Структурно-функциональная характеристика синапсов

А. Классификация межнейронных синапсов.Классифицируют такие синапсы по нескольким критериям. 1. По локализации выде­ляют аксодендритные, аксосоматические, аксоаксонные, дсндро-соматнческие, дендродсндритные синапсы. Функция двух послед­них форм изучена недостаточно.

2. По эффекту синапсы делят на возбуждающие, т. е. запус­кающие генерацию ПД, и тормозные, препятствующие возникно­вению ПД.

3. По способу передачи сигнала различают синапсы химические, электрические и смешанные. Химические синапсы являют­ся специфическим межклеточным контактом для нервной систе­мы. В них передача на постсинаптическую клетку осуществляется с помощью химического посредника - медиатора. Этот тип си­напса преобладает в нервной системе человека и других высших позвоночных.

Электрические синапсы обнаружены в головном мозге млекопитающих: мезэнцефальном ядре тройничного нерва, вести­булярном ядре Дейтерса (преддверное латеральное ядро), ядренижней оливы продолговатого мозга. Имеются следующие элек­трические синапсы: аксон - сома, аксон - дендрит, аксон - аксон, дендрит - сома и сома - сома. т. е. как и у химических синапсов.

В смешанных синапсах наряду с химической передачей имеются участки с электротоническим механизмом передачи (например, в спинном мозге лягушки).

Б. Функциональные элементы химического синапса.1.Пресинаптическое окончание образуется по ходу разветвления аксона, ин-нервируюшего другую клетку. Главным ультраструктурным фраг­ментом пресинаптического окончания являются синаптические пу­зырьки (везикулы) диаметром около 40 нм. Они расположены пре­имущественно вблизи периодических утолщений синаптической мембраны, называемых активными зонами. В пресинаптическом окончании содержится несколько тысяч везикул, в каждой из кото­рых имеется, по подсчетам разных авторов, от 1000 до 10000 моле­кул химического вещества, участвующего в передаче влияния через синапс и в связи с этим названного медиатором (посредник). Ме­диатор образуется либо в теле нейрона, попадая в синаптическую бляшку, пройдя через весь аксон, либо непосредственно в синапти­ческой бляшке. В обоих случаях для синтеза медиатора нужны фер­менты, образующиеся в теле клетки на рибосомах. Важными струк­турами пресинаптического окончания являются митохондрии, осуществляющие энергетическое обеспечение процесса синаптиче­ской передачи, цистерны гладкого эндоплазматического ретикулу-ма, содержащие депонированный ион Са²⁺, а также микротрубочки и микрофиламенты, участвующие во внутриклеточном передвиже­нии везикул. Часть мембраны пресинаптического окончания, огра­ничивающая синаптическую щель, называется пресинаптической мембраной. Через нее осуществляется выброс медиатора в синап­тическую щель посредством экзоцитоза.

2. Синоптическая щель имеет ширину 20-50 нм. В ней содержат­ся межклеточная жидкость и мукополисахаридное вещество в виде полосок, мостиков, которое обеспечивает связь между пре- и пост-синаптической мембранами, могут быть ферменты.

3. Постсипаптическая мембрана - это утолщенная часть клеточ­ной мембраны иннервируемой клетки, содержащая белковые рецеп­торы, имеющие ионные каналы и способные связать молекулы ме­диатора, вследствие чего возникает активация ионных каналов. Ха­рактеристику электрических синапсов ЦНС см в разделе 4.3.4.

4.3.2. Механизм передачи сигнала в химических синапсах

А. Нервный импульс, поступивший в пресинаптическое окон­чание,вызывает деполяризацию его мембраны, открывающую

потенциалзависимые Са-каналы. Ионы Са²⁺ входят согласно концентрационному и электрическому градиентам внутрь окончания, что ведет к увеличению содержания ионов в цито-золе в 10-100 раз. Ион Са²⁺ вызывает слияние синаптически.ч пузырьков с внутренней поверхностью пресинаптической мем­браны и последующий экзоцитоз содержащегося в них медиа­тора в синаптическую щель. Выделение молекул медиатора из пресинаптического окончания пропорционально количеству поступивших туда ионов Са²* в степени п=4. Например, при увеличении концентрации ионов Са²⁺ в 2 раза выход медиато­ра может увеличиться в 2⁴, т.е. в 16 раз. Один из возможных механизмов участия ионов Са²⁺ в секреции медиатора состоит в активации (фосфорилировании) специального белка, запус­кающего этот процесс. Выделение медиатора в синаптическую щель осуществляется в небольшом количестве и в состоянии покоя синапса - 1-2 кванта в секунду. Каждый квант (синаптический пузырек) содержит от 1000 до 10000 молекул.

