Synaptische Struktur und Ultrastruktur

Eine Synapse ist die spezialisierte Verbindungsstelle, an der ein Neuron mit einer Zielzelle kommuniziert. Die chemische Synapse, der dominierende Typ im Säugetiergehirn, ist ultrastrukturell durch ein präsynaptisches Terminal definiert, das mit Neurotransmitter-haltigen Vesikeln gefüllt ist, einen engen synaptischen Spalt und eine postsynaptische Membran, die durch die postsynaptische Dichte verdickt ist. Diese Merkmale, die nur mittels Elektronenmikroskopie sichtbar sind, bilden die strukturelle Grundlage der Neurotransmission.

Definition

Eine Synapse ist eine spezialisierte interzelluläre Verbindungsstelle, an der ein präsynaptisches Neuron ein Signal an eine postsynaptische Zelle überträgt; an einer chemischen Synapse umfasst die Ultrastruktur ein Vesikel-gefülltes präsynaptisches Terminal, einen synaptischen Spalt und eine postsynaptische Dichte.

Scope

Dieses Thema behandelt die Feinstruktur von Synapsen, wie sie mittels Elektronenmikroskopie sichtbar ist: die präsynaptische aktive Zone und synaptische Vesikel, den synaptischen Spalt, die postsynaptische Dichte und die morphologische Unterscheidung von exzitatorischen und inhibitorischen Synapsen (asymmetrisch versus symmetrisch). Es wird auch der Zusammenhang zwischen Vesikel-Docking und Neurotransmitter-Freisetzung beleuchtet. Es handelt sich um einen referenziell-pädagogischen Eintrag, nicht um eine klinische Leitlinie.

Core questions

• Welche ultrastrukturellen Merkmale definieren eine chemische Synapse in der Elektronenmikroskopie?
• Was ist die postsynaptische Dichte und was enthält sie?
• Wie werden exzitatorische und inhibitorische Synapsen morphologisch unterschieden?
• Wie hängt die präsynaptische Ultrastruktur mit der Neurotransmitterfreisetzung zusammen?

Key concepts

• Chemische Synapse
• Präsynaptisches Terminal und aktive Zone
• Synaptische Vesikel
• Synaptischer Spalt
• Postsynaptische Dichte
• Asymmetrische (exzitatorische, Gray Typ I) und symmetrische (inhibitorische, Gray Typ II) Synapsen
• Elektrische Synapse (Gap Junction)

Mechanisms

An einer chemischen Synapse enthält das präsynaptische Terminal Cluster von synaptischen Vesikeln, die an der aktiven Zone angedockt sind; Depolarisation löst eine kalziumabhängige Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran und die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt aus, wo diese zu Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran diffundieren (Südhof, 2013). Die postsynaptische Membran ist durch eine elektronenreiche postsynaptische Dichte gekennzeichnet, die Rezeptoren und Gerüstproteine enthält. Wie Harris und Weinberg (2012) beschreiben, sind exzitatorische Synapsen in der Regel asymmetrisch mit einer prominenten postsynaptischen Dichte (Gray Typ I), und inhibitorische Synapsen sind in der Regel symmetrisch (Gray Typ II). Weniger häufige elektrische Synapsen übertragen Strom direkt über Gap Junctions.

Clinical relevance

Die synaptische Struktur ist die Grundlage dafür, wie synaptischer Verlust und Dysfunktion bei neurodegenerativen und psychiatrischen Erkrankungen untersucht werden und wie viele neuroaktive Medikamente und Toxine im synaptischen Spalt wirken. Dieser Eintrag beschreibt die normale Ultrastruktur zu Bildungszwecken und gibt keine diagnostischen oder therapeutischen Empfehlungen.

History

Sherrington führte den Begriff Synapse um 1897 ein, um die funktionelle Verbindung zwischen Neuronen zu benennen, die aus der Physiologie abgeleitet wurde. Ihre physikalische Realität wurde in den 1950er Jahren bestätigt, als die Elektronenmikroskopie den Spalt, die Vesikel und die Membranspezialisierungen auflöste, und George Grays Klassifikation asymmetrischer und symmetrischer Synapsen die Ultrastruktur mit der Funktion verknüpfte. Nachfolgende molekulare Arbeiten, einschließlich Südhofs Analyse der Vesikelfusion, verbanden diese Struktur mit dem Mechanismus der Transmitterfreisetzung.

Key figures

• Charles Sherrington
• Bernard Katz
• George Gray
• Thomas Südhof

Seminal works

• harris-2012
• sudhof-2013

Frequently asked questions

Warum ist eine Synapse nur mit Elektronenmikroskopie deutlich sichtbar?

Der synaptische Spalt und die Membranspezialisierungen liegen im Bereich von zehn Nanometern, weit unter der Auflösung des Lichtmikroskops, sodass die Vesikel, der Spalt und die postsynaptische Dichte nur mittels Elektronenmikroskopie aufgelöst werden können.

Wie werden exzitatorische und inhibitorische Synapsen strukturell unterschieden?

Exzitatorische Synapsen sind typischerweise asymmetrisch (Gray Typ I) mit einer dicken postsynaptischen Dichte, während inhibitorische Synapsen typischerweise symmetrisch (Gray Typ II) sind, mit prä- und postsynaptischen Dichten ähnlicher Dicke.