Synapse – Funktion und Bau

Synapsen dienen der Erregungsübertragung, beispielsweise an eine motorische Endplatte, also einen Muskel. Der Reiz wird an die Muskelfaser weitergeleitet und sie reagiert zum Beispiel mit einer Kontraktion.

Neuromuskuläre Synapsen sind ein Beispiel für chemische Synapsen. Diese führen die Übertragung von Erregungen mithilfe chemischer Substanzen, den Neurotransmittern, durch.

Synapse – Aufbau

Um ihre Aufgabe optimal zu erfüllen, besitzen Synapsen besondere bauliche Merkmale:

Abbildung 1: Schema der chemische Erregungsübertragung in der Synapse

Das kolbenförmige Endknöpfchen liegt mit seiner glatten präsynaptischen Membran der postsynaptischen Membran der Folgezelle gegenüber. Die beiden Membranen sind durch den ca. 20 nm breiten synaptischen Spalt getrennt.

In der Membran der Präsynapse befinden sich Calcium-Kanäle. Öffnen sich diese im Anschluss an das Eintreffen eines Aktionspotentials, wird die synaptische Erregungsübertragung ausgelöst.

Im Endknöpfchen befinden sich viele synaptische Bläschen, die mit einem Neurotransmitter, beispielsweise Acetylcholin, gefüllt sind. Dieser ist essentiell für die Erregungsübertragung, da er für den Übertritt des Signals von der Prä- in die Postsynapse verantwortlich ist.

Die postsynaptische Membran ist mit zahlreichen Proteinmolekülen besetzt, die als Rezeptoren für Neurotransmitter fungieren. Sie sind mit Ionenkanälen verbunden, welche je nach Rezeptorstatus geöffnet oder geschlossen werden können und so die Übertragung der Erregung steuern.

Der Synaptische Spalt beinhaltet spezielle Enzyme, welche den Neurotransmitter am Ende der Reizübertragung in seine Bestandteile trennt. Das ist nötig, damit die Elemente zurück in die Präsynapse diffundieren können und für eine spätere Übertragung recycelt werden können. So muss der Transmitter nicht komplett neu gebildet werden.

Synapse – Ablauf Erregungsübertragung

1. Ein Aktionspotential (AP) erreicht das Endknöpfchen und bewirkt die Öffnung von spannungsgesteuerten Calciumporen. Es kommt zum Einstrom von Calciumionen (Ca²⁺) in das Endknöpfchen.
2. Die Calciumionen führen dazu, dass 100–200 synaptischen Bläschen mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. Dabei wird der in ihnen gespeicherte Neurotransmitters in den synaptischen Spalt abgegeben.
3. Die Transmittermoleküle diffundieren sehr schnell (<0,1 ms) durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
4. Mit der Bindung des Neurotransmitters verändern die Rezeptoren ihre Raumstruktur (Konformation). Dadurch öffnen sich Ionenkanäle in der Membran, die für Na⁺- und K⁺-Ionen durchlässig sind. Na⁺-Ionen strömen ein und wenige K⁺-Ionen aus. Die so entstehende Depolarisation der Membran wird als Endplattenpotential oder allgemein als postsynaptisches Potential (PSP) bezeichnet.
5. Das Endplattenpotential breitet sich über die postsynaptische Membran aus. Im elektrischen Spannungsfeld treten Ionenwanderungen ein. Sie führen aber nicht zu einem Aktionspotenzial, da der K⁺-Ausstrom schneller erfolgt als beim Axon. Das Endplattenpotential löst erst außerhalb des synaptischen Bereichs ein Aktionspotenzial aus.Dieses wird beispielsweise über eine ganze Muskelfaser weitergeleitet und führt zur Kontraktion eines Muskels.
6. Die Transmitter-Moleküle werden nach der Bindung an den Rezeptor durch das im synaptischen Spalt und an der postsynaptischen Membran ein Enzym in unwirksame Bestandteile gespalten.Acetylcholin wird etwa durch Acetylcholinesterase in Essigsäure und Cholin getrennt. Steht kein Neurotransmitter mehr zur Verfügung, schließen sich die Ionenkanäle wieder. Der ganze Prozess dauert etwa eine Millisekunde.
7. Die Bestandteile des Transmitters werden in das Endknöpfchen aufgenommen, unter Energieverbrauch zusammengesetzt und wieder in den synaptischen Bläschen gespeichert. Die benötigte Energie entstammt der Spaltung von ATP in ADP und ein Phosphatmolekül.

