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Synapse: Aufbau und chemische Signalübertragung
Eine Synapse ist eine Kontaktstelle, an der eine Nervenzelle ein Signal an eine andere Zelle überträgt. Bei einer chemischen Synapse wird ein elektrisches Signal kurz in ein chemisches Signal umgewandelt. In der Empfängerzelle entsteht daraus eine Änderung der Membranspannung.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Aufbau: Sender, Spalt und Empfänger
Stell dir zwei Zellen vor, zwischen denen kein direkter Übergang für den elektrischen Impuls besteht. Die Synapse überbrückt diese Stelle.
Eine chemische Synapse hat drei Bereiche:
- Die Präsynapse ist die Senderseite. Zu ihr gehört das synaptische Endknöpfchen mit der präsynaptischen Membran.
- Der synaptische Spalt liegt zwischen Sender- und Empfängerzelle.
- Die Postsynapse ist die Empfängerseite. Ihre Membran trägt passende Rezeptoren.
Im Endknöpfchen befinden sich kleine, von einer Membran umschlossene Bläschen. Sie heißen synaptische Vesikel und speichern chemische Botenstoffe.
Neurotransmitter
Ein Neurotransmitter ist ein chemischer Botenstoff, der im synaptischen Spalt Informationen von der Prä- zur Postsynapse überträgt. Acetylcholin ist ein Beispiel.
Das Signal läuft an einer chemischen Synapse normalerweise nur in eine Richtung: Die Präsynapse setzt Neurotransmitter frei, während die Postsynapse die passenden Rezeptoren trägt.
Erreicht ein Signal das Endknöpfchen einer Nervenzelle, kann diese Zelle über die Synapse eine weitere Nervenzelle, eine Muskelzelle oder eine Drüsenzelle beeinflussen.
Chemische Übertragung Schritt für Schritt
Der entscheidende Auslöser ist ein Aktionspotential, das am synaptischen Endknöpfchen eintrifft. Es verändert dort die elektrische Spannung der Membran.
- Das Aktionspotential erreicht die präsynaptische Membran.
- Spannungsabhängige Calciumkanäle öffnen sich.
- Ca²⁺-Ionen strömen in das Endknöpfchen.
- Der Calciumeinstrom löst die Verschmelzung von Vesikeln mit der präsynaptischen Membran aus.
- Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und gelangen zur Postsynapse.
- Die Transmitter binden an passende Rezeptoren.
- Bei ionotropen Rezeptoren öffnet die Bindung direkt einen Ionenkanal.
- Der Ionenstrom verändert die Spannung der postsynaptischen Membran. Es entsteht ein postsynaptisches Potential.
Ligandengesteuerter Ionenkanal
Ein ligandengesteuerter Ionenkanal öffnet sich, wenn ein passender Stoff an ihn bindet. Dieser bindende Stoff heißt Ligand. An der Postsynapse kann ein Neurotransmitter der Ligand sein.
Präsynaptische Calciumkanäle reagieren auf eine Spannungsänderung. Die hier beschriebenen postsynaptischen Kanäle reagieren dagegen auf die Bindung eines Neurotransmitters.
Bei einer erregenden Synapse kann die Transmitterbindung Natriumkanäle öffnen. Na⁺-Ionen strömen ein und verändern die postsynaptische Membranspannung. Diese Änderung kann dazu beitragen, dass die Empfängerzelle ein Aktionspotential bildet. Ein einzelnes postsynaptisches Signal muss dafür jedoch nicht immer ausreichen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Ein eintreffendes öffnet spannungsabhängige . Ca²⁺ löst die aus. Die freigesetzten Neurotransmitter binden an der Postsynapse und verändern durch einen Ionenstrom die .
Wie das Signal wieder endet
Eine Synapse muss die Übertragung beenden können. Sonst würden die Rezeptoren weiter beeinflusst, obwohl kein neues Aktionspotential eingetroffen ist.
Transmitter können sich wieder von ihren Rezeptoren lösen. Anschließend werden sie je nach Transmitter zurück in die Präsynapse aufgenommen, wiederverwendet oder zuvor enzymatisch zerlegt.
Das Enzym Cholinesterase spaltet Acetylcholin in Acetat und Cholin. Diese Bestandteile werden zur Präsynapse zurückgeführt und aufgenommen. Das Enzym Cholinacetyltransferase setzt sie dort wieder zu Acetylcholin zusammen. Der Botenstoff kann anschließend erneut in Vesikeln bereitgestellt werden.
Freisetzung startet die chemische Übertragung. Ablösung, Abbau und Rückaufnahme begrenzen sie und bereiten die Synapse auf ein neues Signal vor.
Erregende und hemmende Wirkung unterscheiden
Nicht jede Synapse steigert die Aktivität ihrer Zielzelle. Synapsen können erregend oder hemmend wirken.
EPSP
Ein exzitatorisches postsynaptisches Potential, kurz EPSP, ist eine Spannungsänderung, die ein Aktionspotential in der Zielzelle wahrscheinlicher macht.
IPSP
Ein inhibitorisches postsynaptisches Potential, kurz IPSP, ist eine Spannungsänderung, die ein Aktionspotential in der Zielzelle weniger wahrscheinlich macht.
