Wie funktioniert die Erregungsübertragung an Synapsen?

Wie werden eigentlich Informationen im Körper weitergeleitet, so dass eine Anspannung im Muskel  ausgelöst werden kann? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir einen Blick auf die sogenannten Neuronen (Nervenzellen) werfen. Jede Reaktion kann nur durch die sogenannte Erregungsübertragung stattfinden. Jede Information wird vom Zentralnervensystem über sogenannte Zwischenneuronen, den Interneuronen, an den Muskel weitergeleitet. Also kann man sagen, dass die Information von Nervenzelle zur nächsten Nervenzelle „wandert“, bis sie im Muskel ankommt und dort eine Anspannung auslöst.

Aber wo genau spielt die Synapse dabei eine Rolle? - Die Synapse ist die Stelle zwischen der Verbindung zweier Nervenzellen. Die Synapse ist vor allem so wichtig, weil sie den Kontakt zu anderen Nervenzellen herstellt und nur dadurch die Informations - oder Erregungsübertragung stattfinden kann. Wir halten also fest: Ohne eine Synapse können keine Informationen weitergeleitet werden. Somit ist die Synapse die grundlegende Voraussetzung, damit eine Erregungsübertragung ablaufen kann, denn sie verbindet zwei Nervenzellen miteinander.

Weil die Synapse so wichtig ist, sollten wir uns den Aufbau einer chemischen Synapse anschauen.  

Man unterscheidet zwischen drei Bereichen.

 

  1. Der Präsynaptischen Membran, welche das Axonende, also das Endknöpfchen, bezeichnet (s. Abb.1 ).
  2. Dem synaptischen Spalt, welcher den Zwischenraum ( intrazellulärer Raum) darstellt und die Präsynapse (Nervenzelle) von der nachfolgenden Nervenzelle ( sog.: Empfängerzelle) trennt.
  3. Der Postsynaptischen Membran, welche die Information über die Dendriten empfängt.

Welche Teile der Synapse spielen bei der Übertragung denn noch eine wichtige Rolle?

Im Endknöpfchen der Präsynapse befinden sich kleine Bläschen (Vesikel), die mit Neurotransmitter gefüllt sind, z.B. mit Acetylcholin oder Glycin. Diese Neurotransmitter dienen als Botenstoffe für die Erregungsübertragung über den Spalt. In der postsynaptischen Membran liegen für diese Neurotransmitter sogenannte Bindungsstellen (Rezeptoren) vor. Dazu kommen wir später.

 

Wie erfolgt die Erregungsübertragung?

Es beginnt damit, dass ein Aktionspotential das Endknöpfchen der Präsynaptischen Membran erreicht. Durch die Spannungsänderung, die typisch für ein Aktionspotential ist, öffnen sich spannungsabhängige Ca²+-Kanäle. Daraufhin können nun Ca²+ -Ionen in das Endknöpfchen einströmen. Dieser Einstrom führt dazu, dass die Vesikel in der Präsynapse mit dem Neurotransmitter zur Präsynaptischen Membran wandern. Die Vesikel mit dem „Botenstoff“ (Neurotransmitter) verschmelzen dort mit der präsynaptischen Membran. Diesen Vorgang der Verschmelzung nennt man Exocytose. Dadurch werden die Botenstoffe ausgeschüttet und im synaptischen Spalt freigesetzt. Die Neurotransmitter bewegen sich frei im Spalt und binden an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran . Dies erfolgt durch das Schlüssel- Schloss- Prinzip. Stelle dir das einfach wie folgt vor: Das Schloss stellt den Ionenkanal dar und die Rezeptoren stehen für den Schlüssel. Damit ein biologischer Vorgang stattfinden kann, müssen Schlüssel und Schloss perfekt räumlich zueinander abgestimmt sein. Du bekommst deine Haustür doch auch nur mit dem richtigen Schlüssel auf ?

Durch die Bindung der Rezeptoren an die Ionenkanäle öffnen sich diese. Jetzt können Na+-Ionen, die sich im Spalt frei bewegen, einströmen. Die einströmenden Natrium- Ionen depolarisieren die postsynaptische Membran, also die Membran der Empfängerzelle. Durch die für das EPSP typische Spannungsänderung, nämlich die Depolarisation, öffnen sich nun spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle. Die Spannung steigt dadurch weiter an (Depolarisation), wodurch sich weitere spannungsabhängige Natrium –Ionenkanäle öffnen. Dadurch ist die Membran gleichzeitig erregbarer und kann schneller die Schwelle erreichen, was dann die Anspannung im Muskel zur Folge hat. Hingegen wird beim IPSP eine Hyperpolarisation hervorgerufen, wodurch nur schwerer eine Anspannung im Muskel erreicht werden kann, da das Membranpotential durch die Hyperpolarisation negativer wird. Jetzt strömen natürlich durch weitere Kanäle mehr Natrium- Ionen ein. Der zusätzliche Einstrom von Natrium-Ionen hat zur Folge, dass die Depolarisation verstärkt wird und ein Aktionspotential entsteht. Das Aktionspotential „verbreitet“ sich und die Erregung des Neurons überträgt sich auf die Muskelfaser. Jetzt kommt es zur Kontraktion, also zum Ausführen der Reaktion.

Zum Verständnis blicken wir nochmal kurz auf die grundlegenden Aspekte der Erregungsübertragung zurück:

Was lösen nochmal die einströmenden Calcium- Ionen aus? – Sie sorgen dafür, dass die Vesikel mit dem Neurotransmitter zur präsynaptischen Membran wandern und die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt gelangen. Wenn jetzt aber durch die Ionenpumpe die Calcium- Ionen aus dem Endknöpfchen entfernt werden, wird die Ausschüttung von dem Neurotransmitter beendet. Dann kommt das Enzym Acetylcholinesterase ins Spiel: Dieses Enzym befindet sich am synaptischen Spalt und spaltet den Neurotransmitter Acetylcholin in ein unwirksames Acetat. Dadurch schließen sich wieder die Natrium – Ionenkanäle an der postsynaptischen Membran. Dies führt dazu, dass selbstverständlich der Einstrom weiterer Natrium- Ionen gestoppt wird, da die Natrium- Ionenkanäle geschlossen sind. Der Neurotransmitter, nämlich Acetylcholin, welcher durch das Enzym Acetylcholinesterase gespaltet wird, gelangt durch Diffusion wieder zurück in die Endknöpfchen und letztlich wieder zurück in die Vesikel. Dort kann eine neue Erregungsweiterleitung erwartet werden.

Die wichtigen Schritte der Erregungsübertragung werden im Folgenden nochmal dargestellt: