Synapse

Synapse (von griech. σύν syn ’zusammen‘; ἅπτειν haptein ’greifen, fassen, tasten‘) heißt die Stelle neuronaler Verknüpfung, über die eine Nervenzelle in Kontakt steht zu einer anderen Zelle – einer Sinneszelle, Muskelzelle, Drüsenzelle oder anderen Nervenzelle. Synapsen dienen der Übertragung von Erregung, erlauben aber auch die Modulation der Signalübertragung, und vermögen darüber hinaus durch anpassende Veränderungen Information zu speichern. Die Anzahl der Synapsen beträgt im Gehirn eines Erwachsenen etwa 100 Billionen (10¹⁴) – bezogen auf ein einzelnes Neuron schwankt sie zwischen 1 und 200.000.

Der Begriff Synapse wurde 1897 von Charles S. Sherrington geprägt für eine Kontaktstelle zwischen dem verästelten Ende des Axons einer Nervenzelle und dem Dendriten einer anderen Nervenzelle. Diese Synapsen zählen zu den chemischen Synapsen und stellen den häufigsten Typ von Synapsen dar. Bei ihnen wird das Signal, das als elektrisches Aktionspotential ankommt, in ein chemisches Signal umgewandelt, in dieser Form über den zwischen den Zellen bestehenden synaptischen Spalt getragen, und dann wieder in ein elektrisches Signal umgebildet. Dabei schüttet die sendende Zelle (präsynaptisch) Botenstoffe aus, Neurotransmitter genannt, die auf der anderen Seite des Spaltes (postsynaptisch) an Membranrezeptoren der empfangenden Zelle binden. Mit dieser Form der Übertragung wird Signalen eine Richtung gegeben, was für die Verarbeitung von Informationen in neuronalen Netzen grundlegend ist. Der erregungsübertragende Transmitter wird entweder in der Endigung des Axons des sendenden Neurons gebildet oder in dessen Zellkörper synthetisiert und axonal zu den präsynaptischen Membranregionen transportiert.

Daneben erfahren die über chemische Synapsen übertragenen Signale auch eine Wertung. Denn der Neurotransmitter kann unterschiedlich auf die Zielzelle wirken. Je nach Ausstattung der postsynaptischen Membran, auf die das sendende Neuron Einfluss nimmt, wird entweder eine erregende (exzitatorische) oder aber eine hemmende (inhibitorische) Wirkung erzielt. Nicht nur einzelne Synapsen, ganze Neuronen werden daher in exzitatorische und inhibitorische unterschieden, je nachdem ob sie nur erregende oder nur hemmende Synapsen an Zielzellen ausbilden. Für eine Zielzelle innerhalb des zentralen Nervensystems ist es gewöhnlich so, dass sie von verschiedenen Neuronen Signale erhält, auch gegensätzliche, und diese dann miteinander verrechnet. Reicht die Summe der einlaufenden exzitatorischen und inhibitorischen (postsynaptischen) Signale am Axonhügel dieser Nervenzelle für die notwendige Potentialänderung aus, so wird ein Aktionspotential gebildet und über das Axon weitergeleitet, sonst nicht.

Dagegen sind elektrische Synapsen als gap junctions Kontaktstellen, bei denen Ionenkanäle zweier Zellen unmittelbar aneinander koppeln und so einen Übergang von Ionen und kleinen Molekülen von einer Zelle zur anderen erlauben. Zuerst wurden solche Synapsen zwischen Neuronen entdeckt, doch kommen ähnliche Kontaktstellen noch in anderen Geweben vor, auch in Pflanzen.

In übertragenem Sinn werden als immunologische Synapsen die Stellen vorübergehender zellulärer Kontakte von Zellen des Immunsystems bezeichnet, sowohl untereinander wie auch mit Zellen des umgebenden Gewebes. Dabei binden Moleküle auf der Oberfläche der einen Zelle an Rezeptormoleküle und Adhäsionsmoleküle in der Zellmembran der anderen und tauschen darüber Informationen aus.

