Этапы функционирования химической синаптической передачи. Структура и функция синапса. Классификации синапсов. Химический синапс, медиатор
Мышечную и железистую клетку передается посредством специального структурного образования — синапса.
Синапс — структура, обеспечивающая проведение сигнала от одной к другой. Термин был введен английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 г.
Строение синапса
Синапсы состоят из трех основных элементов: пресинаптической мембраны, постсинаптической мембраны и синаптической щели (рис. 1).
Рис. 1. Строение синапса: 1 — микротрубочки; 2 — митохондрии; 3 — синаптические пузырьки с медиатором; 4 — пресинаптическая мембрана; 5 — постсинаптическая мембрана; 6 — рецепторы; 7 -синаптическая щель
Некоторые элементы синапсов могут иметь и другие названия. Например, синаптическая бляшка — это синапс между , концевая пластинка — постсинаптическая мембрана , моторная бляшка — пресинаптическое окончание аксона на мышечном волокне.
Пресинаптическая мембрана покрывает расширенное нервное окончание, которое представляет собой нейросекреторный аппарат. В пресинаптической части находятся пузырьки и митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора. Медиаторы депонируются в гранулах (пузырьках).
Постсинаптическая мембрана - утолщенная часть мембраны клетки, с которой контактирует пресинаптическая мембрана. Она имеет ионные каналы и способна к генерации потенциала действия. Кроме того, на ней расположены специальные белковые структуры — рецепторы, воспринимающие действие медиаторов.
Синаптическая щель представляет собой пространство между пресинаптической и постсинаптической мембранами, заполненное жидкостью, близкой по составу к .
Рис. Строение синапса и процессы, осуществляемые в ходе синаптической передачи сигнала
Виды синапсов
Синапсы классифицируются по местоположению, характеру действия, способу передачи сигнала.
По месту положения выделяют нервно-мышечные синапсы, нервно-железистые и нейро-нейрональные; последние, в свою очередь, делятся на аксо-аксональные, аксо-дендритические, аксо-соматические, дендро-соматические, дендро-дендротические.
По характеру действия на воспринимающую структуру синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими.
По способу передачи сигнала синапсы делятся на электрические, химические, смешанные.
Таблица 1. Классификация и виды синапсов
Классификация синапсов и механизм передачи возбуждения
Синапсы классифицируют следующим образом:
- по местоположению — периферические и центральные;
- по характеру их действия — возбуждающие и тормозящие;
- по способу передачи сигналов — химические, электрические, смешанные;
- по медиатору, с помощью которого осуществляется передача, — холинергические, адренергические, серотонинергические и т.д.
В возбуждение передается с помощью медиаторов (посредников).
Медиаторы — молекулы химических веществ, которые обеспечивают передачу возбуждения в синапсах. Другими словами химические вещества, участвующие в передаче возбуждения или торможения от одной возбудимой клетки к другой.
Свойства медиаторов
- Синтезируются в нейроне
- Накапливаются в окончании клетки
- Выделяются при появлении иона Са2+ в пресинаптическом окончании
- Оказывают специфическое действие на постсинаптическую мембрану
По химическому строению медиаторы можно подразделить на амины (норадреналин, дофамин, серотонин), аминокислоты (глицин, гамма-аминомасляная кислота) и полипептиды (эндорфины, энкефалины). Ацетилхолин известен в основном как возбуждающий медиатор и содержится в различных отделах ЦНС. Медиатор находится в пузырьках пресинаптического утолщения (синаптической бляшки). Медиатор синтезируется в клетках нейрона и может ресинтезироваться из метаболитов его расщепления в синаптической щели.
При возбуждении терминалей аксона происходит деполяризация мембраны синаптической бляшки, вызывающая поступление ионов кальция из внеклеточной среды внутрь нервного окончания через кальциевые каналы. Ионы кальция стимулируют перемещение синаптических пузырьков к пресинаптической мембране, их слияние с ней и последующий выход медиатора в синаптическую щель. После проникновения в щель медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, содержащей на своей поверхности рецепторы. Взаимодействие медиатора с рецепторами вызывает открытие натриевых каналов, что способствует деполяризации постсинаптической мембраны и возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала. В нервно-мышечном синапсе этот потенциал называется потенциалом концевой пластинки. Между деполяризованной постсинаптической мембраной и соседними с ней поляризованными участками этой же мембраны возникают местные токи, которые деполяризуют мембрану до критического уровня с последующей генерацией потенциала действия. Потенциал действия распространяется по всем мембранам, например, мышечного волокна и вызывает его сокращение.
Выделившийся в синаптическую щель медиатор связывается с рецепторами постсинаптической мембраны и подвергается расщеплению соответствующим ферментом. Так, холинэстераза разрушает медиатор ацетилхолин. После этого некоторое количество продуктов расщепления медиатора поступает в синаптическую бляшку, где из них снова ресинтезируется ацетилхолин.
В организме имеются не только возбуждающие, но и тормозные синапсы. По механизму передачи возбуждения они сходны с синапсами возбуждающего действия. В тормозных синапсах медиатор (например, гамма-аминомасляная кислота) связывается с рецепторами постсинаптической мембраны и способствует открытию в ней . При этом активизируется проникновение этих ионов внутрь клетки и развивается гиперполяризация постсинаптической мембраны, обусловливающая возникновение тормозного постсинаптического потенциала.
В настоящее время выяснено, что один медиатор может связываться с несколькими различными рецепторами и индуцировать различные реакции.
Химические синапсы
Физиологические свойства химических синапсов
Синапсы с химической передачей возбуждения обладают определенными свойствами:
- возбуждение проводится в одном направлении, так как медиатор выделяется только из синаптической бляшки и взаимодействует с рецепторами на постсинаптической мембраны;
- распространение возбуждения через синапсы происходит медленнее, чем по нервному волокну (синаптическая задержка);
- передача возбуждения осуществляется с помощью специфических медиаторов;
- в синапсах изменяется ритм возбуждения;
- синапсы способны утомляться;
- синапсы обладают высокой чувствительностью к различным химическим веществам и гипоксии.
Одностороннее проведение сигнала. Сигнал передается только от пресинаптической мембраны к постсинаптической. Это вытекает из особенностей строения и свойств синаптических структур.
Замедленная передача сигнала. Обусловлена синаптической задержкой в передаче сигнала с одной клетки на другую. Задержка вызывается временными затратами на процессы выброса медиатора, его диффузии к постсинаптической мембране, связывания с рецепторами постсинаптической мембраны, деполяризации и преобразования постсинаптического потенциала в ПД (потенциал действия). Длительность синаптической задержки колеблется от 0,5 до 2 мс.
Способность к суммации эффекта от приходящих к синапсу сигналов. Такая суммация проявляется, если последующий сигнал приходит к синапсу через короткое время (1- 10 мс) после предыдущего. В таких случаях амплитуда ВПСП возрастает и на постсинаптическом нейроне может генерироваться большая частота ПД.
