Химические синапсы. Этапы функционирования химической синаптической передачи. Классификация синапсов и механизм передачи возбуждения
Рассмотрим, как осуществляется химическая, синаптическая передача. Схематично это выглядит так: импульс возбуждения, достигает пресинаптической мембраны нервной клетки (дендрита или аксона), в которой содержатся синаптические пузырьки, заполненные особым веществом - медиатором (от латинского «Media» - середина, посредник, передатчик). Пресинаптическая
мембрана содержит много кальциевых каналов. Потенциал действия деполяризует пресинаптическое окончание и, таким образом, изменяет состояние кальциевых каналов, вследствие чего они открываются. Так как концентрация кальция (Са 2 +) во внеклеточной среде больше, чем внутри клетки, то через открытые каналы кальций проникает в клетку. Увеличение внутриклеточного содержания кальция, приводит к слиянию пузырьков с пресинаптической мембраной. Медиатор выходит из синаптических пузырьков в синоптическую щель. Синаптическая щель в химических синапсах довольно широкая и составляет в среднем 10-20 нм. Здесь медиатор связывается с белками - рецепторами, которые встроены в постсинаптическую мембрану. Связывание медиатора с рецептором начинает цепь явлений, приводящих к изменению состояния постсинаптической мембраны, а затем и всей постсинаптической клетки. После взаимодействия с молекулой медиатора рецептор активируется, заслонка открывается, и канал становится проходимым или для одного иона, или для нескольких ионов одновременно.
Следует отметить, что химические синапсы отличаются не только механизмом передачи, но также и многими функциональными свойствами. Некоторые из них мне хотелось бы указать. Например, в синапсах с химическим механизмом передачи продолжительность синоптической задержки, то есть интервал между приходом импульса в пресинаптическое окончание и началом постсинаптического потенциала, у теплокровных животных составляет 0,2 - 0,5мс. Также, химические синапсы отличаются односторонним проведением, то есть медиатор, обеспечивающий передачу сигналов, содержится только в пресинаптическом звене. Учитывая, что в химических возникновениях синапсах возникновение постсинаптического потенциала обусловлено изменением ионной проницаемости постсинаптической мембраны, они эффективно обеспечивают как возбуждение, так и торможение. Указав, на мой взгляд, функциональные основные свойства химической синаптической передачи, рассмотрим, как же осуществляется процесс высвобождения медиатора, а так же опишем наиболее известные из них.
Выделение медиа тора:
Фактор, выполняющий медиаторную функцию, вырабатывается в теле нейрона, и оттуда транспортируется в окончание аксона. Содержащийся в пресинаптческих окончаниях медиатор должен выделиться в синаптическую щель, чтобы воздействовать на рецепторы постсинаптической мембраны, обеспечивая транссинаптическую передачу сигналов. В качестве медиатора могут выступать такие вещества, как ацетилхолин, катехоламиновая группа, серотонин, нейропиптиды и многие другие, их общие свойства будут описаны ниже.
Еще до того, как были выяснены многие существенные особенности процесса высвобождения медиатора, было установлено, что пресинаптические окончания могут изменять состояния спонтанной секреторной активности. Постоянно выделяемые небольшие порции медиатора вызывают в постсинаптической клетке так называемые спонтанные, миниатюрные постсинаптические потенциалы. Это было установлено в 1950 году английскими учеными Феттом и Катцом, которые, изучая работу нервно-мышечного синапса лягушки, обнаружили, что без всякого действия на нерв в мышце в области постсинаптической мембраны сами по себе через случайные промежутки времени возникают небольшие колебания потенциала, амплитудой примерно в 0,5мВ. Открытие, не связанного с приходом нервного импульса, выделения медиатора помогло установить квантовый характер его высвобождения, то есть получилось, что в химическом синапсе медиатор выделяется и в покое, но изредка и небольшими порциями. Дискретность выражается в том, что медиатор выходит из окончания не диффузно, не в виде отдельных молекул, а в форме многомолекулярных порций (или квантов), в каждой из которых содержится несколько тысяч молекул.
