In diesem Video, welches eingebettet ist in eine Videoreihe zur Neurobiologie, geht es um den molekularen Vorgang der Erregungsweiterleitung an der Synapse. Jetzt, wo wir wissen, wie in einem Neuron, einer Nervenzelle, ein Aktionspotential, ist ein Nervenimpuls, generiert und entlang des Axons weitergeleitet wird, können wir uns nun der Frage widmen, Was passiert, wenn das Aktionspotenzial in der synaptischen Endigung bzw. dem Endknöpfchen eintrifft?
Wie wird es an die nächste Zelle, die entweder eine weitere Nervenzelle oder aber eine Sinnes-, Muskel- oder Drüsenzelle sein kann, übermittelt? Kurzum, wie kommunizieren Neuronen mit anderen Neuronen oder beispielsweise Muskelzellen? Die Kommunikation, im engeren Sinne die Signalübertragung, erfolgt an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. Es lassen sich zwei Arten von Synapsen unterscheiden, die chemische und die elektrische Synapse. Bei der elektrischen Synapse pflanzt sich das Aktionspotential direkt von der präsynaptischen Membran in die postsynaptische Zelle fort.
Sehr viel verbreiteter im Nervensystem ist die chemische Synapse, bei der Neurotransmitter als Botenstoffe von der präsynaptischen Zelle, beziehungsweise genauer gesagt von der präsynaptischen Membran, freigesetzt werden und als Botenüberträger die Erregung auf die postsynaptische Zelle übertragen. Der Zellzwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran wird auch als synaptischer Spalt bezeichnet. Prä heißt vor, post heißt nach, hinter.
Folglich ist die Prä-Synapse, der N-Teil, wird auch als synaptische Endigung oder Endknöpfchen bezeichnet, vor dem synaptischen Spalt lokalisiert, die Prä-Synapse befindet sich dahinter. Schauen wir uns mal die molekularen Vorgänge an einer chemischen Synapse an. Zunächst die einzelnen Ereignisse in ihrer zeitlichen Abfolge und anschließend ein paar wesentliche Hintergründe zu den einzelnen Ereignissen.
Erstens, die synaptische Übertragung beginnt, indem ein Aktionspotential vom Axon kommend in der synaptischen Endigung eintrifft. Infolgedessen öffnen sich Natrium-Ionen-Kanäle und der Einstrom positiver Natrium-Ionen führt zu einer Depolarisation, die wiederum dazu führt, dass sich spannungsabhängige Calcium-Ionen-Kanäle öffnen. Calcium-Ionen strömen in die Zelle und bewirken, dass mit Acetylcholin bepackte Vesikel mit der präsynaptischen Membran fusionieren. Nach der Verschmelzung der Vesikel mit der Membran diffundieren Acetylcholin-Moleküle durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren, die in der postsynaptischen Membran eingelagert sind. Infolge der Bindung von Acetylcholin an seine Rezeptoren öffnen diese ihre Ionenkanäle und depolarisieren die postsynaptische Membran.
Die durch einen Stromfluss sich ausbreitende Depolarisation löst schließlich am Axonhügel ein Aktionspotenzial aus. Acetylcholin wird abgebaut und von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen. Acetylcholin und Vesikel werden recycelt. Die Verschmelzung der Vesikel mit der Membran konnte ich nicht gut visualisieren. Oben rechts in der Abbildung findet ihr diesen Vorgang, der als Exozytose auch bezeichnet wird, schön dargestellt.
Ebenso wie auf dieser Abbildung deutlich wird, dass Ionenkanäle für diesen Vorgang vollkommen irrelevant sind. Also bitte nicht verwirren lassen von den grün eingezeichneten Kanälen in der präsynaptischen Membran. Am besten einfach wegdenken. Auf diese Weise wird eine Erregung von einer Nervenzelle auf die nächste Zelle weitergeleitet. Wobei es nicht unwahrscheinlich ist, dass diese in euren Schulbüchern als Muskelzelle beschriftet ist.
Denn Synapsen zwischen Muskelzellen und den sie umgebenden Nerven sind klassische chemische Synapsen. Die Synapse wird dann auch als motorische Endplatte bezeichnet und der Nerv, der die Muskelzelle innerviert, das heißt mit Nerven versorgt, wird Motoneuron genannt. Die eben genannten Vorgänge findet ihr am Ende des Videos nochmal beschriftet und übersichtlich dargestellt.
Der Vorgang der besprochenen Freisetzung von Neurotransmittern mag auf den ersten Blick einfach erscheinen. Man sollte sich trotzdem vergegenwärtigen, wie hochkomplex diese eigentlich ist. Es gibt hunderte von Proteinen, die während dieses Vorgangs ganz verschiedene Rollen übernehmen. Vesikelbildung, Transport von Neurotransmittern in die Vesikel, Andocken der Vesikel an der präsynaptischen Membran, sowie die Verschmelzung mit ihr und so weiter.
Zum besseren Verständnis möchte ich auf einzelne Aspekte bei der Erregungsweiterleitung näher eingehen. Ein Aktionspotenzial. Das in der präsynaptischen Endigung eintrifft, löst infolge der Öffnung und des Einstroms positiv geladener Natrium-Ionen eine Depolarisation aus.