Трансформация ритма возбуждении. Частота нервных импульсов, приходящих к пресинаптической мембране, обычно не соответствует частоте ПД, генерируемых постсинаптическим нейроном. Исключение составляют синапсы, передающие возбуждение с нервного волокна на скелетную мышцу.
Низкая лабильность и высокая утомляемость синапсов. Синапсы могут проводить 50-100 нервных импульсов в секунду. Это в 5-10 раз меньше, чем максимальная частота ПД, которую могут воспроизводить нервные волокна при их электростимуляции. Если нервные волокна считаются практически неутомляемыми, то в синапсах утомление развивается весьма быстро. Это происходит из-за истощения запасов медиатора, энергетических ресурсов, развития стойкой деполяризации постсинаптической мембраны и т.д.
Высокая чувствительность синапсов к действию биологически активных веществ, лекарственных препаратов и ядов. Например, яд стрихнин блокирует функцию тормозных синапсов ЦНС, связываясь с рецепторами, чувствительными к медиатору глицину. Столбнячный токсин блокирует тормозные синапсы, нарушая выделение медиатора из пресинаптической терминали. В обоих случаях развиваются опасные для жизни организма явления. Примеры действия биологически активных веществ и ядов на передачу сигналов в нервно-мышечных синапсах рассмотрены выше.
Свойства облегчения и депрессии синоптической передачи. Облегчение синаптической передачи имеет место, когда нервные импульсы поступают к синапсу через короткое время (10-50 мс) друг за другом, т.е. достаточно часто. При этом в течение некоторого промежутка времени каждый последующий ПД, приходящий к пресинаптической мембране, вызывает увеличение содержания медиатора в синаптической щели, возрастание амплитуды ВПСП и увеличение эффективности синаптической передачи.
Одним из механизмов облегчения является накопление ионов Са 2 в пресинаптической терминали. Для удаления кальциевым насосом порции кальция, вошедшей в синаптическую терминаль при поступлении ПД, необходимо несколько десятков миллисекунд. Если в это время приходит новый потенциал действия, то новая порция кальция входит в терминаль и ее эффект на высвобождение нейромедиатора складывается с остаточным количеством кальция, которое кальциевый насос не успел удалить из нейроплазмы терминали.
Имеются и другие механизмы развития облегчения. Этот феномен в классических руководствах по физиологии называют также посттетанической потенциацией. Облегчение синаптической передачи имеет значение в функционировании механизмов памяти, для образования условных рефлексов и обучения. Облегчение передачи сигналов лежит в основе развития пластичности синапсов и улучшения их функций при частой активации.
Депрессия (угнетение) передачи сигналов в синапсах развивается при поступлении очень частых (для нервно-мышечного синапса более 100 Гц) нервных импульсов к пресинаптической мембране. В механизмах развития явления депрессии имеют значение истощение запасов медиатора в пресинаптической терминали, снижение чувствительности рецепторов постсинаптической мембраны к медиатору, развитие стойкой деполяризации постсинаптической мембраны, затрудняющих генерацию ПД на мембране постсинаптической клетки.
Электрические синапсы
Кроме синапсов с химической передачей возбуждения в организме есть синапсы с электрической передачей. Эти синапсы имеют очень узкую синаптическую щель и пониженное электрическое сопротивление между двумя мембранами. Благодаря наличию поперечных каналов между мембранами и низкому сопротивлению, электрический импульс легко проходит через мембраны. Электрические синапсы обычно характерны для однотипных клеток.
В результате воздействия раздражителя пресинаптический потенциал действия раздражает постсинаптическую мембрану, где возникает распространяющийся потенциал действия.
Характеризуются большей скоростью проведения возбуждения по сравнению с химическими синапсами и низкой чувствительностью к воздействию химических веществ.
Электрические синапсы бывают с одно- и двусторонней передачей возбуждения.
В организме встречаются и электрические тормозные синапсы. Тормозное влияние развивается за счет действия тока, который вызывает гиперполяризацию постсинаптической мембраны.
В смешанных синапсах может происходить передача возбуждения с помощью как электрических импульсов, так и медиаторов.
Схема процесса передачи нервного сигнала в химическом синапсе
Подавляющее большинство синапсов в нервной системецарства животных являются именно химическими. Для них характерно наличие нескольких общих черт, хотя, тем не менее, размеры и форма пре- и постсинаптических компонентов варьируют очень широко. Синапсы в коре головного мозга млекопитающих имеют претерминальныеаксоны около 100 нанометров толщиной и пресинаптические бутоны со средним диаметром около 1 микрометра.
Химический синапс состоит из двух частей:пресинаптической , образованной булавовидным расширением окончанием аксона передающей клетки ипостсинаптической , представленной контактирующим участком плазматической мембраны воспринимающей клетки. Между обеими частями имеется синаптическая щель - промежуток шириной 10-50 нм между постсинаптической и пресинаптической мембранами, края которой укреплены межклеточными контактами.
Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной . Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположной стороны, называется постсинаптической мембраной , в химических синапсах она рельефна и содержит многочисленные рецепторы.
В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, так называемые пресинаптические или синаптические пузырьки , содержащие либо медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения), либо фермент, разрушающий этот медиатор. На постсинаптической, а часто и на пресинаптической мембранах присутствуютрецепторы к тому или иному медиатору.
Одинаковый размер пресинаптических пузырьков во всех исследованных синапсах (40-50 нанометров) сначала считали доказательством того, что каждая везикула является минимальным кластером, чье освобождение требуется для производства синаптического сигнала. Везикулы размещаются напротив пресинаптической мембраны, что обусловлено их функциональным назначением для высвобождения медиатора в синаптическую щель. Также около пресинаптического пузырька имеется большое количество митохондрий (производящихаденозинтрифосфат) и упорядоченные структуры протеиновых волокон.
Синаптическая щель - это пространство между пресинаптическим пузырьком и постсинаптической мембраной от 20 до 30 нанометров шириной, которое содержит связующие пре- и постсинапс структуры, построенные изпротеогликана. Ширина синаптической щели в каждом отдельном случае обусловлена тем, что извлеченный из пресинапса медиатор должен проходить к постсинапсу за время, являющееся значительно меньше частоты нервных сигналов, характерных для нейронов, образующих синапс (время прохождения медиатора от пре- к постсинаптической мембране - порядка нескольких микросекунд).
Постсинаптическая мембрана принадлежит клетке, которая принимает нервные импульсы. Механизмом трансляции химического сигнала медиатора в электрический потенциал действия на этой клетке являютсярецепторы - белковые макромолекулы, встроенные в постсинаптическую мембрану.
С помощью специальных ультрамикроскопичекских методик в последние годы был получен достаточно большой объем информации о детальной структуре синапсов.
Так, на пресинаптической мембране была открыта упорядоченная струтура кратероподобных углублений диаметром 10 нанометров, вдавленных внутрь. Сначала их именовали синаптопорами, но сейчас эти структуры называют местами присоединения везикул (МПВ). МПВ собраны в упорядоченные группы численностью по шесть отдельных углублений вокруг так называемых уплотненных выступлений. Таким образом, уплотненные выступления формируют правильные треугольные структуры на внутренней стороне пресинаптической мембраны, а МПВ - гексагональные, и являются местами, где везикулы открываются и выбрасывают медиатор в синаптическую щель.
