Российский государственный химико-технологический университет
им. Д. И. Менделеева
Задание №22.1:
Синапсы, строение, классификация.
Физиологические особенности проведения возбуждения в синапсах.
Выполнил: студент гр. О-36
Щербаков Владимир Евгеньевич
Москва - 2004
Синапс – это морфофункциональное образование ЦНС, которое обеспечивает передачу сигнала с нейрона на другой нейрон или с нейрона на эффекторную клетку (мышечное волокно, секреторную клетку).
Классификация синапсов
Все синапсы ЦНС можно классифицировать следующим образом.
По локализации: центральные (головной и спинной мозг) и периферические (нервномышечный, нейросекреторный синапс вегетативной нервной системы). Центральные синапсы можно в свою очередь разделить на аксо-аксональные, аксо-дендритические (дендритные), аксо-соматические, аксо-шипиковый синапс. (Большинство возбуждающих синапсов локализуется в выростах дендритов, содержащих большое количество актина и называемых шипиками), дендро-дендритические, дендро-соматические и т. п. СогласноГ. Шеперду, различают реципрокные синапсы, последовательные синапсы и синаптические гломерулы (различным способом соединенные через синапсы клетки).
По развитию в онтогенезе: стабильные (например, синапсы дуг безусловного рефлекса) и динамичные, появляющиеся в процессе индивидуального развития.
По конечному эффекту: тормозные и возбуждающие.
По механизму передачи сигнала : электрические, химические, смешанные.
Химические синапсы можно классифицировать:
а)по форме контакта – терминальные (колбообразное соединение) и преходящие (варикозное расширение аксона);
б)по природе медиатора – холинергические (медиатор – ацетилхолин, АХ), адренергические (медиатор – норадреналин, НА), дофаминергические (дофамин), ГАМК-ергические (медиатор – гамма-аминомасляная кислота), глицинергические, глутаматергические, аспартатергические, пептидергические (медиатор – пептиды, например, вещество Р), пуринергические (медиатор – АТФ).
Электрические синапсы. Вопрос о них во многом не ясен. Многие авторы недостаточно четко дифференцируют понятия «электрический синапс» и «нексусы» (в гладких мышцах, в миокарде). В настоящее время признают, что в ЦНС имеются электрические синапсы. С точки зрения морфологии электрический синапс представляет собой щелевидное образование (размеры щели до 2 нм) с ионными мостиками-каналами между двумя контактирующими клетками. Петли тока, в частности при наличии потенциала действия (ПД), почти беспрепятственно перескакивают через такой щелевидный контакт и возбуждают, т. е. индуцируют генерацию ПД второй клетки. В целом, такие синапсы (они называются эфапсами) обеспечивают очень быструю передачу возбуждения. Но в то же время с помощью этих синапсов нельзя обеспечить одностороннее проведение, т. к. большая часть таких синапсов обладает двусторонней проводимостью. Кроме того, с их помощью нельзя заставить эффекторную клетку (клетку, которая управляется через данный синапс) тормозить свою активность. Аналогом электрического синапса в гладких мышцах и в сердечной мышце являются щелевые контакты типа нексуса.
Строение химического синапса (схема на рис.1-А)
По строению химические синапсы представляют собой окончания аксона (терминальные синапсы) или его варикозную часть (проходящие синапсы), которая заполнена химическим веществом – медиатором. В синапсе различают иресинаптический элемент, который ограничен пресинаптической мембраной, постсинаптический элемент, который ограничен постсинаптической мембраной, а также внесинаптическую область и синаптическую щель, величина которой составляет в среднем 50 нм. В литературе существует большое разнообразие в названиях синапсов. Например, синаптическая бляшка – это синапс между нейронами, концевая пластинка – это постсинаптическая мембрана мионеврального синапса, моторная бляшка – это пресинаптическое окончание аксона на мышечном волокне.
Пресинаптическая часть
Пресинаптическая часть – специализированная часть терминали отростка нейрона, где расположены синаптические пузырьки и митохондрии. Пресинаптическая мембрана (плазмолемма) содержит потенциалозависимые Са 2+ -каналы. При деполяризации мембраны каналы открываются, и ионы Са 2+ входят в терминаль, запуская в активных зонах экзоцитоз нейромедиатора.
Синаптические пузьрьки содержат нейромедиатор. Ацетилхолин, аспартат и глутамат находятся в круглых светлых пузырьках; ГАМК, глицин – в овальных; адреналин и нейропептиды – в мелких и крупных гранулярных пузырьках. Слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной происходит при увеличении концентрации Са 2+ в цитозоле нервной терминали. Предшествующий слиянию синаптических пузырьков и плазмолеммы процесс узнавания синаптическим пузырьком пресинаптической мембраны происходит при взаимодействии мембранных белков семейства SNARE (синаптобревин, SNAP-25 и синтаксин).
Активные зоны. В пресинаптической мембране выявлены так называемые активные зоны – участки утолщения мембраны, в которых происходит экзоцитоз. Активные зоны расположены против скоплений рецепторов в постсинаптической мембране, что уменьшает задержку в передаче сигнала, связанную с диффузией нейромедиатора в синаптической щели.
Постсинаптическая часть
Постсинаптическая мембрана содержит рецепторы нейромедиатора, ионные каналы.
Физиологические особенности проведения возбуждения в синапсах
Синаптическая передача – сложный каскад событий. Многие неврологические и психические заболевания сопровождаются нарушением синаптической передачи. Различные лекарственные препараты влияют на синаптическую передачу, вызывая нежелательный эффект (например, галлюциногены) или, наоборот, корригируя патологический процесс (например, психофармакологические средства [антипсихотические препараты]).