Происходит это следующим образом: в аксоплазме окончаний нейрона в непосредственной близости к пресинаптической мембране при рассмотрении под электронным микроскопом было обнаружено множество пузырьков или везикул, каждая из которых содержит один квант медиатора. Токи действия, вызываемые пресинаптическими импульсами, не оказывают заметного влияния на постсинаптическую мембрану, но приводят к разрушению оболочки пузырьков с медиатором. Этот процесс (экзоцитоз) заключается в том, что пузырек, подойдя к внутренней поверхности мембраны пресинаптического окончания при наличии кальция (Са 2 +), сливается с пресинаптической мембраной, в результате чего и происходит опорожнение пузырька в синаптическую щель. После разрушения пузырька окружающая его мембрана включается в мембрану пресинаптического окончания, увеличивая его поверхность. В дальнейшем, в результате процесса эндоцитоза, небольшие участки пресинаптической мембраны впячиваются внутрь, вновь образуя пузырьки, которые впоследствии снова способны включать медиатор и вступать в цикл его высвобождения.
Химические синапсы - это преобладающий тип синапсов в мозге млекопитающих. В таких синапсах взаимодействие между нейронами осуществляется с помощью медиатора (нейротрансмиттера) - вещества, выделяющегося из пресинаптического окончания и действующего на постсинаптическую структуру.
Химические синапсы - это самый сложный вид соединений в ЦНС (рис. 3.1). Морфологически он отличается от других форм соединений наличием хорошо выраженной синаптической щели, при этом виде контакта мембраны строго ориентированы или поляризованы в направлении от нейрона к нейрону.
Химический синапс состоит из двух частей: пресинаптической, образованной булавовидным расширением окончанием аксона передающей клетки, и постсинаптической, представленной контактирующим участком плазматической мембраны воспринимающей клетки. Между обеими частями имеется синаптическая щель - промежуток шириной 10-50 нм между постсинаптической и пресинап- тической мембранами, края которой укреплены межклеточными контактами. В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, так называемые пресинаптические или синаптические пузырьки , содержащие медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения) либо фермент, разрушающий этот медиатор. На постсинаптической, а часто и на пресинаптической мембранах присутствуют рецепторы к тому или иному медиатору.
Рис. 3.1.
Пузырьки (везикулы) размещаются напротив пресинаптической мембраны, что обусловлено их функциональным назначением для высвобождения медиатора в синаптическую щель. Также около пресинаптического пузырька находится большое количество митохондрий (производящих АТФ) и упорядоченные структуры протеиновых волокон. Везикулы имеют различные размеры (от 20 до 150 и более нм) и заполнены химическими веществами, способствующими передаче активности с одной клетки на другую. Одна аксонная терминаль нейрона может содержать несколько типов везикул.
Как правило, из всех окончаний одного нейрона выделяется один и тот же медиатор (правило Дейла). Этот медиатор может подействовать на разные клетки по-разному, в зависимости от их функционального состояния, химизма или степени поляризованности их мембраны. Однако, подчиняясь правилу Дейла, эта пресинаптическая клетка из всех своих аксонных окончаний всегда будет выделять одно и то же химическое вещество. Пузырьки группируются возле уплотненных частей мембраны.
Нервный импульс (возбуждение) с огромной скоростью продвигается по волокну и подходит к синапсу. Этот потенциал действия вызывает деполяризацию мембраны синапса, однако это не приводит к генерации нового возбуждения (потенциала действия), а вызывает открывание специальных ионных каналов. Эти каналы пропускают ионы кальция внутрь синапса. Специальная железа внутренней секреции - паращитовидная (она находится поверх щитовидной) - регулирует содержание кальция в организме. Многие заболевания связаны с нарушением обмена кальция в организме. Например, его недостаток приводит к рахиту у маленьких детей.