Структура электрического синапса:
Структура электрических синапсов изучена с помощью электронной микроскопии и других методов.
В отличие от химического синапса, синаптическая щель в электрическом синапсе чрезвычайно узка.Через синаптическую щель данного типа синапсов проходят пространственно упорядоченные белковые каналы с гидрофильной порой, каждый примерно 5 нанометров в диаметре, которые перфорируют пре- и постсинаптическую мембрану и называются коннексонами. У первичноротых организмов (нематоды,моллюски, членистоногие) коннексоны сформированы белками паннексинами (англ.) или иннексинами (англ.); увторичноротых (асцидии, позвоночные) коннексоны построены из белков другого типа - коннексинов, которые кодируются другой группой генов. У иглокожих пока не обнаружены ни паннексины, ни коннексины; возможно, у них имеется еще одно семейство белков, формирующих щелевые контакты и электрические синапсы
У позвоночных есть и паннексины, и коннексины. Но до сих пор у позвоночных не выявлено ни одного электрического синапса, где межклеточные каналы были бы сформированы паннексинами.
Через коннексины (или паннексины), связывающие пре- и постсинаптический нейроны, проходят ионы и малые молекулы, в том числе искусственно введенные в клетку флуоресцентные красители. Проход указанных красителей через электрический синапс может быть зарегистрирован даже с помощью светового микроскопа.
Электрические синапсы позволяют осуществлять электрическую проводимость в обоих направлениях (в отличие от химических); тем не менее, в последнее время у некоторых ракообразных были открыты выпрямляющие электрические синапсы, то есть такие, которые позволяют осуществлять прохождение нервного сигнала только в одном направлении.
Строение и функции нервно-мышечного синапса:
Основной структурной единицей нервной системы является нейрон, специализированными функциями которого являются прием, первичная обработка и передача информации. Типичные двигательные нейроны имеют 5-7 отростков, или дендритов, и длинный волокнистый отросток - аксон, который покрыт миелином (оболочкой белково-липидного комплекса).
Моторный аксон, подходя к мышце, теряет миелиновую оболочку и делится на терминальные веточки, каждая из которых подходит к отдельному мышечному веретену. Нервная клетка вместе с сарколеммой мышечного волокна образует структуру, которую называют нервно-мышечным синапсом. Оголенная часть нерва, обращенная к поверхности мышечного волокна, - это пресинаптическая мембрана; оголенная часть мышечного волокна - это пост-синаптическая мембрана; микропространство между этими мембранами - это синаптичес-кая щель. Поверхность мышечного волокна образует множественные контактные складки, на которых расположены N-холинореиепторы.
В пресинаптических структурах синтезируется основная часть ацетилхолина (АХ). Синтез происходит путем переноса ацетильной группы с коэнзима А на холин при участии фермента холинацетилазы. Ацетилхолин депонируется в виде так называемых синаптических везикул, которые представляют собой заготовленные кванты этого медиатора. С помощью ацетилхолина происходит переход возбуждения с нерва на скелетную мышцу.
Химический механизм проведения возбуждения содержит элементы элекгро-физиологических явлений. В покое постсинаптическая мембрана находится в состоянии статической поляризации: ее внутренняя поверхность электроотрицательная по отношению к внешней. Электростатическая разница между ними составляет около 90 мВ. При возникновении импульса развивается потенциал действия в нервном окончании: высвобождаются ионы Са++, которые соединяясь с протеинами способствуют высвобождению ацетилхолина из везикул. В каждом терминале аксона имеется до 200 таких везикул, которые содержат около 10 ООО молекул ацетилхолина.
В синаптической щели ацетилхолин вступает в связь со специализированными участками постсинаптической мембраны - холинергическими рецепторами. Большинство этих рецепторов расположены на внутренней поверхности контактных складок. Постсинаптическая мембрана содержит никотиновые АХ-рецепторы, мембрана которых состоит из протеинов с молекулярным весом 250 000 Дт. Соединение первой а-субъединицы с ацетилхолином увеличивает сродство последнего со второй сс-субъединицей. Этот механизм обеспечивает положительную обратную связь для высвобождения трансмиттера во время высокой активности нервно-мышечного синапса.
Содержащийся в синаптической зоне фермент ацетилхолинэстераза быстро прекращает действие ацетилхолина. Он гидролизируется на холин и уксусную кислоту.
- это специализированная структура, обеспечивающая межклеточную передачу сигналов электрической и (или) химической природы.
С помощью синапсов передается информация от рецепторных клеток на дендриты чувствительных нейронов, с одной на другую, с нервной клетки на волокно скелетной мышцы, железистые и другие эффекторные клетки. Через синапсы могут оказываться возбуждающие или тормозные влияния на клетки, активироваться или подавляться их метаболизм и другие функции.
Термин «синапс» ввел И. Шеррингтон в 1897 г. В настоящее время синапсами называют специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками (нервными, мышечными, секреторными), служащие для передачи и преобразования нервных импульсов.
Строение синапса
Электронно-микроскопические исследования выявили, что синапсы имеют три основных элемента: пресинаптическую мембрану, постсинаптическую мембрану и синаптическую щель (рис. 1).
Передача информации через синапс может осуществляться химическим или электрическим путем. Смешанные синапсы сочетают химические и электрические механизмы передачи.
Рис. 1. Основные элементы синапса
Виды синапсов
По механизму передачи возбуждения синапсы подразделяют на электрические и химические.
Электрические синапсы образуются между клетками, формирующими между мембранами плотные щелевые контакты. Ширина щели составляет около 3 нм, и между контактирующими мембранами образуются общие ионные каналы с диаметром поры около 1-2 нм. Через эти каналы и осуществляется передача информации с помощью электрических ионных токов. Через каналы электрических синапсов клетки могут обмениваться также небольшими по размеру сигнальными молекулами органической природы. Названные вещества способны перемещаться в электрических синапсах с большой скоростью в обоих направлениях, и переносимая с их помощью информация также может передаваться в обоих направлениях (в отличие от химических синапсов).
Электрические синапсы имеются уже в эмбриональном мозге и остаются наряду с химическими синапсами в зрелой позвоночных.
Ионные токи, перемещающиеся из пресинаптического нейрона в постсинаптический, вызывают на его мембране колебания разности потенциалов — постинаптический потенциал амплитудой около 1 мВ и могут вызвать генерацию на ней ПД. В свою очередь возникший ПД может вызвать обратный ток ионов через каналы щелевых контактов к пресинаптическому нейрону и становится источником модуляции разности потенциалов на его мембране. Нейрон может формировать щелевые контакты (электрические синапсы) с рядом других нейронов, поэтому практически одновременное протекание ионных токов между ними способствует синхронизации активности группы нервных клеток, связанных этими синапсами. Электрические синапсы чаще выявляются в областях мозга, в которых регистрируется высоко синхронизированная нейронная активность.
