Nervensystem

Bau der Synapse und Transmitterfreisetzung

Wie eine chemische Synapse gebaut ist und wie der Calciumeinstrom die Exocytose der Transmitter aus synaptischen Vesikeln auslöst.

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  • Die chemische Synapse wandelt das elektrische Signal des Aktionspotentials in ein chemisches Signal um, den Transmitter, der den Spalt überquert.
  • Die präsynaptische Membran ist die spaltseitige Membran des Endknöpfchens mit Vesikeln und \(\ce{Ca^2+}\)-Kanälen, die subsynaptische Membran der spaltseitige Abschnitt der postsynaptischen Zelle mit Rezeptoren.
  • Acetylcholin, Noradrenalin und Dopamin werden in synaptischen Vesikeln gespeichert, \(\ce{NO}\) dagegen wird bei Bedarf gebildet und nicht vesikulär gespeichert.
  • Depolarisation öffnet spannungsabhängige \(\ce{Ca^2+}\)-Kanäle, der \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom ist der unmittelbare Auslöser der Exocytose.
  • Bei der Exocytose verschmilzt das Vesikel mit der präsynaptischen Membran zur Omega-Figur und entleert den Transmitter in den Spalt.

Worum es geht

An der chemischen Synapse gibt ein Neuron sein Signal mithilfe eines Botenstoffs an die nächste Zelle weiter. Hier setzen viele Arzneistoffe an, von Antidepressiva bis zu Muskelrelaxanzien. Wer Bau und Freisetzungsmechanismus kennt, versteht diese Wirkungen leichter.

Chemische Synapse im Überblick

Eine chemische Synapse überträgt das Signal eines Neurons auf eine andere Zelle. Das elektrische Signal des Aktionspotentials kann den Spalt zwischen beiden Zellen nicht überspringen. Die Synapse wandelt es deshalb in ein chemisches Signal um. Ein Botenstoff, der Transmitter, überquert den Spalt, und auf der Gegenseite entsteht wieder ein elektrisches Signal.

  1. Erregung: Ein Aktionspotential läuft das Axon entlang bis zum Endknöpfchen.
  2. Calciumeinstrom: Die Depolarisation öffnet spannungsabhängige \(\ce{Ca^2+}\)-Kanäle.
  3. Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben Transmitter in den Spalt ab.
  4. Diffusion und Bindung: Der Transmitter diffundiert zur Gegenseite und bindet an Rezeptoren.
  5. Antwort: In der Folgezelle entsteht ein postsynaptisches Potential.

Pfeildiagramm mit fünf Stationen der synaptischen Übertragung.

Signalkette an der chemischen Synapse vom Aktionspotential bis zum postsynaptischen Potential.

Aufbau der Synapse

Das Axon endet in einer Verdickung, dem Endknöpfchen. Es enthält Mitochondrien und viele synaptische Vesikel. Zwischen Endknöpfchen und Folgezelle liegt ein schmaler Spalt. Jede Seite dieses Spalts trägt einen eigenen Namen.

Struktur Zugehörigkeit Kennzeichen
Synaptisches Vesikel im Endknöpfchen membranumhülltes Bläschen mit Transmitter
Präsynaptische Membran Endknöpfchen, dem Spalt zugewandt \(\ce{Ca^2+}\)-Kanäle, aktive Zone mit angedockten Vesikeln
Synaptischer Spalt Raum zwischen beiden Zellen etwa 20 bis 50 nm breit, Transmitter diffundiert hindurch
Subsynaptische Membran postsynaptische Zelle, dem Spalt zugewandt Rezeptoren, dunkle Membranverdichtung

Subsynaptisch heißt also nur der Abschnitt der postsynaptischen Zelle, der direkt am Spalt liegt. Er gehört nie zum Endknöpfchen.

Im Schema orientierst du dich am besten an den Vesikeln. Die Seite mit Vesikeln und Mitochondrien ist das Endknöpfchen. Seine Membran zum Spalt hin ist die präsynaptische Membran mit den Calciumkanälen. Gegenüber, jenseits des Spalts, liegt die subsynaptische Membran mit Rezeptoren und Verdichtung. Eine Omega-Figur sitzt immer auf der präsynaptischen Seite.

Schemazeichnung einer Synapse mit beschriftetem Endknöpfchen, Vesikeln, Calciumkanälen, Spalt und Rezeptoren auf der Gegenseite.

