Синаптическая передача возбуждения в нервной системе

Синаптическая передача возбуждения. Синапсы – это специализированная форма контакта между отростками нейронов и любыми возбудимыми образованиями – нейронами, мышечными или секреторными клетками. Термин «синапс» – от греческого synapsis – соприкосновение, соединение был введен Ч.Шеррингтоном в конце 19-го века. В головном и спинном мозге 60 – 80% всей нейрональной поверхности, включая сому, аксон и дендриты, занято синапсами. Каждый нейрон связан с тысячами других нервных клеток. Число возможных контактов в головном мозге человека составляет не менее 10 – 10. Синапсы классифицируются по местоположению, характеру действия и способу передачи сигнала. По местоположению выделяют нервно-мышечные синапсы и нейро-нейрональные. Последние в свою очередь делятся на аксо-соматические, аксо-дендритные, аксо-аксональные и дендро-соматические. По характеру действия на воспринимающую структуру синапсы могут быть возбуждающими и тормозными. По способу передачи сигнала синапсы могут быть электрическими, химическими и смешанными.

Электрические синапсы морфологически представляют собой слияние или сближение участков мембран, расстояние между которыми колеблется от 1 мкм до 0,15 нм. При этом синаптическая щель между мембранами не сплошная, а прерывается мостиками полного контакта. Эти мостики образуют повторяющуюся ячеистую структуру синапса. В участках слияния мембран находятся каналы, через которые клетки могут обмениваться молекулами веществ. Электрические синапсы нейронов с одинаковой функцией, например, синапсы между двумя чувствительными клетками, обладают двусторонним проведением, а между нейронами с разной функцией, например, между сенсорным и моторным – односторонним. Функции электрических синапсов заключаются прежде всего в обеспечении срочных реакций организма. Электрический синапс сравнительно мало утомляем, устойчив к изменениям внешней и внутренней среды. Эти качества, наряду с быстродействием, обеспечивают высокую надежность его работы. Структуру электрического синапса можно видеть на слайдах.

Химические синапсы. В качестве примера можно рассмотреть аксо-соматический синапс. Аксон, подходя к телу другого нейрона, образует расширение, называемое пресинаптическим окончанием, или терминалью. Размеры пресинаптического окончания варьируют в диапазоне 0,75 – 1,5 мкм. Мембрана такого окончания называется пресинаптической. Под ней располагается синаптическая щель, ширина которой составляет 10 – 50 нм, а в нервно-мышечном синапсе 50 – 100 нм (для сравнения - расстояние между мембранами вне зоны их синаптического контакта не превышает 10 – 15 нм). Содержимое синаптической щели напоминает гель, химический состав в основном определяется гликозоаминогликанами. За синаптической щелью находится мембрана тела нейрона, которая в области синапса называется постсинаптической. В составе постисинаптической мембраны обычно выделяют субсинаптическую мембрану, расположенную в проекции субсинаптических структур. Субсинаптическая мембрана существенно отличается от остальных участков субсинаптической мембраны: она не содержит потенциалзависимых ионных каналов, а содержит только хемиозависимые ионные каналы, открывающиеся под действием нейромедиатора. Наконец, на субсинаптической мембране может находиться специальный фермент, расщепляющий нейромедиатор, что способствует освобождению постсинаптического рецептора. Схема химического синапса представлена на схеме.

