Die komplexe Welt der Glutamat-Synapsen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis neuronaler Prozesse. Dieser Artikel beleuchtet wichtige Fachbegriffe und Konzepte, die im Zusammenhang mit Glutamat-Synapsen relevant sind, und bietet einen umfassenden Überblick über deren Funktionsweise und Bedeutung.
Einführung in die Glutamat-Synapse
Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize als elektrische Signale weitergeleitet. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen. 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.
Was ist eine Synapse?
Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, in dem chemisch oder elektrisch ein Signal weitergeleitet wird. Eine Synapse besteht aus drei Bereichen. Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus. Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt.
Chemische und elektrische Synapsen
Es gibt verschiedene Synapsentypen. Bei elektrischen Synapsen wird die Erregung direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Elektrische Synapsen kommen im Körper eher selten vor, sondern dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist. Chemische Synapsen kommen im Körper viel häufiger vor. Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.
Der Ablauf an einer chemischen Synapse
Elektrische Nervenreize bewirken eine Ausschüttung von Neurotransmittern aus Vesikeln in den synaptischen Spalt (sendende Synapse). Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden (empfangende Synapse). Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat. Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential). Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden oder im synaptischen Spalt abgebaut werden.
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Glutamat als wichtiger Neurotransmitter
Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem (ZNS). Nach GABA, dem wichtigsten inhibitorischen Neurotransmitter, ist die Glutamat-Konzentration im ZNS am höchsten. Paradoxerweise werden beide, GABA und Glutamat, aus derselben Aminosäurevorstufe gebildet. Glutamin wird durch Glutamat-Synthase zu Glutamat oxidiert, das in GABA-ergen Neuronen durch GAD (Glutamat-Decarboxylase; GAD: Kofaktor Vitamin B6) zu GABA umgewandelt wird.
Synthese und Umwandlung von Glutamat
Glutamin, eine Glutamat/GABA-Vorstufe, ist für die Entgiftung des ZNS eminent wichtig.
GABA und Glutamat: Ein antagonistisches Zusammenspiel
GABA wirkt bei zahlreichen neuronalen Vorgängen im ZNS modulierend mit, meistens unmittelbar antagonistisch gegenüber dem exzitatorischen Glutamat.
Fachbegriffe im Kontext von Glutamat-Synapsen
Neuronen und Interneurone
Nervenzellen (Neuronen) sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems. Interneurone (auch: Zwischenneurone/Schaltneurone) sind Nervenzellen, die zwei andere Neuronen miteinander verbinden. Sie haben keine eigene Signalverarbeitung, sondern dienen der reinen Informationsweitergabe. Meist sind sie GABAerg (inhibitorisch/hemmend) und haben kurze Axone, im Gegensatz zu langen Axonen bei Projektionsneuronen.
Axone und Dendriten
Das Axon (Neurit) ist der Fortsatz einer Nervenzelle (Neuron), der elektrische Nervenimpulse vom Zellkörper (Soma) weg leitet. Axone sind von Hüllstrukturen (Axolemm) umgeben. Axon und Hülle bilden die Nervenfaser. Dendriten sind verzweigte Ausläufer der Nervenzelle, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen.
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Präsynaptische und postsynaptische Zelle
Die präsynaptische Zelle ist die sendende Synapse, die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausschüttet. Die postsynaptische Zelle ist die empfangende Synapse, die Rezeptoren für die Neurotransmitter besitzt.
Rezeptoren und Liganden
Rezeptoren sind Proteine, die an spezifische Moleküle (Liganden) binden. Im Fall von Glutamat-Synapsen sind die Rezeptoren an der postsynaptischen Membran lokalisiert und binden Glutamat. Rezeptoren werden aktiviert, was die Signaltransduktion in der zugehörigen Zelle aktiviert.
Ionenkanäle
Ionenkanäle sind Proteine in der Zellmembran, die den Durchtritt von Ionen ermöglichen. Bei Glutamat-Synapsen spielen ligandengesteuerte Ionenkanäle eine wichtige Rolle, da sie sich öffnen, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
Aktionspotential und postsynaptisches Potential
In erregbaren Zellen (z. B. Neuronen oder Muskelzellen) findet man sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Nach diesem Prinzip wird ein elektrisches Potential in der Zelle nur ausgelöst, wenn ein bestimmter Schwellwert an Reizintensität überschritten wurde. Der Ein- und Ausstrom von Ionen hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
Vesikel
Vesikel sind kleine Bläschen, die Neurotransmitter enthalten und in der präsynaptischen Zelle gespeichert sind. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
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Synaptischer Spalt
Der synaptische Spalt ist der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle, in den die Neurotransmitter ausgeschüttet werden.
Neurotransmitter-Aufnahme und -Abbau
Nach der Bindung an die Rezeptoren werden die Neurotransmitter entweder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet oder im synaptischen Spalt abgebaut.
Glutamat-Rezeptoren
Glutamat aktiviert postsynaptische Rezeptoren. Es gibt verschiedene Arten von Glutamat-Rezeptoren, die sich in ihren Eigenschaften und Funktionen unterscheiden.
Long-Term Potentiation (LTP) und Long-Term Depression (LTD)
Long-term potentiation (LTP), Langzeitpotenzierung, bezeichnet die langanhaltende Verstärkung der neuronalen Erregung auf Reize und ist erforderlich für Lernen. Long-Term-Depression, Langzeitdepression (LTD) hingegen beschreibt die Abschwächung der neuronalen Erregung auf Reize, was ebenfalls für Lernen erforderlich ist.
Glutamat und neurologische Erkrankungen
Excitotoxizität, die durch übermäßige Glutamat-Aktivierung verursacht wird, kann zu neuronalen Schäden führen und bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen eine Rolle spielen.
Medikamentöse Beeinflussung von Glutamat-Synapsen
Es gibt Substanzen, die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen.
Die Rolle von Gliazellen
Gliazellen, insbesondere Astrozyten, spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Glutamat-Konzentration im synaptischen Spalt. Astrozyten gehören zu den größten unter den Gliazellen. Zu ihren Aufgaben gehören z.B.
Neurobiologische Grundlagen von Lernen und Verhalten
Neurobiologische Grundlagen von Lernen und Verhalten sind im Biologieunterricht von Bedeutung. Das Fach „Sondergebiete der Biowissenschaften“ eignet sich durch den modularen Aufbau hervorragend, um das jeweilige Profil der Beruflichen Gymnasien zu schärfen und vertiefende Einblicke in unterschiedliche einschlägige Berufsfelder zu geben. Ebenso können zusätzliche naturwissenschaftliche Inhalte im Hinblick auf eine umfassende naturwissenschaftliche Grundbildung ergänzend erworben werden.
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