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 цитозоле в 10-100 раз. Ион Са²⁺ вызывает слияние синаптических 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 Ca²⁺ 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 Na⁺ 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 Na⁺, 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).

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, объясняетсясинаптическойзадержкой (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.

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. connection - связь). Через коннексоны клетки обмениваются некоторыми компонентами цитоплазмы: аминокислотами, пептидами,РНК, метаболитами, циклическими нуклеотидами. Очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран обеспечивает хорошую 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 постсинаптическую 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.

МЕДИАТОРЫ И РЕЦЕПТОРЫ ЦНС

Медиаторами ЦНС являются многие химические вещества, разнородные в структурном отношении (в головном мозге обнаружено около 30 биологически активных веществ). По химическому строению их можно разделить на несколько групп, главными из которых являются моноамины, аминокислоты и полипептиды. Достаточно широко распространенным медиатором является ацетилхолин.

А. Ацетилхолин. Встречается в различных отделах ЦНС, известен в основном как возбуждающий медиатор: в частности, является медиатором α-мотонейронов спинного мозга, иннервирующих скелетную мускулатуру. С помощью ацетилхолина α-мотонейроны по коллатералям своих аксонов передают возбуждение на тормозные клетки Реншоу. В ретикулярной формации ствола мозга, в гипоталамусе обнаружены М- и N-холинорецепторы. При взаимодействии ацетилхолина с рецепторным белком последний изменяет свою конформацию, в результате чего открывается ионный канал. Тормозное влияние ацетилхолин оказывает с помощью М-холинорецепторов в глубоких слоях коры большого мозга, в стволе мозга, хвостатом ядре.

Б. Моноамины. Выделяют катехоламины, серотонин и гистамин. Большинство из них в значительных количествах содержится в нейронах ствола мозга, в меньших количествах они обнаруживаются в других отделах ЦНС.

Катехоламины обеспечивают возникновение процессов возбуждения и торможения, например, в промежуточном мозге, черной субстанции, лимбической системе, полосатом теле.

С помощью серотонина в нейронах ствола мозга передаются возбуждающие и тормозящие влияния, в коре мозга - тормозящие влияния. Серотонин содержится главным образом в структурах, имеющих отношение к регуляции вегетативных функций. Особенно много его в лимбической системе, ядрах шва. В нейронах названных структур выявлены ферменты, участвующие в синтезе серотонина. Аксоны этих нейронов проходят в бульбоспинальных путях и оканчиваются на нейронах различных сегментов спинного мозга. Здесь они контактируют с клетками преганглионарных симпатических нейронов и со вставочными нейронами желатинозной субстанции. Полагают, что часть этих так называемых симпатических нейронов, а может быть и все, являются серотонинергическими нейронами вегетативной нервной системы. Их аксоны, согласно данным некоторых авторов, идут к органам пищеварительного тракта и стимулируют их сокращение.

Гистамин в довольно высокой концентрации обнаружен в гипофизе и срединном возвышении гипоталамуса. В остальных отделах ЦНС уровень гистамина очень низкий. Медиаторная роль его изучена мало. Выделяют H₁- и Н₂-гистаминорецепторы. H₁-рецепторы имеются в гипоталамусе и участвуют в регуляции потребления пищи, терморегуляции, секреции пролактина и антидиуретического гормона. Н₂-рецепторы обнаружены на глиальных клетках.

В. Аминокислоты. Кислые аминокислоты (глицин, γ-аминомасляная кислота) являются тормозными медиаторами в синапсах ЦНС и действуют на тормозные рецепторы (см. раздел 4.8). Нейтральныеаминокислоты (α-глутамат, α-аспартат) передают возбуждающие влияния и действуют на соответствующие возбуждающие рецепторы. Предполагают, что глутамат может быть медиатором афферентов в спинном мозге. Рецепторы глутаминовой и аспарагиновой аминокислот имеются на клетках спинного мозга, мозжечка, таламуса, гиппокампа, коры большого мозга. Полагают, что глутамат - самый распространенный медиатор ЦНС.

Г. Полипептиды. В синапсах ЦНС они также выполняют медиаторную функцию. В частности,субстанция Р является медиатором нейронов, передающих сигналы боли. Особенно много этого полипептида в дорсальных корешках спинного мозга. Это послужило основанием к предположению, что субстанция Р может быть медиатором чувствительных нервных клеток в области их переключения на вставочные нейроны. Субстанция Р в больших количествах содержится в гипоталамической области. Различают два вида рецепторов субстанции Р: рецепторы типа SP-P, расположенные на нейронах мозговой перегородки, и рецепторы типа SP-E, расположенные на нейронах коры большого мозга.

Энкефалины и эндорфины - медиаторы нейронов, блокирующих болевую импульсацию. Они реализуют свое влияние посредством соответствующих опиатных рецепторов, которые особенно плотно располагаются на клетках лимбической системы; много их также на клетках черной субстанции, ядрах промежуточного мозга и солитарного тракта, имеются они на клетках голубого пятна, спинного мозга.Их лигандами являются β-эндорфин, динорфин, лей- и мет-энкефалины.

Ангиотензин участвует в передаче информации о потребности организма в воде,люлиберин - в половой активности.

Физиологические эффекты действия некоторых медиаторов головного мозга. Норадреналин регулирует настроение, эмоциональные реакции, обеспечивает поддержание бодрствования, участвует в механизмах формирования некоторых фаз сна, сновидений; дофамин -в формировании чувства удовольствия, регуляции эмоциональных реакций, поддержании бодрствования. Дофамин полосатого тела регулирует сложные мышечные движения. Серотонин ускоряет процессы обучения, формирования болевых ощущений, сенсорное восприятие, засыпание, ангиотензин - повышение АД, торможение синтеза катехоламинов, стимулирует секрецию гормонов; информирует ЦНС об осмотическом давлении крови. Олигопептиды -медиаторы настроения, полового поведения; передачи ноцицептивного возбуждения от периферии в ЦНС, формирования болевых ощущений. Эндорфины, энкефалины, пептид, вызывающий дельта-сон, обусловливают антиболевые реакции, повышение устойчивости к стрессу, сон. Простагландины вызывают повышение свертываемости крови, изменение тонуса гладких мышц, усиление физиологического эффекта медиаторов и гормонов. Мозгоспецифичные белки различных отделов головного мозга влияют на процессы обучения.

Согласнопринципу Дейла, один нейрон синтезирует и использует один и тот же медиатор или одни и те же медиаторы во всех разветвлениях своего аксона. Кроме основного медиатора, как выяснилось, в окончаниях аксона могут выделяться и другие - сопутствующие медиаторы, играющие модулирующую роль.

Эффект действия медиатора зависит в основном от свойств ионных каналов постсинаптической мембраны. Это явление особенно ярко демонстрируется при сравнении эффектов отдельных медиаторов в ЦНС и в периферических синапсах организма. Ацетилхолин, например, в коре мозга при микроаппликациях на разные нейроны может вызывать возбуждение и торможение, в синапсах сердца - торможение, в синапсах гладкой мускулатуры пищеварительного тракта - возбуждение. Катехоламины вызывают возбуждение и торможение в стволе мозга.