Synapsen sind die grundlegenden Kommunikationseinheiten im Nervensystem. Sie ermöglichen die Übertragung von Signalen zwischen Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen Neuronen und anderen Zellen, wie Muskel- oder Drüsenzellen. Diese Signalübertragung ist essenziell für nahezu alle Funktionen des Körpers, von einfachen Reflexen bis hin zu komplexen kognitiven Prozessen wie Lernen und Gedächtnis.
Was sind Synapsen?
Als Synapse wird die Verbindungsstelle zwischen zwei Zellen im Nervensystem bezeichnet, an der Informationen (Reize/Erregungen) weitergeleitet werden. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind. Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet.
An den Synapsen wird das elektrische Signal in chemische Botenstoffe umgewandelt, die dann von den Postsynapsen anderer Nervenzellen empfangen werden. Die Freisetzung der Botenstoffe erfolgt aus speziellen Membranbläschen, den sogenannten synaptischen Vesikeln. Neben der Übertragung von Erregung können Synapsen auch Informationen speichern.
Aufbau einer Synapse
Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten:
Präsynapse: Dies ist das Ende des Axons der sendenden Nervenzelle (präsynaptisches Neuron). Hier befinden sich synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.
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Synaptischer Spalt: Dies ist der schmale Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle. Er ist etwa 20-50 Nanometer breit.
Postsynapse: Dies ist der Teil der empfangenden Zelle (postsynaptisches Neuron oder Effektorzelle), der die Neurotransmitter-Rezeptoren enthält. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar.
Arten von Synapsen
Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen, die sich hauptsächlich in der Art der Signalübertragung unterscheiden:
Chemische Synapsen
Chemische Synapsen sind die häufigste Art von Synapsen im Nervensystem. Bei dieser Art der Synapse wird ein chemisches Signal (Neurotransmitter) verwendet, um die Information von einer Zelle zur nächsten zu übertragen. Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.
- Aktionspotential erreicht die Präsynapse: Wenn ein Aktionspotential das Axonende erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle.
- Calcium-Einstrom: Der Einstrom von Calciumionen in die Präsynapse löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
- Freisetzung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
- Ionenfluss und postsynaptisches Potential: 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.
Elektrische Synapsen
Elektrische Synapsen sind seltener als chemische Synapsen. Sie ermöglichen eine direkte elektrische Kopplung zwischen den Zellen über sogenannte Gap Junctions. Bei elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über die sogenannten Gap Junctions verbunden. Das sind Zell-Zell-Kontakte, über die ein Austausch von Ionenströmen zwischen den zwei Zellen möglich ist. Das Aktionspotenzial wird direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.
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Neurotransmitter
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen freigesetzt werden, um Signale von einer Nervenzelle zur nächsten zu übertragen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern mit unterschiedlichen Funktionen. Beim Menschen wurden mehr als 500 verschiedene Neurotransmitter identifiziert. Einige wichtige Beispiele sind:
Acetylcholin: Spielt eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion und im vegetativen Nervensystem. Die quartäre Ammoniumverbindung Acetylcholin hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Im Perikaryon wird seine Bildung aus Cholin und Acety-CoA von der Cholinacetyltransferase katalysiert. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren. Erstere sind vor allem im Zusammenhang mit dem vegetativen Nervensystem von Bedeutung.
Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im zentralen Nervensystem.
GABA (γ-Aminobuttersäure): Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn. GABA gehört zu den Aminosäuren und wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet.
Dopamin: Beteiligt an der Steuerung von Bewegung, Motivation und Belohnung. Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems.
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Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf und Appetit. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
Noradrenalin (Norepinephrin): Beteiligt an der Stressreaktion und der Aufrechterhaltung der Aufmerksamkeit. Bedeutende Vertreter der Monoamine sind Adrenalin und Noradrenalin. Aber auch Dopamin, Histamin und Serotonin gehören zu ihnen. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern.
Erregende und hemmende Synapsen
Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken, abhängig vom freigesetzten Neurotransmitter und den vorhandenen Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
Erregende Synapsen: Diese Synapsen depolarisieren die postsynaptische Zelle, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird. Eine erregende Synapse verstärkt die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage. Die Funktion der Synapse ist analog zu der normalen chemischen Synapse. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Darauf folgt die Depolarisation und ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP).
Hemmende Synapsen: Diese Synapsen hyperpolarisieren die postsynaptische Zelle, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird. Eine hemmende / inhibitorische Synapse vermindert die Depolarisation (= Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron. Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die y-Aminobuttersäure. Im Gegensatz zur normalen Synapse werden bei der hemmenden Synapse K+ bzw. Cl- Kanäle geöffnet. Die darauf folgende Hyperpolarisation führt zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potenzial (IPSP).
Synaptische Vesikel
Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.
Synaptische Plastizität
Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Anpassungsfähigkeit ist entscheidend für Lernen und Gedächtnis. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.
