Vorgänge in elektrischen und chemischen Synapsen

Die Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle in Deinem Körper geschieht über die Synapsen. Sie verknüpfen Nervenzellen (Neuronen) mit weiteren Zellen, wie Muskel-, Drüsen- und Sinneszellen und ermöglichen Dir dadurch auch die Wahrnehmung Deiner Umwelt. Es gibt grundsätzlich zwei Typen von Synapsen:

Elektrische Synapsen
Chemische Synapsen

Elektrische und chemische Synapsen

Elektrische Synapsen: Diese Typen von Synapsen besitzen nur einen sehr kleinen synaptischen Spalt ( $2-4\,nm$ breit) und somit stehen sich die Ionenkanäle dicht gegenüber. Dadurch können Ionen einfach durch beide Membranen hindurch fliessen und somit ändert sich das Membranpotenzial beider Zellmembranen. Dadurch kann die Erregung sehr schnell auf die nächste Zelle übertragen werden. Elektrische Synapsen übertragen Erregungen direkt mithilfe eines elektrischen Signals und sie befinden sich zwischen Nervenzellen und zum Beispiel auch bei Herzmuskelzellen.
Chemische Synapsen: Die Übertragung von Erregungen funktioniert hier über Botenstoffe (Transmitter). Ein häufiger Transmitter ist Acetylcholin, welcher sich zum Beispiel zwischen Nervenzellen und Muskeln in den neuromuskulären Synapsen (motorischen Endplatten) befindet. Die Membranen von Endknöpfchen und Muskelzelle sind durch einen, im Vergleich zu den elektrischen Synapsen, breiteren ( $20\, nm$ ) synaptischen Spalt getrennt.

Vorgänge an der chemischen Synapse

Die Synapsen sind in Deinem Körper für die Informationsübertragung zuständig und leiten dabei Erregungen von einer Zelle zur nächsten. Bei einer chemischen Synapse geschieht dies in folgenden Schritten:

Wenn ein Aktionspotenzial am Endknöpfchen einer neuromuskulären Zelle ausgelöst wird, findet eine Depolarisation der präsynaptischen Membran statt und die spannungsgesteuerten Calcium-Ionenkanäle öffnen sich.
Die Calcium-Ionen strömen ein, worauf die Vesikel mit der Membran verschmelzen und so Acetylcholin in den synaptischen Spalt abgegeben wird, wo es sich durch Diffusion verteilt.
Danach bindet ein Teil des Acetylcholins an die postsynaptischen Membran der Muskelzelle und so werden Natrium-Ionenkanäle geöffnet und führen zur Depolarisation der postsynaptischen Membran.
Die Erregung wird dadurch auf die nächste Zelle übertragen.
Da nur von der prä- auf die postsynaptische Membran übertragen wird und nicht umgekehrt, funktionieren chemische Synapsen nur in eine Richtung.

Biologie; Nerven und Signalweiterleitung; 1. Gymi; Vorgänge in elektrischen und chemischen Synapsen

Giftige Stoffe für Synapsen

Wenn Du eine Substanz zu Dir nimmst, und dann wichtige Körperfunktionen auf einmal nicht mehr funktionieren, dann wird von einem Gift gesprochen. Es gibt Synapsengifte, die zum Beispiel speziell die Synapsen mit dem Transmitter Acetylcholin stören:

Synapsen mit dem nikotinischen Acetylcholinrezeptor: vorzufinden in den motorischen Endplatten der quergestreiften Muskulatur, wie der Skelettmuskulatur. Nikotin gelangt durch Zigarettenrauchen in den Körper und wirkt dort auf diese Rezeptoren ein, wodurch vielfältige Wirkungen eintreten. Curare sind Gifte, die bei ausreichender Zufuhr diese Rezeptoren sogar ganz blockiert, mit tödlichen Folgen.
Synapsen mit muscarinischem Acetylcholinrezeptor: kommen zum Beispiel in der Iris oder dem Darm vor und sie reagieren auf Muscarin. Muscarin kommt in Fliegenplizen vor. Atropin ist das Gift der Tollkirsche und hemmt die muscarinische Acetylcholinrezeptoren, wodurch die Pupillen erweitert und die Herzschlagfrequenz erhöht werden.
Botulinumtoxin: ist eines der stärksten Gifte und wird von dem Bakterium Clostridium botulinum gebildet. Es kann Lähmungen der Herz- oder Atemmuskulatur hervorrufen und sogar lebensgefährdend sein. Dieses Gift wird heute in geringen Dosen auch als Botox zu Schönheitszwecken in die Stirnmuskulatur injiziert.
Sarin: ist ein Kampfstoff des Zweiten Weltkrieges, welcher das Enzym der Acetyl-cholinesterase bindet und inhibiert.

Erregende und hemmende Synapsen

Ob ein Transmitter erregend oder hemmend auf die postsynaptische, also nachfolgende, Zelle wirkt, hängt davon ab, welche Ionenkanäle geöffnet werden.

Exzitatorische postsynaptische Potenziale (EPSP): Exzitatorisch bedeutet erregend. Natrium-Ionenkanäle werden geöffnet und es kommt zur Depolarisation. Erregende Synapsen sorgen für eine Depolarisierung am folgenden Dendriten und sorgen damit für die Weiterleitung eines Impulses.
Inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP): Inhibieren bedeutet hemmend. Chlorid-Ionenkanäle werden geöffnet und es kommt zu einer Hyperpolarisation. Hemmende Synapsen sorgen also für eine Hyperpolarisation am folgenden Dendrit und verhindern somit den Impuls.

Verrechnung der Potenziale am Soma

Am Soma werden diese Potenziale verrechnet. Ob eine Synapse Erregungen weiterleitet bzw. verstärkt (EPSP) oder hemmt (IPSP) liegt nicht an den Transmittermolekülen, sondern an den Synapsen selbst. Es gibt nur verstärkende oder hemmende Synapsen, aber niemals eine Synapse, die beides könnte.

Ist das Gesamtsignal stark genug, um einen Schwellenwert zu überschreiten, wird von einem EPSP gesprochen.
Liegt die Summe der Erregung unterhalb eines Schwellenwertes zur Auslösung eines Aktionspotenzials, wird von einem IPSP gesprochen.

Analoge und digitale Codierung

Ein einzelnes Aktionspotenzial am Axon enthält keine Informationen über die Intensität einer Erregung, aber die Verrechnung der gesamten Erregungen am Soma schon. Da das Aktionspotenzial auf einem Alles-oder-Nichts-Prinzip beruht, braucht es eine starke Depolarisierung des Somas, um mehrere Aktionspotenziale am Axonhügel auszulösen. Die Frequenz der Aktionspotenziale, also wie viele in welcher Zeit ausgelöst werden, kann ein Mass für die Erregung der Zelle sein (digitale Codierung).

Die Wahrscheinlichkeit, ein Aktionspotential auszulösen wird höher, wenn:

Mehrere aufeinanderfolgende EPSP am Axonhügel eintreffen und somit aufsummiert werden oder
Die Depolarisation länger anhält. Je mehr Neurotransmitter freigesetzt werden und an Rezeptoren binden, desto länger sind auch die Natrium-Ionenkanäle geöffnet.