Как уже упоминалось ранее, ионные каналы щелевых контактов имеются не только между нервными, но и между глиальными клетками, между гладкими миоцитами, между кардиомиоцитами, между железистыми клетками.
Химические синапсы образуются специализированными структурами двух клеток в области их контакта (рис. 2). Одной из этих клеток, которую называют пресинаптической, обычно является нервная клетка, но ею может быть и специализированная чувствительная клетка иной природы (например, сенсоэпителиальная слуховая или вкусовая клетка, гломусные клетки аортального тельца). Пресинаптическая нервная клетка обычно формирует синапс на другой клетке с помощью мембраны нервного окончания (аксона). В этом случае окончание аксона называют пресинаптической, или аксонной, терминально.
Часть мембраны окончания, обращенную в сторону постсинаптической клетки, называют пресинаптической . Клетку, на которой формируется синаптический контакт, называют постсинаптической , а часть плазматической мембраны клетки, обращенную к пресинаптической мембране, — постсинаптической .
Узкое щелевидное пространство, разделяющее пресинаптическую и постсинаптическую мембраны, называют синаптической щелью (см. рис. 2.). Таким образом, для химических синапсов общими структурными элементами являются пресинаптическая часть (нервное окончание и пресинаптическая мембрана), синаптическая щель, постсинаптическая часть (постсинаптическая мембрана).
Рис. 2. Строение синапса и процессы, осуществляемые в ходе синаптической передачи сигнала
Химические синапсы могут образовываться между двумя нервными клетками с участием отростков и тела клетки. В зависимости от структур нейронов, образующих синаптическое соединение, синапсы делят на аксосоматические, аксоаксональные, аксодендритные, дендродендритные. Синапсы, располагающиеся в пределах ЦНС, называют центральными, а находящиеся вне ЦНС — периферическими. Периферические синапсы передают сигналы нервных волокон на эффекторные органы (мышечные волокна, железистые клетки).
Химические синапсы
Химический синапс - межклеточное образование, которое обеспечивает передачу сигнала с помощью химического посредника-медиатора.
Передача информации в химических синапсах осуществляется через синаптическую щель — область внеклеточного пространства шириной 10-50 нм, разделяющую пре- и постсинаптические мембраны клеток. В пресинаптическом окончании содержатся синаптические везикулы (рис. 3) — мембранные пузырьки диаметром около 50 нм, в каждом из которых заключено 1 . 10 4 — 5 . 10 4 молекул медиатора. Общее количество таких пузырьков в пресинаптических окончаниях составляет несколько тысяч. Цитоплазма синаптической бляшки содержит митохондрии, гладкий эндоплазматический ретикулум, микрофиламенты.
Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, «склеивающим» пре- и постсинаптическую мембраны.
Постсинаптическая мембрана содержит крупные белковые молекулы, выполняющие функции рецепторов, чувствительных к медиатору, а также многочисленные каналы и поры, через которые в пост- синаптический нейрон могут поступать ионы.
Рис. 3. Строение химического синапса
Характеристика химического синапса
- Принцип «физиологического клапана»
- При участии посредника-медиатора
- Синаптическая задержка
- Принцип Дейла
- Трансформация ритма возбуждения
- Синаптическое облегчение и депрессия
- Утомляемость
- Явление суммации, подчинение закону силы
- Низкая лабильность
- Чувствительность к химическим факторам
Передача информации в химических синапсах
При поступлении потенциала действия к пресинаптическому окончанию происходит деполяризация пресинаптической мембраны и повышается ее проницаемость для ионов Са 2+ (рис. 4). Повышение концентрации ионов Са 2+ в цитоплазме синаптической бляшки инициирует экзоцитоз везикул, наполненных медиатором.
Содержимое везикул высвобождается в синаптическую щель, и часть молекул медиатора диффундирует, связываясь с рецептор- ными молекулами постсинаптической мембраны. В среднем каждая везикула содержит около 3000 молекул медиатора, а диффузия медиатора до постсинаптической мембраны занимает около 0,5 мс.
При связывании молекул медиатора с рецептором его конфигурация изменяется, что приводит к открытию ионных каналов и поступлению через постсинаптическую мембрану в клетку ионов, вызывающих развитие потенциала концевой пластинки (ПКП).
Рис. 4. Последовательность событий, происходящих в химическом синапсе от момента возбуждения пресинаптического окончания до возникновения ПД в постсинаптической мембране
ПКП возникает в нервно-мышечных синапсах, в остальных — возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) или тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). ПКП есть результат местного изменения проницаемости постсинаптической мембраны для ионов Na + , К + и СI. ПКП не активирует другие хемовозбудимые каналы постсинаптической мембраны, и его величина зависит от концентрации медиатора, действующего на мембрану: чем больше концентрация медиатора, тем выше (до определенного предела) ПКП (ВПСП и ТПСП). Таким образом, ПКП (ВПСП, ТПСП), в отличие от потенциала действия, градуален. При достижении ПКП (ВПСП) некоторой пороговой величины возникают местные токи между участком деполяризованной постсинаптической мембраны с соседними участками электровозбудимой мембраны, что вызывает генерацию потенциала действия.
Если медиатор вызывает открытие Na + -каналов, то возникает ВПСП (по типу деполяризации); если медиатор открывает К+ и СI- каналы, то развивается ТПСП (по типу гиперполяризационного торможения).
Таким образом, процесс передачи возбуждения через химический синапс может быть схематически представлен в виде следующей цепи явлений: потенциал действия на пресинаптической мембране → поступление ионов Ca 2 i внутрь нервного окончания → освобождение медиатора → диффузия медиатора через синаптическую щель к постсинаптической мембране → взаимодействие медиатора с рецептором → активация хемовозбудимых каналов постсинаптической мембраны возникновение потенциала концевой пластинки (ВПСП) критическая деполяризация постсинаптической электровозбудимой мембраны → генерация потенциала действия.
Медиаторы - это биологически активные вещества, посредством которых осуществляются межклеточные взаимодействия в синапсах. К ним относятся ацетилхолин, катехоламины: адреналин, норадре- налин, дофамин; серотонин, гистамин, простагландины, глицин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). ГАМК и глицин — наиболее распространенные медиаторы синаптического торможения.
В 1935 г. Г. Дейлом было сформулировано правило (принцип Дейла), согласно которому каждая нервная клетка выделяет только один определенный медиатор. Поэтому принято обозначать нейроны по типу медиатора, который выделяется в их окончаниях. Так, нейроны, освобождающие ацетилхолин, называются холинергическими, норадреналин — адренергическими, серотонин — серотонинерги- ческими, амины — аминергическими и т.д.
Химические синапсы имеют два общих свойства:
- возбуждение через химический синапс передается только в одном направлении — от пресинаптической мембраны к постсинаптической мембране (одностороннее проведение);
- возбуждение проводится через синапс значительно медленнее, чем по нервному волокну (синаптическая задержка).
