Synapsen

• zur Auslösung eines Aktionspotentials in der postsynaptischen Zelle gilt es durch Depolarisation eine Schwelle zu überwinden
•  es braucht dazu meist die Summation vieler EPSPs: z.B. 0.2-0.4 mV pro EPSP bei Motoneuronen, aber rund 10 mV Depolarisation sind notwendig für die Auslösung eines Aktionspotentials
• Ausnahmen: bei neuromuskulärer Übertragungsstelle; bei Riesensynapse im Hirnstamm; bei Synapse zwischen Kletterfaserendigungen und Purkinje-Zell-Dendriten. Hier genügt einzelnes EPSP

• Informationsübertragung an chemischen Synapsen ist ein fundamentales Ereignis für die Funktion des Nervensystems
• Spezifische molekulare Mechanismen an der Prä- und Postsynapse garantieren eine effiziente Übertragung und können heutzutage mit empfindlichen Methoden untersucht werden

Es gibt elektrische Synapsen und chemische Synapsen, wobei die chemische deutlich häufiger vorkommt. 

Die Synapse befindet sich zwischen dem Axon einer Nervenzelle und dem eines anderen Neurons oder aber zwischen Axon einer Nervenzelle und einem Effektor. Kommt ein elektrischer Reiz an der präsynaptischen Membran an, wird ein Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Dieser diffundiert auf die andere Seite zur postsynaptischen Membran und führt dort zu einer Erregung oder Hemmung. Die Erregung innerhalb des Axons ist elektrischer Art, die Erregung über den synaptischen Spalt hinweg wird chemisch übertragen. Der rote Pfeil markiert die Richtung, in die die Erregung weitergeleitet wird.

Elektrische Synapsen sind Gap Junctions (Hauptprotein Connexin). In ihrer Funktion als Synapse kommen die Gap Junctions nur an wenigen Stellen im Körper vor. Besonders wichtig sind sie im Herzmuskel und während des Geburtsvorgangs im Uterus. Dort koordinieren sie die synchrone Kontraktion der Muskelzellen. Außerdem findet man sie auch in der Netzhaut und im Innenohr. Die Reizübertragung erfolgt bidirektional und findet ohne Latenz statt.

Bei Weitem am häufigsten vorkommender Kontakttyp. Das Axon eines Neurons bildet an seinen Endverzweigungen kolbenförmige Verdickungen, die Boutons (auch Endkolben oder Endknöpfchen genannt). In diesen Boutons liegen neben Mitochondrien vor allem synaptische Vesikel, die den Neurotransmitter enthalten. Differenziert man die Boutons weiter, kann man in entsprechender Vergrößerung eine Verdichtungszone erkennen, die sog. aktive Zone. An dieser Stelle findet später die Transmitterfreisetzung statt. Die Vesikel und ihr Inhalt werden im Perikaryon gebildet und gelangen durch axonalen Transport in die Boutons. Die Transmitterfreisetzung erfolgt via Exozytose. Dabei werden die Transmitter, die sich in den Vesikeln befinden an der präsynaptischen Membran in den synaptischen Spalt entleert. Die Transmitter diffundieren auf die postsynaptische Seite des Spaltes und binden dort an Rezeptoren. Es gibt ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Ionotrope Rezeptoren sind ligandenaktivierte Ionenkanäle, d.h., sie sind Rezeptor und Ionenkanal zugleich, wohingegen metabotrope Rezeptoren über Second-Messenger-Systeme wirken.

 Es gibt ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Ionotrope Rezeptoren sind ligandenaktivierte Ionenkanäle, d.h., sie sind Rezeptor und Ionenkanal zugleich, wohingegen metabotrope Rezeptoren über Second-Messenger-Systeme wirken.

Die Synapsen der Fotorezeptoren der Netzhaut, der Bipolarzellen der Netzhaut und der Haarsinneszellen des Innenohrs und desGleichgewichtsorgans zeigen im Vergleich zu anderen Synapsentypen physiologische und anatomische Besonderheiten: Sie enthalten synaptische Bänder, sogenannte Ribbons oder Lamellen, an denen die mit dem Transmitter Glutamat beladenen synaptischen Vesikel gebunden sind und somit für die Exozytose bereitstehen. Es handelt sich dabei um elektronendichte bandartige Strukturen senkrecht zum synaptischen Spalt. Die synaptischen Bänder stellen der aktiven Zone eine große Anzahl aktivierter (fusions-bereiter) synaptischer Vesikel zur Verfügung. Dieser große Vorrat an aktivierten synaptischen Vesikeln ist wichtig, da diese spezialisierten Synapsen (Lamellensynapsen) in Retina und Innenohr kontinuierlich aktiv sind.

Bei dieser Erkrankung kommt es zur Antikörperbildung gegen die Ca2+-Kanäle der präsynaptischen Membran. Die Acetylcholinfreisetzung ist reduziert und die Signalübertragung auf die motorische Endplatte zu schwach um ein Aktionspotenzial auszulösen. In den meisten Fällen werden die Antikörper als paraneoplastische Begleiterscheinung eines kleinzelligen Bronchial-Karzinoms gebildet. Häufig liegt auch eine Autoimmunerkrankung zugrunde. Die Muskelschwäche tritt vor allem in den Beinen auf. Schluckstörungen und Muskelschmerzen können auftreten. Die Erkrankung zeigt Ähnlichkeiten zur Autoimmunerkrankung Myasthenia gravis, bei der es zur Antikörperbildung gegen den N-Cholinrezeptor und Acetylcholinrezeptor der motorischen Endplatte kommt.

