Hyperpolarisation der Synapse einfach erklärt

Synapsen sind essenzielle Kontaktstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen und anderen Zellen ermöglichen. Sie sind entscheidend für die Reizweiterleitung und -verarbeitung im Körper. Die Hyperpolarisation spielt dabei eine wichtige Rolle, indem sie die Erregbarkeit der Nervenzellen reguliert und somit eine präzise Informationsübertragung gewährleistet.

Grundlagen der Synapse

Synapsen (gr. σύν, syn = zusammen, ἅπτειν, haptein = ergreifen, fassen, tasten) sind Kontaktstellen zwischen Nervenzellen und anderen Zellen (wie Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzellen). Der Begriff Synapse wurde im Jahre 1897 von Charles S. Sherrington geprägt. Obwohl die Mehrzahl der Synapsen mit einer chemischen Informationsübertragung arbeitet, gibt es in einigen Fällen eine direkte elektrische Weiterleitung.

Elektrische Synapsen

In elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt und ohne Umwege auf die nachfolgende Zelle weitergeleitet. Sie haben direkte Verbindungskanäle, sogenannte Gap junctions, über welche die Intrazellulärräume unmittelbar aneinander grenzender Zellen miteinander gekoppelt sind. Gap junctions sind Poren in der Zellmembran, die durch bestimmte Proteine, die Connexine gebildet werden. Sechs Connexin-Moleküle kleiden die Pore aus, zusammen bilden sie ein Connexon. Durch den Kontakt zwischen zwei Connexonen benachbarter Zellen entsteht ein Kanal, der beide Membranen durchquert. Durch elektrische Synapsen erfolgt eine direkte Ausbreitung von Änderungen des Membranpotentials über einen relativ geringen ohmschen Widerstand, aber auch die Diffusion von Molekülen, wie z.B. sekundärer Botenstoffe.

Chemische Synapsen

Die meisten Synapsen sind chemische Synapsen. Grundsätzlich durchläuft die Erregung die chemische Synapse in einer Richtung (»unidirektional«), und zwar vom prä- zum postsynaptischen Teil. Die Moleküle des Neurotransmitters werden in den Nervenzellen produziert und wandern verstaut in kleinen Bläschen (= Vesikeln) zum Synapsenendknöpfchen des Axons, welches den präsynaptischen Teil der Synapse darstellt. Die Freisetzung von Neurotransmittern wird dort durch einen Anstieg der intrazellulären Calcium-Konzentration innerhalb weniger Millisekunden ausgelöst. Dies geschieht durch die Öffnung spannungsaktivierter Calciumkanäle. Voraussetzung dafür ist ein ankommendes Aktionspotential.

Die Neurotransmitter befinden sich in Clustern direkt zwischen den an der präsynaptischen Membran angedockten Vesikeln. Das ermöglicht einen sehr starken und schnellen Anstieg der lokalen Ca2+-Konzentration in der Nähe der Vesikel. Durch Konformationsänderungen Calcium-bindender Proteine, besonders von Synaptotagmin wird die exozytotische Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran herbeigeführt und der Inhalt der Vesikel in den synaptischen Spalt freigesetzt. Außer Synaptotagmin ist eine Reihe anderer Proteine beteiligt. Dazu zählen zum Beispiel Complexin I und II, welche die Ausschüttung der Neurotransmitter beschleunigen. Fehlen beide Proteine, ist der Organismus nicht lebensfähig. Fehlt nur eines der beiden Complexine treten Lernprobleme oder starke Bewegungsstörungen auf.

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An der postsynaptischen Membran, die auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes liegt, werden die freigesetzten Neurotransmitter an Rezeptoren gebunden. Dadurch kann es zu einer Öffnung von ligandenabhängigen Ionenkanälen und damit zu einer Änderung des Membranpotentials der postsynaptischen Nervenzelle kommen. Alternativ kann eine Second-Messenger-Kaskade ausgelöst werden, die ebenfalls zu einer Änderung des Membranpotentials in der postsynaptischen Zelle führt.

