Erregungsübertragung

Unter Erregungsübertragung versteht man die Übertragung der Erregung einer Zelle auf eine andere Zelle. Diese Übertragung geschieht über Synapsen, wobei zwischen chemischen und elektrischen Synapsen unterschieden wird. Reize sind elektrische Signale, die durch die Erregungsübertragung weitergeleitet werden. Die elektrischen Signale wandern dann von Nervenzelle zu Nervenzelle, bis sie beispielsweise am Muskel ankommen.

Synapsen Erregungsübertragung

Synapsen zwischen Neuronen werden interneurale Synapsen bzw. neuro-neuronale Synapsen genannt. Im Gehirn und im Rückenmark werden diese Synapsen als zentrale Synapse bezeichnet.

Eine Synapse zwischen Motoneuron und Muskelzelle wird neuromotorische Synapse genannt. Diese Synapsen sind auch unter dem Begriff "Motorische Endplatte" bekannt. An einem Motoneuron können bis zu 200 Endknöpfchen abzweigen, die wiederum bis zu 200 Fasern der Muskulatur mit elektrischen Signalen versorgen und somit zur Erregungsübertragung beitragen.

Synapsen – Aufbau

Synapsen bestehen grob aus drei Teilen:

1. Die präsynaptische Membran: Sie enthält Neurotransmitter, die in Vesikel verpackt sind. Diese Neurotransmitter dienen als Botenstoffe für die Erregungsübertragung.
2. Der synaptische Spalt: Diese ist der Zwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran und besteht aus extrazellulärer Matrix.
3. Die postsynaptische Membran: Hier gibt es Rezeptoren, die Informationen über Dendriten empfangen.

Abbildung 1: Aufbau einer Synapse Quelle: biologie-schule.de

Elektrische und chemische Synapsen

Es werden zwei Arten von Synapsen unterschieden:

Elektrische Synapse

Hier stehen Prä- und Postsynapse in direktem Kontakt miteinander. Durch den engen Kontakt von Prä- und Postsynapse findet die elektrische Erregungsübertragung verzögerungsfrei statt.

Chemische Synapse

Sie ist gekennzeichnet durch einen schmalen Abstand zwischen prä- und postsynaptischer Membran. Der synaptische Spalt ist mit Extrazellularflüssigkeit gefüllt. Die Erregungsübertragung chemischer Signale erfolgt über Botenstoffe bzw. Transmitter.

Reizübertragung an der Synapse

Die meisten Synapsen arbeiten über chemische Erregungsübertragung – in einigen Fällen gibt es aber auch die direkte elektrische Weiterleitung. Die zwei Arten der Synapsen, die eine Rolle bei der Erregungsübertragung spielen, lernst Du jetzt kennen.

Elektrischen Synapse: Ablauf Erregungsübertragung

Das Aktionspotential wird ohne Verzögerung auf die nachfolgende Zelle übertragen. Elektrische Synapsen kommen dort vor, wo eine schnelle Erregungsübertragung notwendig ist, wie z. B. beim Lidreflex oder in den Herzmuskelzellen. Im Körper selbst sind sie allerdings nicht sehr oft vorhanden.

Bei der elektrischen Synapse stehen Prä- und Postsynapse in direktem Kontakt miteinander und sind nur durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt. Die Reizweiterleitung kann in beide Richtungen – also bidirektional – verlaufen.

Das geschieht über direkte Zell-Zell-Verbindungen – die Gap Junctions. Gap Junctions verbinden benachbarte bzw. aneinander grenzende Zellen miteinander. Sie sind Poren in der Zellmembran und verbinden die Intrazellularräume der Nachbarzellen über Ionenkanäle. Die Verbindung über Ionenkanäle erlaubt eine Diffusion von Molekülen wie z. B. von sekundären Botenstoffen. Außerdem ist bei elektrischen Synapsen die Übertragung von Änderungen des Membranpotentials bei relativ geringem ohmschen (elektrischen) Widerstand möglich.

Chemischen Synapse: Ablauf Erregungsübertragung

Kommt es zur Erregung eines Motoneurons, wandern Aktionspotenziale axonabwärts zu den Endknöpfchen. Das Aktionspotential erreicht ein synaptisches Endknöpfchen und depolarisiert es. Dieses elektrische Signal hat zur Folge, dass sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen und Ca⁺-Ionen in das synaptische Endknöpfchen einströmen. Die präsynaptische Speichervesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, verschmelzen mithilfe des Calciums mit der präsynaptischen Membran. Der Transmitter wird anschließend in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.

Die Transmitter diffundieren dann zur postsynaptischen Membran und binden an dessen Rezeptoren. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, die ligandengesteuert sind. Die Bindung der Transmittermoleküle mit ihrem Rezeptor verändert die Form des Rezeptors und führt zur Öffnung von Na⁺-Kanälen. Es strömen Natrium-Ionen in die Zelle und depolarisieren die postsynaptische Membran. So entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP).

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. Die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung eines Aktionspotentials ist umso höher, je mehr EPSPs eintreffen und desto länger die Depolarisation anhält. Die Ionenkanäle bleiben nämlich so lange geöffnet, je mehr Transmitter sich im synaptischen Spalt befinden bzw. je mehr Transmitter freigesetzt wurden.

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.

Ursache hierfür sind Kalium- und Chloridkanäle, die durch Neurotransmitter geöffnet werden. K⁺-Ionen strömen aus der Zelle heraus und Cl^–-Ionen in die Zelle hinein. Die Ladung im Zellinneren wird dadurch negativer und die Synapse kann Reize nicht mehr weiterleiten – sie ist gehemmt.

Dauer der Erregungsübertragung

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. Die Reizweitergabe findet so lange statt, wie Acetylcholin im synaptischen Spalt noch vorhanden ist.

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.

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.

Kurz und knapp: Ein chemisches Signal – in diesem Fall entsteht das das über die Weitergabe des Neurotransmitters – entsteht aus einem elektrischen Signal – dem Aktionspotenzial. Im Folgedendrit sorgt es erneut für ein elektrisches Signal.