Chemische Synapse und exogene Substanzen

Die erregende chemische Synapse

Ein Aktionspotenzial läuft am Axon entlang bis zur präsynaptischen Endigung (Endknöpfchen). Dort endet die Nervenzelle, doch zur nächsten Zelle führt keine leitende Brücke: Der synaptische Spalt (ca. 20 nm breit) trennt beide Zellen. Das elektrische Signal muss daher in ein chemisches Signal übersetzt und danach wieder zurückübersetzt werden.

Ablauf der Erregungsübertragung:

1. Ein Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen und öffnet spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle.

2. Ca²⁺-Ionen strömen in die präsynaptische Endigung ein.

3. Das Ca²⁺ bewirkt, dass Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. Der Transmitter wird per Exocytose in den synaptischen Spalt freigesetzt.

4. Der Transmitter diffundiert durch den Spalt und bindet an Rezeptorproteine der postsynaptischen Membran (Schlüssel-Schloss-Prinzip).

5. Die Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle: Sie öffnen sich, Na⁺ strömt ein, die Membran wird depolarisiert. Es entsteht ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP).

6. Der Transmitter wird schnell wieder entfernt: durch enzymatischen Abbau oder Wiederaufnahme. Sonst bliebe der Kanal dauerhaft geöffnet.

Die neuromuskuläre Synapse

Die Synapse zwischen einem Motoneuron und einer Skelettmuskelfaser heißt neuromuskuläre Synapse; die postsynaptische Membran bildet die motorische Endplatte. Der Transmitter ist hier Acetylcholin (ACh).

Ablauf: ACh wird freigesetzt und bindet an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren der Endplatte. Diese Kanäle öffnen sich, Na⁺ strömt ein, es entsteht das Endplattenpotenzial (ein EPSP). Es ist so groß, dass es ein Aktionspotenzial in der Muskelfaser auslöst. Dieses führt zur Freisetzung von Ca²⁺ im Muskel und zur Muskelkontraktion.

Das Enzym Acetylcholinesterase sitzt im synaptischen Spalt und spaltet ACh in Cholin und Acetat. Das Signal wird so beendet, die Rezeptoren schließen sich, die Endplatte repolarisiert. Das Cholin wird in die präsynaptische Endigung aufgenommen und zur ACh-Neusynthese genutzt.

Exogene Substanzen an der Synapse

Exogene Substanzen (Gifte, Medikamente, Drogen) greifen meist an einer von vier Stellen ein: Transmitterfreisetzung, Rezeptor, Transmitterabbau oder Wiederaufnahme. Weil Transmitter und Rezeptor wie Schlüssel und Schloss zusammenpassen, können Fremdstoffe mit ähnlicher Form den Rezeptor besetzen.

Summation und Hemmung

Ein einzelnes EPSP ist meist zu klein, um am Axonhügel die Schwelle zu erreichen. Das Neuron „verrechnet" daher viele Signale.

• Zeitliche Summation: Folgen mehrere Aktionspotenziale schnell hintereinander an einer Synapse, addieren sich die EPSP, bevor das erste abgeklungen ist.

• Räumliche Summation: Mehrere Synapsen an verschiedenen Stellen sind gleichzeitig aktiv, ihre EPSP addieren sich.

Erreicht die Summe am Axonhügel den Schwellenwert, entsteht ein Aktionspotenzial. Der genaue Wert hängt vom Zelltyp ab; in den Beispielen dieser Seite liegt er je nach Aufgabe bei −50 mV oder −55 mV.

In einer Messkurve (Mikroelektrode an der postsynaptischen Membran, Oszilloskop) sehen Sie: Das Ruhepotenzial liegt bei −70 mV (K⁺-Ausstrom, Na⁺/K⁺-Pumpe). Ein einzelnes EPSP hebt die Kurve kurz an (Na⁺-Einstrom durch ligandengesteuerte Kanäle) und klingt wieder ab. Auf dem Oszilloskop zeigt sich das als flacher Hügel von wenigen mV, anders als das steile Aktionspotenzial mit Spitze bei etwa +30 mV. Folgt das nächste EPSP vor dem Abklingen, steigt die Kurve höher (Summation). Wird die Schwelle erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle und ein Aktionspotenzial entsteht.

Bei hemmenden Synapsen öffnet der Transmitter z. B. Cl⁻-Kanäle (oder K⁺-Kanäle). Das Gleichgewichtspotenzial von Cl⁻ liegt bei ca. −80 mV, also negativer als das Ruhepotenzial (−70 mV). Öffnen sich die Cl⁻-Kanäle, strömt Cl⁻ ein, weil das Membranpotenzial diesem Gleichgewichtspotenzial zustrebt. Das Membranpotenzial wird negativer (Hyperpolarisation), es entsteht ein IPSP (hemmendes postsynaptisches Potenzial). Die Zelle ist weiter von der Schwelle entfernt.

Hemmung ist für die Informationsverarbeitung wichtig: Sie lässt Neurone selektiv antworten, verhindert Dauererregung und ermöglicht, Signale abzuschwächen oder zu „verrechnen".

Schmerzlinderung durch exogene Substanzen

Wie im Einstieg erwähnt: Lokalanästhetika greifen an den spannungsgesteuerten Na⁺-Kanälen des Axons ein, E 605 dagegen an der Synapse (Hemmung der Acetylcholinesterase). Beide Stoffe stören die Weitergabe von Erregung, aber an verschiedenen Stellen. Winzige Mengen reichen, weil Transmitter und Rezeptoren hochspezifisch wirken und schon wenige Moleküle eine große Wirkung auslösen.

Bei Schmerzmitteln müssen Sie Nutzen und Risiko abwägen. Beurteilen Sie dazu drei Kriterien: den Nutzen (Wirkstärke, Wirkdauer), das Risiko (Nebenwirkungen, Abhängigkeit, Atemdepression) und mögliche Alternativen (z. B. Ibuprofen oder Paracetamol bei leichten Schmerzen, nichtmedikamentöse Verfahren). Lokalanästhetika wirken örtlich begrenzt und sind nach dem Abbau wieder wirkungslos, Nebenwirkungen sind bei richtiger Dosis selten. Opioide lindern starke Schmerzen sehr wirksam, können aber Atemdepression und Abhängigkeit verursachen.

Auf einen Blick

• Ein Aktionspotenzial öffnet Ca²⁺-Kanäle, Ca²⁺ löst die Exocytose der Transmitter-Vesikel aus. Der Transmitter bindet am Rezeptor (Schlüssel-Schloss-Prinzip), der ligandengesteuerte Kanal öffnet sich, es entsteht ein EPSP.

• Der Transmitter wird abgebaut oder wieder aufgenommen, das Signal endet.

• Neuromuskuläre Synapse: ACh, motorische Endplatte, Endplattenpotenzial, Kontraktion; Acetylcholinesterase spaltet ACh.

• Curare blockiert die Rezeptoren, Botulinumtoxin hemmt die Freisetzung, Nikotin aktiviert die Rezeptoren dauerhaft, E 605 hemmt die Acetylcholinesterase.

• EPSP summieren sich zeitlich und räumlich, ein IPSP wirkt hemmend.