Механизм. Синаптическая передача возможна при реализации ряда последовательных процессов: синтез нейромедиатора, его накопление и хранение в синаптических пузырьках вблизи пресинаптической мембраны, высвобождение нейромедиатора из нервной терминали, кратковременное взаимодействие нейромедиатора с рецептором, встроенным в постсинаптическую мембрану; разрушение нейромедиатора или захват его нервной терминалью. (схема на рис. 1.)
Синтез нейромедиатора. Ферменты, необходимые для образования нейроме-диаторов, синтезируются в перикарионе и транспортируются к синаптической терминали по аксонам, где взаимодействуют с молекулярными предшественниками нейромедиаторов.
Хранение нейромедиатора. Нейромедиатор накапливается в нервной терминали, находясь внутри синаптических пузырьков вместе с АТФ и некоторыми катионами. В пузырьке находится несколько тысяч молекул нейромедиатора, что составляет квант.
Квант нейромедиатора. Величина кванта не зависит от импульсной активности, а определяется количеством поступившего в нейрон предшественника и активностью ферментов, участвующих в синтезе нейромедиатора.
Рис. 1. Механизм химической передачи импульсов в нервном синапсе; от А до Д – последовательные этапы поцесса.
Секреция нейромедиатора. Когда потенциал действия достигает нервной терминали, в цитозоле резко повышается концентрация Са 2+ , синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, что приводит к выделению квантов нейромедиатора в синаптическую щель. Незначительное количество нейромедиатора постоянно (спонтанно) секретируется в синаптическую щель.
Взаимодействие нейромедиатора с рецептором. После выброса в синаптическую щель молекулы нейромедиатора диффундируют в синаптической щели и достигают своих рецепторов в постсинаптической мембране.
Удаление нейромедиатора из синаптической щели происходит за счёт диффузии, расщепления ферментом и выведения путём захвата специфическим переносчиком. Кратковременность взаимодействия нейромедиатора с рецептором достигается разрушением нейромедиатора специальными ферментами (например, ацетилхолина – ацетилхолинэстеразой). В большинстве синапсов передача сигналов прекращается вследствие быстрого захвата нейромедиатора пресинаптической терминалью.
Свойства химических синапсов
Односторонняя проводимость – одно из важнейших свойств химического синапса. Асимметрия – морфологическая и функциональная – является предпосылкой для существования односторонней проводимости.
Наличие синаптической задержки: для того, чтобы в ответ на генерацию ПД в области пресинапса выделился медиатор и произошло изменение постсинаптического потенциала (ВПСП или ТПСП), требуется определенное время (синаптическая задержка). В среднем оно равно 0,2–0,5 мс. Это очень короткий промежуток времени, но когда речь идет о рефлекторных дугах (нейронных сетях), состоящих из множества нейронов и синаптических связей, это латентное время суммируется и превращается в ощутимую величину – 300 – 500 мс. В ситуациях, встречающихся на автомобильных дорогах, это время оборачивается трагедией для водителя или пешехода.
Благодаря синаптическому процессу нервная клетка, управляющая данным постсинаптическим элементом (эффектором), может оказывать возбуждающее воздействие или, наоборот, тормозное (это определяется конкретным синапсом).
В синапсах существует явление отрицательной обратной связи – антидромный эффект, Речь идет о том, что выделяемый в синаптическую щель медиатор может регулировать выделение следующей порции медиатора из этого же пресинаптического элемента путем воздействия на специфические рецепторы пресинаптической мембраны. Так, известно, что в адренергических синапсах имеются альфа 2 -адренорецепторы, взаимодействие с которыми (норадреналин связывается с ними) приводит к снижению выделения порции норадреналина при поступлении очередного сигнала к синапсу. На пресинаптической мембране обнаруживаются рецепторы и к другим веществам.
Эффективность передачи в синапсе зависит от интервала следования сигналов через синапс. Если этот интервал до некоторых пор уменьшать (учащать подачу импульса по аксону), то на каждый последующий ПД ответ постсинаптической мембраны (величина ВПСП или ТПСП) будет возрастать (до некоторого предела). Это явление облегчает передачу в синапсе, усиливает ответ постсинаптического элемента (объекта управления) на очередной раздражитель; оно получило название «облегчение» или «потенциация». В основе его лежит накопление кальция внутри пресинапса. Если частота следования сигнала через синапс очень большая, то из-за того, что медиатор не успевает разрушиться или удалиться из синаптической щели, возникает стойкая деполяризация или католическая депрессия – снижение эффективности синаптической передачи. Это явление называется депрессией. Если через синапс проходит много импульсов, то в конечном итоге постсинаптичеркая мембрана может уменьшить ответ на выделение очередной порции медиатора. Это называется явлением десенситизации – утратой чувствительности. В определенной мере десенситизация похожа на процесс рефрактерности (утрата возбудимости). Синапсы подвержены процессу утомления. Возможно, что в основе утомления (временного падения функциональных возможностей синапса) лежат: а) истощение запасов медиатора, б) затруднение выделения медиатора, в) явление десенситизации. Т. о., утомление – это интегральный показатель.
Литература:
1. Агаджанян Н.А., Гель Л.З., Циркин В. И., Чеснокова С.А. ФИЗИОЛОГИЯ
ЧЕЛОВЕКА. - М.: Медицинская книга, Н. Новгород: Издательство НГМА,
2003, глава 3.
2. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология в 3-х томах. Т.2:Пер. англ./Под ред. Р. Сопера. – 2-е изд., стереотипное – М.:Мир, 1996, стр. 254 – 256
3. Гистология
Образуют луковицеобразные утолщения, называемые синаптическими бляшками .