Die Boutons treten nahe an die Oberfläche der nachgeschalteten (postsynaptischen) Zelle heran. Zwischen der präsynaptischen Membran des Boutons und der subsynaptischen Membran der postsynaptischen Zelle findet sich der synaptische Spalt. Elektronenmikroskopisch erscheinen die prä- und postsynaptische Membran verdickt, bedingt durch die Anlagerung von Molekülen, die an der Erregungsübertragung beteiligt sind. Erreicht ein Aktionspotenzial den Bouton, öffnen sich Ca2+-Kanäle, durch die Ca2+ in die Zelle strömt. Der Anstieg der Ca2+-Konzentration ist das Signal für die Vesikel, mit der präsynaptischen Membran zu fusionieren. Dabei wird der in den Vesikeln gespeicherte Transmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Der Transmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an Rezeptoren der subsynaptischen Membran. Diese Bindung führt zu Veränderungen des Membranpotenzials. Solche Potenzialveränderungen können dann beispielsweise ein Aktionspotenzial am Axon der postsynaptischen Zelle auslösen.

Nach seiner Wirkung wird der Transmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt. Er wird entweder enzymatisch in Bruchstücke gespalten, die dann über Endozytose wieder in das Axonende aufgenommen werden, oder aber das intakte Transmittermolekül gelangt wieder in das Axonende oder wird in einen Astrozytenfortsatz aufgenommen. Enzyme, die im synaptischen Spalt selbst tätig sind, können die Transmitter ebenfalls entsorgen. Z.B. entfernt die Acetylcholinesterase das Acetylcholin.

Endozytose und Exozytose sorgen für ein Gleichgewicht der Transmitterkonzentration an den präsynaptischen Endigungen. Die Vesikel werden mit Clathrin versehen und binden an das Mechanoenzym Dynamin. Im synaptischen Endknöpfchen verschmelzen die Vesikel mit den Endosomen oder gehen direkt in den Transmitterfreisetzungzustand über.

Die Synapse besteht aus dem synaptischen Spalt, und der prä- und postsynaptischen Membran. An der präsynaptischen Verdichtungszone befinden sich zahlreiche Vesikel, die den Transmitter beinhalten. Auch Mitochondrien und granulierte Bläschen sind zu erkennen. (EM-Aufnahme, Vergrößerung 35800-fach.)

Chemische Synapsen sind das Angriffsziel von Psychopharmaka, Neurotoxinen und Rausch- oder Kampfgiften.Curare (Alkaloid), ein Pfeilgift der Indigenen Volksgruppe der Huaorani, dockt an die N-Cholinrezeptoren der Skelettmuskulatur an und blockiert die Signalübertragung an der motorische Endplatte. Der Muskel kontrahiert nicht mehr, die Atemmuskulatur ist lahm gelegt und der Tod tritt durch Atemstillstand ein. LSD (Lysergsäurediäthylamid) gehört zu den Halluzinogenen und hat Ähnlichkeiten zum Transmitter Serotonin und bindet im Gehirn an den Typ 5-HAT-2a-Rezeptor. Das Neurotoxin Botulinum blockiert die Transmitterfreisetzung von Acetylcholin, indem sie das Protein v-SNARE durch ihre Endopeptidasenfunktion inaktivieren, das für die Verschmelzung der Vesikel- und Bouton-Membranen verantwortlich ist. Auch hier ist ein Tod durch Atemlähmung wahrscheinlich. Das Tetanustoxin spaltet Synaptobrevin (SNARE-Komplex-Protein) proteolytisch, wodurch die Freisetzung inhibitorischer Neurotransmitter wie Glycin verhindert wird.

• Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen (oder zwischen einer Nerven- und einer Muskelzelle), an der die präsynaptische Zelle der postsynaptischen Zelle ein Signal übermittelt (Sherrington, 1897).

• Aus Griechisch syn = zusammen, haptein = ergreifen, fassen, tasten

Ende 19. Jhdt. Zwei rivalisierende Theorien

• - Retikulumtheorie (kontinuierliches Netzwerk)
• - Neuronentheorie (Netzwerk aus Einzelzellen, Waldeyer, His, Forel, Ramon y Cajal, „contiguity but not continuity“) 
• noch andauernd im Jahre 1906
•  Nobelpreis an Ramon y Cajal und Camillo Golgi
• Diskontinuität von Neuronen an Synapse erst durch Elektronenmikroskopie (EM) direkt belegt (kurz nach 1950) •
• Heute unterscheiden wir „elektrische“ von „chemischen“ Synapsen. Als unterschiedliche Membranspezialisierungen erkennbar.

Gap Junctions, Connexone, Connexine

• kaum Verzögerung bei Signal- übertragung an elektrischer Synapse
• elektrotonische Ausbreitung des Stroms über elektrische Synapse (Kanäle!) hinweg; 
• bidirektionale Übertragung an elektrischen Synapsen (aber unidirektionale Übertragung auch möglich)
•  elektrische Synapsen wirken meist erregend (Ausbreitung/Weiterleitung der Depolarisation)
• an elektrischen Synapsen können gewisse kleinmolekulare Substanzen (< 1000 Da) von einer Zelle zur anderen gelangen (z.B. cAMP, IP3, Ca2+) 

• Er muss im präsynaptischen Neuron vorhanden sein 
• Er muss durch präsynaptische elektrische Erregung Ca2+-abhängig ausgeschüttet werden
• Spezifische Rezeptoren müssen auf der postsynaptische Zelle vorhanden sein