Свойства химических синапсов

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 14Следующая ⇒

1. Синапсы обладают односторонней проводимостью. Передача в синапсе осуществляется от пресинаптической мембраны к постсинаптической. Это свойство связано с тем, что пре- и постсинаптическая мембраны существенно различаются между собой. Пресинаптическая мембрана является обычной электровозбудимой мембраной, на которой генерируется потенциал действия, а постсинаптическая – не электровозбудимой, а хемочувствительной мембраной, на которой есть рецепторы к медиатору.

2. В синапсе наблюдается замедление проведения возбуждения.

3. Синапс обладает низкой лабильностью и повышенной утомляемостью.

4. Синапс обладает трансформацией ритма.

5. Синапс характеризуется высокой избирательной чувствительностью к ядам и фармакологическим веществам (хемотропностью).

6. Синапс очень чувствителен к недостатку кислорода.

7. Для синапса характерен низкий фактор безопасности (надежности). Упорядоченная деятельность центральной нервной системы возможна благодаря этим свойствам синапса. Кроме того, из-за этих свойств эффективность работы синапсов может подвергаться модификации, т.е. синапс обладает пластичностью, поэтому синапсам принадлежит значительная роль в таких функциях, как научение и память.

Медиаторы

Медиатор (или трансмиттер) – понятие функциональное. Представление о медиаторах утверждалось в физиологии медленно. Можно отметить главные вехи истории этой проблемы:

1. Вначале была сформулирована гипотеза о том, что влияние нервной системы на периферические органы осуществляется посредством особых активных веществ. Прямое доказательство было сделано Отто Леви в 20-х годах XX века.

2. В 1924 году была предложена гипотеза об участии веществ-посредников в осуществлении межнейронных связей. Это было экспериментально подтверждено в 1933 году.

3. В 50-х годах нейрофизиологи приступили к идентификации веществ, выполняющих медиаторные функции в головном и спинном мозге.

В разработке различных вопросов многогранной проблемы по нейроэффекторной передаче большая заслуга принадлежит группе кембриджских фармакологов (Отто Леви, Флитчер, Энгли, Элиот). Особая заслуга в изучении синаптических процессов принадлежит отечественной школе казанских физиологов. Задолго до работ О. Леви Самойлов писал: «… процессы, протекающие в нерве и передаточном звене между нервом и мышцей, при пробегании возбуждения отличаются друг от друга – в нерве физические процессы, а в передаточном звене – химические». В настоящее время ведется интенсивное исследование механизмов передачи в синапсе, изучается структура и функции рецепторов. Исследования ведутся с помощью различных современных иммунохимических, фармакологических и других методов.

Установлено, что медиаторную функцию выполняют разные химически неродственные вещества. Несмотря на разнообразие веществ, играющих роль медиаторов, можно отметить, что в этой роли выступают, как правило, небольшие органические молекулы, молекулярная масса которых лежит в пределах 150-300 дальтон. Более высокой может быть молекулярная масса медиаторов пептидергических нейронов. Выделяют ряд критериев для идентификации медиаторов:

1. Высвобождение из пресинаптических нервных терминалей вещества в достаточных количествах и избирательность локализации медиатора в нервных окончаниях.

2. Присутствие в нервных терминалях ферментов, участвующих в синтезе и распаде медиаторов.

3. Са⁺⁺-зависимое выделение медиатора при стимуляции нервных окончаний в объеме, соответствующем количеству стимулов.

4. Идентичность действия медиатора и естественного передатчика на рецепторы постсинаптической мембраны.

5. Возможность с помощью фармакологических агентов блокировать эффекты предполагаемого медиатора.

6. Наличие системы обратного захвата медиатора в пресинаптические терминали и некоторые другие признаки. Следует заметить, что исследователи при выделении критериев для идентификации медиаторов встречаются с целым рядом сложностей.

В настоящее время к медиаторам относят следующие вещества.