Мембрана синаптической бляшки в области самого синапса утолщена в результате уплотнения цитоплазмы и образует пресинаптическую мембрану . Мембрана дендрита в области синапса тоже утолщена и образует постсинаптическую мембрану . Эти мембраны разделены промежутком - синаптической щелью шириной 10 - 50 нм.
Так как в формировании потенциала покоя мембраны участвуют многие ионы, равновесие может нарушаться посредством изменений проводимости различных ионов. Так, например, при дополнительном выходящем токе ионов К+ или при входящем токе ионов Сl- может увеличиваться потенциал покоя мембраны, это означает что она гиперполяризуется. Гиперполяризация мембраны - противоположность возбуждения, т.е. определенные химические процессы на постсинаптической мембране могут вызывать торможение нейрона. В этой возможности можно видеть существенное эволюционное преимущество химических синапсов перед электрическими синапсами .
Совершенно очевидно, что очень коротко представленные в этом разделе химические процессы могут быть модифицированы посредством других, опять-таки химических, веществ. Это происходит при помощи независимых соединений - нейромодуляторов .
Химические процессы в синапсе открывают широкие возможности для фармакологической регуляции и являются предметом многочисленных исследований с целью поиска эндогенных соединений, способных модифицировать в заданном направлении синаптическую передачу. И действительно, действие многих медикаментов основывается на влиянии на синаптическое проведение. Это относится не только к психотропным и наркотическим веществам . Многие другие, например, понижающие давление ( гипотензивные) средства, также действуют опосредованно через синапсы. Кроме того, многие яды растительного и животного происхождения направленно воздействуют на химический синапс.
В зависимости от того, какие структуры нейрона участвуют в образовании синапса, выделяют аксосоматические, аксодендритные, аксоаксональные и дендродентритные синапсы. Синапс, образованный аксоном мотонейрона и мышечной клеткой называется концевой пластинкой (нервно-мышечное соединение, мионевральный синапс). Непременными структурными атрибутами синапса являются пресинаптическая мембрана, постсинаптическая мембрана и синаптическая щель между ними. Остановимся подробнее на каждой из них.
Пресинаптическая мембрана образована окончанием конечных ветвлений аксона (или дендрита в дендродендритном синапсе). Отходящий от тела нервной клетки аксон покрывается миэлиновой оболочкой, которая сопровождает его на всём протяжении, вплоть до разветвления на конечные терминали. Количество конечных ветвлений аксона может достигать нескольких сотен, а протяженность их, теперь уже лишенных миэлиновой оболочки - до нескольких десятков мкм. Конечные ветвления аксона имеют малый диаметр - 0,5-2,5 мкм, иногда больше. Окончания терминалей в месте контакта имеют разнообразную форму - в виде булавы, сетевидной пластинки, колечка, или могут быть множественными - в виде чашечки, кисти. Конечная терминаль может иметь несколько расширений, контактирующих по ходу движения с разными участками одной клетки или с разными клетками, формируя, таким образом, множество синапсов. Некоторые исследователи подобные синапсы называют касательными.
В месте контакта конечная терминаль несколько утолщается и часть её мембраны, прилегающая к мембране контактируемой клетки образует пресинаптическую мембрану. В зоне конечной терминали, прилегающей к пресинаптической мембране путём электронной микроскопии обнаружено скопление ультраструктурных элементов - митохондрий, число которых колеблется, достигая иногда нескольких десятков, микротрубочек и синаптических пузырьков (везикул). Последние бывают двух видов - агранулярные (светлые) и гранулярные (тёмные). Первые имеют размер 40-50 нм, диаметр гранулярных везикул, как правило, более 70 нм. Их мембрана подобна клеточным и состоит из фосфолипидного бислоя и белков. Большая часть везикул фиксируется на цитоскелете с помощью специфического белка - синапсина, образуя трансмиттерный резервуар. Меньшая часть везикул прикрепляется к внутренней стороне пресинаптической мембраны посредством белка мембраны везикулы - синаптобревина и белка пресинаптической мембраны - синтаксина. Существует две гипотезы относительно происхождения везикул. Согласно одной из них (Хаббард, 1973), они образуются в области пресинаптического окончания из так называемых окаймлённых пузырьков. Последние формируются в углублениях клеточной мембраны пресинаптического окончания и сливаются в цистерны, от которых и отпочковываются везикулы, заполняемые медиатором. Согласно другому взгляду, везикулы как мембранные образования формируются в соме нейрона, пустыми транспортируются по аксону в область пресинаптического окончания и там заполняются медиатором. После выброса медиатора опустошенные везикулы ретроградным аксонным транспортом возвращаются в сому, где деградируются лизосомами.
Синаптические пузырьки наиболее плотно расположены вблизи внутренней поверхности пресинаптичесой мембраны и их количество непостоянно. Везикулы заполнены медиатором, кроме того здесь сосредоточены так называемые котрансмиттеры - вещества белковой природы, играющие существенную роль в обеспечении активности основного медиатора. Малые везикулы содержат низкомолекулярные медиаторы, а большие - белки и пептиды. Показано, что медиатор может находиться и вне везикул. Расчеты показывают, что в нервно-мышечном соединении человека плотность везикул достигает 250-300 на 1 мкм 2 , а общее их количество - около 2-3-х млн. в одном синапсе. В одном пузырьке сосредоточено от 400 до 4-6 тысяч молекул медиатора, что и составляет так называемый «квант медиатора», выделяющийся в синаптическую щель спонтанно или при приходе импульса по пресинаптическому волокну. Поверхность пресинаптической мембраны неоднородна - в ней имеются утолщения, активные зоны, где скапливаются митохондрии и плотность везикул наибольшая. Кроме того, в области активной зоны выявлены потенциалзависимые кальциевые каналы, по которым кальций проходит сквозь пресинаптическую мембрану внутрь пресинаптической зоны конечной терминали. Во многих синапсах в пресинаптическую мембрану встроены так называемые ауторецепторы. При их взаимодействии с выделенными в синаптическую щель медиаторами, выделение последних либо усиливается, либо прекращается в зависимости от типа синапса.
