Schnell Wirkende Synapse: Funktionsweise und Bedeutung

Synapsen bilden die Grundlage der neuronalen Kommunikation. Sie ermöglichen die Reizweiterleitung zwischen Nervenzellen und anderen Zellen, wie Muskel- oder Drüsenzellen. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise schnell wirkender Synapsen, insbesondere unter Berücksichtigung chemischer und elektrischer Synapsen.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Die Synapse ist keine starre Verbindung, sondern ein hochdynamischer, spezialisierter Bereich, der gezielt Reize weiterleitet, filtert, verstärkt oder hemmt. Synapsen sorgen für die Reiz- bzw. Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Information in chemische Information erfolgt.

Typen von Synapsen

Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen: chemische und elektrische Synapsen.

Chemische Synapse

Bei der chemischen Synapse erfolgt die Übertragung der Erregung durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen (unidirektional). Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor. Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. 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.

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. In elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt und ohne Umwege auf die nachfolgende Zelle weitergeleitet. Sie haben direkte Verbindungskanäle, so genannte 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. 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.

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Aufbau einer Synapse

Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:

1. Präsynapse: Das Endknöpfchen des sendenden Neurons, welches Vesikel mit Neurotransmittern enthält. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin).
2. Synaptischer Spalt: Ein winziger Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit), der das Endknöpfchen von der nächsten Zelle trennt.
3. Postsynapse: Die Membran der empfangenden Zelle, die Rezeptoren für Neurotransmitter besitzt.

Der synaptische Spalt

Im synaptischen Spalt - ein nur ca. 20-30 nm breiter Zwischenraum - werden bei chemischen Synapsen die Neurotransmitter aus der Präsynapse ausgeschüttet. Sie diffundieren zu den Rezeptoren der Postsynapse und übermitteln so das Signal. Bei elektrischen Synapsen ist der Spalt extrem schmal, sodass Ionen direkt hindurchfließen können.

Funktionsweise einer schnell wirkenden Synapse

Die Funktionsweise einer Synapse lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:

1. Aktionspotential erreicht die Präsynapse: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran.
2. Calcium-Einstrom: Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich. Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran!
3. Vesikel-Fusion und Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Neurotransmitter-Bindung: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor.
5. Ionenkanal-Öffnung und postsynaptisches Potential: Die Bindung des Neurotransmitters an den Rezeptor führt zur Öffnung von Ionenkanälen. Dies ermöglicht den Einstrom von Ionen (z.B. Na+), was zu einer Depolarisation (EPSP) oder Hyperpolarisation (IPSP) der postsynaptischen Membran führt.
6. Signalabbruch: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen.
7. Recycling: Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Der Zyklus kann erneut beginnen.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren

Man unterscheidet zwei Arten von Rezeptoren:

• Ionotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
• Metabotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt; z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen.

Erregende und hemmende Synapsen

Je nachdem, welche Ionenkanäle geöffnet werden, kann eine Synapse erregend oder hemmend wirken:

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• Erregende Synapsen: Führen zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran (EPSP). Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage.
• Hemmende Synapsen: Führen zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran (IPSP). Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die y-Aminobuttersäure.

Bedeutung der Synapsen

Synapsen sind für nahezu alle Funktionen des Nervensystems unerlässlich. Sie ermöglichen:

• Informationsübertragung: Die Weiterleitung von Signalen zwischen Nervenzellen.
• Synaptische Integration: Die Verrechnung von erregenden und hemmenden Signalen, die ein Neuron erhält.
• Synaptische Plastizität: Die Anpassung der Synapsenstärke an die Aktivität, was die Grundlage für Lernen und Gedächtnis bildet. Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.

Synapsen und Erkrankungen

Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. 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.

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. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

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