Механізм функціонування хімічного синапсу. Будова хімічних синапсів

Структура хімічного синапсу

Схема процесу передачі нервового сигналу у хімічному синапсі

Гіпотеза пороцитозу

Існують суттєві експериментальні підтвердження того, що медіатор секретується в синаптичну щілину завдяки синхронній активації гексагональних груп МПВ (див. вище) та приєднаних до них везикул, що стало основою для формулювання гіпотези пороцитоз(англ. porocytosis). Ця гіпотеза базується на спостереженні, що приєднані до МПВ везикули при отриманні потенціалу дії синхронно скорочуються і при цьому секретують синаптичну щілину щоразу однакову кількість медіатора, вивільняючи тільки частину вмісту кожної з шести везикул. Сам собою термін «пороцитоз» походить від грецьких слів poro(що означає пори) та cytosis(Описує перенесення хімічних субстанцій через плазматичну мембрану клітини).

Більшість експериментальних даних про функціонування моносинаптичних міжклітинних сполук отримано завдяки дослідженням ізольованих нервово-м'язових контактів. Як і міжнейронних, в нервово-м'язових синапсах МПВ формують упорядковані гексагональні структури . Кожна з таких гексагональних структур може бути визначена як синаптомер - тобто структура, яка є елементарною одиницею в процесі секреції медіатора. Синаптомер містить, крім власне порових заглиблень, протеїнові структури нитки, що містять лінійно впорядковані везикули; Існування аналогічних структур доведено і для синапсів у центральній нервовій системі (ЦНС).

Як було сказано вище, пороцитозний механізм генерує квант нейромедіатора, але без того, щоб мембрана індивідуальної везикули повністю зливалася з пресинаптичною мембраною. Мінімальний коефіцієнт варіації (<3 %) у величин постсинаптических потенциалов является индикатором того, что в единичном синапсе имеются не более 200 синаптомеров , каждый из которых секретирует один квант медиатора в ответ на один потенциал действия . 200 участков высвобождения (то есть синаптомеров, которые высвобождают медиатор), найденные на небольшом мышечном волокне, позволяют рассчитать максимальный квантовый лимит, равный одной области высвобождения на микрометр длины синаптического контакта , это наблюдение исключает возможность существования квантов медиатора, обеспечивающих передачу нервного сигнала, в объеме одной везикулы.

Порівняння гіпотез пороцитозу та квантово-везикулярної

Порівняння нещодавно загальноприйнятої гіпотези КВЕ з гіпотезою пороцитозу може бути здійснено за допомогою порівняння теоретичного коефіцієнта варіації з досвідченим, розрахованим для амплітуд постсинаптичних електричних потенціалів, що генеруються у відповідь на кожен окремий викид медіатора пресинапсу. Якщо прийняти, що процес екзоцитозу проходить у невеликому синапсі, де міститься близько 5 000 везикул (50 на кожен мікрон довжини синапсу), постсинаптичні потенціали повинні бути згенеровані 50 випадково обраними везикулами, що дає теоретичний коефіцієнт варіації 14%. Ця величина приблизно в 5 разів більша, ніж коефіцієнт варіації постсинаптичних потенціалів, одержуваних у дослідах, таким чином можна стверджувати, що процес екзоцитозу в синапсі не є випадковим (не збігається з розподілом Пуассона) - що неможливо, якщо пояснювати його в рамках гіпотези КВЕ але цілком відповідає гіпотезі пороцитозу. Річ у тім, що гіпотеза пороцитозу передбачає, що це пов'язані з пресинаптичною мембраною везикули викидають медіатор одночасно; при цьому постійна кількість медіатора, що викидається в синаптичну щілину у відповідь на кожен потенціал дії (про стійкість свідчить малий коефіцієнт варіації постсинаптичних відповідей) цілком може бути пояснено вивільненням малого обсягу медіатора великою кількістю везикул - при цьому чим більше везикул, що беруть участь у процесі, тим менше стає коефіцієнт кореляції, хоча це й виглядає з погляду математичної статистики дещо парадоксально.

Класифікація

Хімічні синапси можна класифікувати за їх місцезнаходженням та належністю відповідним структурам:

  • периферичні
    • нервово-м'язові
    • нейросекреторні (аксо-вазальні)
    • рецепторно-нейрональні
  • центральні
    • аксо-дендритичні – з дендритами, у тому числі аксо-шипикові – з дендритними шипиками, виростами на дендритах;
    • аксо-соматичні – з тілами нейронів;
    • аксо-аксональні – між аксонами;
    • дендро-дендритичні – між дендритами;

Залежно від медіатора синапси поділяються на

  • амінергічні, що містять біогенні аміни (наприклад, серотонін, дофамін;
    • у тому числі адренергічні, що містять адреналін чи норадреналін;
  • холінергічні, що містять ацетилхолін;
  • пуринергічні, що містять пурини;
  • пептидергічні пептиди, що містять.

При цьому в синапсі не завжди виробляється лише один медіатор. Зазвичай основний медіатор викидається разом з іншим, що грає роль модулятора.

По знаку дії:

  • збуджуючі
  • гальмівні.

