Einstieg (0:00)
Mathestunde, Reden verboten. Du willst deiner Freundin zwei Tische weiter was sagen. Also: Zettel schreiben, falten, rüberschieben. Sie liest, nickt, grinst. Vor genau diesem Problem stehen deine Nervenzellen. Zwischen ihnen liegt eine Lücke, und ihr elektrisches Signal kommt da nicht rüber. Wie kommt die Nachricht trotzdem an? So wie bei dir: mit einem Zettel. Nur aus Chemie.
Ich hätte ja einfach einen Arm rübergestreckt. Lange Arme, kurzer Dienstweg. Wie der Chemie-Zettel funktioniert, zeigen vier Schritte: erst die Lücke, dann der Weg hinüber, dann, warum Gifte und Medikamente genau dort angreifen, und am Ende zwei Prüfungsaufgaben.
Die Lücke (0:45)
Also zuerst die Lücke. Ein Aktionspotential rast das Axon entlang und kommt ganz am Ende im Endknöpfchen an. Und dort ist Schluss. Gegenüber liegt schon die nächste Nervenzelle, aber dazwischen ist ein Spalt, nur etwa zwanzig bis fünfzig Millionstel Millimeter breit. Ein Haar ist über tausendmal so dick.
Schauen wir uns die beiden Ufer genauer an. Oben das Endknöpfchen. Darin liegen kleine Bläschen. Sie sind gefüllt mit einem Botenstoff, dem Neurotransmitter. Das ist unser Chemie-Zettel. Die Membran des Endknöpfchens zum Spalt hin heißt präsynaptische Membran. Prä heißt vor: Sie liegt vor dem Spalt.
Dazwischen der synaptische Spalt, gefüllt mit Flüssigkeit. Am anderen Ufer die postsynaptische Membran, die Membran nach dem Spalt. In ihr stecken Rezeptoren: Andockstellen, in die genau dieser Botenstoff passt. Alles zusammen ist eine chemische Synapse. Merksatz: Vor dem Spalt Bläschen mit Transmitter, hinter dem Spalt Rezeptoren.
Aber warum springt das elektrische Signal nicht einfach hinüber? Die Erregung läuft an der Membran entlang. Doch die beiden Zellen berühren sich nicht: Zwischen ihren Membranen liegt der Spalt voller Flüssigkeit, und darin verpufft der Strom. Also wechselt die Nachricht die Form: von elektrisch zu chemisch, und drüben wieder zu elektrisch. Nur bei den selteneren elektrischen Synapsen sind Zellen über Kanäle direkt verbunden.
Funfact: Dass Nerven ihre Nachricht über einen Stoff weitergeben, zeigte Otto Loewi neunzehnhunderteinundzwanzig, und zwar am Herzen. Die Idee kam ihm, so wird es meist erzählt, im Traum: Nachts schrieb er sie auf, aber morgens konnte er seine Notiz nicht lesen. In der nächsten Nacht kam die Idee wieder, und er ging sofort ins Labor. Kenn ich. Nachts mit acht Armen mitschreiben, und morgens ist alles unlesbar. Merksatz: Über den Spalt geht kein Strom, sondern ein Stoff. Nur: Wie wird aus Strom ein Stoff?
Vom Strom zum Stoff und zurück (2:53)
Schau erst einmal nur zu, stark verlangsamt. Das Signal kommt an und erlischt. Tore gehen auf, Ionen strömen herein. Bläschen verschmelzen mit der Membran, ihr Inhalt treibt hinüber und dockt an. Drüben gehen Kanäle auf. Und auf der anderen Seite glimmt wieder ein Signal. Aus Strom wird ein Stoff, und drüben aus dem Stoff wieder Strom.
Jetzt Schritt für Schritt, mit Namen. Schritt eins: Calcium. Das Aktionspotential depolarisiert die Membran des Endknöpfchens. Darauf reagieren spannungsgesteuerte Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran. Sie öffnen sich, und Calcium-Ionen strömen herein, denn außen ist viel mehr Calcium als innen. Genau diesen Schritt vergessen in der Klausur viele. Merksatz: Das Aktionspotential öffnet Calciumkanäle, Calcium strömt ein.
