Aufbau der chemischen Synapse

Eine chemische Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle, an der Informationen übertragen werden. Diese Übertragung kann sowohl elektrisch als auch chemisch erfolgen.

Im Aufbau einer Synapse finden wir verschiedene wichtige Strukturen: Die präsynaptische Membran enthält Calciumkanäle und Vesikel mit Neurotransmittern. Zwischen den Zellen befindet sich der synaptische Spalt, und auf der anderen Seite liegt die postsynaptische Membran mit speziellen Rezeptoren.

Besonders wichtig sind die ionotropen Rezeptoren, die als Andockstellen für Neurotransmitter dienen und dadurch Ionenkanäle öffnen können.

💡 Stell dir die Synapse wie eine Brücke vor: An einem Ufer wird eine Nachricht in eine Flaschenpost (Neurotransmitter) gepackt, über den Fluss geschickt und am anderen Ufer von einem Empfänger (Rezeptor) gelesen!

Ablauf der synaptischen Übertragung

Der Prozess beginnt, wenn ein Aktionspotential die präsynaptische Membran erreicht und dort eine Spannungsänderung auslöst. Dadurch öffnen sich Calciumionenkanäle, und Ca²⁺-Ionen strömen in die Zelle ein.

Diese erhöhte Calciumkonzentration führt zur Auflösung der Vesikel, wodurch Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die Botenstoffe binden an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Bei ionotropen Rezeptoren öffnen sich daraufhin Ionenkanäle.

Es kommt zum Einstrom von Natriumionen und Ausstrom von Kaliumionen. Je nach Art des Signals wird entweder ein aktivierendes (EPSP) oder hemmendes Signal (IPSP) ausgelöst. Die Wirkung hält an, solange die Neurotransmitter gebunden sind. Schließlich bauen spezielle Enzyme die Neurotransmitter im synaptischen Spalt ab.

🔑 Merke dir: Die Signalübertragung an der Synapse ist kein "Alles-oder-Nichts"-Prinzip wie das Aktionspotential, sondern kann moduliert werden!

EPSP und IPSP – Die Signalarten

An Synapsen werden zwei grundsätzlich verschiedene Signaltypen erzeugt, die unterschiedliche Auswirkungen auf die nachfolgende Zelle haben.

Das EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential) führt zu einer Depolarisation – die Spannung steigt in positive Richtung. Es bewirkt eine Erregung der Zelle durch die Öffnung von Ionenkanälen und den Einstrom von Natriumionen (Na⁺).

Im Gegensatz dazu verursacht das IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) eine Hyperpolarisation – die Spannung nimmt ab und wird negativer. Dies geschieht durch den Ausstrom von Kaliumionen (K⁺) und Einstrom von Chloridionen (Cl⁻), was eine Hemmung der Erregungsleitung bewirkt.

🧠 Denk daran: Dein Gehirn ist ständig in einem Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung – ohne Hemmung würden deine Neuronen unkontrolliert feuern!

Neuronale Verrechnung

Die Wirkungen von EPSP und IPSP unterscheiden sich grundlegend voneinander. Während EPSP exzitatorisch/erregend wirkt und durch Na⁺-Ionen eine Depolarisation verursacht, ist IPSP inhibitorisch/hemmend und führt durch K⁺- und Cl⁻-Ionen zu einer Hyperpolarisation.

Eine Nervenzelle erhält oft gleichzeitig erregende und hemmende Signale von verschiedenen präsynaptischen Neuronen. Am Axonhügel findet die entscheidende Summation aller eingehenden Potentiale statt. Dabei werden EPSPs und IPSPs miteinander verrechnet.

Nur wenn die Summe aller Potentiale die Schwelle von etwa -50 mV überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst. So entscheidet die postsynaptische Zelle, ob sie die Information weiterleitet oder nicht.

💻 Vergleiche es mit einem Computer: Deine Nervenzelle ist wie ein Prozessor, der viele Eingangssignale $+ und -$ zusammenrechnet und erst bei Überschreiten eines Schwellenwerts eine Ausgabe erzeugt!

Praktisches Beispiel einer Verrechnung

In diesem Beispiel sehen wir, wie eine Nervenzelle Signale von verschiedenen Axonen integriert und verarbeitet.

