Synaptischer Spalt: Die Verbindung zwischen Nervenzelle und Muskelzelle – Funktion und Bedeutung

Synapsen sind die Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) und anderen Zellen ermöglichen. Diese "anderen" Zellen können Nervenzellen selbst sein, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen oder Muskelzellen. Synapsen spielen eine entscheidende Rolle bei der Informationsverarbeitung und -weiterleitung im Körper, indem sie Erregungen übertragen.

Arten von Synapsen: Elektrische und chemische Signalübertragung

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Haupttypen von Synapsen: elektrische und chemische.

• Elektrische Synapsen: Bei dieser Art der Synapse wird die Erregung (in Form eines Aktionspotenzials) direkt als elektrisches Signal an die benachbarte Zelle weitergeleitet. Dies geschieht nahezu ohne Verzögerung, da spezielle Proteinkanäle, sogenannte Gap Junctions, die Zellen miteinander verbinden. Die Informationsübertragung erfolgt hier in weniger als einer Millisekunde. Die Erregungsweiterleitung erfolgt aufgrund des Ionenstroms passiv. Ein Aktionspotenzial im präsynaptischen Neuron löst somit unmittelbar ein Aktionspotenzial im postsynaptischen Neuron aus.

• Chemische Synapsen: Im Gegensatz dazu übertragen chemische Synapsen eine Erregung indirekt. Sie wandeln ein elektrisches Signal in ein chemisches Signal um, indem sie Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, freisetzen. Dieser Prozess dauert etwas länger als bei elektrischen Synapsen (etwa 1 Millisekunde).

Aufbau einer chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht vereinfacht aus drei Bereichen:

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1. Präsynaptischer Teil: Dieser Bereich befindet sich am Ende der sendenden Nervenzelle und enthält winzige Bläschen (Vesikel), die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Das Endknöpfchen stellt den präsynaptischen Teil der ersten Nervenzelle dar. Wenn ein Aktionspotential die Terminale erreicht, öffnen sich die spannungsabhängigen Ca2+ Ionenkanäle. Es folgt ein starker Einstrom der Ionen in das Endknöpfchen. Angeregt durch die Ca2+ Ionen Konzentration, wandern die synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran. Die Ca2+ Ionen werden derweil wieder aus der Terminale ausgepumpt, um die Ausgangslage wiederherzustellen.
2. Synaptischer Spalt: Dies ist der schmale Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran (siehe unten). Er ist etwa 10-50 nm breit und mit Extrazellulärflüssigkeit angefüllt.
3. Postsynaptischer Teil: Dieser Bereich gehört zur empfangenden Zelle (Nervenzelle, Muskelzelle usw.) und enthält Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden können. Die Rezeptoren gehören zum postsynaptischen Teil und sind damit ein Bestandteil der nachgeschalteten Nervenzelle.

Die motorische Endplatte: Eine "Schulbuchsynapse"

Ein besonders anschauliches Beispiel für eine chemische Synapse ist die motorische Endplatte. Sie bildet die Verbindungsstelle zwischen einer motorischen Nervenzelle und einer Muskelzelle. Aufgrund ihrer relativ einfachen Funktionsweise wird die motorische Endplatte oft als "typische Synapse" in Schulbüchern behandelt.

Funktionsweise der motorischen Endplatte

1. Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen der motorischen Endplatte erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle.
2. Calcium-Einstrom: Calciumionen strömen in das Endknöpfchen ein. Die Calciumionen-Konzentration im Außenmedium der Synapse ist mit 2 mmol/l bedeutend höher als im Zellinnern mit 0,0002 mmol/l (Verhältnis 10.000:1) [6, S. 75], die Ionen strömen also mit dem Konzentrationsgradienten in die Zelle hinein.
3. Vesikel verschmelzen mit der Membran: Die erhöhte Calciumionen-Konzentration führt dazu, dass die synaptischen Vesikel, die mit dem Neurotransmitter Acetylcholin gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen.
4. Acetylcholin-Freisetzung: Das Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt freigesetzt. Das Acetylcholin ist eine Verbindung aus Essigsäure und Cholin. Im Gegensatz zu anderen Neurotransmittern wird Acetylcholin direkt im synaptischen Endknöpfchen synthetisiert und in Vesikel verpackt. Das so hergestellte Acetylcholin gelangt dann über Transportproteine in die synaptischen Vesikel. Jedes der bis zu 1.000.000 synaptischen Vesikel kann bis zu 10.000 Acetylcholin-Moleküle enthalten [3, 5].
5. Bindung an Rezeptoren: Das Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an spezifische Rezeptoren (ligandengesteuerte Natriumkanäle) auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Die motorischen Nervenzellen, die am präsynaptischen Teil der motorischen Endplatte beteiligt sind, gehören zu den cholinergen Neuronen. Das sind Nervenzelle, die Acetylcholin als Neurotransmitter ausschütten.
6. Öffnung der Natriumkanäle: Durch die Bindung des Acetylcholins öffnen sich die Natriumkanäle. Setzt sich nun ein Neurotransmitter-Molekül in diese Rezeptorregion, so öffnet sich der Natriumkanal. Durch einen so geöffneten Natriumkanal können sowohl Natrium-Ionen wie auch Kalium-Ionen in die postsynaptische Zelle eindringen. Kalium-Ionen strömen aus der Zelle aus.
7. Depolarisation: Natriumionen strömen in die Muskelzelle ein und verursachen eine Depolarisation der Membran.
8. Aktionspotenzial in der Muskelzelle: Die Depolarisation führt zur Auslösung eines Aktionspotenzials in der Muskelzelle.
9. Muskelkontraktion: Das Aktionspotenzial löst die Freisetzung von Calciumionen aus zelleigenen Speichern in der Muskelzelle aus, was letztendlich zur Muskelkontraktion führt.
10. Acetylcholin-Abbau: Um eine dauerhafte Erregung zu verhindern, wird das Acetylcholin im synaptischen Spalt durch das Enzym Acetylcholinesterase abgebaut. Ein Enzym (1) der postsynaptischen Membran kann die Neurotransmitter wieder abbauen (2 = Spaltprodukte).
11. Wiederaufnahme der Spaltprodukte: Die Spaltprodukte (Essigsäure und Cholin) werden wieder in das Endknöpfchen der motorischen Endplatte aufgenommen und dort erneut zu Acetylcholin synthetisiert. Die Transmitterspaltprodukte werden wieder in das Endknöpfchen der motorischen Endplatte transportiert. Im Endknöpfchen der Synapse werden die Transmitterbausteine wieder zu kompletten Neurotransmittern zusammengesetzt und dann in neu gebildete synaptische Vesikel verpackt.
12. Calcium-Entfernung: Die Calcium-Ionen, die in das Endknöpfchen geströmt sind, müssen am Ende des Prozesses wieder unter ATP-Verbrauch hinaus gepumpt werden.