Попадая в цитоплазму синаптического окончания, кальций входит в связь с белками, образующими оболочку пузырьков, в которых хранится медиатор. Мембраны синаптических пузырьков сокращаются, выталкивая содержимое в синаптическую щель. Возбуждение (электрический потенциал действия) нейрона в синапсе превращается из электрического импульса в импульс химический. Другими словами, каждое возбуждение нейрона сопровождается выбросом в окончании его аксона порции биологически активного вещества - медиатора. Далее молекулы медиатора связываются с рецепторами (белковыми молекулами), которые находятся на постсинаптической мембране.
Рецептор состоит из двух частей. Одну можно назвать «узнающим центром», другую - «ионным каналом». Если молекулы медиатора заняли определенные места (узнающий центр) на молекуле рецептора, то ионный канал открывается и ионы начинают входить в клетку (ионы натрия) или выходить из клетки (ионы калия).
Т. е. через мембрану протекает ионный ток, который вызывает изменение потенциала на мембране. Этот потенциал получил название возбуждающего постсинаптического потенциала (рис. 3.2).
Рис. 3.2.
Рис. 3.3.
ВПСП - это основной синаптический процесс, обеспечивающий передачу возбуждающих влияний одной клетки на другую. ВПСП отличается от распространяющегося импульса отсутствием рефрактерности, значительной длительностью, способностью суммироваться с другими аналогичными синаптическими процессами, отсутствием способности к активному распространению (рис. 3.3).
Амплитуда потенциала определяется количеством молекул медиатора, связанного рецепторами. Благодаря этой зависимости амплитуда потенциала на мембране нейрона развивается пропорционально количеству открытых каналов.
Каждый многоклеточный организм, каждая ткань, состоящая из клеток, нуждается в механизмах, обеспечивающих межклеточные взаимодействия. Как же осуществляются межнейронные взаимодействия? По нервной клетке информация распространяется в виде потенциалов действия. Передача возбуждения с аксонных терминалей на иннервируемый орган или другую нервную клетку происходит через межклеточные структурные образования - синапсы (от греч. «Synapsis» -соединение, связь).
Основные элементы синапса
Синапс - представляет собой сложное структурное образование, состоящее из пресинаптической мембраны (чаще всего это концевое разветвление аксона), постсинаптической мембраны (чаще всего это участок мембраны тела или дендрита другого нейрона), а так же синаптической щели.
Синапс настолько узок, что его строение можно изучать только в электронный микроскоп. Цитоплазма в месте контакта уплотнена с обеих сторон или только в постсинаптической клетке. Сигнал передается от пресинаптической части к постсинаптической. Между ними находится синаптическая щель шириной 0,02-0,03 мкм. Диаметр синапса 1-2 мкм и менее.
В пресинаптической окончании находятся небольшие мембранные пузырьки - везикулы. Диаметр везикул может составлять 0,02-0,06 мкм и более; их форма сферическая или уплощенная. Везикулы наполнены физиологически активными веществами - медиаторами. Для каждого конкретного нейрона параметры образуемых им синапсов (размер щели, диаметр и форма везикул, количество молекул медиатора в везикуле) постоянны.
Понятие синапс было введено английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 году, для обозначения функционального контакта между нейронами. Следует отметить, что еще в 60-х годах прошлого столетия И.М. Сеченов подчеркивал, что вне межклеточной связи нельзя объяснить способы происхождения даже самого нервного элементарного процесса. Чем сложнее устроена нервная система, и чем больше число составляющих нервных мозговых элементов, тем важнее становится значение синаптических контактов.
