Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Übertragung von Informationen zwischen Nervenzellen und anderen Zellen ermöglichen. Sie dienen der Informationsverarbeitung und -weiterleitung durch Erregungsübertragung. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen: chemische und elektrische. Beide Synapsentypen sind Kontaktstrukturen zur Übertragung eines Signals von einer Nervenzelle auf eine weitere Nerven- oder andere Zielzelle. Obwohl sie das gleiche Ziel verfolgen, unterscheiden sie sich erheblich in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise. In der Schule lernt man meist nur etwas über die chemischen Synapsen, weil die elektrischen Synapsen viel seltener sind.
Was ist eine Synapse?
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. Synapsen sind entscheidende Strukturen für die Informationsübertragung im Nervensystem. Eine Synapse lässt sich in drei Abschnitte gliedern: Präsynapse, synaptischer Spalt und Postsynapse. Die präsynaptische Zelle ist das Neuron, von dem die Information kommt. Die postsynaptische Zelle ist die Empfängerin der Informationsübertragung in einer Synapse. Der synaptische Spalt ist der Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran. Die Synapse dient der Reizweiterleitung bzw. Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen.
Elektrische Synapsen
In einer elektrischen Synapse wird die Erregung (Bildung bzw. Auslösung eines Aktionspotenzials) direkt in Form eines elektrischen Signals an die benachbarte Zelle weitergegeben. Die elektrischen Synapsen werden von den Gap Junctions gebildet. Die elektrische Synapse zeichnet sich durch einen sehr geringen Abstand zwischen prä- und postsynaptischer Membran von etwa 3,5 nm aus.
Funktionsweise elektrischer Synapsen
Die Erregungsweiterleitung erfolgt aufgrund des Ionenstroms passiv. Dies geschieht fast verzögerungsfrei, da spezielle Proteinkanäle, sogenannte Gap Junctions, die Zellen miteinander verbinden. Durch die sogenannten "Gap Junctions" (Poren, durch die Proteine transportiert werden) entsteht quasi ein Tunnel von Zellmembran zu Zellmembran. Die Informationsübertragung an elektrischen Synapsen erfolgt in weniger als einer Millisekunde!
Vorkommen elektrischer Synapsen
Elektrische Synapsen findet man dort, wo eine schnelle Reizweiterleitung nötig ist oder wenn ganze Zellgruppen synchron arbeiten sollen. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Sie kommen in Herzmuskelzellen, im Uterus und selten in Nervenzellen vor.
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Eigenschaften elektrischer Synapsen im Überblick
- Übertragungsmodus: Ionenfluss
- Übertragungsverzögerung: Keine
- Signalübertragung: Bidirektional
- Synaptische Vesikel: Nicht erforderlich
- Neurotransmitter: Keine Beteiligung
Chemische Synapsen
Chemische Synapsen übertragen eine Erregung indirekt auf die nächste Zelle, indem sie ein elektrisches Signal in ein chemisches umwandeln. Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Eine chemische Synapse besteht aus der synaptischen Endigung eines Axons einer Nervenzelle und dem Dendriten einer benachbarten Nervenzelle. Dendriten sind stark verzweigt und bilden dendritische Bäume mit dendritischen Fortsätzen. An diesen Fortsätzen docken die synaptischen Endigungen der ankommenden Axone an. Die Zellen sind durch einen schmalen synaptischen Spalt voneinander getrennt. Die präsynaptische Endigung ist gefüllt mit Membranvesikeln, die Neurotransmitter enthalten. Auf der postsynaptischen Membran sitzen zahlreiche Rezeptoren, die diese Neurotransmitter binden können.
Funktionsweise chemischer Synapsen
Bei einer chemischen Synapse dauert die Übertragung länger (etwa 1 Millisekunde), denn hier wird ein elektrisches Signal in ein chemisches umgewandelt. Dazu wird die Freisetzung von Botenstoffen durch ein elektrisches Signal ausgelöst. Wenn ein Aktionspotenzial die präsynaptische Endigung erreicht, öffnen sich Ca2+-Kanäle und Ca2+-Ionen strömen in die Zelle. Die Ca2+-Ionen binden an Synaptotagmin und lösen die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran aus. Die Transmitter werden durch Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt. Die Botenstoffe überwinden den synaptischen Spalt und binden an die passenden Rezeptoren an der postsynaptischen Membran der nächsten (nachgeschalteten) Zelle. Diese Bindung zwischen den Botenstoffen und den Rezeptoren funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Durch die Bindung zwischen Botenstoff und Rezeptor wird erneut ein elektrischer Impuls ausgelöst, der wieder am Axon entlangwandert und so über die Synapsen von Zelle zu Zelle weitergegeben wird, bis die Zielzellen erreicht sind. Nach dieser Erregung werden die verbleibenden Botenstoffmoleküle im synaptischen Spalt durch Enzyme in Spaltprodukte zerlegt.