Синаптическа щель - пространство между пресинаптической и постсинаптической мембранами, ограниченная площадью контакта, размер которой для большинства нейронов колеблется в пределах нескольких мкм 2 . Площадь контакта может варьировать в разных синапсах, что зависит от диаметра пресинаптической терминали, формы контакта, характера поверхности контактирующих мембран. Так, для наиболее изученных нервно-мышечных синапсов показано, что площадь контакта одной пресинаптической терминали с миофибриллой может составлять десятки мкм 2 . Размер синаптической щели колеблется от 20 до 50-60 нм. За пределами контакта полость синаптической щели сообщается с межклеточным пространством, таким образом, между ними возможен двухсторонний обмен разными химическими агентами.
Постсинаптическая мембрана представляет собой участок мембраны нейрона, мышечной или железистой клетки, контактирующей с пресинаптической мембраной. Как правило, область постсинаптической мембраны несколько утолщена по сравнению с соседними участками контактируемой клетки. В 1959 году Е.Грей предложил разделить синапсы в коре мозга на два типа. Синапсы 1-го типа имеют более широкую щель, постсинаптическая мембрана у них толще и плотнее, чем у синапсов 2-го типа, уплотненный участок более обширен и занимает большую часть обеих синаптических мембран.
В постсинаптическую мембрану встроены белково-гликолипидные комплексы, выполняющие роль рецепторов, способных связываться с медиаторами и образовывать ионные каналы. Так, ацетилхолиновый рецептор в мионевральном синапсе состоит из пяти субъединиц, которые образуют комплекс с молекулярной массой 5000-30000, пронизывающий мембрану. Расчетным способом показано, что плотность таких рецепторов может составлять до 9 тысяч на мкм 2 поверхности постсинаптической мембраны. Головка комплекса, выступающая в синаптическую щель имеет так называемый «узнающий центр». При связывании с ним двух молекул ацетилхолина ионный канал открывается, его внутренний диаметр становится проходимым для ионов натрия и калия, при этом канал остаётся непроходимым для анионов из-за имеющихся на его внутренних стенках зарядов. Важнейшую роль в процессах синаптической передачи играет мембранный белок, названный G-белком, который в комплексе с гуанинтрифосфатом (ГТФ) активирует ферменты, включающие вторичные мессенджеры - внутриклеточные регуляторы.
Рецепторы постсинаптических мембран находятся в так называемых «активных зонах» синапсов и среди них различают два типа - ионотропные и метаботропные. В ионотропных рецепторах (быстрых) для открытия ионных каналов достаточно их взаимодействия с молекулой медиатора, т.е. медиатор непосредственно открывает ионный канал. Своё название метаботропные (медленные) рецепторы получили в связи с особенностями их функционирования. Открытие ионных каналов в этом случае связано с каскадом метаболических процессов, в которых участвуют различные соединения (белки, в том числе и G-белок, ионы кальция, циклические нуклеотиды - цАМФ и цГМФ, диацетилглицерины), играющие роль вторичных мессенджеров. Метоботропные рецепторы сами по себе не являются ионными каналами; они лишь модифицируют работу расположенных рядом ионных каналов, ионных насосов и других белков посредством непрямых механизмов. К ионотропным относятся рецепторы ГАМК, глицина, глутамата, Н-холинорецепторы. К метаботропным - рецепторы дофамина, серотонина, норадреналина, М-холинорецепторы, некоторые рецепторы ГАМК, глутамата.
Обычно рецепторы располагаются строго в пределах постсинаптической мембраны, поэтому влияние медиаторов возможно только в области синапса. Обнаружено, однако, что небольшое количество рецепторов чувствительных к ацетилхолину имеется и за пределами нервно-мышечного синапса в мембране мышечной клетки. В некоторых условиях (при денервации, отравлении некоторыми ядами) чувствительные к ацетилхолину зоны могут образовываться вне синаптических контактов на миофибрилле, что сопровождается развитием гиперчувствительности мышцы к ацетилхолину.
Рецепторы, чувствительные к ацетилхолину широко распространены также в синапсах ЦНС и в периферических ганглиях. Рецепторы возбуждающего действия разделены на два класса, различающиеся по фармакологическим признакам.
Один из них - класс рецепторов, на которые влияния, сходные с ацетилхолином оказывает никотин, отсюда их название - никотиночувствительные (Н-холинорецепторы), другой класс - чувствительные к мускарину (яд мухомора) названы М-холинорецепторами. В связи с этим синапсы, где основным медиатором служит ацетилхолин, разделяются на группы никотинового и мускаринового типа. Внутри этих групп выделяют много разновидностей в зависимости от месторасположения и особенностей функционирования. Так, синапсы с Н-холинорецепторами описаны во всех скелетных мышцах, в окончаниях преганглионарных парасимпатических, и симпатических волокон, в мозговом слое надпочечников, а мускариновые синапсы - в ЦНС, гладких мышцах (в синапсах, образованных окончаниями парасимпатических волокон), в сердце.