Схематическое изображение синапсов
с химическими
(А), электрическими (Б) и смешанными (В) механизмами передачи
Механизм передачи через синапс долгое время оставался невыясненным, хотя было очевидно, что передача сигналов в синаптической области резко отличается от процесса проведения потенциала действия по аксону. Однако в начале XX века была сформулирована гипотеза, что синаптическая передача осуществляется или электрическим или химическим путем. Электрическая теория синаптической передачи в ЦНС пользовалась признанием до начала 50-х годов, однако она значительно сдала свои позиции после того, как химический синапс был продемонстрирован в ряде периферических синапсов. Так, например, А.В. Кибяков, проведя опыт на нервном ганглии, а также использование микроэлектродной техники для внутриклеточной регистрации синаптических потенциалов нейронов ЦНС позволили сделать вывод о химической природе передачи в межнейрональных синапсах спинного мозга. Микроэлектродные исследования последних лет показали, что в определенных межнейронных синапсах существует электрический механизм передачи . В настоящее время стало очевидным, что есть синапсы, как с химическим механизмом передачи, так и с электрическим. Более того, в некоторых синаптических структурах вместе функционируют и электрический и химический механизмы передачи - это так называемые смешанные синапсы.
Электрические синапсы.
Электрические синапсы представляют собой довольно плотные контакты между клетками (ширина синаптической щели всего около 2 нм), благодаря чему нервный импульс «перескакивает» с пресинаптической на постсинаптическую мембрану. Дополнительно в электрическом синапсе между пресинаптической и постсинаптической мембраной существуют т.н.мостики, представляющие собой белки-каналы, через которые могут проходить мелкие молекулы и ионы. Благодаря таким каналам не происходит потерь сигнала в результате утечки электрического тока через внеклеточную среду. Вследствие этого изменения потенциала в пресинаптическом окончании могут передаваться на постсинаптическую мембрану практически без потерь.
Электрические синапсы и их морфологический субстрат - щелевые контакты- были обнаружены в самых разных отделах нервной системы беспозвоночных и низших позвоночных животных. В мозге млекопитающих также встречаются электрические синапсы. Они обнаружены в стволе головного мозга: в ядре тройничного нерва, в вестибулярном ядре Дейтерса, в нижней оливе продолговатого мозга.
Проведение возбуждения в таких синапсах осуществляется быстро, с небольшой задержкой или даже без задержки. Электрические синапсы обладают как односторонним, так и двусторонним проведением возбуждения. Это легко доказать при регистрировании электрического потенциала на синапсе: при раздражении афферентных путей мембрана синапса деполяризуется, а при раздражении эфферентных волокон - гиперполяризуется. Оказалось, что синапсы нейронов с одинаковой функцией обладают двусторонним проведением возбуждения (например, синапсы между двумя чувствительными клетками). В таких синапсах ток возможен в обоих направлениях, но иногда сопротивление в одном из направлений выше, чем в другом (выпрямляющий эффект).
Синапсы между разнофункциональными нейронами (сенсорные и моторные) обладают односторонним проведением. Электрические синапсы позволяют синхронизировать активность групп нейронов, они дают возможность получать постоянные, стереотипные реакции при многократных воздействиях, т.к. они в меньшей степени, чем химические синапсы, подвержены метаболическим и прочим влияниям.Химические синапсы.
Химические синапсы - это функциональные контакты между клетками, передачу сигналов в которых осуществляют специальные химические вещества посредники – медиаторы.
Рассмотрим, как осуществляется химическая, синаптическая передача. Схематично это выглядит так: импульс возбуждения, достигает пресинаптической мембраны нервной клетки (дендрита или аксона), в которой содержатся синаптические пузырьки, заполненные особым веществом - медиатором (от латинского «Media» - середина, посредник, передатчик). Пресинаптическая мембрана содержит много кальциевых каналов. Потенциал действия деполяризует пресинаптическое окончание и, таким образом, изменяет состояние кальциевых каналов, вследствие чего они открываются. Так как концентрация кальция (Са 2 +) во внеклеточной среде больше, чем внутри клетки, то через открытые каналы кальций проникает в клетку. Увеличение внутриклеточного содержания кальция, приводит к слиянию пузырьков с пресинаптической мембраной. Медиатор выходит из синаптических пузырьков в синоптическую щель. Синаптическая щель в химических синапсах довольно широкая и составляет в среднем 10-20 нм. Здесь медиатор связывается с белками - рецепторами, которые встроены в постсинаптическую мембрану. Связывание медиатора с рецептором начинает цепь явлений, приводящих к изменению состояния постсинаптической мембраны, а затем и всей постсинаптической клетки. После взаимодействия с молекулой медиатора рецептор активируется, заслонка открывается, и канал становится проходимым или для одного иона, или для нескольких ионов одновременно.
