Hemmende Synapsen: Mechanismen, Neurotransmitter und ihre Bedeutung im Nervensystem

Einleitung

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen überträgt. Neurone, die grundlegenden Bausteine des Nervensystems, kommunizieren miteinander über spezialisierte Kontaktstellen, die als Synapsen bezeichnet werden. Diese Synapsen ermöglichen die Übertragung von Aktionspotentialen von einer Zelle zur anderen. Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen: erregende und hemmende. Während erregende Synapsen die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein postsynaptisches Neuron ein Aktionspotential auslöst, verringern hemmende Synapsen diese Wahrscheinlichkeit. Dieser Artikel beleuchtet die Mechanismen hemmender Synapsen, die beteiligten Neurotransmitter und ihre entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts im Nervensystem.

Ein Neuron im Zentralnervensystem (ZNS) kann tausende synaptische Verbindungen eingehen und Signale austauschen. Erregende Synapsen rufen eine Depolarisation hervor, während hemmende Synapsen eine Hyperpolarisation an der Postsynapse verursachen. Diese Impulse werden am Axonhügel des postsynaptischen Neurons verrechnet, was als räumliche und zeitliche Summation bekannt ist, und dann weitergeleitet.

Arten von Synapsen

Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen:

• Elektrische Synapsen: Diese Synapsen sind durch Gap Junctions verbunden, die eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Zellen ermöglichen. Sie kommen seltener in Nervenzellen vor und finden sich hauptsächlich im Herzmuskel und im Uterus.
• Chemische Synapsen: Diese Synapsen verwenden Neurotransmitter, um Signale zwischen den Zellen zu übertragen. Eine chemische Synapse besteht aus der synaptischen Endigung eines Axons einer Nervenzelle und dem Dendriten einer benachbarten Nervenzelle.

Aufbau und Funktion chemischer Synapsen

Eine chemische Synapse besteht aus den folgenden Komponenten:

• Präsynaptische Endigung: Die Endigung des Axons, die Neurotransmitter enthält, die in Vesikeln gespeichert sind. Die Vesikel lagern sich an bestimmten Freisetzungsstellen (aktive Zonen) an der Innenseite der präsynaptischen Membran an. Mithilfe des SNARE-Komplexes (Synaptotagmin, Synaptobrevin, Syntaxin und SNAP-25) werden die Vesikel mit der Zellmembran fusioniert, und die Neurotransmitter können in den synaptischen Spalt entleert werden.
• Synaptischer Spalt: Ein schmaler Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle.
• Postsynaptische Membran: Die Membran der empfangenden Zelle, die Rezeptoren für Neurotransmitter enthält. Auf der postsynaptischen Membran sitzen zahlreiche Rezeptoren, die diese Neurotransmitter binden können.

Wenn ein Aktionspotential die präsynaptische Endigung erreicht, öffnen sich Calciumkanäle, und Calciumionen strömen in die Zelle. Die Calciumionen binden an Synaptotagmin und lösen die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran aus. Die Neurotransmitter werden durch Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt.

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Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Diese Bindung löst eine Reaktion in der postsynaptischen Zelle aus, die entweder erregend oder hemmend sein kann.

Hemmende Synapsen und Neurotransmitter

Hemmende Synapsen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der neuronalen Erregbarkeit und der Verhinderung von Übererregung im Gehirn. Sie verwenden Neurotransmitter, die an der postsynaptischen Membran eine Hyperpolarisation verursachen, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird, verringert wird. Die wichtigsten hemmenden Neurotransmitter im Gehirn sind Gamma-Aminobuttersäure (GABA) und Glycin.