В большинстве синапсов нервной системы для передачи сигналов от пресинаптического нейрона на постсинаптический используются химические вещества - медиаторы или нейротрансмиттеры. Химическая передача сигналов осуществляется посредством химических синапсов (рис. 14), включающих мембраны пре- и постсинаптических клеток и разделяющую их синаптическую щель - область внеклеточного пространства шириной около 20 нм.
Рис.14. Химический синапс
В области синапса аксон обычно расширяется, образуя т.н. пресинаптическую бляшку или концевую пластинку. В пресинаптическом окончании содержатся синаптические везикулы - окруженные мембраной пузырьки диаметром порядка 50 нм, в каждом из которых заключено 10 4 – 5х10 4 молекул медиатора. Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, склеивающим между собой пре- и постсинаптические мембраны.
Установлена следующая последовательность событий при передаче через химический синапс. При достижении потенциалом действия пресинаптического окончания происходит деполяризация мембраны в зоне синапса, активируются кальциевые каналы плазматической мембраны и в окончание входят ионы Ca 2+ . Повышение внутриклеточного уровня кальция инициирует экзоцитоз везикул, наполненных медиатором. Содержимое везикул высвобождается во внеклеточное пространство, и часть молекул медиатора, диффундируя, связываются с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. Среди них есть рецепторы, которые могут непосредственно управлять ионными каналами. Связывание с такими рецепторами молекул медиатора является сигналом для активации ионных каналов. Таким образом, наряду с рассмотренными в предыдущем разделе потенциал-зависимыми ионными каналами существуют медиатор-зависимые каналы (иначе называются лиганд-активируемые каналы или ионотропные рецепторы). Они открываются и пропускают в клетку соответствующие ионы. Движение ионов по их электрохимическим градиентам, порождает натриевый деполяризующий (возбуждающий) или калиевый (хлорный) гиперполяризующий (тормозной) ток. Под воздействием деполяризующего тока развивается постсинаптический возбуждающий потенциал или потенциал концевой пластинки (ПКП). Если этот потенциал превосходит пороговый уровень, открываются потенциалзависимые натриевые каналы и возникает ПД. Скорость проведения импульса в синапсе меньше чем по волокну, т.е. наблюдается синаптическая задержка, напр., в нервно-мышечном синапсе лягушки – 0,5 мс. Описанная выше последовательность событий характерна для т.н. прямой синаптической передачи .
Кроме рецепторов непосредственно управляющих ионными каналами в химической передаче участвуют рецепторы, сопряженные с G-белками или метаботропные рецепторы .
G-белки, названные так по их способности связываться с гуаниновыми нуклеотидами, являются тримерами, состоящими из трех субъединиц: α, β и γ. Существует большое количество разновидностей каждой из субъединиц (20 α, 6 β, 12 γ). что создает основу для огромного количества их комбинаций. G-белки разделяются на четыре основных группы по структуре и мишеням их α-субъединиц: G s стимулирует аденилатциклазу; G i интибирует аденилатциклазу; G q связывается с фосфолипазой С; мишени С 12 пока не известны. Семейство G i включает G t (трансдуцин), который активирует фосфодиэстеразу цГМФ, а также две изоформы G 0 , которые связываются с ионными каналами. Вместе с тем, каждый из G-белков может взаимодействовать с несколькими эффекторами, а разные G-белки могут модулировать активность одних и тех же ионных каналов. В неактивированном состоянии гуанозиндифосфат (ГДФ) связан с α-субъединицей, и все три субъединицы объединены в тример. Взаимодействие с активированным рецептором позволяет гуанозинтрифосфату (ГТФ) заместить ГДФ на α-субъединице, что приводит к диссоциации α-- и βγ -субъединиц (в физиологических условиях β- и γ-субъединицы остаются связанными). Свободные α--и βγ -субъединицы связываются с белками-мишенями и модулируют их активность. Свободная α-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, вызывая гидролиз ГТФ с образованием ГДФ. В результате α-- и βγ -субъединицы вновь связываются, что приводит к прекращению их активности.
В настоящее время идентифицировано > 1000 метаботропных рецепторов. В то время как рецепторы, связанные с каналами, вызывают электрические изменения в постсинаптической мембране всего за несколько миллисекунд или еще быстрее, рецепторам, не связанным с каналами, для достижения эффекта требуется несколько сотен миллисекунд и более. Это обусловлено тем обстоятельством, что между первоначальным сигналом и ответом должна пройти серия ферментативных реакций. Более того, часто сам сигнал "размыт" не только во времени, но и пространстве, поскольку установлено, что медиатор может высвобождаться не из нервных окончаний, а из варикозных утолщений (узелков), расположенных вдоль аксона. В этом случае отсутствуют морфологически выраженные синапсы, узелки не прилегают к каким-то специализированным рецептивным участкам постсинаптической клетки. Поэтому медиатор диффундирует в значительном объеме нервной ткани, воздействуя (как гормон) сразу на рецепторное поле у множества нервных клеток, расположенных в различных участках нервной системы и даже за ее пределами. Это т.н. непрямая синаптическая передача.
В ходе функционирования синапсы подвергаются функциональным и морфологическим перестройкам. Этот процесс назван синаптической пластичностью . Наиболее ярко такие изменения проявляются при высокочастотной активности, являющейся естественным условием функционирования синапсов in vivo. Например, частота импульсации вставочных нейронов в ЦНС достигает 1000 Гц. Пластичность может проявляться либо в увеличении (потенциации), либо уменьшении (депрессии) эффективности синаптической передачи. Выделяют кратковременные (длятся секунды и минуты) и долговременные (длятся часы, месяцы, годы) формы синаптической пластичности. Последние особенно интересны тем, что они имеют отношение к процессам научения и памяти. Например, долговременная потенциация - устойчивое усиление синаптической передачи в ответ на высокочастотное раздражение. Этот вид пластичности может продолжаться дни и месяцы. Долговременная потенциация наблюдается во всех отделах ЦНС, но наиболее полно изучена на глутаматергических синапсах в гиппокампе. Долговременная депрессия также возникает в ответ на высокочастотное раздражение и проявляется в виде длительного ослабления синаптической передачи. Этот вид пластичности имеет сходный механизм с долговременной потенциацией, но развивается при низкой внутриклеточной концентрации ионов Са2+, в то время как долговременная потенциация – при высокой.