Chemische Synapsen

Aufbau einer chemischen Synapse
Zytoplasma mit Zellskelett spannungs- aktivierter Calciumkanal synaptisches Bläschen Ionenpumpe Bindung an Rezeptor aktiviert Ionenkanal Neurotransmitter Präsynapt. Endigung (Axon) Spalt Postsynapt. Region (Dendrit)

In einem Synapsenendknöpfchen führt das eintreffende Aktionspotential schon während der Depolarisationsphase – neben der kurzzeitigen Öffnung von Natrium- und etwas verzögert auch von Kaliumkanälen – zur vorübergehenden Öffnung spannungsaktivierter Calciumkanäle und damit zu einem kurzdauernden Calciumeinstrom. Das intrazellulär erhöhte Calcium bewirkt innerhalb weniger Millisekunden die Ausschüttung eines Botenstoffs in den synaptischen Spalt. Im Endknöpfchen wird dieser Neurotransmitter in besonderen membranumhüllten Bläschen vorrätig gehalten und bereitgestellt, den synaptischen Vesikeln, die unter Einwirkung von Calcium mit der präsynaptischen Membran verschmelzen können und sich dann nach außen hin entleerend so die Transmittermoleküle freisetzen.

Dieser Vorgang einer Exozytose wird erst durch die Konformationsänderung von Calcium-bindenden Proteinen möglich, insbesondere von Synaptotagminen. Sie stoßen die Bildung eines Proteinkomplexes aus SNARE-Proteinen an – aus einem Synaptobrevin in der Vesikelmembran einerseits sowie andererseits in der Zellmembran einem Syntaxin und zwei SNAP-Proteinen – der die Fusion beider Membranen erlaubt. Weitere Proteine sind dann daran beteiligt, die Öffnung des fusionierten Vesikels nach extrazellulär zu veranlassen und, wie beispielsweise Complexin I und II, die Ausschüttung der Neurotransmitter zu beschleunigen. Anschließend wird über Synapsin erneut eine bestimmte Anzahl synaptischer Vesikel am Axolemm in Bereitstellung gebracht.

Auf der anderen Seite des synaptischen Spalts finden sich in der postsynaptischen, subsynaptischen, Membran der Zielzelle spezifische Rezeptormoleküle für den Neurotransmitter. Diese Rezeptoren sind zumeist mit ligandengesteuerten Ionenkanälen assoziiert, so dass sich ein Ionenkanal öffnet, wenn das Transmittermolekül an den passenden Rezeptor bindet. Je nach der Ionensorte, für welche dieser Kanal durchlässig ist, wird das Membranpotential in der postsynaptischen Region durch den Ionenstrom dann entweder angehoben (EPSP) oder aber abgesenkt (IPSP). Abhängig vom Rezeptortyp kann daneben eine sogenannte Second-Messenger-Kaskade ausgelöst werden, die ebenfalls zu einer Änderung des Membranpotentials führt und darüber hinaus unter Umständen noch weitere Vorgänge in der postsynaptischen Zelle veranlasst. So kann − vermittelt durch den jeweiligen intrazellulären Botenstoff − auch eine Signalverstärkung hervorgerufen werden, allerdings erst mit verzögerter Wirkung.

Die Transmittermoleküle binden nicht irreversibel, sondern lösen sich nach einer gewissen Zeit wieder von ihrem Rezeptor. Im synaptischen Spalt beziehungsweise im Extrazellularraum werden sie oft durch besondere Enzyme (wie z. B. Acetylcholinesterase) abgebaut und damit in ihrer Wirkung begrenzt. Bei einigen Transmittern erfolgt kein Abbau, sondern diese werden wieder in das Axon aufgenommen (beispielsweise Serotonin), oder von Gliazellen abgeräumt.

Für eine Vielzahl von psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen wurden begleitende Veränderungen der Neurotransmitter-Freisetzung gefunden. Zum Beispiel sind verschiedene Formen einer Depression unter anderem verbunden mit einer geringeren Bildung oder Ausschüttung des Transmitters Serotonin.

Zahlreiche Medikamente oder Giftstoffe entfalten ihre Wirkung durch eine Interaktion mit Schritten der Transmission an Synapsen (Betablocker, Nikotin, Atropin, Hyoscyamin, Parathion, Kokain und viele mehr).