Якщо перші сприяють виникненню збудження у постсинаптичній клітині, то другі, навпаки, припиняють або запобігають його появі. Зазвичай гальмівними є гліцинергічні (медіатор – гліцин) та ГАМК-ергічні синапси (медіатор – гамма-аміномасляна кислота).

У деяких синапсах є постсинаптичне ущільнення - електронно-щільна зона, що складається з білків. За її наявності чи відсутності виділяють синапси асиметричні та симетричні. Відомо, що всі глутаматергічні синапси асиметричні, а ГАМКергічні – симетричні.

У випадках, коли з постсинаптичною мембраною контактує кілька синаптичних розширень, утворюються численні синапси.

До спеціальних форм синапсів належать шипикові апарати, в яких із синаптичним розширенням контактують короткі одиночні або множинні випинання постсинаптичної мембрани дендриту. Шипикові апарати значно збільшують кількість синаптичних контактів на нейроні і, отже, кількість інформації, що переробляється. «Не-шипикові» синапси називаються «сидячими». Наприклад, сидячими є ГАМК-ергічні синапси.

Примітки

Посилання

  • Савельєв А. В.Джерела варіацій динамічних властивостей нервової системи на синаптичному рівні // Штучний інтелект. – НАН України, Донецьк, 2006. – № 4. – С. 323-338.

Див. також

Утворюють цибулинні потовщення, звані синаптичними бляшками.

Мембрана синаптичної бляшки в області самого синапсу потовщена внаслідок ущільнення цитоплазми та утворює пресинаптичну мембрану. Мембрана дендриту в ділянці синапсу теж потовщена і утворює постсинаптичну мембрану. Ці мембрани розділені проміжком – синаптичною щілиною шириною 10 – 50 нм.

Так як у формуванні потенціалу спокою мембрани беруть участь багато іонів, рівновага може порушуватися за допомогою змін провідності різних іонів. Так, наприклад, при додатковому струмі, що виходить, іонів К+ або при вхідному струмі іонів Сl- може збільшуватися потенціал спокою мембрани, це означає що вона гіперполяризується. Гіперполяризація мембрани – протилежність збудження, тобто. певні хімічні процеси на постсинаптичній мембрані можуть спричинити гальмування нейрона. У цій можливості можна бачити істотну еволюційну перевагу хімічних синапсів перед електричними синапсами.

Цілком очевидно, що дуже коротко представлені в цьому розділі хімічні процеси можуть бути модифіковані за допомогою інших, знову ж таки, хімічних речовин. Це відбувається за допомогою незалежних з'єднань-нейромодуляторів.

Хімічні процеси у синапсі відкривають широкі можливості для фармакологічної регуляції та є предметом численних досліджень з метою пошуку ендогенних сполук, здатних модифікувати у заданому напрямку синаптичну передачу. Дія багатьох медикаментів ґрунтується на впливі на синаптичне проведення. Це стосується не тільки психотропних і наркотичних речовин. Багато інших, наприклад, що знижують тиск (гіпотензивні) засоби, також діють опосередковано через синапси. Крім того, багато отрути рослинного та тваринного походження спрямовано впливають на хімічний синапс.

І клітиною-мішенню. У даного типу синапс роль посередника (медіатора) передачі виконує хімічну речовину.

Складається з трьох основних частин: нервового закінчення з пресинаптичною мембраною, постсинаптичної мембраниклітини-мішені та синаптичної щілиниміж ними.

Енциклопедичний YouTube

    1 / 3

    ✪ Міжнейронні хімічні синапси

    ✪ Нервова тканина. 5. Синапси

    ✪ Neuronal synapses (chemical) | Human anatomy and physiology | Health & Medicine | Khan Academy

    Субтитри

    Тепер знаємо, як передається нервовий імпульс. Це потенціалзалежний канал. Ось ці бульбашки. Так це відбувається.

Структура хімічного синапсу

У синаптичному розширенні є дрібні везикули, так звані пресинаптичні або синаптичні, бульбашки, Що містять або медіатор (речовина-посередник у передачі збудження), або фермент, що руйнує цей медіатор. На постсинаптичній, а часто і на пресинаптичній мембранах присутні рецептори до того чи іншого медіатора.

Одинаковий розмір пресинаптичних бульбашок у всіх досліджених синапсах (40-50 нанометрів) спочатку вважали доказом того, що кожна везикула є мінімальним кластером, звільнення якого потрібне для виробництва синаптичного сигналу. Везикули розміщуються навпроти пресинаптичної мембрани, що з їх функціональним призначенням для вивільнення медіатора в синаптичну щілину. Також у пресинаптичного бульбашки є велика кількість мітохондрій (що виробляють аденозинтрифосфат) та впорядковані структури протеїнових волокон.

Синаптична щілина- це простір між пресинаптичною мембраною та постсинаптичною мембраною від 20 до 30 нанометрів шириною, яке містить сполучні пре-і постсинапс структури, побудовані з протеоглікану. Ширина синаптичної щілини в кожному окремому випадку обумовлена ​​тим, що вилучений з пресинапсу медіатор повинен проходити до постсинапсу за час, що є значно менше частоти нервових сигналів, характерних для нейронів, що утворюють синапс (час проходження медіатора від пре-до постсинаптичної мембрани - близько декількох мікросекунд) .