Eine erregende Synapse wirkt also nicht deshalb erregend, weil sie besonders viele Aktionspotentiale sendet. Entscheidend ist die Wirkung auf die postsynaptische Membran. Entsprechend wird eine hemmende Synapse über ihre hemmende Wirkung definiert.
Öffnet die Transmitterbindung Kanäle, durch die Na⁺ einströmt und die Membran depolarisiert wird, kann ein EPSP entstehen. Führt der ausgelöste Ionenstrom dagegen zu einer hemmenden Spannungsänderung, entsteht ein IPSP.
Chemische und elektrische Synapsen vergleichen
Chemische und elektrische Synapsen übertragen beide Informationen zwischen Zellen, nutzen aber verschiedene Wege.
| Merkmal | Chemische Synapse | Elektrische Synapse |
|---|---|---|
| Signalweg | über Neurotransmitter und Rezeptoren | direkte elektrische Übertragung |
| Richtung | gewöhnlich nur von Prä- zu Postsynapse | Übertragung in beide Richtungen möglich |
| Geschwindigkeit | geringe Verzögerung, ungefähr 1 ms | praktisch ohne synaptische Verzögerung |
| Häufigkeit beim Menschen | deutlich häufiger | selten |
| Besonderheit | Wirkung kann erregend oder hemmend sein | besonders schnelle Kopplung |
Der synaptische Spalt chemischer Synapsen ist mit ungefähr 20 bis 30 nm breiter als der etwa 3,5 nm breite Spalt elektrischer Verbindungen.
Elektrische Synapsen eignen sich für besonders schnelle und gekoppelte Reaktionen. Chemische Synapsen benötigen zusätzliche Schritte, erlauben aber unterschiedliche Wirkungen durch Transmitter, Rezeptoren und Ionenkanäle.
Angriffspunkte von Wirkstoffen und Giften
Du kannst die Wirkung eines Stoffes vorhersagen, wenn du zuerst seinen Angriffsort in der Signalfolge bestimmst.
- Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch auf Acetylcholin reagieren, und wirkt dadurch erregend.
- Atropin verhindert die Bindung von Acetylcholin an bestimmte Rezeptoren.
- Curare blockiert postsynaptische Rezeptoren an Synapsen zwischen Nerv und Muskel. Der Transmitter kann dort nicht wirksam binden; eine Lähmung der Atemmuskulatur kann die Folge sein.
- Botulinumtoxin verhindert die Verschmelzung transmittergefüllter Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Dadurch wird die Transmitterfreisetzung unterbrochen.
Ein unbekannter Stoff verhindert die Vesikelfusion. Obwohl ein Aktionspotential eintrifft und Ca²⁺ in das Endknöpfchen strömt, gelangen keine Neurotransmitter in den Spalt. Postsynaptische Rezeptoren werden daher nicht durch diesen Transmitter aktiviert.
Eine zuverlässige Vorhersage folgt drei Fragen:
- Wo greift der Stoff an?
- Welcher Schritt fällt aus oder wird verstärkt?
- Welche Folge hat das für die Postsynapse?
Vertiefung: Vesikelfusion und synaptische Plastizität
Synaptische Vesikel sind nicht nur Behälter. Proteine in ihrer Membran ermöglichen Beladung, Fusion und Wiederverwendung.
Eine Protonen-ATPase pumpt unter Verbrauch von ATP Protonen in das Vesikel. Das entstehende Konzentrationsgefälle liefert die Energiegrundlage dafür, dass Transportproteine Neurotransmitter im Vesikel anreichern.
Bei der Fusion wirkt Synaptotagmin als Calciumsensor. Nach der Bindung von Ca²⁺ unterstützt es die Annäherung der Membranen. SNARE-Proteine in Vesikel- und Zellmembran lagern sich zusammen; die dabei frei werdende Energie trägt zur Verschmelzung der Membranen bei. Einzelheiten dieses sehr schnellen Vorgangs sind noch nicht vollständig geklärt.
Synaptische Plastizität
Synaptische Plastizität bedeutet, dass synaptische Kontakte veränderbar sind. Synapsen können neu entstehen, verstärkt, abgeschwächt, umgebaut oder abgebaut werden.
Diese Veränderbarkeit gehört zu den Grundlagen von Lernen und Üben. Sie bedeutet nicht, dass bei jedem einzelnen Lernschritt sofort eine völlig neue Nervenzelle entsteht.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Synapse
- Aufbau
- Präsynapse
- synaptischer Spalt
- Postsynapse
- chemische Übertragung
- Aktionspotential und Ca²⁺-Einstrom
- Vesikelfusion und Transmitterfreisetzung
- Rezeptorbindung und postsynaptisches Potential
- Abbau, Rückaufnahme und Wiederverwendung
- Wirkung
- EPSP: erregend
- IPSP: hemmend
- Eingriffe
- Vesikelfusion blockieren
- Rezeptoren aktivieren oder blockieren
- Veränderbarkeit
- synaptische Plastizität
- Aufbau
Abschluss-Check
Wenn du bei einem neuen Fall zuerst Angriffsort, betroffenen Schritt und postsynaptische Folge bestimmst, kannst du viele Störungen der synaptischen Übertragung systematisch erklären.