На выделение медиаторов из пресинаптического окончания и химическую передачу нервного импульса в синапсе могут влиять медиаторы, выделяемые из третьего нейрона. Такие нейроны и медиаторы могут тормозить синаптическую передачу или, напротив, облегчать ее. В этих случаях говорят об гетеросинаптической модуляции - гетеросинаптическом торможении или облегчении в зависимости от конечного результата.
Таким образом, химическая передача более гибкая, чем электрическая, поскольку при этом без труда может осуществляться как возбуждающее, так и тормозное действие. Кроме того, при активации постсинаптических каналов химическими агентами может возникать достаточно сильный ток, способный деполяризовать крупные клетки.
Медиаторы - точки приложения и характер действия
Одна из самых сложных задач, стоящих перед нейрофизиологами, состоит в точной химической идентификации медиаторов, действующих в различных синапсах. К настоящему времени известно довольно много соединений, которые могут выполнять роль химических посредников при межклеточной передаче нервного импульса. Однако точно идентифицировано лишь ограниченное число таких медиаторов; некоторые из будут рассмотрены ниже. Для того чтобы медиаторная функция того или иного вещества в какой-либо ткани была неопровержимо доказана, должны удовлетворяться определенные критерии:
1. при прямом нанесении на постсинаптическую мембрану вещество должно вызывать в постсинаптической клетке абсолютно такие же физиологические эффекты, что и при раздражении пресинаптического волокна;
2. должно быть доказано, что это вещество выделяется при активации пресинаптического нейрона;
3. действие вещества должно блокироваться теми же агентами, которые подавляют и естественное проведение сигнала.
Синапс представляет собой место функционального, а не физического контакта между нейронами; в нем происходит передача информации от одной клетки к другой. Обычно встречаются синапсы между концевыми веточками аксона одного нейрона и дендритами (аксодендритные синапсы) или телом (аксосоматические синапсы) другого нейрона. Число синапсов, как правило, очень велико, что обеспечивает большую площадь для передачи информации. Например, на дендритах и телах отдельных мотонейронов спинного мозга находится свыше 1000 синапсов. Некоторые клетки головного мозга могут иметь до 10000 синапсов (рис. 16.8).
Существуют два типа синапсов - электрические и химические - в зависимости от природы проходящих через них сигналов. Между окончаниями двигательного нейрона и поверхностью мышечного волокна существует нервно-мышечное соединение , отличающееся по строению от межнейронных синапсов, но сходное с ними в функциональном отношении. Структурные и физиологические различия между обычным синапсом и нервно-мышечным соединением будут описаны несколько позже.
Строение химического синапса
Химические синапсы - наиболее распространенный тип синапса у позвоночных. Это луковицеобразные утолщения нервных окончаний, называемые синаптическими бляшками и расположенные в непосредственной близости от окончания дендрита. Цитоплазма синаптической бляшки содержит митохондрии, гладкий эндоплазматический ретикулум, микрофиламенты и многочисленные синаптические пузырьки . Каждый пузырек имеет в диаметре около 50 нм и содержит медиатор - вещество, с помощью которого нервный сигнал передается через синапс. Мембрана синаптической бляшки в области самого синапса утолщена в результате уплотнения цитоплазмы и образует пресинаптическую мембрану . Мембрана дендрита в области синапса также утолщена и образует постсинаптическую мембрану . Эти мембраны разделены промежутком - синаптической щелью шириной около 20 нм. Пресинаптическая мембрана устроена таким образом, что к ней могут прикрепляться синаптические пузырьки и выделяться в синаптическую щель медиаторы. Постсинаптическая мембрана содержит крупные белковые молекулы, действующие как рецепторы медиаторов, и многочисленные каналы и поры (обычно закрытые), через которые в постсинаптический нейрон могут поступать ионы (см. рис. 16.10, А).
Синаптические пузырьки содержат медиатор, который образуется либо в теле нейрона (и попадает в синаптическую бляшку, пройдя через весь аксон), либо непосредственно в синаптической бляшке. В обоих случаях для синтеза медиатора нужны ферменты, образующиеся в теле клетки на рибосомах. В синаптической бляшке молекулы медиатора "упаковываются" в пузырьки, в которых они хранятся до момента высвобождения. Основные медиаторы нервной системы позвоночных - ацетилхолин и норадреналин , но существуют и другие медиаторы, которые будут рассмотрены позже.
Ацетилхолин - аммонийное производное, формула которого приведена на рис. 16.9. Это первый из известных медиаторов; в 1920 г. Отто Леви выделил его из окончаний парасимпатических нейронов блуждающего нерва в сердце лягушки (разд. 16.2). Структура норадреналина подробно рассматривается в разд. 16.6.6. Нейроны, высвобождающие ацетилхолин, называются холинэргическими , а высвобождающие норадреналин - адренэргическими .