• GABA (γ-Aminobuttersäure): GABA ist der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn. Wenn GABA an GABA-Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran bindet, öffnen sich Chloridkanäle. Chloridionen strömen in die Zelle ein und führen aufgrund ihrer negativen Ladung zu einer Hyperpolarisation. Die Wahrscheinlichkeit für eine Erregung des Neurons nimmt ab.
• Glycin: Glycin ist ein weiterer wichtiger hemmender Neurotransmitter, der hauptsächlich im Rückenmark und im Hirnstamm vorkommt. Es wirkt an Glycinrezeptoren, die ebenfalls Chloridkanäle sind. Die Aktivierung von Glycinrezeptoren führt ebenfalls zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran.

Einige Transmitter wie Noradrenalin werden als ganze Moleküle wieder in die präsynaptische Endigung aufgenommen. Der ausgeschüttete Transmitter kann auch an Rezeptoren auf der präsynaptischen Membran binden und so seine weitere Freisetzung hemmen (Autoinhibition). Noradrenalin hemmt beispielsweise seine Ausschüttung durch Bindung an α2-Rezeptoren an der präsynaptischen Membran.

Mechanismen der Hemmung

Der Hauptmechanismus, durch den hemmende Synapsen die neuronale Erregbarkeit reduzieren, ist die Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran. Dies geschieht durch den Einstrom von Chloridionen oder den Ausstrom von Kaliumionen.

• Chloridionen-Einstrom: Wenn hemmende Neurotransmitter wie GABA oder Glycin an ihre Rezeptoren binden, öffnen sich Chloridkanäle. Da die Chloridkonzentration außerhalb der Zelle höher ist als innerhalb, strömen Chloridionen in die Zelle ein. Der Einstrom von negativ geladenen Chloridionen führt zu einer Hyperpolarisation, wodurch das Membranpotential negativer wird und es schwieriger wird, ein Aktionspotential auszulösen.
• Kaliumionen-Ausstrom: Einige hemmende Neurotransmitter können auch Kaliumkanäle aktivieren. Dies führt zu einem Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle, was ebenfalls zu einer Hyperpolarisation führt.

Rein theoretisch wirkt eine hemmende Synapse genauso stark wie eine erregende, wenn sie die gleiche Transmittermenge pro Zeit- und Flächeneinheit freisetzt. In der Praxis wirken hemmende Synapsen jedoch oft stärker als erregende. Dies liegt hauptsächlich daran, dass hemmende Synapsen in der Regel näher am Axonhügel der postsynaptischen Zelle liegen als erregende Synapsen. Da der Axonhügel der Ort ist, an dem Aktionspotentiale initiiert werden, haben hemmende Signale, die näher an diesem Bereich auftreten, einen größeren Einfluss auf die neuronale Erregbarkeit.

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Postsynaptische Potentiale: IPSP

IPSP steht für inhibitorisches postsynaptisches Potenzial. Es handelt sich um ein hemmendes Signal. Es entsteht bei der Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran einer Nervenzelle. Das hemmende Signal wird in der Nervenzelle verarbeitet, die es empfangen hat, und erschwert die Bildung eines Aktionspotenzials.

Bedeutung hemmender Synapsen

Hemmende Synapsen sind für eine Vielzahl von Funktionen im Nervensystem unerlässlich, darunter:

• Kontrolle der neuronalen Erregbarkeit: Sie verhindern eine Übererregung des Gehirns, die zu Anfällen oder anderen neurologischen Störungen führen könnte.
• Feinabstimmung der neuronalen Aktivität: Sie ermöglichen es dem Gehirn, die Aktivität von Neuronen präzise zu steuern und komplexe Verhaltensweisen zu koordinieren.
• Lernen und Gedächtnis: Sie spielen eine Rolle bei der synaptischen Plastizität, dem Prozess, durch den sich synaptische Verbindungen im Gehirn als Reaktion auf Erfahrung verändern.