Односторонность проведения обусловлена высвобождением медиатора из пресинаптической мембраны и локализацией рецепторов на постсинаптической мембране. Замедление проведения через синапс (синаптическая задержка) возникает вследствие того, что проведение является многоэтапным процессом (секреция медиатора, диффузия медиатора к постсинаптической мембране, активация хеморецепторов, рост ПКП до пороговой величины) и для протекания каждого из перечисленных этапов требуется время. Кроме того, наличие относительно широкой синаптической щели препятствует проведению импульса с помощью локальных токов.
Особенности строения и функционирования электрических синапсов
Электрический синапс — межклеточное образование, которое обеспечивает передачу импульса возбуждения посредством возникновения электрического тока между пресинаптическим и постсинаптическим отделами.
Электрические синапсы широко распространены в нервной системе беспозвоночных, а у млекопитающих встречаются крайне редко. Вместе с тем электрические синапсы у высших животных широко распространены в сердечной мышце, гладкой мускулатуре, в печени, эпителиальной и железистых тканях.
Ширина синаптической щели в электрических синапсах составляет всего 2-4 нм, что значительно меньше, чем в химических синапсах. Важной особенностью электрических синапсов является наличие между пре- и постсинаптической мембранами своеобразных мостиков, образованных белковыми молекулами, - нексусов. Они представляют собой каналы шириной 1-2 нм (рис. 5).
Свойства электрических синапсов
- Быстродействие (значительно превосходит в химических синапсах)
- Слабость следовых эффектов (практически отсутствует суммация последовательных сигналов)
- Высокая надежность передачи возбуждения
- Пластичность
- Одно- и двухсторонность передачи
Рис. 5. Структура электрического синапса. Характерные особенности: узкая (2-4 нм) синаптическая щель и наличие каналов, образованных белковыми молекулами
Благодаря наличию каналов, размеры которых позволяют переходить из клетки в клетку неорганическим ионам и даже небольшим молекулам, электрическое сопротивление такого синапса, получившего название щелевого или высокопроницаемого контакта, оказывается очень низким. Такие условия позволяют пресинаптическому току распространяться на постсинаптическую клетку практически без угасания.
Электрические синапсы обладают рядом специфических функциональных свойств:
- синаптическая задержка практически отсутствует, т.е. интервал между приходом импульса в пресинаптическое окончание и началом постсинаптического потенциала отсутствует;
- в электрических синапсах двустороннее проведение, хотя стереометрические особенности синапса делают проведение в одном направлении более эффективным;
- электрические синапсы, в отличие от химических, могут обеспечить передачу только одного процесса — возбуждения;
- электрические синапсы менее подвержены воздействию различных факторов (фармакологических, термических и т.д.).
Наряду с химическими и электрическими синапсами, у некоторых нейронов имеются так называемые смешанные синапсы. Их главная особенность заключается в том, что электрическая и химическая передача осуществляется параллельно, поскольку щель между пре- и постсинаптической мембранами имеет участки со структурой химического и электрического синапсов.
Синaпс – специализированный контакт между нервными клетками (или нервными и другими возбудимыми клетками), обеспечивающий передачу возбуждения с сохранением его информационной значимости. С помощью синапсов нервные клетки объединяются в нервные сети, которые осуществляют обработку информации. Взаимосвязь между нервной системой и периферическими органами и тканями также осуществляется при помощи синапсов.
Классификация синапсов
По морфологическому принципу синапсы подразделяют на:
нейро-мышечные (аксон нейрона контактирует с мышечной клеткой);
нейро-секреторные (аксон нейрона контактирует с секреторной клеткой);
нейро-нейрональные (аксон нейрона контактирует с другим нейроном):
аксо-соматические (с телом другого нейрона),
аксо-аксональные (с аксоном другого нейрона),
аксо-дендритические (с дендритом другого нейрон).
По способу передачи возбуждения синапсы подразделяют на:
электрические (возбуждение передается при помощи электрического тока);
химические (возбуждение передается при помощи химического вещества):
адренергические (возбуждение передается при помощи норадреналина),
холинергические (возбуждение передается при помощи ацетилхолина),
пептидергические, NO -ергические, пуринергические и т. п.
По физиологическому эффекту синапсы подразделяют на:
возбуждающие (деполяризуют постсинаптическую мембрану и вызывают возбуждение постсинаптической клетки);
тормозные (гиперполяризуют постсинаптическую мембрану и вызывают торможение постсинаптической клетки).
Ультраструктура синапсов
Все синапсы имеют общий план строения (рис. 1).
Конечная часть аксона (синаптическое окончание), подходя к иннервируемой клетке, теряет миелиновую оболочку и образует на конце небольшое утолщение (синаптическую бляшку). Ту часть мембраны аксона, которая контактирует с иннервируемой клеткой, называют пресинаптической мембраной. Синаптическая щель – узкое пространство между пресинаптической мембраной и мембраной иннервируемой клетки, которое является непосредственным продолжением межклеточного пространства. Постсинаптическая мембрана – участок мембраны иннервируемой клетки, контактирующий с пресинаптической мембраной через синаптическую щель.
Особенности ультраструктуры электрического синапса (см. рис. 1):
узкая (около 5 нм) синаптическая щель;
наличие поперечных канальцев, соединяющих пресинаптическую и постсинаптическую мембрану.
Особенности ультраструктуры химического синапса (см. рис. 1):
широкая (20–50 нм) синаптическая щель;
наличие в синаптической бляшке синаптических пузырьков (везикул), заполненных химическим веществом, при помощи которого передается возбуждение;
в постсинаптической мембране имеются многочисленные хемочувствительные каналы (в возбуждающем синапсе – для Nа+ , в тормозном – для Cl – и К +), но отсутствуют потенциалчувствительные каналы.
Механизм передачи возбуждения в электрическом синапсе
Механизм проведения возбуждения аналогичен механизму проведения возбуждения в нервном волокне. Во время развития ПД происходит реверсия заряда пресинаптической мембраны. Электрический ток, возникающий между пресинаптической и постсинаптической мембраной, раздражает постсинаптическую мембрану и вызывает генерацию в ней ПД (рис. 2).
Этапы и механизмы передачи возбуждения
в возбуждающем химическом синапсе
Передача возбуждения в химическом синапсе – сложный физиологический процесс, протекающий в несколько этапов. На пресинаптической мембране осуществляется трансформация электрического сигнала в химический, который на постсинаптической мембране снова трансформируется в электрический сигнал.
Синтез медиатора
Медиатором (посредником) называют химическое вещество, которое обеспечивает одностороннюю передачу возбуждения в химическом синапсе. Некоторые медиаторы (например, ацетилхолин) синтезируются в цитоплазме синаптического окончания, и там же молекулы медиатора депонируются в синаптических пузырьках. Ферменты, необходимые для синтеза медиатора, образуются в теле нейрона и доставляются в синаптическое окончание путем медленного (1–3 мм/сут) аксонного транспорта. Другие медиаторы (пептиды и др.) синтезируются и упаковываются в везикулы в теле нейрона, готовые синаптические пузырьки доставляются в синаптичекую бляшку за счет быстрого (400 мм/сут) аксонного транспорта. Синтез медиатора и образование синаптических пузырьков осуществляется непрерывно.