Катехоламины (дофамин, норадреналин, адреналин) – производные аминокислоты тирозина. Дофаминергические нейроны находятся у млекопитающих животных в среднем мозге, в гипоталамической области, норадренергические – в среднем мозге, в варолиевом мосту, в продолговатом и промежуточном мозге. Самая значительная группа норадренергических клеток находится в голубом пятне, в составе периферической нервной системы в симпатической цепочке ганглиев и в некоторых интрамуральных ганглиях. Адренергические нейроны обнаружены у млекопитающих животных в продолговатом мозге.

Серотонин (5-окситриптамин) – производное аминокислоты триптофана. Серотонинергические нейроны распространены в древних, стволовых частях головного мозга, их отростки не покидают центральную нервную систему. Тела нейронов лежат преимущественно в срединной области мозгового ствола в составе дорсального и медиального ядер шва продолговатого мозга, среднего мозга и варолиева моста. Серотонинергические волокна иннервируют обширные области ЦНС (новую кору, гиппокамп, бледный шар, миндалину и др.).

Ацетилхолин относится к простым эфирам – уксуснокислый эфир холина. Ацетилхолинергические нейроны широко распространены в ЦНС, секреторные терминали которых лежат как в ЦНС, так и вне ЦНС.

В качестве медиаторов в ЦНС выделен целый ряд свободных аминокислот: глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, гамма-амино-
масляная кислота, глицин. Глицин является медиатором для некоторых интернейронов спинного и продолговатого мозга. Кроме того, в качестве медиаторов рассматриваются некоторые пептиды, например вещество Р, выделенное в 1931 году Эйлером и Гэбдумом из кишки кролика. Существует несколько форм пептидов, одна из которых, состоящая из 11 аминокислот, обнаружена в задних корешках спинного мозга. Гипоталамические нейрогормоны (вазопрессин, окситоцин и др.) признаются в качестве медиаторов, гистамин, производное аминокислоты гистидина, АТФ (пуринергические нейроны), аспарагиновая кислота также относятся к медиаторам; карнозин-дипептид предположительно является передатчиком в окончаниях обонятельного нерва на митральных клетках обонятельных луковиц и др.

В результате многолетних исследований по проблемам синаптологии постепенно выделился ряд принципов:

1. Единство секреторного химизма (принцип Дейла). Одна из закономерностей, сформулированная Дейлом, заключается в том, что разные секреторные терминали одного нейрона выделяют один и тот же набор химических веществ. Прежде полагали, что разные терминали одного нейрона выделяют один и тот же медиатор. При этом имелось в виду, что нейрон метаболически един. Но современные данные показывают, что медиатор секретируется не изолированно, а вместе с веществами-спутниками, которые вместе с ним находятся внутри секреторных везикул (например, вместе с норадреналином – АТФ, с дофамином – бета-оксидаза и др.).

2. Амбивалентность медиатора. Противоположную точку зрения высказывал Экклс: «Нервная клетка не может быть амбивалентной по механизму своего действия на субсинаптическую мембрану». Современная наука это не подтвердила. Сейчас доказана амбивалентность медиатора и нейрона. Один и тот же медиатор может обеспечить разнообразные синаптические эффекты, различающиеся по знаку действия и по ионному механизму. Для большинства синапсов амбивалентность связана с наличием различных рецепторов как на постсинаптической мембране, так и на пресинаптической. Например, в норадренергическом синапсе выявлены α ₁-, α ₂-, β ₁- и β ₂-рецепторы, в холинергическом синапсе – М- и Н-рецепторы и т.д. Именно рецептор в большинстве случаев определяет, какой ионный канал будет открыт и какие ионные токи будут формировать постсинаптический потенциал.