Постсинаптична мембрананалежить клітині, що приймає нервові імпульси. Механізмом трансляції хімічного сигналу медіатора в електричний потенціал на цій клітині є рецептори - білкові макромолекули, вбудовані в постсинаптичну мембрану.

За допомогою спеціальних ультрамікроскопічних методик в останні роки було отримано досить великий обсяг інформації про детальну структуру синапсів.

Так, на пресинаптичній мембрані було відкрито впорядковану структуру кратероподібних заглиблень діаметром 10 нанометрів, вдавлених всередину. Спочатку їх називали синаптопорами, але ці структури називають місцями приєднання везикул (МПВ). МПО зібрані в упорядковані групи чисельністю по шість окремих заглиблень навколо про ущільнених виступів. Таким чином, ущільнені виступи формують правильні трикутні структури на внутрішній стороні пресинаптичної мембрани, а МПВ - гексагональні і є місцями, де везикули відкриваються і викидають медіатор у синаптичну щілину.

Механізм передачі нервового імпульсу

Надходження електричного імпульсу до пресинаптичної мембрани включає процес синаптичної передачі, першим етапом якої є входження іонів Са 2+ пресинапс крізь мембрану через спеціалізовані кальцієві канали, локалізовані у синаптичної щілини. Іони Са 2+ , за допомогою невідомого поки що повністю механізму, активують везикули, скучені біля своїх місць приєднання, і ті вивільняють медіатор у синаптичну щілину. Іони Са 2+ , що увійшли в нейрон, після активації ними везикул з медіатором, деактивуються за час порядку декількох мікросекунд, завдяки депонуванню в мітохондріях і везикулах пресинапсу.

Молекули медіатора, що вивільняються з пресинапсу, зв'язуються з рецепторами на постсинаптичній мембрані, внаслідок чого в рецепторних макромолекулах відкриваються іонні канали (у разі канальних рецепторів, що є найбільш поширеним їх типом; при роботі рецепторів інших типів механізм передачі сигналу відрізняється). Іони, які починають надходити всередину постсинаптичної клітини через відкриті канали, змінюють заряд її мембрани, що є частковою поляризацією (у разі гальмівного синапсу) або деполяризацією (у разі збуджуючого синапсу) цієї мембрани і, як наслідок, призводить до гальмування або провокування генерації потенціалу дії

Квантово-везикулярна гіпотеза

Розповсюджена до останнього часу як пояснення механізму вивільнення медіатора з пресинапсу, гіпотеза квантово-везикулярного екзоцитозу (КВЕ) має на увазі, що «пакет», або квант, медіатора міститься в одній везикулі і вивільняється при екзоцитозі (при цьому мембрана везикули зливається) ). Ця теорія була довгий час превалюючою гіпотезою – незважаючи на те, що кореляція між рівнем вивільнення медіатора (або постсинаптичними потенціалами) та кількістю везикул у пресинапсі відсутня. Крім того, гіпотеза КВЕ має інші істотні недоліки.

Фізіологічною основою квантованого вивільнення медіатора має бути однакова кількість цього медіатора в кожній везикулі. Гіпотеза КВЕ в класичному вигляді не пристосована до опису ефектів квантів різного розміру (або різної кількості медіатора), які можуть бути вивільнені при одному акті екзоцитозу. При цьому треба взяти до уваги, що в тому самому пресинаптичному бутоні можуть спостерігатися везикули різного розміру; крім того, не знайдено кореляції між розміром везикули та кількістю медіатора в ній (тобто його концентрація у везикулах також може бути різною). Більш того, в денервованому нервово-м'язовому, синапсі шванновські клітини генерують більшу кількість мініатюрних постсинаптичних потенціалів, ніж спостерігається в синапсі до денервації, незважаючи на повну відсутність у цих клітинах пресинаптичних везикул, локалізованих в районі пресинаптичного бутону.

Гіпотеза пороцитозу

Існують суттєві експериментальні підтвердження того, що медіатор секретується в синаптичну щілину завдяки синхронній активації гексагональних груп МПВ (див. вище) та приєднаних до них везикул, що стало основою для формулювання гіпотези пороцитоз(англ. porocytosis). Ця гіпотеза базується на спостереженні, що приєднані до МПВ везикули, при отриманні потенціалу, синхронно скорочуються і при цьому секретують в синаптичну щілину щоразу однакову кількість медіатора, вивільняючи тільки частину вмісту кожної з шести везикул. Сам собою термін «пороцитоз» походить від грецьких слів poro(що означає пори) та cytosis(Описує перенесення хімічних субстанцій через плазматичну мембрану клітини).

Більшість експериментальних даних про функціонування моносинаптичних міжклітинних сполук отримано завдяки дослідженням ізольованих нервово-м'язових контактів. Як і міжнейронних, в нервово-м'язових синапсах МПВ формують упорядковані гексагональні структури . Кожна з таких гексагональних структур може бути визначена як синаптомер - тобто структура, яка є елементарною одиницею в процесі секреції медіатора. Синаптомер містить, крім власне порових заглиблень, протеїнові структури нитки, що містять лінійно впорядковані везикули; Існування аналогічних структур доведено і для синапсів у центральній нервовій системі (ЦНС).