Секреция медиатора
Содержимое синаптических пузырьков может выбрасываться в синаптическую щель путем экзоцитоза. При опорожнении одного синаптического пузырька в синаптичекую щель выбрасывается порция (квант) медиатора, которая включает около 10000 молекул.
Для активации экзоцитоза необходимы ионы Са++ . В состоянии покоя уровень Са++ в синаптическом окончании низок и выделения медиатора практически не происходит. Приход в синаптическое окончание возбуждения приводит к деполяризации пресинаптической мембраны и открытию потенциалчувствительных Са++ -каналов. Ионы Са++ поступают в цитоплазму синаптического окончания (рис. 3, А,Б) и активируют опорожнение синаптических пузырьков в синаптическую щель (рис. 3, В).
Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны
Молекулы медиатора диффундируют через синаптическую щель и достигают постсинаптической мембраны, где связываются с рецепторами хемочувствительных Na+ -каналов (рис. 3, Г). Присоединение медиатора к рецептору приводит к открытию Na+ -каналов, через которые в клетку входят ионы Na+ (рис. 3, Д). В результате входа в клетку положительно заряженных ионов происходит локальная деполяризация постсинаптической мембраны, которую называют возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) (рис. 3, Е).
Инактивация медиатора
Ферменты, находящиеся в синаптической щели, разрушают молекулы медиатора. В результате происходит закрытие Na+ -каналов и восстановление МП постсинаптической клетки. Некоторые медиаторы (например, адреналин) не разрушаются ферментами, а удаляются из синаптической щели путем быстрого обратного всасывания (пиноцитоза) в синаптическое окончание.
Генерация ПД
В нейро-мышечном синапсе амплитуда единичного ВПСП достаточно велика. Поэтому для генерации ПД в мышечной клетке достаточно прихода одного нервного импульса. Генерация ПД в мышечной клетке происходит в области, окружающей постсинаптическую мембрану.
В нейро-нейрональном синапсе амплитуда ВПСП значительно меньше и недостаточна для того, чтобы деполяризовать мембрану нейрона до КУД. Поэтому для генерации ПД в нервной клетке требуется возникновение нескольких ВПСП. ВПСП, образовавшиеся в результате срабатывания разных синапсов, электротонически распространяются по мембране клетки, суммируются и генерируют образование ПД в области аксонного холмика. Мембрана нейрона в области аксонного холмика обладает низким электрическим сопротивлением и имеет большое количество потенциалчувствительных Na+ -каналов.
Особенности работы тормозного химического синапса
В тормозном химическом синапсе молекулы медиатора, взаимодействуя с рецепторами постсинаптической мембраны, вызывают открытие К+ - и Cl – -хемочувствительных каналов. Вход в клетку Cl– и дополнительная утечка из клетки К+ приводят к гиперполяризации постсинаптической мембраны, которую называют тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП) . Возникшая гиперполяризация, во-первых, снижает возбудимость клетки. Во-вторых, ТПСП может нейтрализовать возникший в другом месте клетки ВПСП.
Свойства синапсов
Сравнительная характеристика свойств электрических и химических синапсов приведена в табл. 1.
Одностороннее проведение возбуждения в химическом синапсе связано с его функциональной асимметрией: молекулы медиатора выделяются только на пресинаптической мембране, а рецепторы медиатора расположены только на постсинаптической мембране.
Высокая утомляемость химического синапса объясняется истощением запасов медиатора. Утомляемость электрического синапса соответствует утомляемости нервного волокна.
Низкая лабильность химического синапса определяется главным образом периодом рефрактерности хемочувствительных каналов на постсинаптической мембране.
Синаптическая задержка – время от момента возникновения возбуждения в пресинаптической мембране до момента возникновения возбуждения в постсинаптической мембране. Относительно длительное время синаптической задержки в химическом синапсе (0,2–0,7 мс) затрачивается на вход Са++ в синаптическое окончание, экзоцитоз, диффузию медиатора.
Чувствительность синапса к внешним воздействиям определяется характером процессов, протекающих в синапсе при передаче возбуждения. Химические синапсы чувствительны к действию химических веществ, влияющих на синтез и секрецию медиатора, взаимодействие медиатора с рецептором.
Таблица 1.Свойства электрических и химических синапсов
Свойство |
Электрические синапсы |
Химические синапсы |
Проведение возбуждения |
двустороннее |
одностороннее |
Утомляемость |
||
Лабильность |
||
Синаптическая задержка |
короткая |
|
Трансформация ритма ПД |
не происходит |
происходит |
Чувствительны к действию |
химических агентов |
Медиаторы и модуляторы синаптической передачи
По химической структуре медиаторы подразделяют на:
моноамины (адреналин, норадреналин, ацетилхолин и др.);
аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глутамат, глицин, таурин);
пептиды (эндорфин, нейротензин, бомбезин, энкефалин и др.);
прочие медиаторы (NO , АТФ).
Амбивалентность действия медиаторов проявляется в том, что один и тот же медиатор в разных синапсах может оказывать различное действие на эффекторную клетку. Результат действия медиатора на постсинаптическую мембрану зависит от того, какие рецепторы и ионные каналы в ней находятся. Если медиатор открывает в постсинаптической мембране Na+ -каналы, то это приводит к развитию ВПСП, если K+ - или Cl – -каналы, то развивается ТПСП. Вследствие этого термины «возбуждающий медиатор» и «тормозный медиатор» неправомерны; следует говорить лишь о возбуждающих и тормозных синапсах.
В синаптическом окончании наряду с медиатором могут синтезироваться и высвобождаться одно или несколько химических веществ. Эти соединения, действуя на постсинаптичекую мембрану, могут повышать или снижать ее возбудимость. Поскольку сами по себе они не могут вызвать возбуждение постсинаптической мембраны, их называют модуляторами синаптической передачи (нейромодуляторами). Большинство нейромодуляторов представляют собой пептиды.
Синапс – это мембранное образование двух (или более) клеток, в котором происходит передача возбуждения (информации) от одной клетки к другой.
Существует следующая классификация синапсов:
1) по механизму передачи возбуждения (и по строению):
Химические;
Электрические (эфапсы);
Смешанные.
2) по выделяемому нейромедиатору:
Адренергические – нейромедиатор норадреналин;
Холинергические – нейромедиатор ацетилхолин;
Дофаминергические – нейромедиатор дофамин;
Серотонинергические – нейромедиатор серотонин;
ГАМК-ергические – нейромедиатор гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)
3) по влиянию:
Возбуждающие;
Тормозные.
4) по местоположению:
Нервно-мышечные;
Нейро-нейрональные:
а) аксо-соматические;
б) аксо-аксональные;
в) аксо-дендрические;
г) дендросоматические.
Рассмотрим три типа синапсов: химический, электрический и смешанный (совмещающий свойства химического и электрического синапсов).