Erregende und hemmende Synapsen

Die Erregung einer einzelnen Synapse würde jedoch niemals zum Weiterleiten eines Aktionspotentials im angeschlossenen Neuron führen. Vielmehr gibt es erregende (exzitatorische) und hemmende (inhibitorische) Synapsen, welche erregende (EPSP = exzitatorisches postsynaptisches Potential) oder hemmende (IPSP = inhibitorisches postsynaptisches Potential) Wirkung haben können. Nur wenn mehrere erregende EPSP gleichzeitig an verschiedenen Stellen (räumliche Summation) oder in ausreichend schneller zeitlicher Abfolge (zeitliche Summation) in einem Neuron eintreffen, entsteht in diesem ein Aktionspotential. Die Aktivierung hemmender Synapsen führt zu Hyperpolarisation (IPSP), wodurch ihr Membranpotential verändert wird und sie schwerer erregbar sind. EPSP führen zu Depolarisation (beides ca. 2 mV). Diese gequantelte Form der Informationsübertragung wurde zuerst von dem Nobelpreisträger Sir Bernard Katz untersucht und beschrieben. Ein Quantum ist die Menge an Neurotransmittern, die von einem Vesikel ausgeschüttet werden.

Bei einigen Transmittern erfolgt kein Abbau: Sie werden wieder vom Axon oder von Gliazellen aufgenommen. Bei einer Vielzahl von psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen liegen Störungen der Neurotransmitter-Freisetzung vor. Zum Beispiel kann es zu Depression führen, wenn nicht genügend Serotonin gebildet oder ausgeschüttet wird. Eine Vielzahl von Medikamenten oder Giftstoffen entfalten ihre Wirkung an den Synapsen. (Betablocker - Nikotin - Atropin bzw. Interneuronale Synapsen: stellen den Kontakt zwischen Nervenzellen auf unterschiedlichste Weise her. Dieser Typ ist am häufigsten im Gehirn vorhanden.

Hyperpolarisation: Definition und Grundlagen

Die Hyperpolarisation ist ein wesentlicher Begriff in der Neurophysiologie, der die Veränderung des Membranpotenzials beschreibt. Er ist entscheidend für das Verständnis, wie Nervenzellen Signale weiterleiten und auf Reize reagieren. Hyperpolarisation bezeichnet die Erhöhung des Membranpotenzials einer Zelle, wodurch es negativer wird als das Ruhepotenzial. Dies geschieht oft durch den Ausstrom von Kaliumionen (K+) oder den Einstrom von Chloridionen (Cl-), wodurch die Neuronen weniger wahrscheinlich ein Aktionspotenzial erzeugen.

Ruhepotential und Membranpotential

In Ruhe weist eine Nervenzelle ein stabiles, negatives Membranpotenzial von etwa -70 mV auf. Wird die Zelle erregt, kommt es jedoch infolge der Repolarisation zu einem übermäßigen Ausstrom von Kaliumionen. Diese Phase tritt typischerweise nach der Repolarisation auf, da zu diesem Zeitpunkt noch einige spannungsabhängige Kaliumkanäle geöffnet bleiben. Verantwortlich dafür ist die während der Depolarisation erhöhte intrazelluläre Calciumkonzentration, die die Aktivität der Kaliumkanäle steigert und nur verzögert wieder abnimmt. Infolgedessen bleibt der Kaliumausstrom zunächst bestehen, was das Membranpotenzial näher an das Kaliumgleichgewichtspotenzial (ca. Die kurzzeitige Hyperpolarisation stellt ein sogenanntes Nachpotenzial dar, das an jede Depolarisation anschließt. Sie trägt wesentlich zur Refraktärzeit bei, während der kein neues Aktionspotenzial ausgelöst werden kann, und dient somit dem Schutz vor einer Übererregung des Neurons.

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Chlorid und inhibitorische Synapsen

Inhibitorische Synapsen (z. B. durch GABA-A- und GABA-B-Rezeptoren) nutzen die Öffnung von Chloridkanälen, um das Membranpotenzial negativ zu verschieben. Chlorid strömt in die Zelle ein, das Membranpotenzial wird negativer, es kommt zur Hyperpolarisation und die Nervenzelle wird weniger erregbar. Insgesamt stellt die Hyperpolarisation die Negativierung des Zellinneren im Vergleich zur extrazellulären Umgebung dar.