Як було сказано вище, пороцитозний механізм генерує квант нейромедіатора, але без того, щоб мембрана індивідуальної везикули повністю зливалася з пресинаптичною мембраною. Малий коефіцієнт варіації (менше 3%) у величин постсинаптичних потенціалів є індикатором того, що в одиничному синапсі є не більше 200 синаптомерів, кожен з яких секретує один квант медіатора у відповідь на один потенціал дії. 200 ділянок вивільнення (тобто синаптомерів, які вивільняють медіатор), знайдені на невеликому м'язовому волокні, дозволяють розрахувати максимальний квантовий ліміт, рівний одній області вивільнення на мікрометр довжини синаптичного контакту , це спостереження виключає можливість існування квантів медіатора, однієї везикули.

Порівняння гіпотез пороцитозу та квантово-везикулярної

Порівняння нещодавно загальноприйнятої гіпотези КВЕ з гіпотезою пороцитозу може бути здійснено за допомогою порівняння теоретичного коефіцієнта варіації з досвідченим, розрахованим для амплітуд постсинаптичних електричних потенціалів, що генеруються у відповідь на кожен окремий викид медіатора пресинапсу. Якщо прийняти, що процес екзоцитозу проходить у невеликому синапсі, де міститься близько 5 000 везикул (50 на кожен мікрон довжини синапсу), постсинаптичні потенціали повинні бути згенеровані 50 випадково обраними везикулами, що дає теоретичний коефіцієнт варіації 14%. Ця величина приблизно в 5 разів більша, ніж коефіцієнт варіації постсинаптичних потенціалів, одержуваних у дослідах, таким чином, можна стверджувати, що процес екзоцитозу в синапсі не є випадковим (не збігається з розподілом Пуассона) - що неможливо, якщо пояснювати його в рамках гіпотези КВЕ але цілком відповідає гіпотезі пороцитозу. Річ у тім, що гіпотеза пороцитозу передбачає, що це пов'язані з пресинаптичною мембраною везикули викидають медіатор одночасно; при цьому постійна кількість медіатора, що викидається в синаптичну щілину у відповідь на кожен потенціал дії (про стійкість свідчить малий коефіцієнт варіації постсинаптичних відповідей) цілком може бути пояснено вивільненням малого обсягу медіатора великою кількістю везикул - при цьому чим більше везикул, що беруть участь у процесі, тим менше стає коефіцієнт кореляції, хоча це і виглядає з точки зору математичної статистики дещо парадоксально.

Класифікація

За медіатором

  • амінергічні, що містять біогенні аміни (наприклад, серотонін, дофамін);
    • у тому числі адренергічні, що містять адреналін чи норадреналін;
  • холінергічні, що містять ацетилхолін;
  • пуринергічні, що містять пурини;
  • пептидергічні пептиди, що містять.

При цьому в синапсі не завжди виробляється лише один медіатор. Зазвичай основний медіатор викидається разом з іншим, що грає роль модулятора.

По знаку дії

  • збуджуючі
  • гальмівні.

Якщо перші сприяють виникненню збудження у постсинаптичній клітині, то другі, навпаки, припиняють або запобігають його появі. Зазвичай гальмівними є гліцинергічні (медіатор – гліцин) та ГАМК-ергічні синапси (медіатор – гамма-аміномасляна кислота).

За їх місцезнаходженням та приналежністю структурам

  • периферичні
    • нервово-м'язові
    • нейросекреторні (аксо-вазальні)
    • рецепторно-нейрональні
  • центральні
    • аксо-дендритичні – з дендритами, у тому числі аксо-шипикові – з дендритними шипиками, виростами на дендритах;
    • аксо-соматичні – з тілами нейронів;
    • аксо-аксональні – між аксонами;
    • дендро-дендритичні – між дендритами;

У деяких синапсах є постсинаптичне ущільнення - електронно-щільна зона, що складається з білків. За її наявності чи відсутності виділяють синапси асиметричні та симетричні. Відомо, що всі глутаматергічні синапси асиметричні, а ГАМКергічні – симетричні.

У випадках, коли з постсинаптичною мембраною контактує кілька синаптичних розширень, утворюються численні синапси.

До спеціальних форм синапсів належать шипикові апарати, в яких із синаптичним розширенням контактують короткі одиночні або множинні випинання постсинаптичної мембрани дендриту. Шипикові апарати значно збільшують кількість синаптичних контактів на нейроні і, отже, кількість інформації, що переробляється. «Не-шипикові» синапси називаються «сидячими». Наприклад, сидячими є ГАМК-ергічні синапси.

Залежно від того, які структури нейрона беруть участь в утворенні синапсу, виділяють аксосоматичні, аксодендритні, аксоаксональні та дендродентритні синапси. Синапс, утворений аксоном мотонейрону та м'язовою клітиною називається кінцевою пластинкою (нервово-м'язова сполука, міоневральний синапс). Неодмінними структурними атрибутами синапсу є пресинаптична мембрана, постсинаптична мембрана та синаптична щілина між ними. Зупинимося докладніше кожної з них.