Основными медиаторами синаптического возбуждения и торможения в ЦНС млекопитающих и человека являются следующие: ацетилхолин; катехоламины: адреналин, норадреналин, дофамин; серотонин; нейтральные аминокислоты: глутаминовая, аспарагиновая кислоты; кислые кислоты: глицин, гамма-аминомаслянная кислота (ГАМК), полипептиды: вещество Р, энкефалин, соматостатин и др.; другие вещества: АТФ, гистамин, простогландины. Согласно принципу Дейла каждый нейрон во всех своих синаптических окончаниях выделяет один и тот же медиатор. Поэтому принято обозначать нейроны по тому медиатору, который выделяют его окончания – холинергические, адренергические, ГАМК–ергические и др. В настоящее время, однако, принцип Дейла пересмотрен. Установлено, что из пресинаптического окончания наряду с основным медиатором могут выделяться и другие биологически активные вещества – так называемые нейромодуляторы, изменяющие эффекты нейромедиатора. Например, вместе с ацетилхолином в холинергических синапсах могут высвобождаться АТФ, вазоактивный интестинальный пептид, простогландины. В зависимости от преобразования синаптического сигнала все нейромедиаторы и их рецепторы принято делить на ионотропные и метаботропные. Ионотропные медиаторы взаимодействуют с постсинаптическими рецепторами и способствуют открыванию ионного канала (ионофора). Ионотропный механизм передачи свойственен рецепторам возбуждающих аминокислот (аспарагиновой, глутаминовой) и тормозных аминокислот (ГАМК. глицин), никотиновым рецепторам. Метаботропные нейромедиаторы влияют на специфические мембранные ферменты, продуцирующие вторичные посредники. Именно вторичные посредники осуществляют регуляцию внутриклеточных биохимических процессов посредством фосфорилирования различных белков. Метаботропными являются мускариночувствительные, адренергические, пептидергические и другие рецепторы.

Синтез нейромедиаторов чаще происходит в синаптическом окончании, но до 20% синтезируется в области сомы нейрона и перемещается к пресинаптической терминали путем аксонного транспорта.

Медиатор содержится в пресинаптическом окончании в виде пузырьков, или квантов. Пул квантов не превышает 1% от общего количества медиатора, содержащегося в нейроне, в ганглиях – до 20%. В пресинаптической терминали содержатся митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора и гранулы гликогена. При многократном раздражении пресинаптического окончания запасы медиатора в пресинаптических пузырьках истощаются. Медиаторами возбуждения могут быть норадреналин, ацетилхолин, дофамин, серотонин, вещество Р, производные глутаминовой и аспарагиновой кислот. Наряду с медиаторами выделяют группу веществ, которые не являются медиаторами в прямом значении, но изменяют эффективность синаптической передачи, то есть являются модуляторами.

Выделение медиатора в синаптическую щель происходит не отдельными молекулами, а квантами, состоящими примерно из одинакового числа молекул, порядка нескольких тысяч. Этот процесс происходит путем экзоцитоза, то есть перемещения пузырька к пресинаптической мембране, слияния с ней и излияния медиатора в щель. Медиатор освобождается в синаптическую щель постоянно: в отсутствии импульсов возбуждения редкими единичными порциями, под влиянием пришедшего возбуждения – большим числом квантов. Определяющую роль в процессе освобождения играют ионы Са, поступающие в пресинаптическое окончание через кальциевые каналы в его мембране. В состоянии покоя число открытых кальциевых каналов крайне невелико, соответственно и кальция поступает мало и медиатора выделяется мало.

Под влиянием поступающих по пресинаптическому волокну нервных импульсов происходит деполяризация пресинаптической мембраны. Это сопровождается открыванием потенциалзависимых кальциевых каналов и входом кальция в пресинаптическое окончание. Ионы кальция стимулируют процессы фосфорилирования белков и способствуют слиянию мембраны синаптических пузырьков с синаптической мембраной. Выделившиеся кванты медиатора диффундируют через синаптическую щель к постсинаптической мембране, где связываются со специальными клеточными рецепторами, специфичными для каждого медиатора. Образовавшейся на постсинаптической мембране комплекс «медиатор – рецептор» активирует хемочувствительные мембранные каналы, что повышает проницаемость мембраны для ионов и меняет ее потенциал покоя. В отсутствии импульсов возбуждения эти кратковременные сдвиги проницаемости формируют изменения мембранного потенциала небольшой амплитуды, около 0,5 мВ, так называемые миниатюрные постсинаптические потенциалы. При поступлении к пресинаптической мембране нервных импульсов число квантов освобождающегося медиатора резко увеличивается, что приводит к одномоментному формированию множества комплексов «медиатор – рецептор» и генерации постсинаптического потенциала.