Механизмы синаптической передачи
Как полагают, прибытие нервного импульса в синаптическую бляшку вызывает деполяризацию пресинаптической мембраны и повышение ее проницаемости для ионов Са 2+ . Входящие в синаптическую бляшку ионы Са 2+ вызывают слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной и выход их содержимого из клетки (экзоцитоз) , в результате чего оно попадает в синаптическую щель. Весь этот процесс называют электросекреторным сопряжением . После высвобождения медиатора материал пузырьков используется для образования новых пузырьков, заполняемых молекулами медиатора. Каждый пузырек содержит около 3000 молекул ацетилхолина.
Молекулы медиатора диффундируют через синаптическую щель (этот процесс занимает около 0,5 мс) и связываются с находящимися на постсинаптической мембране рецепторами, способными узнавать молекулярную структуру ацетилхолина. При связывании молекулы рецептора с медиатором ее конфигурация меняется, что приводит к открытию ионных каналов и поступлению в постсинаптическую клетку ионов, вызывающих деполяризацию или гиперполяризацию (рис. 16.4,А) ее мембраны в зависимости от природы высвобождаемого медиатора и строения молекулы рецептора. Молекулы медиатора, вызвавшие изменение проницаемости постсинаптической мембраны, сразу же удаляются из синаптической щели либо путем их реабсорбции пресинаптической мембраной, либо путем диффузии из щели или ферментативного гидролиза. В случае холинэргических синапсов находящийся в синаптической щели ацетилхолин гидролизуется ферментом ацетилхолинэстеразой , локализованным на постсинаптической мембране. В результате гидролиза образуется холин, он всасывается обратно в синаптическую бляшку и вновь превращается там в ацетилхолин, который хранится в пузырьках (рис. 16.10).
В возбуждающих синапсах под действием ацетилхолина открываются специфические натриевые и калиевые каналы, и ионы Na + входят в клетку, а ионы К + выходят из нее в соответствии с их концентрационными градиентами. В результате происходит деполяризация постсинаптической мембраны. Эту деполяризацию называют возбудительным постсинаптическим потенциалом (ВПСП). Амплитуда ВПСП обычно невелика, но продолжительность его больше, чем у потенциала действия. Амплитуда ВПСП меняется ступенчатым образом, и это позволяет предполагать, что медиатор освобождается порциями, или "квантами", а не в виде отдельных молекул. По-видимому, каждый квант соответствует освобождению медиатора из одного синаптического пузырька. Одиночный ВПСП не способен, как правило, вызвать деполяризацию пороговой величины, необходимой для возникновения потенциала действия. Но деполяризующие эффекты нескольких ВПСП складываются, и это явление носит название суммации . Два или больше ВПСП, возникших одновременно в разных синапсах одного и того же нейрона, могут сообща вызвать деполяризацию, достаточную для возбуждения потенциала действия в постсинаптическом нейроне. Это называют пространственной суммацией . Быстро повторяющееся высвобождение медиатора из пузырьков одной и той же синаптической бляшки под действием интенсивного стимула вызывает отдельные ВПСП, которые следуют так часто один за другим во времени, что их эффекты тоже суммируются и вызывают в постсинаптическом нейроне потенциал действия. Это называется временной суммацией . Таким образом, импульсы могут возникать в одиночном постсинаптическом нейроне либо как результат слабой стимуляции нескольких связанных с ним пресинаптических нейронов, либо как результат повторной стимуляции одного из его пресинаптических нейронов. В тормозных синапсах высвобождение медиатора повышает проницаемость постсинаптической мембраны за счет открытия специфических каналов для ионов К + и Сl - . Перемещаясь по концентрационным градиентам, эти ионы вызывают гиперполяризацию мембраны, называемую тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП).
Медиаторы сами по себе не обладают возбуждающими или тормозящими свойствами. Например, ацетилхолин оказывает возбуждающее действие в большинстве нервно-мышечных соединений и других синапсов, но вызывает торможение в нервно-мышечных соединениях сердца и висцеральной мускулатуры. Эти противоположные эффекты обусловлены теми событиями, которые развертываются на постсинаптической мембране. От молекулярных свойств рецептора зависит, какие ионы будут входить в постсинаптический нейрон, а эти ионы в свою очередь определяют характер изменения постсинаптических потенциалов, как описано выше.
Электрические синапсы
У многих животных, в том числе у кишечнополостных и позвоночных, передача импульсов через некоторые синапсы осуществляется путем прохождения электрического тока между пре- и постсинаптическими нейронами. Ширина щели между этими нейронами составляет всего лишь 2 нм, и суммарное сопротивление току со стороны мембран и жидкости, заполняющей щель, очень мало. Импульсы проходят через синапсы без задержки, и на их передачу не действуют лекарственные вещества или другие химические препараты.
Нервно-мышечное соединение
Нервно-мышечное соединение представляет собой специализированный вид синапса между окончаниями двигательного нейрона (мотонейрона) и эндомизием мышечных волокон (разд. 17.4.2). Каждое мышечное волокно имеет специализированный участок - двигательную концевую пластинку , где аксон моторного нейрона (мотонейрона) разветвляется, образуя немиелинизированные веточки толщиной около 100 нм, проходящие в неглубоких желобках по поверхности мышечной мембраны. Мембрана мышечной клетки - сарколемма - образует множество глубоких складок, называемых постсинаптическими складками (рис. 16.11). Цитоплазма окончаний мотонейрона сходна с содержимым синаптической бляшки и во время стимуляции освобождает ацетилхолин с помощью того же механизма, о котором говорилось выше. Изменения конфигурации молекул - рецепторов, находящихся на поверхности сарколеммы, ведут к изменению ее проницаемости для Na + и К + , и в результате происходит местная деполяризация, называемая потенциалом концевой пластинки (ПКП). Эта деполяризация по величине вполне достаточна для возникновения потенциала действия, который распространяется по сарколемме в глубь волокна по системе поперечных трубочек (Т-системе ) (разд. 17.4.7) и вызывает сокращение мышцы.