Elektrische Synapsen

Die Mehrzahl der Synapsen arbeitet mit einer chemischen Informationsübertragung, doch in einigen Fällen gibt es auch eine unmittelbare elektrische Weiterleitung. In diesen elektrischen Synapsen wird das Aktionspotential direkt und ohne vermittelnde Neurotransmitter an die nachfolgende Zelle weitergegeben.

Bei vielen elektrischen Synapsen findet man Verbindungskanäle durch die Zellmembran, „gap junctions“ genannt, über welche die Intrazellulärräume unmittelbar aneinander grenzender Zellen miteinander gekoppelt sind. Diese gap junctions sind Poren in der Zellmembran, die durch bestimmte Proteine, sogenannte Connexine, gebildet werden. Sechs Connexin-Moleküle kleiden dabei die Pore einer Zelle aus, zusammen bilden sie ein Connexon. Durch den Kontakt zwischen zwei Connexonen von benachbarten Zellen entsteht dann ein Kanal, der die Membranen durchquert und beide verbindet. Die offene Verbindung erlaubt eine Diffusion selbst mittelgroßer Moleküle, z. B. sekundärer Botenstoffe, und ermöglicht über Ionenpassagen eine sehr rasche Übertragung von Änderungen des Membranpotentials bei relativ geringem elektrischen Widerstand. Solche elektrischen Synapsen kommen beispielsweise zwischen Neuronen der Retina vor; sie finden sich auch zwischen Gliazellen und insbesondere zwischen Zellen des Herzmuskels, die so elektrisch zu einer gemeinsamen Einheit gekoppelt synchronisiert agieren können, ähnlich auch bei glatter Muskulatur wie dem Uterus.

Eine weitere Form der elektrischen Erregungsübertragung ist die der kapazitiven Kopplung über einen großflächigen engen Membrankontakt, wie sie beispielsweise im menschlichen Ziliarganglion zu finden ist.

Weitere Klassifikationen von Synapsen

Synapsen können des Weiteren nach verschiedenen Gesichtspunkten unterschieden werden, beispielsweise

– nach der mit einer Nervenzelle verknüpften Zelle in

• Effektorsynapsen: wirken auf einen Effektor wie Muskelzellen oder Drüsen.
• Sensorsynapsen: nehmen Signale auf von Rezeptoren wie sensiblen Sinneszellen der Haut.
• Interneuronale Synapsen: stellen Verknüpfungen zwischen Nervenzellen her und sind am häufigsten im Gehirn.

– nach den interneuronal zwischen Neuronen jeweils verknüpfenden Zellanteilen in

• Axo-dendritische Synapsen: Axonendigungen, die mit einem Dendriten des nachgeschalteten Neurons in Kontakt sind.
• Axo-somatische Synapsen: Axone oder Kollaterale, die den Zellkörper einer nachgeschalteten Nervenzelle kontaktieren.
• Axo-axonische (auch axo-axonale) Synapsen: Axon eines Neurons in Kontakt mit dem Neuriten eines anderen Neurons.
• Dendro-dendritische Synapsen: koppeln die Dendriten der Dendritenbäume verschiedener Neuronen miteinander.
• Dendro-somatische Synapsen: verknüpfen Dendriten einer Nervenzelle mit dem Körper einer anderen; so z. B. im Riechkolben.
• Somato-somatische Synapsen: verbinden den Zellkörper eines Neurons mit dem eines unmittelbar benachbarten Neurons.
• Somato-dendritische Synapsen: zwischen einem Nervenzellkörper und den Dendriten einer anderen Nervenzelle.
• Somato-axonale Synapsen: zwischen dem Zellkörper einer und dem Axon anderer Nervenzelle (z. B. in vegetativen Ganglien)

– nach der Weise der Zusammensetzung der miteinander verknüpften Zellen in

• komplexe Synapsen, an der mehr als zwei Zellen beteiligt sind, seriell oder parallel geschaltet.
• synaptische Glomeruli, meist von Glia umhüllte Knäuel zahlreicher Verschaltungen, konvergent oder divergent.
• reziproke Synapsen, bei der zwei Synapsen nebeneinander liegen, eine hin und eine andere her, erregend oder hemmend.