Erinnert euch daran, dass eine Depolarisation eine Verringerung des Membranpotentials ist. Es verschiebt sich zu einem positiveren Wert. Logisch, dass es durch den Einstrom von positiv geladenen Natrium-Ionen, Protonen, es also weniger negativ ist als noch im Ruhezustand, wenn die Natriumkanäle geschlossen sind. Die mit der Depolarisation verbundenen Öffnung von Calcium-Ionen-Kanälen und der darauf folgende Einstrom von Calcium in die Zelle lässt sich auch gut nachvollziehen. So sind Calcium-Ionen-Kanäle ebenso spannungsgesteuert, das heißt sie reagieren auf die eben angesprochene Veränderung der elektrischen Ladungsdifferenz mit einer Konformationsänderung, einer Änderung ihrer räumlichen Struktur, wodurch sie öffnen.
Zudem ist die Calcium-Ionen-Konzentration außerhalb der Zelle höher als in der Zelle, wodurch Calcium-Ionen entlang ihres chemischen Konzentrationsgradienten in die synaptische Endlegung einströmen und sich in der Nähe der synaptischen Vesikel anlagern. Das initiiert wiederum die Verschmelzung der mit Acetylcholin beladenen Vesikel mit der präsynaptischen Membran und deren Freisetzung. Bei allen Vertebraten und Wirbeltieren. handelt es sich beim Neurotransmitter von Motoneuronen um Acetylcholin.
Dieser Neurotransmitter wird direkt vor Ort in den synaptischen Endegungen synthetisiert und in Vesikeln verpackt. Die dafür erforderlichen Enzyme stammen vom Soma und werden folglich über das Axon bis in die synaptischen Endegungen transportiert. Wie bereits erwähnt, bindet ein Teil der freigesetzten Acetylcholin-Moleküle an Acetylcholin-Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Wichtig ist, Es handelt sich dabei sowohl um einen Rezeptor als auch um einen ligandengesteuerten Kanal. Soll heißen, dass infolge der Bindung des passenden Ligands, Stoff, der an einen Rezeptor bindet, in diesem Fall Acetylcholin, an den Rezeptor sich der Kanal öffnet, sodass positiv geladene Natrium-Ionen in die Zelle strömen.
Die Kanäle sind übrigens keine reinen Natrium-Kanäle. Und auch in euren Büchern sind sie wahrscheinlich als Ionen-Kanäle beschriftet. Zurecht, weil sie neben Natrium auch Kalium-Ionen den Durchtritt in die Zelle erlauben. Wenn man sich aber jetzt daran erinnert, dass Kalium in der Zelle sehr viel höher konzentriert vorliegt als außerhalb der Zelle, weiß man, warum diese Information in Büchern häufig vernachlässigt wird. Denn der elektrochemische Gradient begünstigt eben einen Nettoeinstrom von Natrium-Ionen in die Zelle.
Elektrochemischer Gradient klingt zwar kompliziert, meint aber nur, dass sowohl ein chemischer Konzentrationsgradient, außen deutlich mehr Natrium-Ionen als innerhalb der Zelle, Und ein elektrischer Ladungsgradient, das Zellinnere, ist deutlich negativer geladen als der Zellaußenraum, wirkt. Durch den Einstrom von Natrium-Ionen wird im Bestreben, den elektrochemischen Gradienten auszugleichen, Rechnung getragen und zugleich reagiert die postsynaptische Zelle mit einer Depolarisation. Auch die Signalübertragung an der Synapse folgt dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Nur wenn die synaptische Endigung der Präsynapse genügend Acetylcholin ausschüttet, um die Post-Synapse ausreichend zu depolarisieren, dann aktiviert die sich ausbreitende Depolarisation anschließend die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und löst damit ein Aktionspotential aus. Die Weiterleitung durch das Membransystem, beispielsweise der Muskelzelle, bewirkt dann auch ihre Kontraktion, also dass sie sich zusammenzieht.
Bei Wirbeltieren wirken Synapsen zwischen Motoneuronen und Muskelzellen immer erregend, exzitatorisch. Das heißt, durch den Einstrom positiv geladener Natrium-Ionen kommt es zu einem graduierten, das heißt lokal und zeitlich begrenzten Potential, das weniger negativ ist als das Ruhepotential. Wenn dieses sogenannte erregende postsynaptische Potential, immer gekoppelt an die ausgeschüttete Neurotransmittermenge, ausreichend ist, um die postsynaptische Membran überschwellig zu depolarisieren, wird ein Aktionspotential generiert. Synapsen zwischen zwei Nervenzellen können jedoch auch hemmend, inhibitorisch sein.
Beispielsweise, wenn es sich um einen Chloridkanal handelt, der von einem Neurotransmitter geöffnet wird. Die Konzentration an negativ geladenen Chloridionen ist außerhalb der Zelle höher als in der Zelle. Docken Neurotransmitter an den Kanal und öffnen diesen, strömen negativ geladene Chloridionen in die Zelle ein und bewirken, dass das Membranpotential noch negativer wird.
Sie hyperpolarisieren die Zelle also. Dadurch rückt der Schwellenwert, der für die Bildung eines Aktionspotenzials notwendig ist, in weite Ferne. Die Auslösung eines Aktionspotenzials wird also deutlich unwahrscheinlicher. Die postsynaptische Zelle ist in der Lage, erregende und hemmende Eingangssignale zu summieren. Stichwort räumliche und seitliche Summation.
Mit Blick auf die Länge des Videos würde ich bei Bedarf in einem weiteren Video Kurzbezug darauf nehmen wollen Noch viel wichtiger ist allerdings das kommende Video, in dem es um konkrete Anwendungsaufgaben geht und in dem Abiturklausuraufgaben vorgestellt werden, die sich mit der Frage beschäftigen, wie einzelne Gifte auf die Signalübertragung wirken. Denn mit Blick auf die zusammenfassende Erregungsweiterleitung an den Synapsen wird schnell klar, welche vielfältigen Möglichkeiten es gibt, in diesen Prozess einzugreifen.