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Synapse
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Unser Nervensystem besteht aus Milliarden von Nervenzellen (Neurone), die Signale untereinander austauschen und Informationen an Effektorzellen weiterleiten, damit der menschliche Körper effizient funktionieren kann. Als Synapse bezeichnet man die Kontaktstelle zwischen zwei Zellen. Sie stellt das zentrale Kommunikationsorgan zwischen einem präsynaptischen Neuron, das ein Signal überträgt, und einer postsynaptischen Zelle dar, die dieses empfängt. Solche Verbindungen ermöglichen nicht nur die Erregungsübertragung zwischen zwei Neuronen, sondern auch zwischen einem Neuron und einer Effektorzelle, zum Beispiel einer Muskel- oder Drüsenzelle.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Typen von Synapsen, ihre strukturellen Komponenten sowie ihre physiologischen Eigenschaften.
| Definition | Ort der Wechselwirkung zwischen einer Nervenzelle (präsynaptische Zelle) und einer anderen Zelle: weitere Nervenzelle, Muskelzelle oder Drüsenzelle (postsynaptische Zelle) |
| Einteilung |
Nach Funktion: Chemisch: Informationsübertragung durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) Elektrisch: direkter Ionenfluss zwischen den Zellen Nach Lage der Kontaktstelle: Axodendritisch Axosomatisch Axoaxonisch Dendrodendritisch Dendrosomatisch Neuromuskulär Neuroglandulär |
| Aufbau und Funktion |
Chemische Synapse Synaptisches Endknöpfchen (Axonterminale, präsynaptische Endigung) Neurotransmitter: Chemische Botenstoffe, die der Signalübertragung zwischen den Zellen dienen. Synaptischer Spalt: Schmaler Raum zwischen der präsynaptischen und postsynaptischen Membran. Postsynaptische Membran: Enthält Rezeptoren, die an die freigesetzten Neurotransmitter binden. Elektrische Synapse Gap junctions: Ermöglichen eine direkte Kommunikation zwischen benachbarten Nervenzellen. Connexone: Hexamerische Proteinkomplexe, die Kanäle für den Durchtritt von Ionen und kleinen Molekülen bilden. |
Einteilung
In Abhängigkeit vom Mechanismus der Erregungsweiterleitung lassen sich Synapsen funktionell in zwei Haupttypen einteilen: chemische und elektrische Synapsen. Chemische Synapsen sind die bei Weitem häufigste Form im menschlichen Nervensystem. Die Signalübertragung erfolgt hier über chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, die aus Vesikeln in der präsynaptischen Endigung freigesetzt und über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran übertragen werden. Elektrische Synapsen hingegen vermitteln die Erregung direkt über sogenannte Gap junctions – spezialisierte Zell-Zell-Kanäle, die die Zytoplasmen benachbarter Nervenzellen direkt miteinander verbinden und so eine schnelle und bidirektionale Erregungsleitung ermöglichen.
Chemische und elektrische Synapsen unterscheiden sich deutlich in ihrer Struktur, dem Kommunikationsmechanismus, der Geschwindigkeit der Signalübertragung sowie der Richtung und Modulierbarkeit der Erregung.
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Neben der funktionellen Einteilung können Synapsen auch anhand der Kontaktstelle zwischen den beteiligten Zellen klassifiziert werden – also danach, welche Abschnitte der Nervenzellen miteinander in Verbindung treten (Lokalisation). Man unterscheidet:
- Axodendritisch: Kontakt zwischen der Axonendigung des präsynaptischen Neurons und einem Dendriten des postsynaptischen Neurons (häufigster Typ).
- Axosomatisch: Kontakt zwischen der Axonendigung des präsynaptischen Neurons und dem Soma (Zellkörper) des postsynaptischen Neurons.
- Axoaxonisch: Kontakt zwischen der Axonendigung eines Neurons und dem Axon eines anderen Neurons.
- Dendrodendritisch: Kontakt zwischen den Dendriten zweier Neurone.
- Dendrosomatisch: Kontakt zwischen den Dendriten eines Neurons und dem Soma eines anderen Neurons.
- Somatosomatisch: Direkter Kontakt zwischen den Zellkörpern zweier benachbarter Neurone.
Zu den spezialisierten Formen von Synapsen zählen die neuromuskuläre Endplatte – die Verbindung zwischen der präsynaptischen Endigung eines Motoneurons und einer Muskelfaser– sowie die neuroglanduläre Synapse, bei der ein Neuron eine Drüsenzelle innerviert und deren Sekretion steuert.
