kleinen Bläschen (Vesikeln) zum Synapsenendknöpfchen des Axons transportiert. Ein ankommendes Aktionspotential öffnet spannungsaktivierte Calciumkanäle, was zu einem Anstieg der intrazellulären Calcium-Konzentration führt. Dies löst die Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt aus. Calcium-bindende Proteine, insbesondere Synaptotagmin, spielen eine entscheidende Rolle bei der exozytotischen Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Weitere Proteine wie Complexin I und II beschleunigen die Ausschüttung der Neurotransmitter.

An der postsynaptischen Membran binden die freigesetzten Neurotransmitter an Rezeptoren. Dies kann zur Öffnung von ligandenabhängigen Ionenkanälen und damit zu einer Änderung des Membranpotentials der postsynaptischen Nervenzelle führen. Alternativ kann eine Second-Messenger-Kaskade ausgelöst werden, die ebenfalls das Membranpotential der postsynaptischen Zelle verändert.

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Elektrische Synapsen

Elektrische Synapsen sind seltener als chemische Synapsen. In elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt und ohne Umwege auf die nachfolgende Zelle weitergeleitet. Sie haben direkte Verbindungskanäle, sogenannte Gap Junctions, über welche die Intrazellulärräume unmittelbar aneinander grenzender Zellen miteinander gekoppelt sind. Gap Junctions sind Poren in der Zellmembran, die durch bestimmte Proteine, die Connexine, gebildet werden. Sechs Connexin-Moleküle bilden ein Connexon. Durch den Kontakt zwischen zwei Connexonen benachbarter Zellen entsteht ein Kanal, der beide Membranen durchquert. Elektrische Synapsen ermöglichen eine schnelle, direkte Ausbreitung von Änderungen des Membranpotentials und die Diffusion von Molekülen, wie z.B. sekundären Botenstoffen. Sie kommen dort vor, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist, wie beispielsweise im Herzmuskel.

Neurotransmitter und ihre Funktion

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an chemischen Synapsen freigesetzt werden, um Signale von einer Nervenzelle zur nächsten oder zu einer anderen Zielzelle zu übertragen. Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen.

• Acetylcholin: Eine quartäre Ammoniumverbindung, die häufig erregende Eigenschaften hat und vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle spielt. Es bindet an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
• Monoamine: Bedeutende Vertreter sind Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Histamin und Serotonin. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern. Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind. Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Serotonin ist ebenfalls ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
• Aminosäuren: GABA (Gamma-Aminobuttersäure) wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems hemmend, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet.
• Neuropeptide: Diese binden an spezifische Rezeptoren, meist G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, und beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.

Erregende und hemmende Synapsen

Synapsen können entweder erregende (exzitatorische) oder hemmende (inhibitorische) Wirkung haben. Erregende Synapsen erzeugen ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP), das die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst. Hemmende Synapsen erzeugen ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP), das die Wahrscheinlichkeit verringert, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst.

Die Erregung einer einzelnen Synapse würde jedoch niemals zur Weiterleitung eines Aktionspotentials im angeschlossenen Neuron führen. 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. Die Aktivierung hemmender Synapsen führt zu Hyperpolarisation (IPSP), wodurch ihr Membranpotential verändert wird und sie schwerer erregbar sind.

Beendigung des Signals an der Synapse

Um sicherzustellen, dass Signale nicht "hängenbleiben", werden Neurotransmitter nach ihrem Einsatz rasch inaktiviert. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen:

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• Wiederaufnahme: Einige Neurotransmitter werden von der präsynaptischen Zelle oder von Gliazellen wieder aufgenommen und erneut verwendet.
• Abbau: Andere Neurotransmitter werden im synaptischen Spalt durch Enzyme abgebaut.

Synaptische Plastizität

Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Anpassungsfähigkeit ist die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse im Nervensystem. Durch wiederholte Aktivierung können Synapsen stärker (Langzeitpotenzierung, LTP) oder schwächer (Langzeitdepression, LTD) werden.

Bedeutung für Krankheiten und Behandlung

Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen.

• Depressionen: Bei Depressionen spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind.
• Autoimmunerkrankungen: Das Lambert-Eaton-Syndrom und Myasthenia gravis sind Autoimmunerkrankungen, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stören.
• Vergiftungen: Synapsengifte können die Funktion von Synapsen erheblich stören oder sogar ganz unterbinden. Beispiele hierfür sind Parathion (E 605), das zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase führt, und Botulinumtoxin, das die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte verhindert.

Viele Medikamente entfalten ihre Wirkung an den Synapsen. Antidepressiva können beispielsweise die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern. Botulinumtoxin (Botox) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen.

Synapsengifte

Als Synapsengifte werden chemische Substanzen bezeichnet, 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 überhaupt ist das von Clostridien gebildete Botulinumtoxin.

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