Viele Medikamente wie Benzodiazepine, Barbiturate oder Anästhetika verstärken inhibitorische Signale wie GABA, was eine Hyperpolarisation auslöst. In der Herzphysiologie wird die spontane diastolische Depolarisation durch Hyperpolarisation verlangsamt, was den Herzrhythmus beeinflusst. Im endokrinen System, insbesondere im Pankreas, sorgen Kaliumkanäle für die Hyperpolarisation von Beta-Zellen und unterdrücken dadurch die Insulinfreisetzung. Bei Elektrolytstörungen wie einer Hypokaliämie kommt es zu einer Hyperpolarisation, was wiederum zur reduzierten Erregbarkeit von Muskel- und Nervenzellen führt. Dies resultiert in einer Muskelschwäche.

Wie entsteht Hyperpolarisation?

Hyperpolarisation entsteht meist durch den Ausstrom von Kalium-Ionen oder den Einstrom von Chlorid-Ionen. Dadurch wird das Zellinnere negativer als im Ruhezustand. Bei der Depolarisation wird das Zellinnere weniger negativ (z.B. bei einem Aktionspotenzial), während bei der Hyperpolarisation das Zellinnere noch negativer wird als das Ruhepotenzial. Hyperpolarisation tritt nach einem Aktionpotenzial auf, während der sogenannten Refraktärphase, genauer gesagt als Nachhyperpolarisation. Bei inhibitorischen Synapsen tritt sie zudem auf, wenn hemmende Neurotransmitter wie GABA ausgeschüttet werden.

Rolle der Hyperpolarisation im Nervensystem

Sie hilft, Nervenzellen zu hemmen, damit nicht ständig Signale gesendet werden. Sie ist somit entscheidend für: Reizverarbeitung, synaptische Hemmung oder Erholung nach Aktionspotenzialen. Sie verhindert eine Übererregung der Zelle, stellt das Ruhepotenzial wieder her und sorgt zudem dafür, dass Reize richtig verarbeitet werden.

Hyperpolarisation und Aktionspotential

Im Bereich der Neurobiologie ist die Hyperpolarisation eng mit der Entstehung von Aktionspotentialen verknüpft. Diese elektrischen Signale sind entscheidend für die Kommunikation zwischen Neuronen. Die richtige Funktion beider Prozesse ist notwendig, um Reize effizient zu verarbeiten und auf Umwelteinflüsse zu reagieren.

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Aktionspotential Phasen und Ablauf

Der Ausgangszustand in dem sich die Membran befindet, ist das Ruhepotential. Die Membranspannung betragt ca. -70 mV. Der ankommende Reiz, stört dieses Ruhepotential. Die Membranspannung wird dadurch auch geändert, jedoch muss ein bestimmter Schwellenwert erreicht werden, damit ein Aktionspotential ausgelöst wird. Dieser Schwellenwert liegt ungefähr bei -50 mV. Diese Aktionspotentiale laufen dann immer gleich ab. Die Reizstärke beeinfusst also nicht die stärke des Aktionspotentials (Frequenzmodulation). Sollte dieser Schwellenwert nicht erreicht werden, wird der Reiz nicht weitergegeben (Alles oder nichts Gesetz).

Als Reaktion auf den überschrittenen Schwellenwert, läuft das Aktionspotential über das Axon. Dabei werden spannungsgesteuerte Natrium- ($Na^+$) Ionenkanäle geöffnet. $Na^+$ gelangt in das Zellinnere. Dadurch, dass die Natriumionen positiv geladen sind, kommt es zu einer Depolarisierung der Membran. Der intrazelluläre Raum wird durch die große Menge an $Na^+$ positiv geladen. Die in der Membran befindlichen Kalium- ($K^+$) Kanäle sind zu dem Zeitpunkt geschlossen.

Nach ca. 1-2 ms schließen sich de $Na^+$- Kanäle wieder und die $K^+$- Kanäle öffnen sich. $K^+$ diffundert aus dem Zellinneren in Richtung des nun positiver geladenen extrazellulären Raums. Einerseits werden die $K^+$-Ionen durch den Spannungsunterschied (Außen wurde es weniger positiv, da Na+ ins Zellinnere eingedrungen ist) nach "Außen" gezogen, andererseits sorgt der "Drang" des Konzentrationsausgleichs dafür, dass die Ionen in den kaliumarmen Raum diffundieren. Das hat zur Folge, dass die Spannung im Zellinneren wierde abnimmt. Diesen Vorgang nennt man auch Repolarisation.

