Synapse, Bez. für verdickte Endigungen von Nervenzellen (Neuron), die den Kontakt zu anderen Nerven- sowie Muskel- oder Drüsenzellen herstellen. Dabei sind die S. nicht mit diesen verwachsen, sondern durch den synaptischen Spalt, der mit Mucopolysacchariden gefüllt ist, getrennt. Innerhalb der S. befinden sich neben Mitochondrien einige hundert bis mehrere tausend synaptische Bläschen oder synaptische Vesikel, in denen die Transmitter-Moleküle (Transmittersubstanzen), gespeichert sind. Hinsichtlich ihrer Arbeitsweise unterscheidet man elektrische und chemische S.

Bei der elektrischen Erregungsübertragung fließt der Aktionsstrom (Aktionspotenzial) direkt in die nachgeschaltete Struktur, ohne dass eine Transmitter-Freisetzung erforderlich ist. Demgemäß ist der synaptische Spalt sehr eng, und zwischen präsynaptischer und postsynaptischer Membran befinden sich Strom leitende Strukturen, so genannte Gap junctions. Die Übertragung eines Aktionspotenzials unterscheidet sich demnach kaum von der Fortleitung entlang einer Membran (Erregungsleitung). An vielen elektrischen S. ist eine Erregungsübertragung in beiden Richtungen möglich, wenngleich der Stromfluss i.d.R. nur in eine Richtung erfolgt. Da die synaptische Verzögerung bei der elektrischen Übertragung im Vergleich zur chemischen kürzer ist, findet man diesen Typ häufig in den so genannten „Schnelleitungssystemen“, z.B. den Riesenfasern des Regenwurms, oder wenn es auf die Synchronisation der Aktivität ganzer Zellgruppen ankommt, z.B. beim Herzmuskel des Wirbeltier-Herzens (Herz) oder den elektrischen Organen von Fischen.

Bei der chemischen Erregungsübertragung führen an den S. ankommende Aktionspotenziale zu einer Öffnung von Calciumkanälen, durch die extrazelluläre Ca²⁺-Ionen in die S. strömen. Sie binden dort an ein Protein (diskutiert wird zurzeit Calmodulin), das die Wanderung der Vesikel zur präsynaptischen Membran, deren Anheftung dort sowie ihre Öffnung zum synaptischen Spalt hin bewirken soll, wobei Transmittermoleküle in diesen entlassen werden. Letztere diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden dort an Rezeptoren, wodurch bestimmte Ionenkanäle (Na⁺, K⁺, Cl^-) geöffnet werden. Der nachfolgende Ionen-Einstrom führt zur Depolarisation der postsynaptischen Membran und damit zur Entstehung des postsynaptischen Potenzials (PSP), das bei ausreichender Stärke an der nachfolgenden Zelle ein fortgeleitetes Aktionspotenzial auslöst. Durch die Freisetzung des Transmitters an der präsynaptischen Membran und dessen Bindung an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran ist die Erregungsleitung in nur eine Richtung gewährleistet. Die postsynaptischen Potenziale können auf die nachgeschalteten Zellen aktivierend oder hemmend (hemmende S.) wirken. Im ersten Fall werden diese als excitatorische oder erregende postsynaptische Potenziale (EPSP), im zweiten als inhibitorische oder hemmende postsynaptische Potenziale (IPSP) bezeichnet. Hinsichtlich ihrer Funktionsweise unterscheidet man bei Transmittern direkt wirkende (z.B. Acetylcholin) und indirekt wirkende (z.B. Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin). Bei direkt wirkenden Transmittern führt die Bindung des Transmitters an den Rezeptoren der postsynaptischen Membran direkt zur Depolarisation und damit zur Entstehung des postsynaptischen Potenzials. Die Freisetzung indirekt wirkender Transmitter hat zunächst die Synthese eines second messengers zur Folge, der ein in der postsynaptischen Membran lokalisiertes Protein aktiviert, das nun die Öffnung der Porenkanäle und damit die Depolarisation der Membran bewirkt. Die Transmitter werden nach Ablösen von den Rezeptoren entweder gespalten (Acetylcholinesterase) oder inaktiviert, wobei die Produkte z.T. wieder in die Synapsen aufgenommen werden, z.T. aber auch über den Kreislauf abgeführt werden. ( vgl. Abb. )

Eine Sonderform der S. sind die motorischen Endplatten, die den Kontakt zu den Muskelzellen (Muskel) herstellen.

Im Nervensystem kommt den S. aus mehreren Gründen eine zentrale Bedeutung zu. Ohne ihre gerichtete Erregungsübertragung wäre eine geordnete Tätigkeit des Nervensystems nicht denkbar. Weiterhin sind S. in ihrer Effizienz modifizierbar, d.h., bei hoher neuronaler Aktivität funktioniert die Übertragung besser als bei geringer oder seltener Aktivität. Sie zeigen somit eine gewisse Plastizität und besitzen Lernfunktionen (Lernen) sowie Gedächtnisfunktionen (Gedächtnis). Zudem sind sie Angriffsort vieler Gifte (Neurotoxine) und Pharmaka (u.a. Psychopharmaka, Drogen).

Synapse:1 Wirkungsmechanismus bei direkt wirkenden Neurotransmittern: Transmitter binden an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran und bewirken die Öffnung von Ionenkanälen, die den Einstrom unter anderem von Na⁺-, K⁺- und Cl^--Ionen aus dem extrazellulären Raum in die nachgeschaltete Zelle ermöglichen. 2 Wirkungsmechanismus bei indirekt wirkenden Neurotransmittern: 1) Transmitter bindet an Rezeptor; 2) Adenylat-Cyclase synthetisiert aus ATP cAMP; 3) cAMP aktiviert Proteinkinase; 4) Phosphodiesterase baut cAMP wieder ab; 5) aktive Proteinkinase phosphoryliert Membranprotein; 6) phosphoryliertes Membranprotein öffnet Ionenkanäle. AC Adenylat-Cyclase, Ap Aktionspotenzial, ATP Adenosintriphosphat, Ca²⁺ Calciumionen, cAMP zyklisches Adenosinmonophosphat, Ig Ionenkanäle geschlossen, Io Ionenkanäle offen, Mp Membranprotein, P_i anorganisches Phosphat, PDE Phosphodiesterase, PK_a Proteinkinase aktiv, PK_i Proteinkinase inaktiv, R Rezeptor, T Transmitter. 3 Transmittervorgänge an einer cholinergen Synapse: Der präsynaptisch freigesetzte Transmitter Acetylcholin (ACh) wird von einem an der Oberfläche der postsynaptischen Membran gelegenen Enzym, der Acetylcholinesterase (AChE), durch Hydrolyse in Essigsäure und Cholin (Ch) gespalten. Dieses wird von der präsynaptischen Endigung wieder aufgenommen und zusammen mit Acetyl-CoA durch das Enzym Cholinacetyl-Transferase wieder zu Acetylcholin reacetyliert. 4 Transmittervorgänge an einer adrenergen Synapse: Der Transmitter Noradrenalin (NA) wird aus der Aminosäure Phenylalanin synthetisiert und in synaptischen Vesikeln gespeichert. Nach Freisetzung wird ein Teil des NA von der präsynaptischen Endigung wieder aufgenommen; der Rest wird methyliert, dadurch inaktiviert und mit dem Blut abtransportiert. Im Cytoplasma befindliches NA wird entweder in synaptische Vesikel aufgenommen oder von dem mitochondrialen Enzym Monoamin-Oxidase (MAO) inaktiviert