Und was macht das Calcium da drin? Das ist Schritt zwei, die Ausschüttung: Calcium ist das Startsignal. Bläschen an der Membran verschmelzen mit ihr und öffnen sich in den Spalt. Das heißt Exozytose, Exo wie außen. Unser Transmitter ist das Schulbuch-Beispiel Acetylcholin. Merksatz: Calcium löst die Exozytose aus, der Transmitter gelangt in den Spalt. Im Gehirn übernimmt meist ein anderer die erregende Arbeit, Glutamat. Der Ablauf ist ähnlich.
Jetzt ist der Transmitter im Spalt. Schritt drei: hinüber und andocken. Der Transmitter hat keinen Antrieb, er verteilt sich durch Diffusion, über die winzige Strecke blitzschnell. Drüben passt er in die Rezeptoren wie ein Schlüssel ins Schloss. Der Rezeptor ist hier selbst ein Ionenkanal. Dockt Acetylcholin an, geht der Kanal auf. Weil ihn ein Stoff öffnet und keine Spannung, heißt er ligandengesteuerter Ionenkanal.
Wandert der Transmitter jetzt in die Zelle? Nein, er bleibt draußen. Der Schlüssel schließt auf, geht aber nicht mit ins Haus. Hinein strömen nur Ionen, vor allem Natrium, und die Membran drüben wird depolarisiert. Das heißt erregendes postsynaptisches Potential, kurz E-P-S-P. Es ist klein und abgestuft, noch kein Aktionspotential. Merksatz: Der Transmitter öffnet Kanäle, Natrium strömt ein, ein E-P-S-P entsteht.
Kanäle aufschließen? Kann ich auch. Ich hab hier meinen eigenen Botenstoff, frisch gemischt. Rein damit.
Hm. Prallt ab. Kein Kanal geht auf. Abgewiesen. Von einem Eiweiß. Nur der passende Botenstoff öffnet den Kanal. Und der passende? Der steckt noch im Schloss.
Solange Acetylcholin im Spalt ist, dockt es immer wieder an, die Kanäle gehen immer wieder auf. Die Nachricht würde viel zu lange nachhallen, wie ein Dauerton. Deshalb Schritt vier: aufräumen. Ein Enzym im Spalt, die Acetylcholinesterase, schneidet Acetylcholin wie eine Schere in zwei Teile. Ein einziges Enzym schafft Tausende pro Sekunde.
Und die Bruchstücke? Sie heißen Acetat und Cholin. Das Cholin holt das Endknöpfchen zurück und baut daraus neues Acetylcholin. Viele andere Botenstoffe werden im Ganzen zurückgeholt: Wiederaufnahme. Merksatz: Der Transmitter wird abgebaut oder wieder aufgenommen, sonst hört das Signal nicht auf.
Moment, da wandert ja doch etwas zurück. Die Nachricht aber läuft nur in eine Richtung, obwohl der Transmitter in alle Richtungen treibt. Warum? Wegen des Baus: Bläschen mit Transmitter gibt es nur vor dem Spalt, die Rezeptoren, die die Nachricht weitergeben, nur dahinter. Merksatz: Die Synapse ist eine Einbahnstraße.
Wirkt eigentlich jede Synapse erregend? Nein. An vielen Synapsen im Gehirn wirkt ein anderer Transmitter, Gaba. Seine häufigsten Rezeptoren öffnen Kanäle für negativ geladene Chlorid-Ionen, die meist hineinströmen. Und was macht so viel zusätzliches Minus in der Zelle?
Die Membran wird hyperpolarisiert, also noch negativer: ein hemmendes postsynaptisches Potential, kurz I-P-S-P. Ob erregend oder hemmend, entscheidet der Rezeptor mit seinem Kanal. Merksatz: Ein E-P-S-P bringt die Zelle näher an die Schwelle, ein I-P-S-P weiter weg.
Und wenn die Nachricht an einen Muskel geht? Dann heißt die Kontaktstelle neuromuskuläre Synapse oder motorische Endplatte. Der Ablauf ist derselbe, mit Acetylcholin. Das E-P-S-P heißt hier Endplattenpotential, und es ist groß: Es reicht normalerweise sicher über die Schwelle der Muskelfaser, sie bildet ein Aktionspotential und zieht sich zusammen. Hemmende Synapsen gibt es an unseren Skelettmuskeln nicht.
Alles noch einmal am Stück, in vier Schritten. Merksatz: Calcium rein, Stoff raus, Schloss auf, Stoff weg.
