Synapsen und Aktionspotentiale einfach erklärt

Synapsen und Aktionspotentiale sind grundlegende Konzepte für das Verständnis der Funktionsweise des Nervensystems. Nervenzellen kommunizieren miteinander und mit anderen Zellen, indem sie elektrische und chemische Signale übertragen. Dieser Artikel erklärt die Grundlagen von Synapsen und Aktionspotentialen, ihre Funktionsweise und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung im Körper.

Was sind Synapsen?

Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Diese Zellen können weitere Nervenzellen, Sinneszellen, Drüsenzellen oder Muskelzellen sein. Synapsen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt.

Typen von Synapsen

Je nach Art der Informationsübertragung unterscheidet man zwei Haupttypen von Synapsen:

1. Chemische Synapsen: Bei dieser Art von Synapse erfolgt die Übertragung der Erregung durch einen Neurotransmitter, einen chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Chemische Synapsen sind bei Säugetieren vorherrschend.
2. Elektrische Synapsen: Hier erfolgt die Übertragung der Erregung durch direkten Austausch von Ladungsträgern über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen, an zwei eng aneinanderliegenden Membranen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Elektrische Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Aufbau einer Synapse

Eine Synapse besteht vereinfacht gesagt aus drei Bereichen:

• Präsynapse: Der präsynaptische Teil befindet sich am Ende der Nervenzelle und enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmittern.
• Synaptischer Spalt: Dies ist der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle.
• Postsynapse: Der postsynaptische Teil befindet sich an der nachgeschalteten Zelle und enthält Rezeptoren für die Neurotransmitter.

Vorgänge an der Synapse

Die Informationsübertragung an einer chemischen Synapse erfolgt in mehreren Schritten:

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1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
2. Calcium-Einstrom: Spannungsabhängige Calciumkanäle öffnen sich, und Calcium-Ionen strömen in das Endknöpfchen. Dies führt zu einer Depolarisation der Membran.
3. Vesikel-Verschmelzung und Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel wandern zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Neurotransmitter-Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse und bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran.
5. ** postsynaptisches Potential:** Die Bindung des Neurotransmitters an die Rezeptoren ruft eine spezifische Wirkung hervor, z.B. die Öffnung von Ionenkanälen. Dies führt zu einer Änderung der Spannung an der postsynaptischen Membran, dem postsynaptischen Potential (PSP). Ein EPSP (erregendes postsynaptisches Potential) depolarisiert die Membran, während ein IPSP (hemmendes postsynaptisches Potential) hyperpolarisiert die Membran und die Zelle ist nicht mehr erregbar.
6. Abbau oder Wiederaufnahme des Neurotransmitters: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab, oder die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse und werden dort aktiv aufgenommen und regeneriert.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren

Rezeptoren in der postsynaptischen Membran können ionotrop oder metabotrop sein:

• Ionotrope Rezeptoren: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
• Metabotrope Rezeptoren: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt, z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen.

Neuromuskuläre Synapsen

Ein Beispiel für eine chemische Synapse ist die neuromuskuläre Synapse, die sich zwischen dem Axon eines Muskelneurons und einer Muskelfaser befindet. Hier führt der Neurotransmitter Acetylcholin zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.

Was ist ein Aktionspotential?

Das Aktionspotential (AP) ist eine vorübergehende Änderung des Membranpotentials einer Zelle, die zur Reizweiterleitung zwischen Nervenzellen dient. Es ist eine kurze, aber signifikante Änderung des elektrischen Potentials der Nervenzellmembran, die etwa 1-2 Millisekunden dauert.

Ruhepotential

Das Ruhepotential ist der normale Spannungszustand einer Nervenzelle ohne Reiz, etwa -70 Millivolt (mV). Die Konzentration der Kaliumionen ist im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die in der Membran liegenden spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sind zunächst geschlossen.

Auslöser eines Aktionspotentials

Ein Aktionspotential entsteht nicht spontan, sondern als Reaktion auf einen Reiz. Dieser Reiz kann physikalisch (z.B. Druck) oder chemisch (z.B. Neurotransmitter) sein. Meist entsteht ein Aktionspotential als Reaktion auf einen Reiz. Dabei kann es sich um physikalische Reize, wie Druck, handeln, die direkt auf spezialisierte Sinneszellen wirken. Viel häufiger werden Nervenzellen jedoch durch chemische Reize, also Neurotransmitter, die an Synapsen ausgeschüttet werden, zur Bildung eines Aktionspotentials veranlasst.

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Ablauf des Aktionspotentials

1. Depolarisation: Ein am Axonhügel eines Neurons ankommender Reiz erhöht die Spannung an der Zellmembran. Nur wenn dieser Reiz die Spannung über einen Schwellenwert von etwa -55 mV erhöht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Der Anstieg des Membranpotentials über diesen Schwellenwert führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle in der Membran. Natriumionen strömen in das Zellinnere des Axons, wodurch es zu einer Ladungsumkehr kommt. Die Innenseite ist jetzt positiv geladen.
2. Repolarisation: Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen sich die Natriumkanäle wieder zu schließen. Gleichzeitig beginnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle zu öffnen. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder sinkt.
3. Hyperpolarisation: Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert als das der Natriumkanäle, kann es zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. Die Spannung sinkt unter den Ausgangswert.
4. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt die ursprüngliche Ionenverteilung wieder her, indem sie Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurück transportiert.
5. Refraktärzeit: Nach dem Ablauf des Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden. Es dauert eine kurze Zeit, bis eine Zelle wieder erregbar ist. Diese Zeit heißt Refraktärzeit und wird in absolute und relative Refraktärphase unterteilt.

Alles-oder-Nichts-Prinzip

Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Das bedeutet, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt, sobald der Schwellenwert überschritten wird. Ein stärkerer Reiz löst kein größeres Aktionspotential aus, sondern erhöht lediglich die Frequenz der Aktionspotentiale.

Bedeutung des Aktionspotentials

Das Aktionspotential ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen. Es ermöglicht die schnelle und effiziente Übertragung von Informationen über lange Distanzen im Körper.

Synapsengifte und ihre Wirkung

Synapsengifte sind Substanzen, die die Erregungsübertragung an Synapsen stören oder verhindern können. Sie beeinflussen die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen.

• Nikotin: Aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper.
• Kokain: Bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert, was zu einer Dauergereizung der nachfolgenden Zelle führt.
• Atropin: Hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

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