Следует отметить, что химические синапсы отличаются не только механизмом передачи, но также и многими функциональными свойствами. Например, в синапсах с химическим механизмом передачи продолжительность синоптической задержки, то есть интервал между приходом импульса в пресинаптическое окончание и началом постсинаптического потенциала, у теплокровных животных составляет 0,2 - 0,5мс. Также, химические синапсы отличаются односторонним проведением, то есть медиатор, обеспечивающий передачу сигналов, содержится только в пресинаптическом звене. Учитывая, что в химических возникновениях синапсах возникновение постсинаптического потенциала обусловлено изменением ионной проницаемости постсинаптической мембраны, они эффективно обеспечивают как возбуждение, так и торможение.
Сравнение химического и электрического синапсов:
| Свойство | Электрический синапс | Химический синапс |
| Направление передачи сигнала | возможно в обе стороны | только от пре- к постсинаптической мембране (как правило) |
| Физиологический эффект | только возбуждение | возбуждение и торможение |
| Скорость передачи информации | высокая | есть синаптическая задержка |
| Точность передачи информации | низкая | высокая (строго по химическому адресу |
| Пластичность | отсутствует | есть (основа обучения и памяти) |
| Чувствительность к температуре | нет | есть |
Синапс - это определенная зона контакта отростков нервных клеток и остальных невозбудимых и возбудимых клеток, которые обеспечивают передачу информационного сигнала. Синапс морфологически образуется контактирующими мембранами 2-х клеток. Мембрана, относящаяся к отростку зовется пресинаптической мембраной клетки, в которую поступает сигнал, второе ее название - постсинаптическая. Вместе с принадлежностью постсинаптической мембраны синапс может быть межнейрональным, нейромышечным и нейросекреторным. Слово синапс было введено в 1897 г. Чарльзом Шеррингтоном (англ. физиологом).
Что же такое синапс?
Синапс - это специальная структура, которая обеспечивает передачу от нервного волокна нервного импульса на другое нервное волокно или нервную клетку, а чтобы произошло воздействие на нервное волокно от рецепторной клетки (области соприкосновения друг с другом нервных клеток и другого нервного волокна), требуется две нервные клетки.
Синапс - это небольшой отдел в окончании нейрона. При его помощи идет передача информации от первого нейрона ко второму. Синапс находится в трех участках нервных клеток. Также синапсы находятся в том месте, где нервная клетка вступает в соединение с разными железами или мышцами организма.
Из чего состоит синапс
Строение синапса имеет простую схему. Он образуется из 3-х частей, в каждой из которых осуществляются определенные функции во время передачи информации. Тем самым такое строение синапса можно назвать подходящим для передачи Непосредственно на процесс воздействуют две главные клетки: воспринимающая и передающая. В конце аксона передающей клетки находится пресинаптическое окончание (начальная часть синапса). Оно может повлиять в клетке на запуск нейротрансмиттеров (это слово имеет несколько значений: медиаторы, посредники или нейромедиаторы) - определенные с помощью которых между 2-мя нейронами реализуется передача электрического сигнала.
Синаптической щелью является средняя часть синапса - это промежуток между 2-мя вступающими во взаимодействие нервными клетками. Через эту щель и поступает от передающей клетки электрический импульс. Конечной частью синапса считается воспринимающая часть клетки, которая и является постсинаптическим окончанием (контактирующий фрагмент клетки с разными чувствительными рецепторами в своей структуре).
