Synapse

Grundidee und Bedeutung

Eine Synapse ist die Kontaktstelle, über die eine Nervenzelle (Neuron) mit einer anderen Zelle verbunden ist. Zielzellen können andere Nervenzellen, Sinneszellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen sein. Synapsen übertragen Erregung, verändern und gewichten Signale und können durch anpassende Veränderungen Informationen speichern. Im Gehirn eines Erwachsenen gibt es über 100 Billionen (100×10^12) Synapsen; ein einzelnes Neuron besitzt zwischen 1 und 200.000 synaptische Kontakte.

Bei chemischen Synapsen wird ein ankommendes elektrisches Aktionspotential zunächst in ein chemisches und anschließend wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die sendende, präsynaptische Zelle setzt dazu Neurotransmitter frei. Diese Botenstoffe überqueren den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der empfangenden, postsynaptischen Zelle. Der Aufbau legt eine Signalrichtung von der prä- zur postsynaptischen Seite fest.

Elektrische Synapsen übertragen Signale dagegen über direkte Verbindungen zwischen Zellen. Daneben bezeichnet man vorübergehende Kontakte zwischen Immunzellen oder zwischen Immun- und Gewebezellen im übertragenen Sinn als immunologische Synapsen. Dort vermitteln Oberflächen-, Rezeptor- und Adhäsionsmoleküle den Informationsaustausch.

Ablauf an chemischen Synapsen

Trifft ein Aktionspotential am Synapsenendknöpfchen eines Axons ein, öffnen sich während der Depolarisation kurzzeitig spannungsaktivierte Calcium-Ionenkanäle. Calciumionen strömen in die Zelle. Die erhöhte Calciumkonzentration löst innerhalb weniger Millisekunden die Freisetzung eines Neurotransmitters aus.

Der Transmitter ist in synaptischen Bläschen beziehungsweise Vesikeln nahe der präsynaptischen Membran gespeichert. Calcium-bindende Proteine, besonders Synaptotagmine, ändern ihre Form und fördern die Bildung eines Komplexes aus SNARE-Proteinen. Zu diesem gehören Synaptobrevin in der Vesikelmembran sowie Syntaxin und zwei SNAP-Proteine in der Zellmembran. Der Komplex ermöglicht die Verschmelzung beider Membranen. Das Vesikel öffnet sich nach außen und gibt seinen Inhalt durch Exozytose in den synaptischen Spalt ab. Complexin I und II beschleunigen die Ausschüttung; über Synapsin werden anschließend erneut Vesikel am Axolemm, der Membran des Axons, bereitgestellt.

An der postsynaptischen Membran bindet der Neurotransmitter an passende Rezeptoren. Ionotrope Rezeptoren sind direkt mit ligandengesteuerten Ionenkanälen verbunden. Je nach durchgelassener Ionensorte entsteht ein erregendes postsynaptisches Potential (EPSP), das das Membranpotential anhebt, oder ein hemmendes postsynaptisches Potential (IPSP), das es absenkt. Metabotrope Rezeptoren wirken indirekt über eine Second-Messenger-Kaskade, also eine Kette intrazellulärer Botenstoffe. Diese Wirkung setzt verzögert ein, kann Signale verstärken und weitere Vorgänge in der Zielzelle auslösen.

Die Bindung der Transmitter ist vorübergehend. Enzyme wie die Acetylcholinesterase können sie abbauen. Andere Transmitter werden in die präsynaptische Endigung zurücktransportiert, beispielsweise Serotonin, oder von Gliazellen entfernt.

Eine Zielzelle im zentralen Nervensystem erhält gewöhnlich erregende und hemmende Signale von mehreren Neuronen. Deren Spannungsänderungen addieren sich. Überschreitet ihre Summe am Axonhügel einen bestimmten Schwellenwert, erzeugt die Zelle ein eigenes Aktionspotential und leitet es über ihr Axon weiter. Störungen synaptischer Übertragungswege werden mit zahlreichen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht. So gibt es Anzeichen für einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Formen von Depression und einer gestörten Signalübertragung durch Serotonin.

Elektrische Signalübertragung

Elektrische Synapsen geben Änderungen des Membranpotentials direkt und ohne Neurotransmitter an die nächste Zelle weiter. Häufig geschieht dies durch Gap Junctions, Poren, welche die Innenräume unmittelbar benachbarter Zellen verbinden. Die Poren bestehen aus Connexinen: Sechs Connexin-Moleküle bilden in der Membran einer Zelle ein Connexon. Zwei Connexone benachbarter Zellen lagern sich zu einem durchgehenden Kanal zusammen.