Пресинаптична мембрана утворена закінченням кінцевих розгалужень аксона (або дендриту в дендродендритному синапсі). Аксон, що відходить від тіла нервової клітини, покривається міеліновою оболонкою, яка супроводжує його на всьому протязі, аж до розгалуження на кінцеві терміналі. Кількість кінцевих розгалужень аксона може досягати кількох сотень, а довжина їх, тепер уже позбавлених міелінової оболонки – до кількох десятків мкм. Кінцеві розгалуження аксона мають малий діаметр – 0,5-2,5 мкм, іноді більше. Закінчення терміналей у місці контакту мають різноманітну форму - у вигляді булави, сіткоподібної пластинки, кільця, або можуть бути множинними - у вигляді чашки, пензля. Кінцева терміналь може мати кілька розширень, що контактують по ходу руху з різними ділянками однієї клітини або з різними клітинами, формуючи таким чином безліч синапсів. Деякі дослідники подібні синапс називають дотичні.

У місці контакту кінцева терміналь дещо потовщується і частина її мембрани, прилегла до мембрани клітини, що контактується, утворює пресинаптичну мембрану. У зоні кінцевої терміналі, прилеглої до пресинаптичної мембрани шляхом електронної мікроскопії виявлено скупчення ультраструктурних елементів - мітохондрій, кількість яких коливається, досягаючи іноді кількох десятків, мікротрубочок і синаптичних бульбашок (везикул). Останні бувають двох видів - агранулярні (світлі) та гранулярні (темні). Перші мають розмір 40-50 нм, діаметр гранулярних везикул зазвичай більше 70 нм. Їхня мембрана подібна до клітинних і складається з фосфоліпідного бислоя і білків. Більшість везикул фіксується на цитоскелеті за допомогою специфічного білка - синапсину, утворюючи трансмітерний резервуар. Найменша частина везикул прикріплюється до внутрішньої сторони пресинаптичної мембрани за допомогою білка мембрани везикули – синаптобревина та білка пресинаптичної мембрани – синтаксину. Існує дві гіпотези щодо походження везикул. Згідно з однією з них (Хаббард, 1973), вони утворюються в галузі пресинаптичного закінчення з так званих облямованих бульбашок. Останні формуються в поглибленнях клітинної мембрани пресинаптичного закінчення та зливаються в цистерни, від яких і відгалужуються везикули, що заповнюються медіатором. Згідно з іншим поглядом, везикули як мембранні утворення формуються в сомі нейрона, порожніми транспортуються аксоном в область пресинаптичного закінчення і там заповнюються медіатором. Після викиду медіатора спустошені везикули ретроградним аксонним транспортом повертаються у сому, де деградуються лізосомами.

Синаптичні бульбашки найбільш щільно розташовані поблизу внутрішньої поверхні пресинаптичної мембрани та їх кількість непостійна. Везикули заповнені медіатором, крім того, тут зосереджені так звані котрансмітери - речовини білкової природи, які відіграють істотну роль у забезпеченні активності основного медіатора. Малі везикули містять низькомолекулярні медіатори, а великі – білки та пептиди. Показано, що медіатор може перебувати і поза везикулами. Розрахунки показують, що в нервово-м'язовому з'єднанні людини щільність везикул досягає 250-300 на 1 мкм 2, а загальна їх кількість - близько 2-3 млн. в одному синапсі. В одному бульбашці зосереджено від 400 до 4-6 тисяч молекул медіатора, що і становить так званий «квант медіатора», що виділяється в синаптичну щілину спонтанно або при приході імпульсу пресинаптичного волокна. Поверхня пресинаптичної мембрани неоднорідна - у ній є потовщення, активні зони, де накопичуються мітохондрії та щільність везикул найбільша. Крім того, в області активної зони виявлені потенціалзалежні кальцієві канали, якими кальцій проходить крізь пресинаптичну мембрану всередину пресинаптичної зони кінцевої терміналі. Багато синапсах в пресинаптичну мембрану вбудовані звані ауторецепторы. При їх взаємодії з виділеними в синаптичну щілину медіаторами виділення останніх або посилюється, або припиняється залежно від типу синапсу.

Синаптична щілина - простір між пресинаптичною та постсинаптичною мембранами, обмежена площею контакту, розмір якої для більшості нейронів коливається в межах кількох мкм 2 . Площа контакту може варіювати у різних синапсах, що залежить від діаметра пресинаптичної терміналі, форми контакту, характеру поверхні контактуючих мембран. Так, для найбільш вивчених нервово-м'язових синапсів показано, що площа контакту однієї пресинаптичної терміналі з міофібрил може становити десятки мкм 2 . Розмір синаптичної щілини коливається від 20 до 50-60 нм. За межами контакту порожнину синаптичної щілини повідомляється з міжклітинним простором, таким чином між ними можливий двосторонній обмін різними хімічними агентами.

