Die motorische Endplatte ist bekanntlich die Synapse zwischen motorischen Axonen und Muskelzellen. Sie ist besonders einfach aufgebaut und wird daher in den meisten Schulbüchern gut erklärt. Nun sind die meisten Synapsen im Zentralnervensystem (ZNS = Gehirn + Rückenmark) etwas komplexer aufgebaut als die motorische Endplatte. Dies betrifft vor allem den postsynaptischen Teil, also die Membran der Empfänger-Nervenzelle.
Schauen wir uns doch mal die postsynaptische Membran einer solchen komplexeren Synapse an:
Eine typische metabotrope Synapse
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende
Ganz links ist der Ionenkanal zu erkennen (grün), der bei einer erregenden Synapse für Natrium-Ionen zuständig ist. Einige der Natrium-Ionen sieht man ja auch schon auf der Außenseite der postsynaptischen Membran, also im synaptischen Spalt. Ganz rechts sieht man das Rezeptorprotein für die Neurotransmitter (blau).
Im Gegensatz zur motorischen Endplatte sind bei dieser Synapse also Natrium-Kanal und Neurotransmitter-Rezeptor räumlich getrennt - zwei verschiedene Moleküle, die nicht miteinander verbunden sind.
Das Rezeptorprotein durchzieht die ganze Membran. Auf der Außenseite kann das Protein den Neurotransmitter anlagern, auf der Innenseite der Membran ist das Rezeptorprotein (kurz: der Rezeptor) mit einem anderen Protein verbunden, einem so genannten G-Protein. Dieses G-Protein wiederum sitzt neben einem dritten Protein, einer Adenylatcyclase.
So viel zur "Hardware" der postsynaptischen Membran dieser ZNS-Synapse.
Was passiert nun, wenn Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet werden und diese sich in die Rezeptor-Moleküle der postsynaptischen Membran setzen?
Schritt 1
Die Adenylatcyclase stellt den second messenger cAMP aus ATP her
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende
Der Rezeptor aktiviert das G-Protein, und das G-Protein aktiviert seinerseits die Adenylatcyclase. Diese wird nun tätig und katalysiert die Umwandlung von ATP (dem universellen Energieträger der Zelle) in cAMP. Die Abkürzung cAMP steht für "cyclisches Adenosinmonophosphat"). Es handelt sich dabei um ein AMP-Molekül (Adenosinmonophosphat), das eine zyklische Struktur aufweist.
Wenn sich Neurotransmitter in die Rezeptoren setzen, werden über G-Proteine die Adenylatcyclasen aktiviert und synthetisieren cAMP aus ATP.
Das cAMP gehört ist ein second messenger, ein sekundärer Botenstoff. Sekundäre Botenstoffe spielen innerhalb der Zelle eine sehr wichtige Rolle.
Primäre Botenstoffe (Neurotransmitter und Hormone) sind für die Kommunikation zwischen verschiedenen Zellen zuständig. Sekundäre Botenstoffe dagegen sind verantwortlich für die Kommunikation innerhalb einer Zelle.
Schritt 2
Sie können sich nun sicherlich vorstellen, welche Aufgabe das cAMP in der Empfängerzelle hat! Die Natrium-Kanäle müssen sich noch öffnen, damit die postsynaptische Membran depolarisiert wird. Das ist ja schließlich der Sinn einer erregenden Synapse. Und tatsächlich - schauen Sie sich das nächste Bild an:
Der second messenger cAMP öffnet die Natrium-Kanäle
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Die cAMP-Moleküle setzen sich auf der Membraninnenseite an spezielle Stellen der Natrium-Kanäle, die sich daraufhin öffnen und Natrium-Ionen in das Zellinnere diffundieren lassen. Die postsynaptische Membran wird durch diesen Natrium-Ionen-Einstrom depolarisiert, und die Synapse hat "ihre Schuldigkeit getan".
Zusammenfassung
Schritt 1:
Neurotransmitter setzen sich in die Rezeptoren, diese aktivieren über G-Proteine die Adenylatcyclasen, diese wiederum synthetisieren cAMP aus ATP.
Schritt 2:
Das cAMP setzt sich auf der Membraninnenseite an die Natriumkanäle, diese öffnen sich und Natrium-Ionen diffundieren in die Zelle. Die postsynaptische Membran wird depolarisiert.
Verstärkungseffekt
Bei der motorischen Endplatte und anderen einfachen Synapsen bewirkt ein Neurotransmitter-Molekül im günstigsten Fall die Öffnung eines Ionen-Kanals. Bei der cAMP-Synapse kann ein Neurotransmitter-Molekül ein Rezeptor-Molekül aktivieren. Dieser Rezeptor kann aber mehrere G-Proteine der postsynaptischen Membran aktivieren. Jedes G-Protein wiederum kann mehrere Adenylatcyclasen in den aktiven Zustand versetzen. Und jede Adenylatcyclase schließlich kann viele cAMP-Moleküle herstellen. Ein einziges Neurotransmitter-Molekül kann auf diese Weise dafür sorgen, dass sich Hunderte von Ionenkanälen öffnen. Diese Art von Synapsen kann also viel empfindlicher auf die Ausschüttung von Neurotransmittern reagieren als beispielsweise die motorische Endplatte.
Metabotrope Synapsen, Vertiefung
Für Studierende der Fächer Biologie, Medizin etc. finden sich noch einige Vertiefungsseiten zum Thema metabotrope Synapsen auf dieser Homepage, und zwar geordnet nach den wirkenden Neurotransmittern:
Nicht alle Rezeptoren dieser Neurotransmitter sind metabotrop, es kommen auch viele ionotrope Rezeptoren vor, also Neurotransmitter-Rezeptoren, die direkt mit einem Ionenkanal gekoppelt sind, so wie bei der "Schulbuchsynapse".