Aufbau und Funktion
Chemische Synapsen
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Eine chemische Synapse besteht aus mehreren funktionellen Komponenten:
- Das synaptische Endknöpfchen (auch präsynaptische Endigung, Axonterminale) befindet sich am Ende des Axons der präsynaptischen Nervenzelle und enthält zahlreiche synaptische Vesikel (membranumhüllte Bläschen, in denen Neurotransmitter gespeichert sind) sowie spannungsabhängige Ca²⁺-Kanäle.
- Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die die Signalübertragung zwischen zwei Zellen vermitteln. Abhängig von ihrer Wirkung auf die postsynaptische Zelle unterscheidet man exzitatorische Neurotransmitter (z. B. Glutamat), die die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials erhöhen, und inhibitorische Neurotransmitter (z. B. Gamma-Aminobuttersäure (GABA)), die sie senken.
- Der synaptische Spalt ist ein schmaler Zwischenraum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran, durch den die freigesetzten Neurotransmitter zur Zielzelle diffundieren.
- Die postsynaptische Membran trägt spezifische Rezeptorproteine, an die die Neurotransmitter binden. Diese Rezeptoren sind entweder ligandengesteuerte Ionenkanäle (ionotrope Rezeptoren ) oder G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die über Signalkaskaden Ionenkanäle regulieren (metabotrope Rezeptoren).
Erreicht ein Aktionspotential die präsynaptische Endigung, öffnen sich spannungsabhängige Ca²⁺-Kanäle, was zu einem Einstrom von Calciumionen führt. Dadurch verschmelzen die Vesikel mit der präsynaptischen Membran und setzen die Neurotransmitter durch Exozytose in den synaptischen Spalt frei. Die freigesetzten Moleküle binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen (oder manchmal auch präsynaptischen) Membran und führen zur Öffnung oder Schließung von Ionenkanälen. Je nach Art des Neurotransmitters und der beteiligten Ionen entsteht entweder ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) – eine Depolarisation, bei der das Zellinnere positiver wird, oder ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) – eine Hyperpolarisation, bei der das Zellinnere negativer wird. Damit eine Synapse ordnungsgemäß funktionieren kann, muss das übertragene Signal nach seiner Wirkung beendet werden. Nur so kann die postsynaptische Zelle in ihren Ruhezustand zurückkehren und neue Reize empfangen. Zu diesem Zweck werden die Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt – entweder durch enzymatischen Abbau, durch Wiederaufnahme in die präsynaptische Zelle mittels Transportproteinen oder Endozytose, oder durch einfache Diffusion in das umgebende Gewebe.
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Elektrische Synapse
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Elektrische Synapsen ermöglichen eine direkte Weiterleitung elektrischer Signale zwischen benachbarten Nervenzellen. Die Signalübertragung geschieht über zwei zentrale Strukturen:
- Gap junctions: Dies sind spezialisierte Proteinverbindungen, die die Zellmembranen zweier benachbarter Neuronen unmittelbar miteinander verbinden. Spannungsänderungen in der präsynaptischen Zelle können so direkt auf die postsynaptische Zelle übertragen werden.
- Connexone: Diese Kanäle bestehen aus sechs Untereinheiten, den Connexinmolekülen, und bilden die eigentlichen Poren innerhalb der Gap junctions. Sie ermöglichen den Austausch von Ionen und kleinen Molekülen zwischen den Zellen.
Da bei elektrischen Synapsen kein Neurotransmitter ausgeschüttet wird, erfolgt die Signalübertragung besonders schnell und erlaubt eine hochgradig synchronisierte Aktivität zwischen mehreren Neuronen. Zudem kann die Übertragung bidirektional verlaufen – das heißt, Ionenströme können in beide Richtungen fließen, je nachdem, wo das Aktionspotential ursprünglich entstanden ist. Auf diese Weise wird die klassische Unterscheidung zwischen prä- und postsynaptischer Zelle relativiert. Neben Ionen können auch andere kleine Moleküle wie ATP oder sekundäre Botenstoffe über Gap junctions weitergeleitet werden, was die Bedeutung elektrischer Synapsen nicht nur für die neuronale Signalübertragung, sondern auch für den zellulären Stoffwechsel unterstreicht.
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Kim Bengochea, Regis University, Denver