Функции синапсов и нервно-мышечных соединений
Основная функция межнейронных синапсов и нервно-мышечных соединений состоит в передаче сигнала от рецепторов к эффекторам. Кроме того, строение и организация этих участков химической секреции обусловливают ряд важных особенностей проведения нервного импульса, которые можно резюмировать следующим образом:
1. Однонаправленность передачи. Высвобождение медиатора из пресинаптической мембраны и локализация рецепторов на постсинаптической мембране допускают передачу нервных сигналов по данному пути только в одном направлении, что обеспечивает надежность работы нервной системы.
2. Усиление. Каждый нервный импульс вызывает освобождение в нервно-мышечном синапсе достаточного количества ацетилхолина, чтобы вызвать распространяющийся ответ в мышечном волокне. Благодаря этому нервные импульсы, приходящие к нервно-мышечному соединению, как бы они ни были слабы, могут вызвать реакцию эффектора, и это повышает чувствительность системы.
3. Адаптация, или аккомодация. При непрерывной стимуляции количество освобождающегося в синапсе медиатора постепенно уменьшается до тех пор, пока запасы медиатора не будут истощены; тогда говорят, что синапс утомлен, и дальнейшая передача им сигналов тормозится. Адаптивное значение утомления состоит в том, что оно предотвращает повреждение эффектора вследствие перевозбуждения. Адаптация имеет место также на уровне рецепторов. (См. описание в разд. 16.4.2.)
4. Интеграция. Постсинаптический нейрон может получать сигналы от большого числа возбуждающих и тормозных пресинаптических нейронов (синаптическая конвергенция); при этом постсинаптический нейрон способен суммировать сигналы от всех пресинаптических нейронов. Благодаря пространственной суммации нейрон интегрирует сигналы, поступающие из многих источников, и выдает координированный ответ. В некоторых синапсах имеет место облегчение, состоящее в том, что после каждого стимула синапс становится более чувствительным к следующему стимулу. Поэтому следующие друг за другом слабые стимулы могут вызывать ответ, и это явление используется для повышения чувствительности определенных синапсов. Облегчение нельзя рассматривать как временную суммацию: здесь происходит химическое изменение постсинаптической мембраны, а не электрическая суммация постсинаптических мембранных потенциалов.
5. Дискриминация. Временная суммация в синапсе позволяет отфильтровывать слабые фоновые импульсы, прежде чем они достигнут мозга. Например, экстероцепторы кожи, глаз и ушей постоянно получают из окружающей среды сигналы, не имеющие особого значения для нервной системы: для нее важны лишь изменения интенсивности стимулов, приводящие к увеличению частоты импульсов, которое обеспечивает их передачу через синапс и надлежащую реакцию.
6. Торможение. Передача сигналов через синапсы и нервно-мышечные соединения может затормаживаться определенными блокирующими агентами, воздействующими на постсинаптическую мембрану (см. ниже). Возможно и пресинаптическое торможение, если на окончании аксона чуть выше данного синапса оканчивается другой аксон, образующий здесь тормозный синапс. При стимуляции такого тормозного синапса уменьшается число синаптических пузырьков, разряжающихся в первом, возбуждающем синапсе. Такое устройство позволяет изменять воздействие данного пресинаптического нейрона с помощью сигналов, приходящих от другого нейрона.
Химические воздействия на синапс и нервно-мышечное соединение
Химические вещества выполняют в нервной системе множество различных функций. Воздействия одних веществ широко распространены и хорошо изучены (как, например, возбуждающее действие ацетилхолина и адреналина), тогда как эффекты других носят локальный характер и пока еще недостаточно ясны. Некоторые вещества и их функции приведены в табл. 16.2.
Полагают, что некоторые лекарственные препараты, используемые при таких психических нарушениях, как тревожность и депрессия, воздействуют на химическую передачу в синапсах. Многие транквилизаторы и седативные средства (трициклический антидепрессант имипрамин, резерпин, ингибиторы моноаминоксидазы и др.) оказывают свой лечебный эффект, взаимодействуя с медиаторами, их рецепторами или отдельными ферментами. Так, например, ингибиторы моноаминоксидазы подавляют фермент, участвующий в расщеплении адреналина и норадреналина, и скорее всего оказывают свой лечебный эффект при депрессии, увеличивая продолжительность действия этих медиаторов. Галлюциногены типа диэтиламида лизерговой кислоты и мескалина , воспроизводят действие каких-то природных медиаторов мозга или же подавляют действие других медиаторов.
Проводившееся недавно изучение действия некоторых болеутоляющих веществ - опиатов героина и морфина - показало, что в мозгу млекопитающих присутствуют природные (эндогенные) вещества, вызывающие сходный эффект. Все эти вещества, взаимодействующие с опиатными рецепторами, получили общее название эндорфинов . К настоящему времени открыто много таких соединений; из них лучше всего изучена группа относительно небольших пептидов, называемых энкефалинами (мет-энкефалин, β-эндорфин и др.). Считается, что они подавляют болевые ощущения, влияют на эмоции и имеют отношение к некоторым психическим заболеваниям.
Все это открыло новые пути для изучения функций мозга и биохимических механизмов, лежащих в основе воздействия на боль и лечения с помощью таких различных методов, как внушение, гипно? и акупунктура. Предстоит выделить еще много других веществ типа эндорфинов, установить их строение и функции. С их помощью можно будет получить более полное представление о работе мозга, и это лишь вопрос времени, так как методы выделения и анализа веществ, присутствующих в столь малых количествах, непрерывно совершенствуются.