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Die Übertragung von Impulsen von Zelle zu Zelle findet an speziellen Strukturen, den Synapsen, statt. Neben elektrischen Synapsen, die Verbindungen durch Ionendiffusionen herstellen, sind auch und vor allem die chemischen bekannt.
Grundsätzlich bestehen Synapsen aus dem präsynaptischen Element (zumeist ein Axon), dem synaptischen Spalt, und dem postsynaptischen Element (meist ein Dendrit).
An den Synapsen erfolgt die Übertragung des Impulses meist auf chemischem Wege:
Der ankommende Impuls veranlaßt das synaptische Endknöpfchen, sogenannte Transmittermoleküle, allen voran Acetylcholin und auch Noradrenalin, auszuschütten. Mit dem Eintreffen des Aktionspotentials öffnen sich im synaptischen Knöpfchen durch die sofort stattfindende Depolarisation Ca++-Kanäle. Die einströmenden Ionen veranlassen die Ausschüttung von Neurotransmittern; die Ca++-Ionen werden sofort chemisch gebunden. Diese Stoffe befinden sich in Vesikeln, mit deren Hilfe sie sowohl gespeichert, als auch rasch in den synaptischen Spalt entleert werden können. Auf ein Zeichen hin bewegt sich die membranartige Hülle in Richtung des synaptischen Spaltes. Dort verschmilzt die Hülle des Transportvesikels mit der Zellmembran und der Inhalt ergießt sich in den synaptischen Spalt. Dieser Vorgang der Verschmelzung und Entleerung nennt man Exozytose.
Die Neurotransmitter diffundieren in weniger als 100 µs durch den 0.2 nm breiten Spalt und reagieren mit der postsynaptischen Membran.
Rezeptoren an der postsynaptischen Membran registrieren die ausgeschütteten Neurotransmitter und öffnen Ionenkanäle. Diese komplexen Proteine werden deswegen neurotransmitter-kontrollierte Ionenkanäle genannt, weil ihnen die Reaktion mit Neurotransmittern und das Vorhandensein von Ionenkanälen gemein ist. Durch die Andockung des Transmittermoleküls ändert das Molekül seine Konformation, wodurch die Kanalkomponente eine Passage des ausgewählten Ions ermöglicht. Das Molekül des Acetylcholinrezeptors ist aus fünf weiter unterteilbaren Untereinheiten aufgebaut, von denen zwei mit Acetylcholin besetzt werden müssen, um den Kanal zu öffnen.
Ein weiterer interessanter Aspekt des Moleküls ist seine offenbare Lernfähigkeit:
Das Molekül ist in der Lage, seine Konformation so abzuändern, daß es auf den Botenstoff verschieden stark anspricht. Einerseits ist diese Fähigkeit ein Schutz vor Übererregung, andererseits kann das Molekül wahrscheinlich die Signalübertragung an der Synapse steigern oder drosseln, was einem Lernprozeß gleichkäme.
Das freigesetzte Acetylcholin bewirkt zumeist eine Öffnung des Ionenkanals für eine Dauer von etwa 1 ms. Der Inhalt eines präsynaptischen Transportvesikels öffnet ungefähr 2000 Kanäle; im Falle einer motorischen Endplatte strömen je etwa zwanzigtausend Na+-Ionen in die Muskelzelle.
Man unterscheidet ferner zwei Arten von chemischen Synapsen: Erregende und hemmende:
Wenn Kationen die Ionenkanäle passieren und eine positive Ladung im postsynaptischen Element initiieren, handelt es sich um erregende Synapsen. Hier wird ein Aktionspotential durch die Veränderung des Ruhepotentials in positiver Richtung erzeugt.
Hemmende Synapsen hingegen schleusen positive Ionen aus dem Zellinneren heraus oder bringen negative Ionen ins Innere. Da das einer Initialisierung eines Aktionspotentials entgegenwirkt, ist hier von hemmenden Synapsen die Rede.
Durch die eindeutige Unterscheidung von prä- und postsynaptischem Element läßt sich eine klare Richtung der Impulsleitung bestimmen.
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