Klinische Bedeutung

Störungen der hemmenden Signalübertragung können zu verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Beispielsweise ist eine verminderte GABAerge Funktion mit Angststörungen, Schizophrenie und Epilepsie verbunden. Tetanustoxin verhindert die Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA, was zu Muskelkrämpfen führt. Umgekehrt können Medikamente, die die GABAerge Funktion verstärken, wie Benzodiazepine und Barbiturate, zur Behandlung von Angstzuständen, Schlaflosigkeit und Anfällen eingesetzt werden.

Eine Forschungsgruppe um den Mediziner Prof. Dr. Weiqi Zhang von der Universität Münster hat zusammen mit Hirnforschern aus Göttingen und Frankfurt eine wichtige Entdeckung gemacht: Die Wissenschaftler konnten die molekularen Grundlagen der hemmenden Signalübertragung im Gehirn entschlüsseln. Die Wissenschaftler entdeckten einen Schlüsselmechanismus, der für die passende Ausstattung von GABA- und Glycin-Rezeptoren an hemmenden Synapsen verantwortlich ist. "Unsere Arbeiten zeigen, dass das Protein Neuroligin-2 bei der Entstehung hemmender Synapsen eine kritische Rolle spielt", erklärt Zhang. "Neuroligin-2 ist ein Zelladhäsionsprotein. Seine Funktion ähnelt der eines Klettverschlusses: Es ermöglicht, dass der sendende Teil der Synapse mit dem empfangenden Bereich Kontakt aufnehmen kann. Innerhalb des Empfängerteils der Synapse binden sich die Neuroligin-2-Moleküle an zwei wichtige Gerüstproteine, Collybistin und Gephyrin, die ihrerseits die Verankerung von GABA- und Glycin-Rezeptoren übernehmen."

Prof. Dr. Jochen F. Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Die Neurotransmitter werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist, etwa das dopaminerge System oder das cholinerge System.

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Summation von Signalen: Räumliche und zeitliche Summation

Neurone verrechnen die von verschiedenen Synapsen eingehenden Signale, um zu bestimmen, ob ein Aktionspotential ausgelöst wird. Dieser Prozess wird als Summation bezeichnet und kann entweder räumlich oder zeitlich sein.

• Räumliche Summation: Sie tritt auf, wenn mehrere EPSPs und IPSPs, die an verschiedenen Stellen des Neurons gleichzeitig auftreten, am Axonhügel summiert werden.
• Zeitliche Summation: Sie tritt auf, wenn mehrere EPSPs oder IPSPs, die an derselben Synapse kurz nacheinander auftreten, summiert werden, bevor sie vollständig abklingen.

Wenn die Summe der EPSPs stärker ist als die Summe der IPSPs und die Reizschwelle am Axonhügel überschritten wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Wenn die Summe der IPSPs stärker ist, wird die Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotential verringert.

Neurotransmitter und Ionenkanäle

Der wichtigste Transmitter erregender Synapsen im ZNS ist Glutamat, der an ligandengesteuerte Ionenkanäle bindet. Ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) wird erzeugt, wenn Glutamat an AMPA- oder Kainat-Rezeptoren bindet, wodurch Na+-Ionen eintreten. Der NMDA-Rezeptor ist auch für Ca2+-Ionen durchlässig, was eine langfristige synaptische Plastizität ermöglicht. Synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit der synaptischen Verbindungen im Gehirn, ihre Stärke und Effizienz anzupassen. Diese ist grundlegend für das Lernen, die Gedächtnisbildung und die Anpassungsfähigkeit des Nervensystems. Kurzzeitpotenzierung ist eine kurzfristige Verstärkung der Transmitterfreisetzung bei hohen Aktionspotenzialfrequenzen.

Der wichtigste hemmende Transmitter im Gehirn ist GABA, der an ligandengesteuerte Ionenkanäle bindet und Cl- in die Zelle einströmen lässt. Cl- strömt in die postynaptische Zelle/das postsynaptische Neuron ein und führt aufgrund seiner negativen Ladung zu einer Hyperpolarisation. Die Wahrscheinlichkeit für eine Erregung des Neurons nimmt ab.

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