Durch diesen Kanal können Ionen und selbst mittelgroße Moleküle wie sekundäre Botenstoffe diffundieren. Wegen des relativ geringen elektrischen Widerstands werden Änderungen des Membranpotentials sehr schnell übertragen. Elektrische Synapsen kommen unter anderem zwischen Neuronen der Retina und zwischen Gliazellen vor. Besonders wichtig sind sie zwischen Herzmuskelzellen: Durch die elektrische Kopplung können diese synchron als gemeinsame Einheit arbeiten. Ähnliche Verbindungen bestehen in glatter Muskulatur, etwa im Uterus.

Eine weitere Form ist die kapazitive Kopplung über einen großflächigen, engen Membrankontakt. Ein Beispiel dafür findet sich im menschlichen Ziliarganglion.

Einteilung von Synapsen

Synapsen lassen sich nach mehreren Merkmalen ordnen. Nach der Art der Ziel- oder Ausgangszelle unterscheidet man:

• Effektorsynapsen wirken auf Muskel- oder Drüsenzellen.
• Sensorsynapsen nehmen Signale von Rezeptoren wie sensiblen Sinneszellen der Haut auf.
• Interneuronale Synapsen verbinden Nervenzellen miteinander und sind im Gehirn am häufigsten.

Interneuronale Synapsen werden außerdem danach benannt, welche Zellteile verbunden sind. Axo-dendritische Synapsen führen von einer Axonendigung zu einem Dendriten, axo-somatische zu einem Zellkörper und axo-axonische beziehungsweise axo-axonale zu einem anderen Neuriten. Weitere Formen sind dendro-dendritische, dendro-somatische, somato-somatische, somato-dendritische und somato-axonale Synapsen. Dendro-somatische Kontakte kommen beispielsweise im Riechkolben vor, somato-axonale in vegetativen Ganglien.

Komplexe Synapsen umfassen mehr als zwei seriell oder parallel verbundene Zellen. Synaptische Glomeruli sind meist von Glia umhüllte Knäuel zahlreicher konvergenter oder divergenter Verschaltungen. Bei reziproken Synapsen liegen zwei entgegengesetzt gerichtete Kontakte nebeneinander; sie können erregend oder hemmend sein.

Nach ihrer Wirkung heißen Synapsen exzitatorisch, wenn sie die Wahrscheinlichkeit einer Aktion erhöhen, oder inhibitorisch, wenn sie diese verringern. Chemische Synapsen können zudem nach ihrem Neurotransmitter als cholinerg, adrenerg, dopaminerg, serotonerg, glutamaterg, glycinerg, GABA-erg oder peptiderg bezeichnet werden. Medikamente und Drogen können an verschiedenen Schritten der Übertragung angreifen. Differenzierte Funktionen des Nervensystems lassen sich dadurch jedoch nicht gezielt beeinflussen, weil diese vom Verknüpfungsmuster der Synapsen und nicht allein vom verwendeten Überträgerstoff abhängen.

Gifte und synaptische Plastizität

Synapsengifte stören oder verhindern die chemische Signalübertragung. Sie können beispielsweise die Freisetzung eines Neurotransmitters blockieren oder dem Transmitter so ähnlich sein, dass sie an seinen Rezeptor binden. Ein Agonist löst dabei eine ähnliche Wirkung wie der eigentliche Transmitter aus. Ein Antagonist hemmt die Wirkung eines Agonisten, etwa indem er dessen Bindungsplatz besetzt, ohne dieselbe Wirkung hervorzurufen.

Zu den störend wirkenden pflanzlichen Alkaloiden gehören Atropin, Nicotin, Mescalin und Curare; weitere stammen etwa aus Mutterkornpilzen oder kommen als Muskarin vor. Trinkalkohol verändert unter anderem GABA-Rezeptoren und blockiert (NMDA)-Glutamat-Rezeptoren. Botulinumtoxin, das von einer Bakterienart der Clostridien gebildet wird, wirkt bereits in sehr geringer Dosis und verursacht Lähmungen; diese Wirkung wird auch kosmetisch zur Faltenglättung eingesetzt. Tetanustoxin wirkt ähnlich. Tierische Nervengifte sind beispielsweise Conotoxine maritimer Kegelschnecken und Latrotoxine der dreizehnfleckigen Schwarzen Witwe. Synthetische Synapsengifte umfassen die Kampfstoffe Tabun, Sarin und VX, Insektizide wie E 605 und Neonicotinoide sowie Halluzinogene wie LSD und verschiedene Psychopharmaka.

Synapsen sind nicht unveränderlich: Ihre Übertragungsfähigkeit kann sich durch anatomische Umbauprozesse verändern. Diese synaptische Plastizität bildet eine Grundlage des Lernens und ermöglicht es, Informationen in veränderten synaptischen Verbindungen zu speichern.