3. Специфичность секреторного химизма нейрона. Каждому нейрону свойственен определенный тип химизма, который характеризуется набором секреторных органелл, ферментов, функциональных белков, нейропептидов и т.д. Представление о секреторной специфичности нервных клеток – это одно из крупных достижений современной физиологии. Для каждого синапса, исходя из его специфичности, найдены специфические блокаторы и активаторы его деятельности, влияющие на разные механизмы: на активность ферментов, на состояние рецепторов и на метаболизм. Например, кураре блокирует рецепторы постсинаптической мембраны в нервно-мышечном синапсе, токсин Cl. botulinum оказывает «функциональную денервацию» – блокирует высвобождение медиатора из пресинаптического окончания и т.д.

Некоторые примеры механизмов действия трансмиттеров (ацетилхолин, глутамат, серотонин и др.) на различные типы рецепторов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Примеры механизмов действия трансмиттеров на различные типы рецепторов

Трансмиттер	Тип рецептора	Действие на
Ацетилхолин	N₁ (мышечный тип)	Лигандуправляемый
	N₂ (нейронный тип)	катионный канал
	m₁, m₃, m₅	IP₃/DAG
	m₂	G_α-ГТФ, G_К₊ ↑
Глутамат	NMDA, AMPA	Лигандуправляемый
		катионный канал
	мGluR_1-5	IP₃/DAG
Глицин	GlyR	Анионный канал
GABA (ГАМК)	GABA_A, GABA_C	Сl^--канал
	GABA_B	цАМФ ↑, G_K+ ↑, Ca²⁺↑
Серотонин	5-HT₁	цАМФ ↓
	5-HT₂	IP₃/DAG
	5-HT₃	Лигандуправляемый
		катионный канал
	5-HT_4-7	цАМФ ↑
Дофамин	D₁	цАМФ ↑
	D₂	цАМФ ↓
Норадреналин	α ₂	IP₃/DAG
Адреналин	α ₁	цАМФ ↓, G_K+ ↓, Ca²⁺ ↑
	β ₁, β ₂	цАМФ ↑
Опиоиды	μ, δ	цАМФ ↓, G_K+ ↑
	κ	Ca²⁺ ↓

Освобождение медиаторов

В пресинаптическом нервном окончании в синаптических везикулах аккумулируются медиаторы (трансмиттеры). Потенциал действия, достигая нервного окончания, деполяризует его мембрану. Деполяризация вызывает открытие кальциевых каналов, по которым в окончание входит ток ионов Са²⁺. Ионы Са²⁺ вызывают процесс слияния везикул с пресинаптической мембраной с последующим открытием их и выбрасыванием своего содержимого в синаптическую щель.

Для более полного описания процесса синаптической передачи рассмотрим холинергический синапс, в котором в качестве медиатора освобождается ацетилхолин (Ach) (рис. 1.5, 1.6).

Синаптические везикулы фиксируются большей частью посредством протеина синапсина, который локализован на цитоплазматической поверхности каждой везикулы, к протеину спектрину, расположенному на волокнах F-актина цитоскелета, образуя тем самым трансмиттерный резервуар. Меньшая часть везикул связана специфическими протеинами с внутренней стороной пресинаптической мебраны. Это взаимодействие осуществляется посредством белка мембраны везикулы синаптобревина и белка пресинаптической мембраны синтаксина. Именно эти везикулы непосредственно поставляют медиатор для очередного выброса.

Рис. 1.5. Механизм освобождения трансмиттера из пресинаптического окончания.

Потенциал действия, пришедший по аксону в пресинаптическую область, деполяризует мембрану. Открываются потенциалуправляемые Са⁺-каналы. Повышенная концентрация интратерминального Са⁺ открывает везикулы, лежащие на пресинаптической мембране клетки, что приводит к экзоцитозу их содержимого в синаптическую щель
(рисунок взят из книги: Фундаментальная и клиническая физиология / под ред. А. Камкина и А. Каменского. М., 2004)

Рис. 1.6. Взаимодействие трансмиттерных молекул с их специфическими рецепторами.