Bedeutung für das Leben
Synapsen bilden das Fundament für alle Funktionen des Nervensystems: Sie verknüpfen Milliarden von Nervenzellen zu Netzwerken und ermöglichen Wahrnehmung, Bewegung, Denken und Lernen. Sie bestimmen, wie Informationen im Gehirn fließen und verarbeitet werden. Ohne Synapsen gäbe es keine Kommunikation im Nervensystem. Die Anpassungsfähigkeit der Synapsen ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung. Gehirnforscherinnen und -forscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".
Erkrankungen und Störungen der Synapsen
Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserrregern können diese Strukturen gezielt ausschalten. 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. Einige Beispiele sind:
Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, bei der Autoantikörper Acetylcholinrezeptoren an der neuromuskulären Endplatte blockieren. Myasthenia gravis ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Normalerweise bindet der Neurotransmitter Acetylcholin, der von der Nervenzelle freigesetzt wird, an diese Rezeptoren, um eine Muskelkontraktion auszulösen. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminproduzierenden Zellen in der Substantia nigra 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: Eine neurologische Entwicklungsstörung, die mit Veränderungen in der synaptischen Funktion in Verbindung gebracht wird. Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist. Diese Störung wird aufgrund der großen Variabilität in der Ausprägung und Symptomatik als „Spektrum“ bezeichnet. Autismus-Spektrum-Störung leiden unter schweren Beeinträchtigungen der Sprachfähigkeit und des Intellekts, während andere einen normalen oder sogar fortgeschrittenen Intellekt aufweisen.
Chorea Huntington: Eine progressive neurodegenerative Erkrankung, die durch genetische Mutationen verursacht wird, die die synaptische Funktion beeinträchtigen. Chorea Huntington: progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung. Sie wird durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen (Cytosin-Adenin-Guanin) im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht. Zum klinischen Erscheinungsbild im Erwachsenenalter gehören eine Bewegungsstörung, die als Chorea bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um abrupte, unwillkürliche Bewegungen des Gesichts, des Rumpfes und der Extremitäten.
Schizophrenie: Eine schwere chronische psychische Störung, die mit Veränderungen in der synaptischen Übertragung in Verbindung gebracht wird. 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 und Botulismus: Diese Krankheiten werden durch bakterielle Toxine verursacht, die die synaptische Funktion stören. Tetanustoxin: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA. Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur, die sich durch Krämpfe zeigt. Besonders betroffen ist die Kiefermuskulatur. Dadurch entsteht das klassische Zeichen der Kieferklemme. Im Verlauf wird zudem die Atemmuskulatur gelähmt. Botulismus: Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Clostridien produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter.
Lambert-Eaton-Syndrom: Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Normalerweise wird an dieser Synapse der Neurotransmitter Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle freigesetzt, um einen Muskelreiz auszulösen. Bei dem Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom bildet das Immunsystem jedoch Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind notwendig, damit Calcium in die Nervenzelle einströmt und die Freisetzung von Acetylcholin auslöst.
Vergiftungen: Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann.
Medikamentöse Beeinflussung von Synapsen
Viele Medikamente, einschließlich einiger Antidepressiva, wirken, indem sie die Funktion von Synapsen beeinflussen. Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern.
Botulinumtoxin (Botox): Botulinumtoxin (umgangssprachlich: „Botox“) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es wirkt an der neuromuskulären Synapse, indem es die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle blockiert - dadurch wird die Signalübertragung unterbrochen, und der Muskel entspannt sich. Klinisch wird es z. B.
Atropin: Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
Forschung zu Synapsen
Die Erforschung der Synapsen ist ein aktives Gebiet der neurowissenschaftlichen Forschung. Wissenschaftler arbeiten daran, die molekularen Mechanismen der synaptischen Funktion besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu entwickeln. Wissenschaftler vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben jetzt zusammen mit einem internationalen Team einen entscheidenden Mechanismus aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt. Die Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen, um künftig die Regeneration von Nervenzellen zu befördern oder auch Alterungsprozessen entgegenzuwirken.
Die Forschenden konnten zum einen darlegen, dass für den axonalen Transport eine Maschinerie aus Motorproteinen angeworfen wird. Der Haupttreiber ist demnach das sogenannte Kinesin „KIF1A“. Dieses Motorprotein ist vor allem im Zusammenhang mit neurologischen Störungen im peripheren Nervensystem und im Gehirn bekannt. „Wir vermuten, dass Mutationen in KIF1A den axonalen Transport präsynaptischer Proteine behindern und es so zu neurologischen Symptomen wie Bewegungsstörungen, Ataxie oder geistigen Behinderungen kommt“, erläutert Volker Haucke.
Die Ergebnisse waren auch für Experten überraschend. So stellte sich heraus, dass ein biologisches Transportvesikel in seiner Struktur viel stärker durch Proteine bestimmt wird als zuvor angenommen: Wenn man von außen auf das Vesikelmodell schaut, kann man die Lipidmembran (gelb) vor lauter Proteinen kaum erkennen, und dabei sind im Modell nur ca.