Synapsen

Haupttypen nach Übertragungsart

Nach dem Mechanismus der Signalübertragung lassen sich alle Synapsen in zwei große Gruppen unterteilen:

1. Chemische Synapsen. Dies ist der dominante Kontakttyp beim Menschen. Das Signal wird mithilfe eines spezifischen chemischen Agenten — des Mediators (Neurotransmitters) — übertragen. Ein Schlüsselmerkmal dieses Kontakts ist die streng einseitige Leitfähigkeit. Die Moleküle diffundieren durch den interzellulären Raum und binden an Zielrezeptoren, wobei eine Rückwärtsübertragung physikalisch unmöglich ist.
2. Elektrische Synapsen. Kommen im Nervensystem eher selten vor (z. B. in der Retina). Die Zellen sind physikalisch durch Tight Junctions — Nexus (Gap Junctions) — verbunden. Ionenkanäle durchziehen die Membranen vollständig und verbinden das Zytoplasma benachbarter Zellen. Dies ermöglicht die direkte Übertragung einer Depolarisationswelle. Ähnliche Strukturen gibt es im Myokard und in der glatten Muskulatur, dort verbinden sie jedoch Muskelzellen untereinander, weshalb sie nicht immer unter die strenge Definition einer Synapse fallen.

Die strukturelle Triade der chemischen Synapse

Eine klassische chemische Synapse besteht immer aus drei obligatorischen Komponenten, die einen einheitlichen Funktionskomplex bilden:

• Präsynaptische Endigung. In der Regel handelt es sich um eine erweiterte Axonstanz (Axonterminale). Im Inneren sind an Zytoskelettelementen Bläschen (Vesikel) fixiert, die mit Mediator gefüllt sind. In das Plasmalemm dieser Endigung sind spannungsabhängige Calciumkanäle eingebaut, die im Ruhezustand fest geschlossen sind.
• Synaptischer Spalt. Ein mikroskopischer Raum von 20–30 nm Breite. In dieser Zone befinden sich spezielle Filamente, die beide Membranen mechanisch verankern und zusammenhalten, damit der Kontakt nicht reißt.
• Postsynaptische Membran. Dies ist ein spezialisierter Bereich des Plasmalemms der aufnehmenden Zelle. Auf ihr befindet sich ein komplexer Proteinapparat: spezifische Rezeptoren für den Mediator, Proteine des Effektorgeräts (die die Antwort ausführen) und Enzyme, deren Aufgabe es ist, den verbrauchten Mediator schnell abzubauen, um die Signalübertragung zu beenden.

Mechanismus der Mediatorsausschüttung

Die Signalübertragung wird durch das Eintreffen eines elektrischen Impulses an der Axonendigung ausgelöst. Der Prozess verläuft in mehreren Phasen:

1. Die Erregungswelle erreicht die präsynaptische Membran.
2. Spannungsabhängige $Ca^{2+}$-Kanäle öffnen sich, und Calciumionen strömen in das Innere der Endigung.
3. Ein scharfer Anstieg der $Ca^{2+}$-Konzentration bewirkt, dass sich die synaptischen Vesikel vom sie haltenden Zytoskelett lösen.
4. Die Vesikelmembran verschmilzt mit dem präsynaptischen Plasmalemm (Exozytose findet statt).
5. Eine Portion Mediator wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet und diffundiert zur Zielzelle.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren

Wenn der Mediator die postsynaptische Membran erreicht, kann die Reaktion der Zelle je nach Rezeptortyp auf einem von zwei Wegen ablaufen:

• Ionotroper Mechanismus (schnell). Hier sind Rezeptormolekül und Ionenkanal ein einziger Proteinkomplex. Bei Mediatorbindung öffnet sich der Kanal sofort. Handelt es sich um einen Kationenkanal (wie an n-cholinergen Synapsen), strömt $Na^+$ ein, was Depolarisation und Erregung auslöst. Handelt es sich um einen Anionenkanal (GABAerge oder glycinerge Synapsen), strömt $Cl^-$ ein, was Hyperpolarisation und Hemmung auslöst.
• Metabotroper Mechanismus (langsam). Der Rezeptor ist kein Kanal. Die Mediatorbindung aktiviert intrazelluläre Botenstoffe (Second Messengers), die die Aktivität von Enzymen (meist Proteinkinasen) verändern. Dies löst eine Phosphorylierung von Zielstrukturen im intrazellulären Stoffwechsel aus. In Neuronen führt dies letztlich zum Öffnen oder Schließen von Kanälen, während es in Muskelzellen direkt die Aktivität kontraktiler Proteine verändern kann, ohne das Membranpotential des Plasmalemms zu verändern. So arbeiten adrenerge Synapsen (Noradrenalin) und m-Cholinozeptoren.

Netzwerkarchitektonik und Modulation

Neuronen bilden komplexeste Netzwerke dank Divergenz (Ausbreitung des Signals über Axonkollateralen auf viele Zellen) und Konvergenz (Zusammenlaufen hunderter Kontakte am Soma eines Neurons). Die Zelle summiert alle ankommenden Impulse und bildet eine integrative Antwort.

Neben klassischen Synapsen gibt es nicht-synaptische Kontakte. In diesem Fall weisen Axonendigungen variköse Erweiterungen auf, aus denen der Mediator (oft Neuropeptide oder Noradrenalin) direkt in den breiten interzellulären Raum abgegeben wird. Dieser Prozess verläuft langsam, hat aber eine generalisierte, modulierende Wirkung auf eine ganze Gruppe benachbarter Zellen und moduliert deren Aktivität fein.

Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Besonderheiten der Phosphorylierung von Zielproteinen bei der metabotropen Übertragung
• Unterschiede der Noradrenalin-Wirkungen auf Alpha- und Beta-Adrenozeptoren
• Ultrastruktur der Nexus (Gap Junctions) in elektrischen Synapsen
• Morphologie variköser Erweiterungen bei nicht-synaptischer Übertragung
• Die Rolle von Calciumionen bei der Ablösung synaptischer Vesikel vom Zytoskelett

Weitere Themen des Abschnitts „Nervengewebe: Nervenendigungen und Synapsen“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.