Synapse: Aufbau, Funktion und Klinik

Fast überall im Körper kommen Synapsen vor. Sie sind wichtige Verbindungen zwischen Zellen, die einen sicheren Informationsaustausch ermöglichen. Deshalb sind sie von Bedeutung bei der Entstehung von Krankheiten und derer Behandlung. Dieser Artikel stellt den Aufbau, die Funktionsweise und klinische Bedeutung der Synapse dar.

Synapse – Definition

Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle. An dieser Stelle erfolgt die Informationsübertragung in Form von chemischen oder elektrischen Signalen.

Synapse – Aufbau und Physiologie

Man unterscheidet chemische von elektrischen Synapsen. Die chemischen Synapsen findet man beim Menschen vor allem im Nervensystem und machen den Großteil der synaptischen Verbindungen aus. Ihrer Übermittlung von Informationen findet über den Austausch chemischer Moleküle statt. Dahingegen seltener sind die elektrischen Synapsen. Ihre Informationsweiterleitung erfolgt über elektrische Verbindungen, was schneller ist.

Chemische Synapse

Die chemische Synapse kann sich zwischen zwei Neuronen oder einem Neuron und einer anderen Zelle ausbilden. Im ersten Fall besteht damit eine Verbindung des Axonendes der einen mit den Dendriten der anderen Nervenzelle. Zwischen den beiden Strukturen befindet sich ein kleiner Spalt, der als synaptischer Spalt bezeichnet wird. Hier stellt das Axonende die Präsynapse und der Dendrit der nachfolgenden Zelle die Postsynapse dar.

Im Zytoplasma des Axonendes befinden sich Vesikel, in denen Neurotransmitter gespeichert werden. Diese werden im Zellkörper des Neurons (Perikaryon) produziert und anterograd entlang des Axons transportiert um zur Synapse zu gelangen. Die Vesikel haben bestimmte Proteine auf ihrer Oberfläche, die man SNARE-Proteine nennt und für die Verschmelzung des Vesikels mit der Membran des Neurons verantwortlich sind.

Wenn die Erregung nun das Axonende erreicht öffnen sich durch das Aktionspotential spannungsabhängige Calcium-Kanäle und sorgen für einen Einstrom von Calcium-Ionen in die Zelle hinein. Das SNARE-Protein Synaptotagmin registriert die erhöhte Calcium-Konzentration und aktiviert die restlichen SNARE-Proteine. Daraufhin interagiert das Protein Synaptobrevin der Vesikelmembran mit dem target-Protein der Zellmembran des Neurons. Damit verschmelzen beide Membranen und der Vesikel gibt den Inhalt, also die Neurotransmitter, in den synaptischen Spalt ab.

Im synaptischen Spalt können die Transmitter nichts erreichen. Sie binden an ihre Zielrezeptoren, die sich auf der Membran der Postsynapse befinden. Diese aktivierten Rezeptoren lösen dann eine Reaktion in der Zielzelle aus. Bei Nervenzellen handelt es sich dabei meistens um eine Öffnung eines Ionenkanals, um neue Aktionspotentiale zu generieren.

Elektrische Synapse

Bei elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über die sogenannten Gap Junctions verbunden. Das sind Zell-Zell-Kontakte, über die ein Austausch von Ionenströmen zwischen den zwei Zellen möglich ist. Damit sind die Zellen elektrisch miteinander gekoppelt.

Synapse – Funktion

Je nach Transmitter, den eine chemische Synapse freisetzt, erfüllt sie unterschiedliche Aufgaben. Auch der Rezeptor auf der postsynaptischen Membran spielt eine wichtige Rolle bei der Unterscheidung der Funktion. Inhibitorische Synapsen hemmen die Erregung auf die nachfolgende Zelle. Exzitatorische Synapsen dagegen erregen die nachfolgende Zelle.

Acetylcholin

Die quartäre Ammoniumverbindung Acetylcholin hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Es ist auch der Transmitter, der an der neuromuskulären Endplatte die Kontraktion der Muskelfaser veranlasst.

Im Perikaryon wird seine Bildung aus Cholin und Acety-CoA von der Cholinacetyltransferase katalysiert. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren. Erstere sind vor allem im Zusammenhang mit dem vegetativen Nervensystem von Bedeutung. Die nicotinergen Rezeptoren, bei denen es sich um liganedengesteuerte Ionenkanäle handelt, sind auf der Postsynapse der neuromuskulären Endplatte zu finden.

Der Abbau des Neurotransmitters erfolgt am Rezeptor durch die Acetylcholinesterase, wodurch auch die Wirkung der Substanz am Rezeptor beendet wird.

Monoamine

Bedeutende Vertreter der Monoamine sind Adrenalin und Noradrenalin. Aber auch Dopamin, Histamin und Serotonin gehören zu ihnen. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern. Adrenalin dagegen ist nicht an einer synaptischen Übertragung beteiligt.

Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind. Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems. Außerdem ist es beteiligt an der Wahrnehmung von Schmerz und der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus.

GABA (γ-Aminobuttersäure)

GABA gehört zu den Aminosäuren und wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet. Einer dieser Rezeptoren, der auch pharmakologisch beeinflusst werden kann, ist der GABA-A-Rezeptor.

Neuropeptide

Viele Neuropeptide fungieren als Neurotransmitter. Neuropeptide binden an spezifische Rezeptoren, meist G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, und beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen. Beispiele für wichtige Neuropeptide sind Substanz P (beteiligt an Schmerzübertragung), Endorphine (natürliche Schmerzmittel), Vasopressin und Oxytocin (regulieren unter anderem soziale Bindung).

Synapse – Klinik

Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserrregern können diese Strukturen gezielt ausschalten. Dies kann man sich aber auch medikamentös zunutze machen, um bestimmte therapeutische Ziele zu erreichen.

Erkrankungen

Bei Depressionen spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind. Bei einer Depression ist die Aktivität dieser Neurotransmitter häufig reduziert, was zu einer abgeschwächten Reizweiterleitung an den beteiligten Synapsen führt.

Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Normalerweise wird an dieser Synapse der Neurotransmitter Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle freigesetzt, um einen Muskelreiz auszulösen. Bei dem Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom bildet das Immunsystem jedoch Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind notwendig, damit Calcium in die Nervenzelle einströmt und die Freisetzung von Acetylcholin auslöst. Wenn die Calciumkanäle blockiert werden, gelangt weniger Acetylcholin in den synaptischen Spalt – und der Muskelreiz wird abgeschwächt oder gar nicht ausgelöst.

Myasthenia gravis ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Normalerweise bindet der Neurotransmitter Acetylcholin, der von der Nervenzelle freigesetzt wird, an diese Rezeptoren, um eine Muskelkontraktion auszulösen. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt. Das führt zu einer unzureichenden Muskelaktivierung, obwohl das Nervensystem korrekt arbeitet.

Gifte und Toxine

Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann. Auf die selbe Art und Weise wirken auch bestimmte chemische Kampfmittel wie das Nowitschok.

Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum ist das Botolinumtoxin. Es hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur. In Kontakt kommt man mit dem Erreger zum Beispiel durch kontaminierte Lebensmittel. Ein weiteres bakterielles Toxin ist das Gift von Clostridium tetani, welches als Tetanustoxin bekannt ist. Das Tetanustoxin verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert. Mit dem Tetanus Erreger infiziert man sich über verunreinigte Wunden, weshalb die Erkrankung auch als Wundstarrkrampf bezeichnet wird.

Medikamente

Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern. Damit verbleibt eine höher Konzentration der Neurotransmitter im synaptischen Spalt, wodurch die Wirkung verbessert wird.