Постсинаптична мембрана є ділянкою мембрани нейрона, м'язової або залізистої клітини, що контактує з пресинаптичною мембраною. Як правило, область постсинаптичної мембрани дещо потовщена порівняно із сусідніми ділянками контактованої клітини. 1959 року Є.Грей запропонував розділити синапси в корі мозку на два типи. Синапси 1-го типу мають ширшу щілину, постсинаптична мембрана у них товстіша і щільніша, ніж у синапсів 2-го типу, ущільнена ділянка більш широка і займає більшу частину обох синаптичних мембран.

У постсинаптичну мембрану вбудовані білково-гліколіпідні комплекси, що виконують роль рецепторів, здатних зв'язуватися з медіаторами та утворювати іонні канали. Так, ацетилхоліновий рецептор у міоневральному синапсі складається з п'яти субодиниць, які утворюють комплекс із молекулярною масою 5000-30000, що пронизує мембрану. Розрахунковим способом показано, що щільність таких рецепторів може становити до 9 тисяч мкм 2 поверхні постсинаптичної мембрани. Головка комплексу, що виступає в синаптичну щілину, має так званий «упізнаючий центр». При зв'язуванні з ним двох молекул ацетилхоліну іонний канал відкривається, його внутрішній діаметр стає прохідним для іонів натрію і калію, при цьому канал залишається непрохідним для аніонів через заряди, що є на його внутрішніх стінках. Найважливішу роль у процесах синаптичної передачі грає мембранний білок, названий G-білком, який у комплексі з гуанінтрифосфатом (ГТФ) активує ферменти, що включають вторинні месенджери – внутрішньоклітинні регулятори.

Рецептори постсинаптичних мембран знаходяться у так званих «активних зонах» синапсів і серед них розрізняють два типи – іонотропні та метаботропні. У іонотропних рецепторах (швидких) відкриття іонних каналів досить їх взаємодії з молекулою медіатора, тобто. медіатор безпосередньо відкриває іонний канал. Свою назву метаботропні (повільні) рецептори отримали у зв'язку з особливостями їхнього функціонування. Відкриття іонних каналів у разі пов'язані з каскадом метаболічних процесів, у яких беруть участь різні сполуки (білки, зокрема і G-білок, іони кальцію, циклічні нуклеотиди - цАМФ і цГМФ, диацетилглицерины), які відіграють роль вторинних месенджерів. Метоботропні рецептори власними силами є іонними каналами; вони лише модифікують роботу розташованих поруч іонних каналів, іонних насосів та інших білків у вигляді непрямих механізмів. До іонотропних відносяться рецептори ГАМК, гліцину, глутамату, Н-холінорецептори. До метаботропних – рецептори дофаміну, серотоніну, норадреналіну, М-холінорецептори, деякі рецептори ГАМК, глутамату.

Зазвичай рецептори розташовуються строго в межах постсинаптичної мембрани, тому вплив медіаторів можливий лише в області синапсу. Виявлено, однак, що невелика кількість чутливих до ацетилхоліну рецепторів є і за межами нервово-м'язового синапсу в мембрані м'язової клітини. У деяких умовах (при денервації, отруєнні деякими отрутами) чутливі до ацетилхоліну зони можуть утворюватися поза синаптичними контактами на міофібрилі, що супроводжується розвитком гіперчутливості м'язів до ацетилхоліну.

Рецептори, чутливі до ацетилхоліну, широко поширені також у синапсах ЦНС і в периферичних гангліях. Рецептори збудливої ​​дії поділені на два класи, що розрізняються за фармакологічними ознаками.

Один з них – клас рецепторів, на які впливи, подібні до ацетилхоліну надає нікотин, звідси їх назва – нікотиночутливі (Н-холінорецептори), інший клас – чутливі до мускарину (отрута мухомора) названі М-холінорецепторами. У зв'язку з цим синапси, де основним медіатором служить ацетилхолін, поділяються на групи нікотинового та мускаринового типу. Усередині цих груп виділяють багато різновидів залежно від місця розташування та особливостей функціонування. Так, синапси з Н-холінорецепторами описані у всіх скелетних м'язах, в закінченнях прегангліонарних парасимпатичних, і симпатичних волокон, в мозковому шарі надниркових залоз, а мускаринові синапси - в ЦНС, гладких м'язах (у синапсах, утворених закінченнями парасимпатичних волокон.

Російський державний хіміко-технологічний університет

ім. Д. І. Менделєєва

Завдання №22.1:

Синапси, будова, класифікація.

Фізіологічні особливості проведення збудження у синапсах.

Виконав: студент гр. О-36

Щербаков Володимир Євгенович

Москва - 2004

Синапс - це морфофункціональне утворення ЦНС, яке забезпечує передачу сигналу з нейрона на інший нейрон або з нейрона на ефекторну клітину (м'язове волокно, секреторну клітину).

Класифікація синапсів

Усі синапси ЦНС можна класифікувати в такий спосіб.

    По локалізації:центральні (головний та спинний мозок) та периферичні (нервом'язовий, нейросекреторний синапс вегетативної нервової системи). Центральні синапси можна своєю чергою розділити на аксо-аксональні, аксо-дендритичні (дендритні), аксо-соматичні, аксо-шипиковий синапс. (Більшість збудливих синапсів локалізується у виростах дендритів, що містять велику кількість актину і званих шипиками), дендро-дендритичні, дендро-соматичні і т. п.

    Шеперду розрізняють реципрокні синапси, послідовні синапси і синаптичні гломерули (різним способом з'єднані через синапси клітини).З розвитку в онтогенезі:

    стабільні (наприклад, синапси дуг безумовного рефлексу) та динамічні, що з'являються у процесі індивідуального розвитку.За кінцевим ефектом:

    гальмівні та збуджуючі.За механізмом передачі сигналу

    : електричні, хімічні, змішані.

Хімічні синапси можна класифікувати:

б) за природою медіатора – холінергічні (медіатор – ацетилхолін, АХ), адренергічні (медіатор – норадреналін, НА), дофамінергічні (дофамін), ГАМК-ергічні (медіатор – гамма-аміномасляна кислота), гліцинергічні, глутаматергічні, – пептиди, наприклад, речовина Р), пуринергічні (медіатор – АТФ).

Електричні синапси.Питання про них багато в чому не зрозуміле. Багато авторів недостатньо чітко диференціюють поняття «електричний синапс» та «нексуси» (у гладких м'язах, у міокарді). Нині визнають, що у ЦНС є електричні синапси. З погляду морфології електричний синапс є щілиноподібним утворенням (розміри щілини до 2 нм) з іонними містками-каналами між двома контактуючими клітинами. Петлі струму, зокрема за наявності потенціалу дії (ПД), майже безперешкодно перескакують через такий щілинний контакт і збуджують, тобто індукують генерацію ПД другої клітини. Загалом такі синапси (вони називаються ефапсами) забезпечують дуже швидку передачу збудження. Але в той же час за допомогою цих синапсів не можна забезпечити одностороннє проведення, тому що більша частина таких синапсів має двосторонню провідність. Крім того, з їх допомогою не можна змусити ефекторну клітину (клітину, яка керується через цей синапс), гальмувати свою активність. Аналогом електричного синапсу в гладких м'язах і серцевому м'язі є щілинні контакти типу нексусу.

Будова хімічного синапсу (схема на рис.1-А)

За будовою хімічні синапси є закінчення аксона (термінальні синапси) або його варикозну частину (проходять синапси), яка заповнена хімічною речовиною – медіатором. У синапсі розрізняють іресинаптичний елемент, що обмежений пресинаптичною мембраною, постсинаптичний елемент, який обмежений постсинаптичною мембраною, а також внесинаптичну область та синаптичну щілину, величина якої становить у середньому 50 нм. У літературі існує велика різноманітність у назвах синапсів. Наприклад, синаптична бляшка – це синапс між нейронами, кінцева пластинка – це постсинаптична мембрана міоневрального синапсу, моторна бляшка – це пресинаптичне закінчення аксона на м'язовому волокні.

Пресинаптична частина

Пресинаптична частина – спеціалізована частина терміналі відростка нейрона, де розташовані синаптичні бульбашки та мітохондрії. Пресинаптична мембрана (плазмолема) містить потенціалозалежні Са 2+ -канали. При деполяризації мембрани канали відкриваються і іони Са 2+ входять в терміналь, запускаючи в активних зонах екзоцитоз нейромедіатора.

Синаптичні пухирцімістять нейромедіатор. Ацетилхолін, аспартат і глутамат знаходяться у круглих світлих бульбашках; ГАМК, гліцин – у овальних; адреналін та нейропептиди – у дрібних та великих гранулярних бульбашках. Злиття синаптичних бульбашок з пресинаптичною мембраною відбувається зі збільшенням концентрації Са 2+ у цитозолі нервової терміналі. Попередній злиття синаптичних бульбашок і плазмолеми процес впізнавання синаптичною бульбашкою пресинаптичної мембрани відбувається при взаємодії мембранних білків сімейства SNARE (Синаптобревін, SNAP-25 і синтаксин).

Активні зониУ пресинаптичній мембрані виявлено так звані активнізони – ділянки потовщення мембрани, у яких відбувається екзоцитоз. Активні зони розташовані проти скупчень рецепторів у постсинаптичній мембрані, що зменшує затримку передачі сигналу, пов'язану з дифузією нейромедіатора в синаптичній щілини.

Постсинаптична частина

Постсинаптична мембрана містить рецептори нейромедіатора, іонні канали.

Фізіологічні особливості проведення збудження у синапсах

Синаптична передача – складний каскад подій. Багато неврологічні та психічні захворювання супроводжуються порушенням синаптичної передачі. Різні лікарські препарати впливають на синаптичну передачу, викликаючи небажаний ефект (наприклад галюциногени) або, навпаки, коригуючи патологічний процес (наприклад, психофармакологічні засоби [антипсихотичні препарати]).

Механізм.Синаптична передача можлива при реалізації ряду послідовних процесів: синтез нейромедіатора, його накопичення та зберігання в синаптичних пухирцях поблизу пресинаптичної мембрани, вивільнення нейромедіатора з нервової терміналі, короткочасна взаємодія нейромедіатора з рецептором, вбудованим у постсинаптичну мембрану; руйнування нейромедіатора чи захоплення його нервовою терміналлю. (схема на рис. 1)

Синтез нейромедіатора.Ферменти, необхідні освіти нейромедиаторов, синтезуються в перикарионе і транспортуються до синаптичної терміналі за аксонами, де взаємодіють з молекулярними попередниками нейромедіаторів.