Codierung der Erregungsstärke an der Synapse und in der Postsynapse

Viele im Endknöpfchen ankommende Aktionspotentiale lösen die Abgabe einer hohen Menge an Neurotransmittern in den synaptischen Spalt aus. Die Frequenz der Aktionspotenziale wird also umcodiert in die Konzentration des Transmitters im synaptischen Spalt.

Eine hohe Transmittermenge löst an der postsynaptischen Membran ein starkes postsynaptisches Potential aus, eine geringe ein schwaches PSP.

Synapse – Erregungsübertragung an elektrischen Synapse

Neben chemischen Synapsen existieren auch elektrische Synapsen, welche für den Austausch von Informationen zwischen benachbarten Zellen verantwortlich sind. Sie werden auch als Gap Junctions bezeichnet. Die Übertragung der Erregung erfolgt durch Ionenkanäle.

An elektrischen Synapsen wird das eingetroffene Aktionspotential direkt in Form von elektrischer Ladung an die Folgezelle weitergegeben. Dies geschieht durch Ionenkanäle, mit welchen die Zellen direkt miteinander verbunden sind. Der Austausch zwischen diesen kann in beide Richtungen ablaufen, was die elektrische von der chemischen Synapse differenziert.

Im Gegensatz zur chemischen Synapse gibt es nur einen sehr kleinen synaptischen Spalt, der für die Erregungsleitung nur eine untergeordnete Rolle spielt. Außerdem sind keine sekundären Substanzen, die die Übertragung der Erregung unterstützen, nötig.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau der elektrischen Synapse

Synapse – Erregende und hemmende Synapsen

In Nervensystemen kommen zwei Typen von Synapsen vor, die eine Verrechnung der Impulse, die eine Nervenzelle erhält, ermöglichen.

Abbildung 2: Vergleich EPSP und IPSP an einer Postsynapse

Erregende Synapse

An erregenden Synapsen werden Neurotransmitter ausgeschüttet, die eine Öffnung der Natriumionenkanäle bewirken. Dadurch können Natriumionen in die Postsynapse einströmen und das Membranpotential verringert sich. Dabei gilt: Je mehr Natrium-Ionen, umso stärker das postsynaptische Potential.

Das Ansteigen der Erregung und damit die positivere Ladung der Postsynapse im Vergleich zur Umgebung der Zelle wird als Depolarisation bezeichnet.

Zeitliche und räumliche Summation

Jede Nervenzelle ist an den Dendriten und am Zellkörper mit mehreren Tausend Synapsen besetzt. Ständig sind viele dieser Synapsen erregt, sodass sich die von ihnen erzeugten postsynaptischen Potenziale summieren können.

Die Differenz eines postsynaptischen Potentials zum Ruhepotential beträgt nur wenige Millivolt. Dementsprechend kann ein einziges PSP die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotentials nicht erreichen. Postsynaptische Potentiale halten jedoch länger an als ein Aktionspotential. Kommen in einer Synapse mehrere Aktionspotentiale an, überlagern sich in der Postsynapse die noch nicht abgeklungenen Potentiale zu einem Membranpotential mit größerer Amplitude.

Du kannst hier zwischen zeitlicher und räumlicher Summation unterscheiden.

Da sich in der Membran der Dendriten und des Zellkörpers keine spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumionenkanäle befinden, kann sich hier kein Aktionspotential ausbilden. Nur die Membran am Axonhügel ist mit diesen spannungsabhängigen Ionenkanälen durchsetzt und in der Lage, ein Aktionspotential aufzubauen.

Nach Verrechnung der EPSPs und IPSPs an der Membran der Nervenzelle muss das resultierende Potential noch so stark sein, dass die Auslöseschwelle zum Aktionspotential überschritten werden kann.

Abbildung 3: Verrechnung von EPSP und IPSP