Независимо от типа, синапсы имеют общее черты строения: нервный отросток на конце образует расширение (синаптическую бляшку , СБ); конечная мембрана СБ отлична от других участков мембраны нейрона и носит название пресинаптической мембраны (ПреСМ); специализированная мембрана второй клетки обозначается постсинаптической мембраной (ПостСМ); между мембранами синапса находится синаптическая щель (СЩ, рис. 1, 2).
Рис. 1. Схема строения химического синапса
Электрические синапсы (эфапсы, ЭС) сегодня обнаружены в НС не только ракообразных, но и моллюсков, членистоногих, млекопитающих. ЭС обладают рядом уникальных свойств. Они имеют узкую синаптическую щель (около 2-4 нм), благодаря чему возбуждение может передаваться электрохимическим способом (как по нервному волокну за счет ЭДС) с высокой скоростью и в обоих направлениях : как от ПреСМ мембраны к ПостСМ, так и от ПостСМ к ПреСМ. Между клетками имеются щелевые контакты (коннексусы или коннексоны), образованные двумя белками коннексинами. Шесть субъединиц каждого коннексина формируют каналы ПреСМ и ПостСМ, через которые клетки могут обмениваться низкомолекулярными веществами молекулярной массой 1000-2000 Дальтон. Работа коннексонов может регулироваться ионами Са 2+ (рис. 2).
Рис. 2. Схема электрического синапса
ЭС обладают большей специализацией по сравнению с химическими синапсами и обеспечивают высокую скорость передачи возбуждения . Однако он, по-видимому, лишен возможности более тонкого анализа (регуляции) передаваемой информации.
Химические синапсы доминируют в НС . История их изучения начинается с работ Клода Бернара, который в 1850 г. опубликовал статью «Исследование о кураре». Вот что он писал: «Кураре – сильный яд, приготовляемый некоторыми народностями (большей частью людоедами), обитающими в лесах... Амазонки». И далее, «Кураре сходен с ядом змеи в том отношении, что его можно безнаказанно ввести в пищеварительный тракт человека или животных, в то время как впрыскивание его под кожу или в какую-либо часть тела быстро приводит к смерти. …через несколько мгновений животных ложатся, как будто они устали. Затем дыхание останавливается и их чувствительность и жизнь исчезают, причем животные не издают крика и не проявляют никаких признаков боли». Хотя К.Бернар не пришел к мысли о химической передачи нервного импульса, его классические опыты с кураре позволили этой мысли зародиться. Прошло более полувека, когда Дж. Ленгли установил (1906 г.), что парализующее действие кураре связано с особой частью мышцы, которую он назвал рецептивной субстанцией. Впервые предположение о передаче возбуждения с нерва на эффекторный орган с помощью химического вещества было высказано Т. Элиотом (1904).
Однако окончательно утвердили гипотезу химического синапса только работы Г. Дейла и О. Лёви. Дейл в 1914 г. установил, что раздражение парасимпатического нерва имитируется ацетилхолином. Лёви в 1921 г. доказал, что ацетилхолин выделяется из нервного окончания блуждающего нерва, а в 1926 г. открыл ацетилхолинэстеразу – фермент, разрушающий ацетилхолин.
Возбуждение в химическом синапсе передается с помощью медиатора . Этот процесс включает в себя несколько стадий. Рассмотрим эти особенности на примере ацетилхолинового синапса, который широко распространении в ЦНС, вегетативной и периферической нервной системе (рис. 3).
Рис. 3. Схема функционирования химического синапса
1. Медиатор ацетилхолин (АХ) синтезируется в синаптической бляшке из ацетил-СоА (ацетил-кофермент А образуется в митохондриях) и холина (синтезируется печенью) с помощью ацетилхолинтрансферазы (рис. 3, 1).
2. Медиатор упакован в синаптические везикулы (Кастильо, Катц; 1955 г.). Количество медиатора в одной везикуле составляет несколько тысяч молекул (квант медиатора ). Часть везикул расположена на ПреСМ и готова к высвобождению медиатора (рис. 3, 2).
3. Высвобождается медиатор путем экзоцитоза при возбуждении ПреСМ. Важную роль в разрыве мембран и квантовом высвобождении медиатора играет входящий ток Са 2+ (рис. 3, 3).
4. Высвободившийся медиатор связывается со специфическим белком-рецептором ПостСМ (рис. 3, 4).
5. В результате взаимодействия медиатора и рецептора изменяется ионная проводимость ПостСМ: при открытии Na + каналов происходит деполяризации; открытие K + или Cl - каналов приводит к гиперполяризации (рис. 3, 5).
6 . Вслед за деполяризацией запускаются биохимические процессы в постсинаптической цитоплазме (рис. 3, 6).
7. Рецептор освобождается от медиатора: АХ разрушается ацетилхолинэстеразой (АХЭ, рис. 3. 7).
Обратите внимание, что медиатор в норме взаимодействует со специфическим рецептором с определенной силой и длительностью . Почему кураре - яд? Местом действия кураре как раз является АХ синапс. Кураре более прочно связывается с ацетилхолиновым рецептором и лишает его взаимодействия с медиатором (АХ). Возбуждение с соматических нервов на скелетные мышцы, в том числе с диафрагмального нерва на основную дыхательную мышцу (диафрагму) передается с помощью АХ, поэтому кураре вызывает релаксацию (расслабление) мышц и остановку дыхания (из-за чего, собственно, и наступает смерть).
Отметим основные особенности передачи возбуждения в химическом синапсе .
1. Возбуждение передается с помощью химического посредника – медиатора.
2. Возбуждение передается в одном направлении: от ПреСм к ПостСМ.
3. В химическом синапсе происходит временная задержка в проведении возбуждения, поэтому синапс обладает низкой лабильностью .
4. Химический синапс обладает высокой чувствительностью к действию не только медиаторов, но и других биологически активных веществ, лекарств и ядов.
5. В химическом синапсе происходит трансформация возбуждений: электрохимическая природа возбуждения на ПреСМ продолжается в биохимический процесс экзоцитоза синаптических везикул и связывания медиатора со специфическим рецептором. За этим следует изменение ионной проводимости ПостСМ (тоже электрохимический процесс), который продолжается биохимическими реакциями в постсинаптической цитоплазме.
В принципе, такая многостадийность передачи возбуждения должна иметь весомое биологическое значения. Обратите внимание, что на каждом из этапов возможна регуляция процесса передачи возбуждения. Несмотря на ограниченное количество медиаторов (чуть больше десятка), в химическом синапсе имеются условия для широкого разнообразия в решении судьбы приходящего в синапс нервного возбуждения. Совокупность особенностей химических синапсов объясняет индивидуальное биохимическое разнообразие нервных и психических процессов.
Теперь остановимся на двух важных процессах, протекающих в постсинаптическом пространстве. Мы отметили, что в результате взаимодействия АХ с рецептором на ПостСМ могут развиваться как деполяризация, так и гиперполяризация. От чего же зависит, будет ли медиатор возбуждающим или тормозным? Результат взаимодействия медиатора и рецептора определяется свойствами рецепторного белка (еще одно важное свойство химического синапса – ПостСМ активна по отношению к приходящему к ней возбуждению). В принципе химический синапс – динамическое образование, изменяя рецептор, клетка, принимающая возбуждение, может влиять на его дальнейшую судьбу. Если свойства рецептора таковы, что его взаимодействие с медиатором открывает Na + каналы, то при выделении одного кванта медиатора на ПостСМ развивается локальный потенциал (для нервно-мышечного синапса он носит название миниатюрного потенциала концевой пластинки – МПКП).