В правой части рисунка представлена постсинаптическая мембрана, имеющая никотиновый рецептор, ионный канал которого открывается сам при помощи лиганда; в левой части показана постсинаптическая мембрана, обладающая мускариновым рецептором. В этом случае ионный канал открывается только при помощи каскада химических реакций (рисунок взят из книги: Фундаментальная и клиническая физиология / под ред.
А. Камкина и А. Каменского. М., 2004)

Если потенциал действия достиг пресинаптической области и в пресинаптическом окончании концентрация Са²⁺ поднялась до необходимого уровня, то происходят следующие процессы. Са⁺² связывается с протеином, входящим в состав мембран везикулов, – синаптотагмином. Это приводит к тому, что мембрана везикулы раскрывается. Одновременно комплекс полипептида синаптофизина сливается с неиндефицированными протеинами пресинаптической мембраны. При этом возникает пора, через которую осуществляется регулируемый экзоцитоз, т.е. выход трансмиттера в синаптическую щель. Протеин везикулы rab3A регулирует этот процесс. В одной везикуле сосредоточено примерно 6000-8000 молекул трансмиттера. Это наименьшее количество трансмиттера, освобожденного в синаптическую щель, называется «один квант трансмиттера». В совокупности локальная концентрация медиатора в синаптической щели после его освобождения относительно высока и находится в миллимолярном диапазоне.

Повышенный уровень ионов Ca²⁺ в пресинаптическом окончании активирует Са²⁺-кальмодулинзависимую протеинкиназу П. В пресинаптическом окончании этот фермент фосфорилирует синапсин. После этого нагруженные трансмиттером везикулы освобождаются от цитоскелета и перемещаются на пресинаптическую мембрану для осуществления дальнейшего цикла, описанного выше. Главную роль для процесса выбрасывания медиатора в синаптическую щель играет входящий ток Са²⁺. Деполяризация окончания лишь открывает кальциевые каналы. Ионы Са²⁺ служат здесь в качестве вещества-посредника (вторичного мессенджера), которое запускает механизм слияния везикул с пресинаптической мембраной.

Повышение концентрации экстрацеллюлярного Са²⁺ повышает входящий ток ионов Са²⁺, что увеличивает освобождение медиатора. Искусственное повышение концентрации экстрацеллюлярного Mg²⁺ посредством замещения им ионов Са²⁺ ведет к снижению входящего тока Са²⁺ и тем самым уменьшению освобождения трансмиттера. G-белки, вероятно, также участвуют в управлении везикулярным экзоцитозом. После прекращения пресинаптического потенциала действия ионы Са²⁺ удаляются из пресинаптической области посредством активного ионного транспорта с участием Са²⁺-АТФазы и 3Na⁺/Ca²⁺-обменника.

Многоразовое сильное возбуждение пресинаптического нейрона ведет к увеличению концентрации ионов Са²⁺ и тем самым к повышению освобождения трансмиттера. Этот процесс называется синаптическим или посттетаническим потенцированием (после тетанического раздражения). Предполагают, что механизм посттетанического потенцирования лежит в основе памяти. Подобный процесс широко представлен в гиппокампе. Механизмы синаптического потенцирования повышают эффективность синапса. Входящим током ионов Са²⁺ можно управлять, влияя на Са²⁺-каналы. Они могут быть более или менее частыми, закрытыми или открытыми. Возможно фармакологическое воздействие на каналы. Например, конотоксин – яд улитки – блокирует каналы Са²⁺. Кроме того, ионы Mg²⁺, вытесняя ионы Са²⁺, уменьшают освобождение медиатора. Опорожнение везикул также может блокироваться посредством ядов. Так, ботулинический токсин при мясном отравлении действует на пресинаптическую мембрану, препятствуя скоплению везикул на ней за счет уменьшения необходимого для этого процесса протеина. Подобным образом действует тетанустоксин, который в переднем роге спинного мозга прекращает торможение мотонейрона клетки Реншоу, что приводит к судорогам.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