Synapse: Aufbau und chemische Signalübertragung

Eine chemische Synapse verbindet die Präsynapse als Senderseite, den synaptischen Spalt und die Postsynapse als Empfängerseite. Im präsynaptischen Endknöpfchen speichern Vesikel Neurotransmitter. Die postsynaptische Membran trägt passende Rezeptoren. Diese unterschiedliche Ausstattung richtet die chemische Übertragung gewöhnlich von der Prä- zur Postsynapse.

Trifft ein Aktionspotenzial am Endknöpfchen ein, öffnen spannungsabhängige Calciumkanäle. Ca²⁺ strömt hinein und löst die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran aus. Freigesetzte Neurotransmitter gelangen durch den Spalt zu passenden Rezeptoren. Bei ionotropen Rezeptoren öffnet die Bindung unmittelbar einen Ionenkanal. Der Ionenstrom verändert die postsynaptische Spannung. Ein ligandengesteuerter Ionenkanal öffnet durch Bindung eines passenden Stoffes, des Liganden. An der Postsynapse kann ein Neurotransmitter dieser Ligand sein. So kann etwa Na⁺-Einstrom zur Erregung beitragen; ein einzelnes Signal muss die Schwelle für ein Aktionspotenzial noch nicht erreichen.

Transmitter lösen sich nach der Signalübertragung wieder vom Rezeptor. Je nach Transmitter werden sie in die Präsynapse zurückaufgenommen, wiederverwendet oder zuvor enzymatisch zerlegt. So endet ihre Wirkung und die Synapse kann erneut reagieren. Bei Acetylcholin spaltet Acetylcholinesterase den Stoff in Acetat und Cholin. Cholin wird präsynaptisch aufgenommen; Cholinacetyltransferase synthetisiert daraus mit Acetyl-CoA neues Acetylcholin.

Eine Synapse kann erregend oder hemmend wirken. Ein EPSP macht ein Aktionspotenzial in der Zielzelle wahrscheinlicher. Ein IPSP macht es weniger wahrscheinlich. Entscheidend ist die Wirkung des ausgelösten Ionenstroms auf die postsynaptische Spannung, nicht die Zahl der eintreffenden Aktionspotenziale.

Chemische Synapsen übertragen über Neurotransmitter und Rezeptoren. Elektrische Synapsen koppeln Zellen direkt und können Signale besonders schnell und auch in beide Richtungen übertragen. Bei häufig untersuchten chemischen Synapsen im Zentralnervensystem ist der Spalt ungefähr 20 bis 30 nm breit; bei elektrischen Verbindungen liegen die Membranen etwa 3,5 nm auseinander. Die Abstände sind keine festen Werte für jede Synapse. Chemische Synapsen erlauben durch unterschiedliche Transmitter, Rezeptoren und Kanäle erregende oder hemmende Wirkungen.

Ein Stoff lässt sich nach Angriffsort, betroffenem Schritt und Folge für die Postsynapse einordnen. Nikotin aktiviert nikotinische Acetylcholinrezeptoren. Atropin blockiert muskarinische Acetylcholinrezeptoren. Curare blockiert nikotinische Acetylcholinrezeptoren an der Verbindung zwischen Nerv und Muskel; dabei kann auch die Atemmuskulatur gelähmt werden. Botulinumtoxin verhindert präsynaptische Vesikelfusion und damit die Transmitterfreisetzung.

Eine Protonen-ATPase pumpt unter ATP-Verbrauch Protonen in synaptische Vesikel. Das Konzentrationsgefälle liefert die Energiegrundlage, mit der Transportproteine Neurotransmitter im Vesikel anreichern. Bei der Fusion bindet Synaptotagmin Ca²⁺ und wirkt als Calciumsensor. SNARE-Proteine aus Vesikel- und Zellmembran lagern sich zusammen; die dabei frei werdende Energie trägt zur Membranverschmelzung bei. Einzelheiten dieses schnellen Vorgangs sind noch nicht vollständig geklärt.

Synaptische Kontakte können neu entstehen, stärker oder schwächer werden, sich umbauen oder abgebaut werden. Diese synaptische Plastizität gehört zu den Grundlagen von Lernen und Üben; ein einzelner Lernschritt bedeutet nicht, dass sofort eine neue Nervenzelle entsteht.