Возбуждающие медиаторы вызывают появление на постсинаптической мембране возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). Его формирование обусловлено тем, что комплекс «медиатор – рецептор» активирует ионные каналы мембраны, прежде всего натриевые, а также кальциевые и вызывает деполяризацию мембраны за счет поступления натрия или кальция внутрь клетки. Одновременно происходит и уменьшение выхода из клетки ионов калия. Амплитуда одиночного ВПСП довольно мала, от 0,12 до 5 мВ и для уменьшения заряда мембраны до критического уровня необходима одновременная активация нескольких возбуждающих синапсов. ВПСП, образующиеся на постсинаптической мембране этих синапсов, способны суммироваться, приводя к росту амплитуды ВПСП. Процесс спонтанной деполяризации обычно возникает в аксонном холмике, где аксон еще не покрыт миелином и порог возбуждения низкий. Таким образом, ВПСП, возникающие в разных участках мембраны нейрона и на его дендритах, распространяются к аксонному холмику, где суммируются, деполяризуя мембрану до критического уровня и приводя к появлению потенциалов действия.

В тормозных синапсах выделяются другие, тормозные медиаторы. Примером являются аминокислота глицин в тормозных синапсах спинного мозга и гамма-аминомаслянная кислота ГАМК – тормозный медиатор в нейронах головного мозга. Вместе с тем, тормозный синапс может иметь тот же медиатор, что и возбуждающий, но иную природу рецепторов постсинаптической мембраны. Иначе говоря, эффект синаптической передачи – вобуждающий или тормозный определяется не столько природой медиатора, сколько постсинаптическими рецепторами. Торможение связано с возникновением тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП), обусловленного увеличением проницаемости мембраны для ионов калия. Калий выходит из клетки наружу, в результате чего происходит гиперполяризация мембраны и снижение возбудимости. Аналогичный эффект во многих тормозных синапсах имеет активация каналов для хлора, увеличивающая его транспорт внутрь клетки. Именно такой эффект имеет активация ГАМК – рецептора. Увеличение частоты нервных импульсов, приходящих к тормозному синапсу, также как и в возбуждающих синапсах, вызывает нарастание числа квантов тормозного медиатора, выделяющихся в синаптическую щель, что, соответственно, повышает амплитуду гиперполяризационного ТПСП. Следует отметить, однако, что ТПСП имеет локальный характер и не способен распространяться по мембране.

В результате ТПСП уровень мембранного потенциала удаляется от критического уровня деполяризации, величина порогового потенциала увеличивается и возбуждение нейрона становится либо вообще невозможным, либо для него требуется суммация значительно большего числа ВПСП. При одновременной активации возбуждающих и тормозных синапсов резко падает амплитуда ВПСП, так как деполяризующий поток ионов внутрь клетки компенсируется выходящим током ионов калия или входящим током ионов хлора, что носит название шунтирования ВПСП. Описанное взаимодействие является механизмом интегративных свойств нейрона, о которых мы говорили в начале лекции.

Скорость проведения возбуждения через синапс намного меньше, чем по нервному волокну, так как в синапсе время тратится на активацию пресинаптической мембраны, вход кальция в пресинаптическое окончание, выделение медиатора в синаптическую щель и его взаимодействие с рецепторами постсинаптической мембраны. Вся последовательность процессов, обеспечивающих синаптическую передачу с участием нейромедиатора, занимает 0,2 – 0,3 мс, это время носит название синаптической задержки. Продолжительность же электрических явлений на постсинаптической мембране значительно больше: длительность потенциала действия – 1 – 5 мс, ВПСП или ТПСП – 10 –15 мс.

Удаление нейромедиатора из синаптической щели достигается его обратным захватом (реаптейк) либо деградацией при помощи ферментов. Таким образом утилизируется ГАМК. Главным путем инактивации каиехоламинов является обратный захват пресинаптическим окончанием – до 80% «отработанного» медиатора. Остальные 20% устраняются путем диффузии во внеклеточное пространство. Биохимическую деградацию катехоламинов катализируют ферменты моноаминоксидаза (МАО), катехоламин–О–метлтрансфераза (КОМТ) и другие. Ацетилхолин, в основном, разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой с образованием холина и уксусной кислоты, которые подвергаются обратному захвату пресинаптической мембраной и вновь используются для синтеза ацетилхолина.

Синаптическая передача возбуждения имеет следующие закономерности функционирования:

1) Односторонний характер проведения возбуждения (от пресинаптической мембраны к постсинаптической)

2) Наличие химических передатчиков – медиаторов,

3) Свойства синапсов определяются природой медиаторов и постсинаптических рецепторов,

4) Наличие хемочувствительных рецепторуправляемых каналов в постсинаптической мембране,

5) Квантовый характер освобождения медиатора.