Когда же возникает ПД? Возбуждение ПостСМ (возбуждающий постсинаптический потенциал – ВПСП) возникает как результат суммации локальных потенциалов. Можно выделить два типа суммационных процессов . При последовательном выделении нескольких квантов медиатора в одном и том же синапсе (вода и камень точит) возникает временна я суммация . Есликванты медиаторы выделяются одновременно в разных синапсах (на мембране нейрона их может быть несколько тысяч) возникаетпространственная суммация . Реполяризация ПостСМ мембраны происходит медленно и после выделения отдельных квантов медиатора ПостСМ некоторое время находится в состоянии экзальтации (так называемая синаптическая потенциация, рис. 4). Возможно, таким образом, происходит обучение синапса (выделение квантов медиатора в определенных синапсах могут «подготовить» мембрану к решающему взаимодействию с медиатором).
При открытии K + или Cl - каналов на ПостСМ возникает тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП, рис. 4).
Рис. 4. Потенциалы постсинаптической мембраны
Естественно, что в случае развития ТПСП дальнейшее распространение возбуждения может быть остановлено. Другой вариант прекращения процесса возбуждения – пресинаптическое торможение. Если на мембране синаптической бляшки образуется тормозный синапс, то в результате гиперполяризации ПреСМ экзоцитоз синаптических визикул может быть заблокирован.
Второй важный процесс – развитие биохимических реакций в постсинаптической цитоплазме. Изменение ионной проводимости ПостСМ активирует так называемые вторичные мессенджеры (посредники) : цАМФ, цГМФ, Са 2+ -зависимую протеинкиназу, которые, в свою очередь активируют различные протеинкиназы путем их фосфорилирования. Эти биохимические реакции могут «спускаться» вглубь цитоплазмы вплоть до ядра нейрона, регулируя процессы белкового синтеза. Таким образом, нервная клетка может ответить на пришедшее возбуждение не только решением его дальнейшим судьбы (ответить ВПСП или ТПСП, т.е. провести или не провести далее), а изменить количество рецепторов, или синтезировать белок-рецептор с новыми свойствами по отношению к определенному медиатору. Следовательно, еще одно важное свойство химического синапса: благодаря биохимическим процессам постсинаптической цитоплазмы клетка готовится (обучается) к будущим взаимодействиям.
В нервной системе функционируют разнообразные синапсы, которые отличаются медиаторами и рецепторами. Название синапсов определяется медиатором, точнее названием рецептора к конкретному медиатору. Поэтому, рассмотрим классификацию основных медиаторов и рецепторов нервной системы (смотрите так же материал, розданный на лекции!!).
Мы уже отмечали, что эффект взаимодействия медиатора и рецептора определяется свойствами рецептора. Поэтому известные медиаторы, за исключением g-аминомасляной кислоты, могут выполнять функции как возбуждающих, так и тормозных медиаторов.По химической структуре выделяют следующие группы медиаторов.
Ацетилхолин , широко распространен в ЦНС, является медиатором в холинергических синапсах вегетативной нервной системы, а также в соматических нервно-мышечных синапсах (рис. 5).
Рис. 5. Молекула ацетилхолина
Известны два типа холинорецепторов : никотиновые (Н-холинорецепторы ) и мускариновые (М-холинорецепторы ). Название получили по веществам, вызывающим сходный с ацетилхолином эффект в этих синапсах: Н-холиномиметиком является никотин , аМ-холиномиметиком - токсин мухомора Amanita muscaria (мускарин ). Блокатором (холинолитиком) Н-холинорецептора являетсяd-тубокурарин (основной компонент яда кураре), а М-холинолитиком является токсин красавки Atropa belladonna –атропин . Интересно, что свойства атропина давно известно и было время, когда женщины использовали атропин красавки, чтобы вызвать расширение зрительных зрачков (сделать глаза темными и «красивыми»).
Четыре следующих основных медиаторов имеют сходство в химической структуре, поэтому их относят к группе моноаминов . Этосеротонин или 5-гидрокситриптами (5-HT), играет важную роль в механизмах подкрепления (гормон радости). Синтезируется из незаменимой для человека аминокислоты – триптофана (рис. 6).
Рис. 6. Молекула серотонина (5-гидрокситриптамина)
Три других медиатора синтезируются из незаменимой аминокислоты фенилаланина, поэтому объединены общим названиемкатехоламинов – это дофамин (допамин), норадреналин (норэпинефрин) и адреналин (эпинефрин, рис. 7).
Рис. 7. Катехоламины
Среди аминокислот к медиаторам относят гамма-аминомасляную кислоту (g-АМК или ГАМК – известна как только тормозный медиатор), глицин, глутаминовую кислоту, аспарагиновую кислоту.
К медиаторам относят ряд пептидов . В 1931 г. Эйлером в экстрактах мозга и кишечника было обнаружено вещество, вызывающее сокращение гладких мышц кишечника, расширение кровеносных сосудов. Этот медиатор был в чистом виде выделен из гипоталамуса и получил название вещества Р (от англ. powder – порошок, состоит из 11 аминокислот). В дальнейшем установлено, что вещество Р играет важную роль в проведении болевых возбуждений (название не пришлось менять, т.к. боль по англ. - pain).
Пептид дельта сна получил свое название за способность вызывать в электроэнцефалограмме медленные высокоамплитудные ритмы (дельта-ритмы).
В мозге синтезируется целый ряд белковых медиаторов наркотической (опиатной) природы. Это пентапептиды Met-энкефалин иLeu-энкефалин , а также эндорфины . Это важнейшие блокаторы болевых возбуждений и медиаторы подкрепления (радости и удовольствия). Другими словами, наш мозг является отличной фабрикой эндогенных наркотиков. Главное, научить мозг их вырабатывать. «Как?» - спросите вы. Все просто – эндогенные опиаты вырабатываются, когда мы получаем удовольствие. Делайте все с удовольствием, заставляйте свою эндогенную фабрику синтезировать опиаты! Нам от природы с рождения дана эта возможность – подавляющее большинство нейронов реактивны на положительное подкрепление.
Исследования последних десятилетий позволили открыть еще один очень интересный медиатор – оксид азота (NO). Оказалось, что NO не только играет важную роль в регуляции тонуса кровеносных сосудов (известный вам нитроглицерин является источником NO и расширяет коронарные сосуды), но и синтезируется в нейронах ЦНС.
В принципе, история медиаторов еще не закончена, есть целый ряд веществ, которые участвуют в регуляции нервного возбуждения. Просто пока точно не установлен факт их синтеза в нейронах, они не обнаружены в синаптических везикулах, не найдены специфические к ним рецепторы