Gifte und Medikamente (8:01)
Jeder dieser vier Schritte lässt sich stören, und genau dort greifen Gifte und Medikamente an, hier am Muskel. Erstens: Botulinumtoxin, ein Gift aus Bakterien. Es verhindert, dass die Bläschen Acetylcholin ausschütten. Schritt zwei fällt aus, der Muskel bleibt schlaff. Genau dosiert nutzt die Medizin das, etwa gegen dauerhaft verkrampfte Muskeln.
Zweitens: Curare, ein Pfeilgift aus Südamerika. Erinnerst du dich an meinen Botenstoff, der nicht passte? Curare ist da leider begabter als ich. Es passt in den Rezeptor, öffnet den Kanal aber nicht: ein falscher Schlüssel, der steckt, aber nicht dreht. Acetylcholin und Curare konkurrieren um denselben Platz, das heißt kompetitive Hemmung. Schritt drei fällt aus, der Muskel ist gelähmt.
Drittens: Hemmstoffe der Acetylcholinesterase. Jetzt fällt Schritt vier aus. Acetylcholin bleibt im Spalt, der Muskel bekommt Befehl auf Befehl, er zuckt und verkrampft. Bei starker Vergiftung folgt am Ende sogar Lähmung. Genau dosiert ist auch das ein Medikament, etwa nach einer Narkose. Warum, zeigt gleich die Prüfung. Merksatz: Ohne Ausschüttung oder Andocken bleibt der Muskel schlaff, ohne Aufräumen verkrampft er.
Prüfung (9:20)
Vorher aber die Grundlage. Aufgabe eins, Niveau Klasse neun und zehn. Du siehst fünf gemischte Kärtchen. Beschreibe in der richtigen Reihenfolge, was passiert, wenn ein Aktionspotential am Endknöpfchen ankommt. Drück Pause. Ich räum solange den Spalt auf. Einer muss ja die Acetylcholinesterase spielen.
Die Lösung in drei Punkten. Erstens: Das Aktionspotential öffnet Calciumkanäle, Calcium strömt ein, die Bläschen verschmelzen mit der präsynaptischen Membran und schütten den Transmitter in den Spalt aus. Zweitens: Der Transmitter diffundiert hinüber und bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Deren Kanäle öffnen sich, Natrium strömt ein, die Membran wird depolarisiert, ein E-P-S-P entsteht. Drittens: Der Transmitter wird abgebaut oder zurückgeholt.
Eine Stufe schwerer. Aufgabe zwei, erhöhtes Niveau. Nach einer Operation wirkt noch ein Curare-ähnliches Mittel, das die Muskeln entspannt. Um es aufzuheben, gibt man Neostigmin, einen Hemmstoff der Acetylcholinesterase. Die Aufgabe: „Erläutern Sie die Wirkung von Neostigmin in diesem Fall.“ Erläutern heißt: mit Fachwissen nachvollziehbar erklären. Drück Pause und formuliere.
Volle Punkte gibt es für drei Teile. Erstens: Neostigmin hemmt die Acetylcholinesterase, Acetylcholin wird langsamer abgebaut, im Spalt ist mehr davon. Zweitens: Acetylcholin und das Mittel konkurrieren um dieselben Rezeptoren, eine kompetitive Hemmung. Je mehr Acetylcholin, desto öfter verdrängt es das Mittel. Drittens: Mehr Rezeptoren tragen wieder Acetylcholin, mehr Kanäle öffnen sich, Natrium strömt ein. Die Endplattenpotentiale reichen wieder über die Schwelle, die Muskelfasern bilden Aktionspotentiale, und die Muskeln arbeiten wieder.
Merk dir drei Dinge (11:21)
Das war die Synapse. Merk dir drei Dinge. Erstens: Calcium strömt ein, die Bläschen schütten den Transmitter aus. Zweitens: Drüben öffnet er Kanäle, bleibt aber selbst draußen. Drittens: Danach wird er abgebaut oder zurückgeholt, damit das Signal endet. Das Quiz und den Lernzettel zu diesem Video findest du kostenlos auf achtmalklug punkt de. Ach, und der Zettel aus der Mathestunde? Lesen, nicken, zerreißen. Machen deine Synapsen genauso. Bleib neugierig.