6) Количество квантов медиатора пропорционально частоте приходящих к синапсу нервных импульсов,

7) Эффективность синаптической передачи возрастает при частом использовании синапсов («эффект тренировки») из-за ускорения синтеза медиатора и увеличения концентрации ионизированного кальция в пресинаптической терминали и, напротив, падает при редком использовании или бездействии, что носит название функциональной пластичности синапсов.

8) Длительная высокая частота импульсов возбуждения ослабляет или прекращает синаптическую передачу (эффект истощения).

9) Синаптическая передача не подчиняется закону «все или ничего».

10) Характеризуется синаптической задержкой,

11) В синапсе происходит трансформация ритма возбуждающих импульсов – частота импульсов в нерве может быть меньше или больше частоты возбуждения постсинаптической мембраны.

12) Лабильность синапса меньше, чем нерва.

13) Из всех звеньев рефлекторной дуги синапсы наиболее утомляемы и чувствительны к ядам и недостатку кислорода.

14) Увеличение длительности постсинаптического потенциала при подавлении действия ферментов, разрушающих синаптический медиатор.

Нервно-мышечные синапсы обеспечивают проведение возбуждения с нервного волокна на мышечное благодаря медиатору ацетилхолину, который при возбуждении нервного окончания переходит в синаптическую щель и действует на концевую пластинку мышечного волокна. В области нервно-мышечного синапса в больших концентрациях присутствует фермент ацетилхолинэстераза, способная быстро расщеплять ацетилхолин, выделяющийся в нервном окончании, освобождая от него рецептор. Этот процесс совершенно необходим для того, чтобы следующие друг за другом нервные импульсы могли передавать возбуждение на мышцу.

Значительное число фармакологических препаратов, химических соединений, многие яды животного и растительного происхождения изменяют синаптическую передачу. В случае, когда агент воздействует на постсинаптические рецепторы, выделяют антогонистические (литические) либо агонистическое (миметические) эффекты. Нейротропные препараты разделяются в зависимости от струкруры синапса, на которую они воздействуют. Например, на пресинаптическом уровне эффекты вещества могут быть связаны с изменением скорости синтеза медиатора, торможения захвата медиатора синаптическими везикулами, а также с модуляцией экзоцитоза. Примером может служить торможение синтеза ГАМК под влиянием гидразина, что сопровождается нарастанием концентрации глутаминовой кислоты, которая, в свою очередь является возбуждающим медиатором. В результатае нейрохимических изменений развиваются клонические и тонические судороги. Другим примером является действие ботулотоксина, самого токсичного из всех известных на Земле соединений. Ботулотоксин блокирует нервно-мышечную передачу посредством ингибирования экзоцитоза ацетилхолина. На уровне синаптической щели группа веществ может изменять скороть деградации медиатора. Ингибиторами гидролиза ацетилхолина являются яды табун, зарин, зоман. Ингибиторами метаболизма катехоламинов – антидепрессанты имизин,азафен,ипразид и др. Наконец, значительное число нейроактивных веществ воздействует на постсинаптические рецепторы (агонисты и антогонисты), либо на ионные каналы (токсины) и процессы трансдукции (нейролептики). Блокаторами холинорецепторов являются кураре и некоторые другие соединения: д-тубокурарин, диплацин, флакседил, а также атропин, бунгаротоксин токсин из яда змеи. Эти вещества обладают большим сродством к холинорецептору, чем ацетилхолин и образуют с ним более прочную связь. Блокатором рецепторов глицина является стрихнин. Мы имеем возможность наблюдать действие стрихнина на взаимодействие возбуждения и торможения в регуляции двигательной активности лягушки.

Блокаду нервно-мышечной передачи миорелаксантами используют в хирургической практике для снижения тонуса мышц, в частности при необходимости проведения операций в условиях искусственного дыхания. В связи с перечисленными факторами, оказывающими модулирующее действие на синаптическую передачу, изучение проблем нейрорецепции является одним из быстро прогрессирующих направлений современной медицины.

Дата добавления: 2015-07-02