Erregende und hemmende Synapsen
Es gibt erregende Synapsen und hemmende Synapsen, die im Nervensystem zu etwa gleichen Teilen vorkommen. Erregende (auch: exzitatorische) Synapsen sorgen für eine Weiterleitung von Impulsen. Beide Synapsentypen sind in Bau und Funktion gleich. Es ist ein Missverständnis, dass Synapsen immer Signale weiterleiten. Erregende Synapsen rufen eine Depolarisation, hemmende Synapsen eine Hyperpolarisation an der Postsynapse hervor. Impulse werden am Axonhügel des postsynaptischen Neurons "verrechnet" und weitergeleitet (räumliche und zeitliche Summation).
EPSP (Exzitatorisches Postsynaptisches Potenzial)
EPSP steht für exzitatorisches postsynaptisches Potenzial. Es handelt sich um ein erregendes Signal. Es entsteht bei der Depolarisation der postsynaptischen Membran einer Nervenzelle. Das erregende Signal wird in der Nervenzelle verarbeitet, die es empfangen hat, die Bildung eines Aktionspotenzials wird erleichtert.
IPSP (Inhibitorisches Postsynaptisches Potenzial)
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, die Bildung eines Aktionspotenzials wird erschwert.
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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. 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.
Eigenschaften chemischer Synapsen im Überblick
- Übertragungsmodus: Neurotransmitter
- Übertragungsverzögerung: Ca. 1 Millisekunde
- Signalübertragung: Unidirektional
- Synaptische Vesikel: Erforderlich
- Neurotransmitter: Beteiligung von Neurotransmittern (z.B. Acetylcholin, Glutamat, GABA)
Synaptische Plastizität
Synapsen unterliegen ständigen Veränderungen. Sie können verstärkt, neu gebildet oder umgebaut werden (synaptische Plastizität). Dementsprechend schwankt die Anzahl der Synapsen im menschlichen Körper. 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. Lernen und Erinnern hängen stark von der Aktivität deiner Synapsen ab.
Synapsen - Gifte und Krankheiten
Viele Krankheiten des Gehirns haben ihre Ursache in der Störung der synaptischen Übertragung, z. B. Depressionen oder andere mentale Erkrankungen. Medikamente können die Abläufe an den Synapsen wieder ins Gleichgewicht bringen. Wenn Synapsen nicht richtig funktionieren, ist die Informationsübertragung gestört. Das kann zu Erkrankungen führen. Die Wirkung von einigen Giften beruht darauf, dass die Substanzen die normalen Prozesse an der Synapse stören. Beispielsweise verhindert das Botulinumtoxin (Botox), dass die Vesikel mit den Neurotransmittern mit der präsynaptischen Membran verschmelzen können. Ein anderes Beispiel ist Curare. Dieses Gift wurde von Ureinwohnern Südamerikas zum Jagen verwendet. Curare blockiert an Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen die Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, sodass die Neurotransmitter nicht mehr binden können.
Einige Synapsengifte wirken in allen Teilen der Synapse (Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse). Sie beeinflussen die Erregungsübertragung also auf unterschiedliche Weise. Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper und selbst schwächere Signale können bereits eine Depolarisation auslösen. Kokain bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Dopamin spielt eine Rolle bei der Motivations- und Emotionsregulation und ist auch als Botenstoff des Glücks bekannt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert. Dadurch ist ein Vielfaches der normalen Botenstoffmenge im synaptischen Spalt vorhanden und die nachfolgende Zelle wird dauergereizt.
Zusammenfassung der Unterschiede
| Merkmal | Elektrische Synapse | Chemische Synapse |
|---|---|---|
| Übertragungsmodus | Ionenfluss | Neurotransmitter |
| Übertragungsverzögerung | Keine | Ca. 1 Millisekunde |
| Signalübertragung | Bidirektional | Unidirektional |
| Synaptische Vesikel | Nicht erforderlich | Erforderlich |
| Neurotransmitter | Keine Beteiligung | Beteiligung von Neurotransmittern (z.B. Acetylcholin, Glutamat, GABA) |
| Vorkommen | Herzmuskel, Uterus, selten in Nervenzellen | Häufiger im Nervensystem |
| Gap Junctions | Vorhanden | Nicht vorhanden |
| Geschwindigkeit | Sehr schnell | Langsamer |
| Modulation | Gering | Hoch (durch verschiedene Neurotransmitter und Rezeptoren) |
| Funktion | Schnelle, synchrone Aktivität von Zellgruppen | Präzise und regulierbare Signalübertragung, Grundlage für komplexe neuronale Prozesse wie Lernen und Gedächtnis |
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