Bau einer chemischen Synapse: präsynaptische Membran mit Vesikeln und Calciumkanälen, synaptischer Spalt und subsynaptische Membran mit Rezeptoren.

Vesikuläre Speicherung

Klassische Transmitter wie Acetylcholin, Noradrenalin und Dopamin liegen im Endknöpfchen in synaptischen Vesikeln vor. Die Vesikel reichern den Transmitter an und schützen ihn vor Abbau im Cytoplasma. So steht bei jeder Erregung eine fertige Portion bereit. Welche Stoffe als Transmitter gelten, behandelt die Einheit Neurotransmitter und Rezeptoren.

Anders verhält sich Stickstoffmonoxid (\(\ce{NO}\)). Das kleine, lipophile Gas würde durch jede Vesikelmembran hindurchdiffundieren. Die Zelle bildet es deshalb erst bei Bedarf mit der NO-Synthase. Es verlässt die Zelle ohne Exocytose durch die Membran.

Calcium und Exocytose

Freie \(\ce{Ca^2+}\)-Ionen sind außerhalb der Zelle viel höher konzentriert als innen. Extrazellulär liegen rund 1 mmol/L vor, im Cytosol nur etwa 0,1 µmol/L. Dieses Gefälle von etwa vier Zehnerpotenzen treibt Calcium in die Zelle, sobald sich Kanäle öffnen.

In der präsynaptischen Membran sitzen spannungsabhängige \(\ce{Ca^2+}\)-Kanäle, gehäuft an der aktiven Zone. Die axonal fortgeleitete Erregung depolarisiert das Endknöpfchen, und die Kanäle öffnen sich. Calcium strömt ein. Die freie \(\ce{Ca^2+}\)-Konzentration in der Endigung steigt stark an. Dieser Anstieg löst unmittelbar die Exocytose aus.

⚠️ Achtung: Natrium oder Calcium

Der \(\ce{Na+}\)-Einstrom erzeugt das Aktionspotential und damit die Depolarisation. Unmittelbarer Auslöser der Ausschüttung ist aber erst das einströmende \(\ce{Ca^2+}\). Präsynaptische Rezeptoren lösen die Freisetzung ebenfalls nicht aus, sie modulieren sie nur.

Die Vesikel sind über SNARE-Proteine bereits an der Membran angedockt. Das Protein Synaptotagmin bindet Calcium und gibt das Startsignal zur Fusion. Die Vesikelmembran verschmilzt mit der präsynaptischen Membran. Dabei entsteht eine omega-förmige Einbuchtung, die Omega-Figur, die sich zum Spalt hin öffnet. Der Vesikelinhalt entleert sich in den synaptischen Spalt. Die allgemeine Mechanik der Membranfusion erklärt die Einheit Membranfluss und vesikulärer Transport.

Drei nebeneinander gezeichnete Phasen, in denen ein Vesikel mit der Membran verschmilzt und sich Omega-förmig zum Spalt öffnet.

Calciumausgelöste Exocytose: Aus dem angedockten Vesikel wird nach \(\ce{Ca^2+}\)-Bindung eine Omega-Figur, die den Transmitter in den Spalt entlässt.

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Aussage 1

Stickstoffmonoxid wird wie Acetylcholin in synaptischen Vesikeln des Endknöpfchens gespeichert.

\(\ce{NO}\) ist ein membrangängiges Gas. Es wird bei Bedarf durch die NO-Synthase gebildet und nicht vesikulär gespeichert.

Aussage 2

Die subsynaptische Membran ist die dem Spalt zugewandte Membran des Endknöpfchens, in der die Vesikel angedockt sind.

Das beschreibt die präsynaptische Membran. Die subsynaptische Membran gehört zur postsynaptischen Zelle und trägt die Rezeptoren.

Aussage 3

Bei der Exocytose bildet die mit der präsynaptischen Membran verschmelzende Vesikelmembran eine omega-förmige Einbuchtung.

Das geöffnete Vesikel erscheint als Omega-Figur, aus der der Transmitter in den synaptischen Spalt austritt.

Aussage 4

Unmittelbarer Auslöser der Transmitterexocytose ist der Einstrom von \(\ce{Ca^2+}\) durch spannungsabhängige Kanäle der präsynaptischen Membran.

Die Depolarisation öffnet die Calciumkanäle, und der Anstieg des freien \(\ce{Ca^2+}\) in der Endigung startet direkt die Vesikelfusion.

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