Axon A liefert ein erregendes Signal (EPSP), während Axon B ein hemmendes Signal (IPSP) sendet. Am Axonhügel werden diese entgegengesetzten Signale miteinander verrechnet, bevor entschieden wird, ob die Information weiter durch das Axon geleitet wird.

Die Stärke der EPSPs und IPSPs sowie ihre zeitliche Abfolge sind entscheidend für das Endergebnis. Nur wenn die Summe den Schwellenwert überschreitet, entsteht ein Aktionspotential.

🧮 Diese Rechenfähigkeit macht Nervenzellen zu den grundlegenden Prozessoren in deinem Gehirn – sie können komplexe Informationen filtern und integrieren!

Synapsengifte und ihre Funktion

Synapsengifte sind Substanzen, die den normalen Ablauf der synaptischen Übertragung beeinflussen. In der Natur dienen sie verschiedenen Zwecken: Giftschlangen, Giftspinnen und Pfeilgiftfrösche nutzen sie zum Töten ihrer Beute, während Pflanzen wie die Tollkirsche sie als Schutz vor Fressfeinden einsetzen.

Tiere wie Wespen und Bienen setzen Gifte zur Verteidigung ein. Menschen hingegen nutzen manche dieser Substanzen zum Vergnügen als Drogen, was gefährliche Folgen haben kann.

Die Wirkungsweise eines Neurotoxins hängt davon ab, an welcher Stelle der Synapse es angreift. Bekannte Beispiele sind E605, das Gift der Schwarzen Witwe, Curare, Botulinumtoxin (Botox) und Atropin – jedes mit einem spezifischen Angriffspunkt im synaptischen Übertragungsprozess.

⚠️ Faszinierend: Was in der Natur als tödliches Gift entwickelt wurde, findet heute teilweise medizinische Anwendung – Botulinumtoxin (Botox) wird sowohl kosmetisch als auch bei bestimmten Erkrankungen eingesetzt!

Gifte mit Wirkung auf Calcium und Vesikel

Das Gift der Schwarzen Witwe $α-Latrotoxin$ greift an den Calciumkanälen der Synapse an. Es führt zu einem übermäßigen Einstrom von Calciumionen, was die Entleerung aller Vesikel in den synaptischen Spalt verursacht.

Die Folge ist eine Dauererregung der Zielzelle mit starken Muskelkrämpfen, die zur Lähmung und zum Tod der Beute führen können. Das Gift wirkt, indem es die normalerweise kontrollierte Freisetzung von Neurotransmittern in einen unkontrollierten Prozess verwandelt.

Im Gegensatz dazu verhindert Botulinumtoxin (Botox) die Fusion der Vesikel mit der Membran und damit die Freisetzung von Acetylcholin. Dies führt zu einer Muskellähmung, da keine Signale mehr übertragen werden können. Genau diese Eigenschaft wird in der Medizin und Kosmetik genutzt.

🔬 Spannend: Eines der stärksten bekannten Gifte (Botox) wird in minimalen Dosen zur Behandlung von Krankheiten wie Migräne oder übermäßigem Schwitzen eingesetzt!

Gifte mit Wirkung auf Transmitter und Rezeptoren

Das Insektizid E605 wirkt im synaptischen Spalt, indem es das Enzym Acetylcholinesterase hemmt, das normalerweise den Neurotransmitter Acetylcholin abbaut. Dadurch bleibt Acetylcholin länger an den Ionenkanälen gebunden.

Diese Dauerbindung führt zu einem anhaltenden Einstrom von Natriumionen und verursacht Muskelkrämpfe, die tödlich sein können. E605 ist ein Beispiel für ein Gift, das den Recyclingprozess der Neurotransmitter stört.

Das Curare-Gift hingegen greift an den Rezeptoren der postsynaptischen Membran an. Es bindet an diese Rezeptoren und blockiert sie, sodass Acetylcholin nicht mehr andocken kann. Die Ionenkanäle bleiben geschlossen, und das Signal wird nicht weitergeleitet.

Die Folge ist eine Lähmung der Muskulatur, die bis zum Atemstillstand führen kann. Früher wurde Curare von indigenen Völkern Südamerikas als Pfeilgift für die Jagd verwendet.

🏹 Historisch interessant: Curare wurde von Ureinwohnern des Amazonasgebiets als Jagdgift verwendet. Das Fleisch der erlegten Tiere konnte trotzdem gefahrlos gegessen werden, da das Gift im Verdauungstrakt nicht wirksam ist!