Зберігання нейромедіатора.Нейромедіатор накопичується в нервовій терміналі, перебуваючи всередині синаптичних бульбашок разом з АТФ та деякими катіонами. У бульбашці знаходиться кілька тисяч молекул нейромедіатора, що становить квант.

Квант нейромедіатора.Величина кванта не залежить від імпульсної активності, а визначається кількістю попередника, що надійшов у нейрон, і активністю ферментів, що беруть участь у синтезі нейромедіатора.

Мал. 1. Механізм хімічної передачі імпульсів у нервовому синапсі; від А до Д – послідовні етапи процесу.

Секреція нейромедіатора.Коли потенціал дії досягає нервової терміналі, в цитозолі різко підвищується концентрація Са 2+ синаптичні бульбашки зливаються з пресинаптичної мембраною, що призводить до виділення квантів нейромедіатора в синаптичну щілину. Незначна кількість нейромедіатора постійно (спонтанно) секретується у синаптичну щілину.

Взаємодія нейромедіатора із рецептором.Після викиду в синаптичну щілину молекули нейромедіатора дифундують у синаптичній щілині та досягають своїх рецепторів у постсинаптичній мембрані.

Видалення нейромедіатора із синаптичної щілинивідбувається рахунок дифузії, розщеплення ферментом і виведення шляхом захоплення специфічним переносником. Короткочасність взаємодії нейромедіатора з рецептором досягається руйнуванням нейромедіатора спеціальними ферментами (наприклад, ацетилхоліну – ацетилхолінестеразою). У більшості синапсів передача сигналів припиняється внаслідок швидкого захоплення нейромедіатора пресинаптичною терміналлю.

Властивості хімічних синапсів

Одностороння провідність - одна з найважливіших властивостей хімічного синапсу. Асиметрія – морфологічна і функціональна – є причиною існування односторонньої провідності.

    Наявність синаптичної затримки: для того, щоб у відповідь на генерацію ПД в галузі пресинапсу виділився медіатор і відбулася зміна постсинаптичного потенціалу (ВПСП або ТПСП), потрібен певний час (синаптична затримка). У середньому воно дорівнює 02-05 мс. Це дуже короткий проміжок часу, але коли йдеться про рефлекторні дуги (нейронні мережі), що складаються з безлічі нейронів і синаптичних зв'язків, цей латентний час підсумовується і перетворюється на відчутну величину - 300 - 500 мс. У ситуаціях, що трапляються на автомобільних дорогах, цей час обертається трагедією для водія чи пішохода.

    Завдяки синаптичному процесу нервова клітина, що керує цим постсинаптичним елементом (ефектором), може чинити збуджуючу дію або, навпаки, гальмівну (це визначається конкретним синапсом).

    У синапсах існує явище негативного зворотного зв'язку – антидромний ефект. Йдеться про те, що медіатор, що виділяється в синаптичну щілину, може регулювати виділення наступної порції медіатора з цього ж пресинаптичного елемента шляхом впливу на специфічні рецептори пресинаптичної мембрани. Так, відомо, що в адренергічних синапс є альфа 2 -адренорецептори, взаємодія з якими (норадреналін зв'язується з ними) призводить до зниження виділення порції норадреналіну при надходженні чергового сигналу до синапсу. На пресинаптичній мембрані виявляються рецептори та інших речовин.

    Ефективність передачі в синапсі залежить від інтервалу проходження сигналів через синапс.

Якщо цей інтервал до деяких пір зменшувати (частішати подачу імпульсу по аксону), то на кожний наступний ПД відповідь постсинаптичної мембрани (величина ВПСП або ТПСП) зростатиме (до певної межі). Це полегшує передачу в синапсі, посилює відповідь постсинаптичного елемента (об'єкта управління) на черговий подразник; воно отримало назву «полегшення» чи «потенціація». В основі його лежить накопичення кальцію всередині пресинапсу. Якщо частота проходження сигналу через синапс дуже велика, то через те, що медіатор не встигає зруйнуватися або видалитись із синаптичної щілини, виникає стійка деполяризація або католицька депресія – зниження ефективності синаптичної передачі.

Це називається депресією.Якщо через синапс проходить багато імпульсів, то, зрештою, постсинаптичерка мембрана може зменшити відповідь на виділення чергової порції медіатора. Це називається явищем десенситизації – втратою чутливості. Певною мірою десенситизація схожа на процес рефрактерності (втрата збудливості). Синапси схильні до процесу втоми.

Можливо, що в основі втоми (тимчасового падіння функціональних можливостей синапсу) лежать: а) виснаження запасів медіатора; б) утруднення виділення медіатора; в) явище десенситизації. Т. о., втома – це інтегральний показник.

Література:

2. Грін Н., Стаут У., Тейлор Д.Біологія у 3-х томах. Т.2: Пров. англ. / За ред. Р. Сопера. – 2-ге вид., стереотипне – М.:Мир, 1996, стор. 254 – 256

3. Гістологія