Nun schließen sich auch die $K^+$-Kanäle wieder. Dies nimt jedoch mehr Zeit in Anspruch, als bei den $Na^+$-Kanälen. Das bedeutet, dass weiterhin $K^+$-Ionen aus dem intrazellulären Raum gelangen können. Das hat zur Folge, dass die Spannung in der Zelle unter das Nivau des Ruhepotentials sinkt. Diesen Zustand nennt man Hyperpolarisation.

Bei diesem Zustand beibt es jedoch nicht. Die $K^+$- und $Na^+$-Kanäle sind nun wieder geschlossen und bleiben ungefähr 2 ms inaktiv, sodass kein weiteres Aktionspotential unmittelbar anknüpfen kann. Das ist die sogenannte Refraktärzeit, sie sorgt dafür, dass ein Aktionspotential nur in eine Richtung, nämlich zur Synapse, und nicht wieder zum Soma läuft. Die $Na^+$$K^+$-Pumpe sorgt dann im Folgenden für den Austausch der beiden Ionen in die Zelle beziehungsweise aus ihr heraus, bis die ursprüngliche Konzentrations- bzw. Ionenverteilung wieder hergestellt ist (Ruhepotential). Nun ist die Membran bereit für ein neues Aktionspotential.

Hyperpolarisation Biologie: Rolle der Ionenkanäle

Ionenkanäle spielen eine zentrale Rolle bei der Hyperpolarisation. Verschiedene Typen von Ionenkanälen sind für den Fluss von Ionen durch die Zellmembran verantwortlich, was das Membranpotenzial beeinflusst. Ionenkanäle sind spezialisierte Proteine in der Zellmembran, die die Passage von Ionen und damit die elektrische Spannung über die Membran steuern.

Arten von Ionenkanälen

• Öffnung von Kaliumkanälen: Kaliumionen (K+) verlassen die Zelle, was eine Hyperpolarisation verursacht.
• Aktivierung von Chloridkanälen: Chloridionen (Cl-) strömen in die Zelle, was ebenfalls zur Hyperpolarisation führt.

Einige Ionenkanäle sind spannungsgesteuert, während andere ligandengesteuert sind. Beide Typen spielen eine unterschiedliche Rolle bei der Auslösung von Hyperpolarisation.

Hyperpolarisation Funktion im Nervensystem

Im Nervensystem hat die Hyperpolarisation eine kritische Funktion bei der Regulierung der neuronalen Aktivität. Sie sorgt dafür, dass Neuronen nicht überaktiv werden und trägt zur Feinabstimmung von neuronalen Signalen bei. Hyperpolarisation ist ein Schlüsselmechanismus in der Hemmung neuronaler Aktivitäten und ermöglicht dem Nervensystem, sich selbst zu regulieren. In der Praxis bedeutet eine erhöhte Hyperpolarisation, dass inhibitorische Neuronen stärker aktiviert werden, was bei der Kontrolle zerebraler Erregung wichtig ist. Dies kann beispielsweise bei der Unterdrückung epileptischer Aktivitäten nützlich sein.

Klinische Relevanz

Eine Vielzahl von psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen stehen im Zusammenhang mit Störungen der Neurotransmitter-Freisetzung und der synaptischen Funktion. So kann beispielsweise ein Mangel an Serotonin zu Depressionen führen. Auch Medikamente und Gifte können an den Synapsen wirken und deren Funktion beeinflussen.

Beispiele für Krankheiten und Gifte

• Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist. Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
• Parkinson-Krankheit: Neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• 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.
• 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: 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: Schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.

Synapsengifte

Als Synapsengifte werden chemische Substanzen bezeichnet, welche die Funktion von Synapsen erheblich stören oder sogar ganz unterbinden können. Diese Gifte blockieren entweder die Abgabe der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt, oder aber sie sind den Neurotransmittern so ähnlich, dass sie an ihrer Stelle mit den Rezeptormolekülen in der postsynaptischen Membran reagieren und so die Erregungsleitung stören. Zu den bekanntesten Synapsengiften gehören viele Alkaloide wie etwa Muskarin, Atropin und Curare sowie Nikotin. Ein besonders wirksames Gift überhaupt ist das von Clostridien gebildete Botulinumtoxin.

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