Б. Молекулы медиатора, поступившие в синаптическую щель,диффундируют к постсинаптической мембране и вступают во взаи­модействие с ее рецепторами. Скорость диффузии молекул медиа­тора позволяет им пройти синаптическую щель за 0,1-0,2 мс. Дли­тельность действия медиатора на рецепторы постсинаптической мембраны, определенная по продолжительности открывания ион­ных каналов в ней, равна 1-2 мс. Удаление медиатора происходит путем диффузии его из щели в окружающую жидкость, обратно­го захвата пресинаптическим окончанием и разрушением под действием фермента, находящегося в синаптической щели и постсинаптической мембране. Ацетилхолин инактивируется ацетилхолинэстеразой, норадреналин - моноаминоксидазой, катехол-О - метилтрансферазой и т.д.

В. Возбуждение постсинаптической мембраны.Выделившийся в синаптическую щель медиатор действует на рецепторы пост­синаптической мембраны и повышает ее проницаемость для ио­нов Ма⁺ и К⁺. Канал имеет слабую избирательность в отноше­нии этих ионов, поэтому ионные токи через канал зависят глав­ным образом от концентрационного и электрического гра­диентов. В связи с этим вход в клетку ионов Ка⁺, которому спо­собствуют как концентрационный, так и электрический гради­енты, преобладает над выходом ионов К⁺, так как их выходу из клетки препятствует электрический градиент. Это ведет к депо­ляризации постсинаптической мембраны, называемой возбуж­дающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП). При дости­жении ВПСП критической величины в нейроне возникает ПД (см. также раздел 4.4). 4.3.3. Особенности проведения возбуждения в химических синапсах

1. Одностороннее проведение возбуждения - в направлении от пресинаптического окончания в сторону постсинаптической мем­браны - связано с тем, что медиатор выделяется из пресинаптиче­ского окончания, а взаимодействующие с ним рецепторы, имею­щие ионные каналы, необходимые для формирования синаптических потенциалов, находятся только на постсинаптической мембране. Поэтому пресинаптическая мембрана нечувствительна к выделившемуся медиатору. ВПСП, возникающий на постсинап­тической мембране, не в состоянии возбудить пресинаптическое окончание из-за дальности расстояния.

2. Замедленное проведение сигнала объясняется синаптической задержкой (интервал между приходом импульса к пресинаптической мембране и возникновением ВПСП в нейроне составляет 0,2-0,5 мс). Необходимо время для выделения медиатора из пре­синаптического окончания, диффузии его к постсинаптической мембране, возникновения ВПСП.

3. Низкая лабильность синапсов, равная 100-150 передаваемым импульсам в секунду, что в 5-6 раз ниже лабильности аксона. Главной причиной низкой лабильности синапса является сравни­тельно большая совокупная длительность процессов, обеспечи­вающих проведение возбуждения от пресинаптической мембраны к нейрону.

4. Проводимость химических синапсов сильно изменяется под влиянием биологически активных веществ, лекарственных средств и ядов. Она легко блокируется и стимулируется.

4.3.4. Электрические синапсы ЦНС

Электрические синапсы имеют щель, которая на порядок мень­ше, чем щель у химических синапсов. Они проводят сигнал в обе стороны без синаптической задержки. Передача сигнала не блоки­руется при удалении ионов Са²⁺. Кроме того, электрические синап­сы малочувствительны к фармакологическим препаратам и ядам, практически неутомляемы, как и нервное волокно. Контактирую­щие мембраны нейронов связаны друг с другом полуканалами бел­ковой природы - коннексонами (от англ, соппеаюп - связь). Через коннексоны клетки обмениваются некоторыми компонентами ци­топлазмы: аминокислотами, пептидами, РНК, метаболитами, цик­лическими нуклеотидами. Очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран обеспечивает хо-

рошую электрическую проводимость. Определенную роль в обес­печении такой электрической проводимости играют коннексоны.

Механизм передачи возбуждения в электрическом синапсе по­добен таковому в нервном волокне: ПД, возникающий на преси­наптической мембране, непосредственно раздражает постсинап-тическую мембрану. Работа электрических синапсов может регу­лироваться близлежащими химическими синапсами. Например, между шипиками клеток ядра нижней оливы продолговатого моз­га передача возбуждения блокируется, если выделяется медиатор в рядом расположенном химическом синапсе. Электрические си­напсы, как выяснилось, оказывают действие на метаболизм кон­тактирующих клеток.