Allzu lange darf diese Depolarisierung aber nicht andauern, wenn die Informationsübertragung an der Synapse einigermaßen gut funktionieren soll.

Interneuronale Synapsen: Erregung und Hemmung

Neben den neuromuskulären Synapsen gibt es auch Synapsen zwischen Nervenzellen (interneuronale Synapsen). Diese können entweder erregend (exzitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch) wirken.

• Erregende Synapsen: Diese Synapsen verstärken die Depolarisation am anbindenden Neuron und fördern so die Weiterleitung von Impulsen. 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). Setzen die Neurotransmitter (hier Acetylcholin) in Na+/K+-Kanäle der Membran von Muskelzellen, sorgt der Einstrom von Na+-Ionen recht schnell für Aktionspotenziale in der Muskelzelle, was dann die Freisetzung von Calcium-Ionen aus zelleigenen Calcium-Speichern zur Folge hat.
• Hemmende Synapsen: Diese Synapsen vermindern die Depolarisation (Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron und erschweren so die Weiterleitung von Impulsen. 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). Sollte der Neurotransmitter nicht die Na+/K+-Kanäle öffnen, sondern die Chlorid-Kanäle, kommt es zu einem Einstrom von negativ geladenen Chlorid-Ionen.

Die Erregung eines Neurons ergibt sich aus der Summe der verschiedenen Signale, die das Neuron erhält. Also alle EPSPs verrechnet mit allen IPSPs (= Synaptische Integration)

Summation von Signalen

Nicht jedes Endplattenpotential - egal ob von einer erregenden oder hemmenden Synapse stammend - führt auch zu einer Reizüberschreitung in der postsynaptischen Membran. Oft sind mehrere APo's nötig, um tatsächlich zu einer Muskelkontraktion zu führen oder diese zu unterbinden.

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Es gibt zwei Arten von Summation, die an einem Soma auftreten können: die zeitliche und die räumliche Summation.

1. Zeitliche Summation: Innerhalb kürzester Zeit laufen APo's am selben Dendrit in das Soma einer Synapse ein.
2. Räumliche Summation: An einem Neuron laufen gleichzeitig mehrere APo's von verschiedenen Dendriten in das Soma einer Nervenzelle ein.

Beide Arten von Summationen führen zu graduierten PSPs.

Neurotransmitter: Die chemischen Botenstoffe

Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die an den Synapsen freigesetzt werden und die Erregungsübertragung von einer Zelle zur nächsten ermöglichen. Sie sind in den präsynaptischen Nervenenden (Synapse) in winzigen „Bläschen“, Vesikel genannt, gespeichert. Diese Neurotransmitter helfen bei der Übertragung von Nervenimpulsen von Zelle zu Zelle. Sie können durch Calcium-Ionen freigesetzt werden. Sie sind meist kettenförmig (manchmal ringförmig) und bestehen aus bis zu 39 Aminosäuren. Neurotransmitter lassen sich einteilen in Monoamine und Peptide. Die Synthese der Monoamine erfolgt in den Synapsen der Nervenzellen, die der Peptide an den Ribosomen der Nervenzelle.

Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die unterschiedliche Wirkungen haben können. Einige wichtige Beispiele sind:

• Acetylcholin: Spielt eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion und im vegetativen Nervensystem. Im Gehirn des Menschen sind ca. 5-10 % aller Synapsen mit Acetylcholin ausgestattet. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.
• Adrenalin und Noradrenalin: Sind an der Steuerung von Aufmerksamkeit, Wachheit und Stressreaktionen beteiligt. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern.
• Dopamin: Spielt eine Rolle bei der Motivation, der Emotionsregulation und der Steuerung von Bewegungen. Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems.
• Serotonin: Ist an der Regulation von Stimmung, Schlaf und Appetit beteiligt. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
• GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Ist der wichtigste inhibitorische 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.

Die Tabelle zeigt, dass manche Neurotransmitter sowohl erregend als auch hemmend wirken können. Grund dafür sind nicht die Eigenschaften des Transmitters, sondern die des Rezeptors. Die Neurotransmitter treten in Interaktion mit den Rezeptormolekülen, das heißt sie bilden einen Transmitter-Rezeptor-Komplex nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Agonisten sind dabei Substanzen, die stimulierend auf einen Rezeptor wirken, Antagonisten wirken hemmend. Rezeptoren besitzen eine bestimmte Selektivität und Affinität. An den Dendriten und den Zellkörpern der meisten Nervenzellen findet sich ein Gemisch aus hemmenden und erregenden Synapsen.

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Bei Eindringen bestimmter Ionen aus dem Ionenkanal in die Zielzelle wird das Potenzial der Zelle entweder erhöht oder verringert. Die Ladung der durch die Ionenkanäle wandernden Ionen bestimmt, ob es sich bei der Synapse um eine erregende oder hemmende Synapse handelt. Positiv geladene Ionen erhöhen das Potenzial im Inneren der Zelle und damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle Transmittersubstanzen freisetzt. In diesem Fall nennt man die Synapse erregend (excitatorisch).

Der synaptische Spalt: Funktion und Bedeutung

Der synaptische Spalt ist der Abschnitt zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran zweier Zellen. Er befindet sich also zwischen zwei Nervenzellen oder einer Nervenzelle und einer Muskelzelle. Er ist etwa 10-50 nm breit und ermöglicht die Übertragung eines Aktionspotentials zwischen zwei Zellen mit Hilfe von Neurotransmittern. Außerdem befinden sich in ihm Enzyme, die benutzte Neurotransmitter wieder abbauen.

Die Funktion des synaptischen Spalts lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. Weiterleitung von Aktionspotentialen: Der synaptische Spalt sorgt dafür, dass ein Aktionspotential zwischen zwei Zellen weitergeleitet werden kann. So wird zum Beispiel eine Information an die nächste Nervenzelle weitergegeben oder eine Muskelzelle zur Kontraktion angeregt.
2. Gerichteter Informationsfluss: Der Informationsfluss ist gerichtet, d. h. er kann nur in eine Richtung verlaufen (von präsynaptischer Zelle zur postsynaptischen Zelle).
3. Abbau von Neurotransmittern: Die Enzyme im synaptischen Spalt spalten einige Neurotransmitter, welche die Rezeptoren aktivieren, wieder in ihre Einzelteile auf. Würden sie das nicht tun, so würden die Ionenkanäle geöffnet bleiben und dadurch die postsynaptische Zelle dauerhaft erregen. Zum Beispiel wäre so ein Muskel dauerhaft angespannt.

Einfluss von Stoffen auf den synaptischen Spalt

Viele verschiedene Stoffe, die Auswirkungen auf das Nervensystem haben, entfalten diese am synaptischen Spalt. Das können Drogen, Gifte oder auch Medikamente sein.

Medikamente

Bestimmte Arten von Antidepressiva wirken in dem sie die Wiederaufnahme von Neurotransmittern behindern. Dazu zählen die selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (engl. selective serotonin reuptake inhibitors, kurz SSRIs). Diese Wirkstoffe sorgen dafür, dass die Wiederaufnahme von Serotonin gehemmt wird, indem sie den Transport des Transmitters zurück in die präsynaptische Zelle blockieren. Dadurch bleibt der Transmitter Serotonin länger im synaptischen Spalt und kann die Postsynapse auch mehrfach anregen.

Drogen

Drogen wie Nikotin oder Kokain stimulieren eine vermehrte Ausschüttung von Dopamin und sorgen so für ein gewisses Glücksgefühl. Lässt die Wirkung der Droge nach sinkt auch der Dopaminspiegel und das Glücksgefühl verschwindet. Was bleibt, ist das Verlangen, diesen "Kick" zu wiederholen.

Alkohol

Wird Alkohol konsumiert, wird die Bildung von Gamma-Aminobuttersäure, geläufig als GABA abgekürzt, angeregt. Dabei handelt es sich um einen inhibitorischen Neurotransmitter, welcher die Erregbarkeit von Nervenzellen verringert. Dadurch werden Informationsströme gehemmt und der Alkohol entfaltet seine beruhigende Wirkung.

Synapsen und Krankheiten

Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.

• 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.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. 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.
• Myasthenia gravis: 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. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt.
• 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. Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum (Botolinumtoxin) hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur. Das Gift von Clostridium tetani (Tetanustoxin) verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.
• 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.

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