Erregungsübertragung an einer Synapse: Einfach Erklärt

Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen, Nerven- und Muskelzellen sowie Nerven- und Drüsenzellen ermöglichen. Sie sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Informationen in chemische Information erfolgt. Die menschliche Großhirnrinde enthält etwa 500 Billiarden synaptische Kontaktpunkte, wobei jede Synapse noch 10 verschiedene Zustände einnehmen kann.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weitere Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. 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 also Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen.

Aufbau einer Synapse

Eine Synapse besteht grob aus drei Teilen:

• Präsynaptische Membran: Sie enthält Neurotransmitter, die in Vesikel verpackt sind. Diese Neurotransmitter dienen als Botenstoffe für die Erregungsübertragung. Das Synapsenendknöpfchen (Präsynaptische Membran) bildet die Synapse. Die Verbindungen können gelöst und neu verknüpft werden.
• Synaptischer Spalt: Diese ist der Zwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran und besteht aus extrazellulärer Matrix. Die Zellen gehen keine unmittelbare Verbindung ein, es bleibt ein synaptischer Spalt von ca 20 nm.
• Postsynaptische Membran: Hier gibt es Rezeptoren, die Informationen über Dendriten empfangen. Die Dendritenmembran (Postsynaptische Membran) der Folgezelle bilden die Synapse.

Arten von Synapsen: Chemische und Elektrische Synapsen

Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen:

• Chemische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor. Überträgermoleküle (Transmitter) vermitteln zwischen den Zellen, dadurch erfolgt eine gerichtete Signalübertragung.
• Elektrische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist. Riesenfasern beim Regenwurm, im Nervensystem von Krebsen und im Rückemark bzw. Gehirn vieler Wirbeltiere ist der Kontakt zwischen prä- und postsynaptischer Membran so eng, dass eine direkte Übertragung des Aktionspotentials möglich ist.

Ablauf der Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse

Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig. Die meisten Synapsen arbeiten über chemische Erregungsübertragung. Die Erregungsübertragung an einer Synapse beginnt mit einem Aktionspotential, welches ein synaptisches Endknöpfchen erreicht und es depolarisiert.

Lesen Sie auch: Einführung in die Gehirnfunktionen

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
2. Öffnung von Calciumkanälen: Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich.
3. Calciumionen-Einstrom: Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran! Calciumionen-Einstrom => Ionenveränderung führt zur Signalweitergabe!
4. Verschmelzung der Vesikel mit der präsynaptischen Membran: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
5. Freisetzung der Neurotransmitter: Die synaptischen Vesikel mit dem Transmitter Acetylcholin verschmelzen mit der Präsynaptischen Membran, so dass Acetylcholin in den synaptischen Spalt abgegeben wird.
6. Diffusion der Neurotransmitter: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt.
7. Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, die ligandengesteuert sind.
8. Öffnung der Ionenkanäle: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+). Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
9. Entstehung eines postsynaptischen Potentials (PSP): Es strömen Natrium-Ionen in die Zelle und depolarisieren die postsynaptische Membran. So entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP). Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
10. Beendigung der Erregung: 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. Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab.

Erregendes (EPSP) und Hemmendes (IPSP) postsynaptisches Potential

• Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP): Ein erregendes postsynaptisches Potential entsteht, wenn sich Ionenkanäle öffnen und es zu einem Einstrom von Na+-Ionen in die postsynaptische Membran kommt. Das Potential steigt an, da die Natrium-Ionen positiv geladen sind. Wird die Spannung positiver bzw. nimmt die negative Spannung ab, spricht man von einer Depolarisierung. Die ankommenden EPSPs summieren sich und werden in Form eines Aktionspotentials weitergegeben, wenn der Schwellenwert von ca. -50 mV überschritten wird.
• Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP): Bei einer hemmenden Synapse kann es zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potential kommen. Die Spannung der Postsynapse nimmt ab, bis unter dem Wert des Ruhepotentials (ca. -70 mV) und stoppt dadurch die Erregung. Das wird auch als Hyperpolarisation bezeichnet.

Ob eine verstärkte (EPSP) oder gehemmte (IPSP) Erregung weitergeleitet wird, kommt nicht auf den Transmitter, sondern auf die Synapse an.

Dauer der Erregungsübertragung

Die Reizweitergabe findet so lange statt, wie Acetylcholin im synaptischen Spalt noch vorhanden ist. Der Transmitter bindet nur sehr kurz an den Rezeptor, um eine Repolarisierung der Postsynapse zu ermöglichen. Eine permanente Aktivierung der Postsynapse muss nämlich verhindert werden. Das Enzym Cholinesterase im synaptischen Spalt baut den Neurotransmitter ab. Acetylcholin wird in Acetat (Essigsäure) und Cholin gespalten und diffundiert wieder zurück zur präsynaptischen Membran. Je länger dieser Abbau dauert, umso länger dauert auch die Reizweitergabe.

Der Acetylcholin-Kreislauf

Acetylcholin-Kreislauf: Pro Sekunde kann ein Enzymmolekül ca. 25.000 Acetylcholin-Moleküle zu nicht reaktivem Acetat und Cholin spalten. Diese werden dann per Endozytose in die Präsynapse wieder aufgenommen, um dort erneut Acetylcholin zu resynthetisieren und in Vesikel zu verpacken. Damit schließt sich der Acetylcholin-Kreislauf. Gäbe es keine Cholinesterase, wären die postsynaptischen Natrium-Kanäle permanent geöffnet und die Postsynapse dauerhaft depolarisiert. Wird die Cholinesterase z. B. in der Herz- bzw. Rippenmuskulatur deaktiviert, würde das zu einem Herzstillstand oder einer Atemlähmung führen.

Pharmakologische Beeinflussung der Erregungsübertragung

Es gibt eine Reihe von Substanzen, die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

Lesen Sie auch: Wie der Uhrentest bei Demenz hilft

Lesen Sie auch: Sterben aus neurologischer Sicht: Eine detaillierte Untersuchung

tags: #erregungsubertragung #an #einer #synapse #einfach #erklärt