– nach der Wirkung auf die Aktivität der Zielzelle in

• exzitatorische Synapsen: erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer Aktion (Exzitation), stimulieren oder erregen.
• inhibitorische Synapsen: erniedrigen die Wahrscheinlichkeit einer Aktion (Inhibition), hemmen oder verhindern.

– nach der stofflichen Substanz des Neurotransmitters in

• cholinerge Synapsen
• adrenerge Synapsen
• dopaminerge Synapsen
• serotonerge Synapsen
• glutamaterge Synapsen
• glycinerge Synapsen
• GABA-erge Synapsen
• peptiderge Synapsen

Chemische Synapsen arbeiten mit unterschiedlichen Transmittern und können durch Medikamente oder Drogen in verschiedenen Schritten der Signalübermittlung verändert werden, womit je nach Angriffsort und Vorbedingungen unterschiedliche Wirkungen zu erreichen sind. Differenziertere Funktionen des Nervensystems lassen sich damit jedoch nicht gezielt beeinflussen, da diese nicht vom Überträgerstoff, sondern dem Verknüpfungsmuster der Synapsen abhängen.

Synapsengifte

Chemische Synapsengifte stören oder unterbinden die Funktion von Synapsen. Sie können die Abgabe der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt blockieren oder den Neurotransmittern so ähnlich sein, dass sie an deren Stelle an die Rezeptormoleküle in der postsynaptischen Membran binden und damit die Erregungübertragung stören. Je nach Bindungsweise an den Rezeptor kann damit allein ein Platz besetzt werden oder aber darüber hinaus auch eine ähnliche Wirkung erreicht werden wie durch den eigentlichen Transmitter. Nach dem erzielten Effekt werden daher Substanzen mit ähnlicher Wirkungsaktivität als Agonisten bezeichnet und unterschieden von Antagonisten, die selbst keine andere Wirkung haben, als die Wirkung anderer aufzuheben – beispielsweise indem sie deren Platz einnehmen.

Zu den bekanntesten Substanzen mit störendem Einfluss auf die synaptische Transmission gehören viele giftige Alkaloide wie etwa Atropin, Muskarin, Nikotin oder Curare. Doch auch der Trinkalkohol beeinflusst die Übertragung an Synapsen, verändert z. B. GABA-Rezeptoren und blockiert (NMDA)-Glutamat-Rezeptoren. Ein schon in sehr geringer Dosis wirksames Gift ist das von Clostridien gebildete Botulinumtoxin (Botulin) – dessen lähmende Wirkung öfters kosmetisch zum Faltenglätten benutzt wird – und das ihm ähnliche Tetanustoxin. Auch die chemischen Kampfstoffe Tabun, Sarin und VX sind Synapsengifte, ebenso zahlreiche Insektizide, etwa E 605, sowie verschiedene halluzinogene Alkaloide – wie Mescalin, die des Mutterkorns oder LSD – und selbstverständlich Psychopharmaka.

Veränderungen an den Synapsenverbindungen

Der gezielte Abbau von Synapsenverbindungen wird als Jäten bezeichnet. Bahnung dagegen verfestigt bestehende Verbindungen.

Siehe auch

• Motorische Endplatte
• Synaptische Plastizität
• Synaptogenese

Literatur

• Susanne tom Dieck, Eckart D. Gundelfinger: Chemische Synapsen des Zentralnervensystems. Chemie in unserer Zeit 34(3), S. 140–148 (2000), ISSN 0009-2851
• Elliot Valenstein: The War of the Soups and the Sparks: The Discovery of Neurotransmitters and the Dispute Over How Nerves Communicate. 2005, ISBN 0-231-13588-2 (Buch über die Geschichte der Synapsen-Forschung)
• Gerhard Neuweiler: Die dynamische Synapse. Naturwissenschaftliche Rundschau 59(12), S. 641–650 (2006), ISSN 0028-1050

Weblinks

 Commons: Synapse – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Elektronenmikroskopische Bilder von Synapsen, Uni Mainz
• Zusammenfassung Synapsengifte, Dokument-Online