Медиаторы синапса
Медиатор (от латинского Media - передатчик, посредник или середина). Такие медиаторы синапса очень важны в процессе передачи
Морфологическое различие тормозного и возбуждающего синапса заключается в том, что они не имеют механизм освобождения медиатора. Медиатор в тормозном синапсе, мотонейроне и другом тормозном синапсе считается аминокислотой глицином. Но тормозной или возбуждающий характер синапса определяется не их медиаторами, а свойством постсинаптической мембраны. К примеру, ацетилхолин дает возбуждающее действие в нервно-мышечном синапсе терминалей (блуждающих нервов в миокарде).
Ацетилхолин служит возбуждающим медиатором в холинэргических синапсах (пресинаптическую мембрану в нем играет окончание спинного мозга мотонейрона), в синапсе на клетках Рэншоу, в пресинаптическом терминале потовых желез, мозгового вещества надпочеников, в синапсе кишечника и в ганглиях симпатической нервной системы. Ацетилхоли-нестеразу и ацетилхолин нашли также во фракции разных отделов мозга, иногда в большом количестве, но кроме холинэргического синапса на клетках Рэншоу пока не смогли идентифицировать остальные холинэргические синапсы. По словам ученых, медиаторная возбуждающая функция ацетилхолина в ЦНС весьма вероятна.
Кателхомины (дофамин, норадреналин и адреналин) считаются адренэргическими медиаторами. Адреналин и норадреналин синтезируются в окончании симпатического нерва, в клетке головного вещества надпочечника, спинного и головного мозга. Аминокислоты (тирозин и L-фенилаланин) считаются исходным веществом, а адреналин заключительным продуктом синтеза. Промежуточное вещество, в которое входят норадреналин и дофамин, тоже выполняют функцию медиаторов в синапсе, созданных в окончаниях симпатических нервов. Эта функция может быть либо тормозной (секреторные железы кишечника, несколько сфинктеров и гладкая мышца бронхов и кишечника), либо возбуждающей (гладкие мышцы определенных сфинктеров и кровеносных сосудов, в синапсе миокарда - норадреналин, в подкровных ядрах головного мозга - дофамин).
Когда завершают свою функцию медиаторы синапса, катехоламин поглощается пресинаптическим нервным окончанием, при этом включается трансмембранный транспорт. Во время поглощения медиаторов синапсы находятся под защитой от преждевременного истощения запаса на протяжении долгой и ритмичной работы.
Синапс: основные виды и функции
Лэнгли в 1892 году было предположено, что синаптическая передача у вегетативной ганглии млекопитающих не электрической природы, а химической. Через 10 лет Элиоттом было выяснено, что из надпочечников адреналин получается от того же воздействия, что и стимуляция симпатических нервов.
После этого предположили, что адреналин способен секретироваться нейронами и при возбуждении выделяться нервным окончанием. Но в 1921 году Леви сделал опыт, в котором установил химическую природу передачи в вегетативном синапсе среди сердца и блуждающих нервов. Он заполнил сосуды физиологическим раствором и стимулировал блуждающий нерв, создавая замедление сердцебиения. Когда жидкость перенесли из заторможенной стимуляции сердца в нестимулированое сердце, оно билось медленнее. Ясно, что стимуляция блуждающего нерва вызвала освобождение в раствор тормозящего вещества. Ацетилхолин целиком воспроизводил эффект этого вещества. В 1930 г. роль в синаптической передаче ацетилхолина в ганглии окончательно установил Фельдберг и его сотрудник.
Синапс химический
Химический синапс принципиально отличается передачей раздражения при помощи медиатора с пресинапса на постсинапс. Поэтому и образуются различия в морфологии химического синапса. Химический синапс более распространен в позвоночной ЦНС. Теперь известно, что нейрон способен выделять и синтезировать пару медиаторов (сосуществующих медиаторов). Нейроны тоже имеют нейромедиаторную пластичность - способность изменять главный медиатор во время развития.
Нервно-мышечный синапс
Данный синапс осуществляет передачу возбуждения, однако эту связь могут разрушить различные факторы. Передача заканчивается во время блокады выбрасывания в синаптическую щель ацетилхолина, также и во время избытка его содержания в зоне постсинаптических мембран. Множество ядов и лекарственных препаратов влияют на захват, выход, который связан с холинорецепторами постсинаптической мембраны, тогда мышечный синапс блокирует передачу возбуждения. Организм гибнет во время удушья и остановки сокращения дыхательных мышц.
Ботулинус - микробный токсин в синапсе, он блокирует передачу возбуждения, разрушая в пресинаптическом терминале белок синтаксин, управляемый выходом в синаптическую щель ацетилхолина. Несколько отравляющих боевых веществ, фармокологических препаратов (неостигмин и прозерин), а также инсектициды блокируют проведение возбуждения в нервно-мышечный синапс при помощи инактивации ацетилхолинэстеразы - фермента, который разрушает ацетилхолин. Поэтому идет накопление в зоне постсинаптической мембраны ацетилхолина, снижается чувствительность к медиатору, производится выход из постсинаптических мембран и погружение в цитозоль рецепторного блока. Ацетилхолин будет неэффективен, и синапс будет заблокирован.
Синапс нервный: особенности и компоненты
Синапс - это соединение места контакта среди двух клеток. Причем каждая из них заключена в свою электрогенную мембрану. Нервный синапс состоит из трех главных компонентов: постсинаптическая мембрана, синаптическая щель и пресинаптическая мембрана. Постсинаптическая мембрана - это нервное окончание, которое проходит к мышце и опускается внутрь мышечной ткани. В пресинаптической области имеются везикулы - это замкнутые полости, имеющие медиатор. Они всегда находятся в движении.
Подходя к мембране нервных окончаний, везикулы сливаются с ней, и медиатор попадает в синаптическую щель. В одной везикуле содержится квант медиатора и митохондрии (они нужны для синтеза медиатора - главного источника энергии), далее синтезируется из холина ацетилхолин и под воздействием фермента ацетилхолинтрансферразы перерабатывается в ацетилСоА).
Синаптическая щель среди пост- и пресинаптических мембран
В разных синапсах величина щели различна. наполнено межклеточной жидкостью, в которой имеется медиатор. Постсинаптическая мембрана накрывает место контакта нервного окончания с иннервируемой клеткой в мионевральном синапсе. В определенных синапсах постсинаптическая мембрана создает складку, возрастает контактная площадь.
Дополнительные вещества, входящие в состав постсинаптической мембраны
В зоне постсинаптической мембраны присутствуют следующие вещества:
Рецептор (холинорецептор в мионевральном синапсе).
Липопротеин (обладает большой схожестью с ацетилхолином). У этого белка присутствует электрофильный конец и ионная головка. Головка поступает в синаптическую щель, происходит взаимодействие с катионовой головкой ацетилхолина. Из-за этого взаимодействия идет изменение постсинаптической мембраны, затем происходит деполяризация, и раскрываются потенциально зависимые Na-каналы. Деполяризация мембраны не считается самоподкрепляющим процессом;
Градуален, его потенциал на постсинаптической мембране зависит от числа медиаторов, то есть потенциал характеризуется свойством местных возбуждений.
Холинэстераза - считается белком, у которого имеется ферментная функция. По строению она схожа с холинорецептором и обладает похожими свойствами с ацетилхолином. Холинэстеразой разрушается ацетилхолин, вначале тот, который связан с холинорецептором. Под действием холинэстеразы холинорецептор убирает ацетилхолин, образуется реполяризация постсинаптической мембраны. Ацетилхолином расщепляется до уксусной кислоты и холина, необходимого для трофики мышечной ткани.
При помощи действующего транспорта выводится на пресинаптическую мембрану холин, он используется для синтеза нового медиатора. Под воздействием медиатора меняется проницаемость в постсинаптической мембране, а под холинэстеразой чувствительность и проницаемость возвращается к начальной величине. Хеморецепторы способны вступать во взаимодействие с новыми медиаторами.
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.
