В химических синапсах при синаптической передаче информации происходит деполяризация пресинаптического нервного окончания. Это вызывает освобождение медиатора (химического посредника), который связывается с рецепторами мембраны постсинаптической клетки. Эти события приводят к открытию ионных каналов на постсинаптической части и формированию ответной физиологической реакции.
Нам уже известно, что нервные клетки передают информацию с помощью потенциалов действия. Переход нервных импульсов с одной клетки на другую осуществляется в морфологически специализированных контактах, синапсах. Впервые термин «синапс» был упомянут Чарльзом Скоттом Шеррингтоном в 1897 г. Слово «синапс» берёт происхождение от греческого слова, которое обозначает смыкать, соединять. Синапс – это структура, которая обеспечивает морфо-функциональную связь окончания аксона или какой-то другой части клетки с дендритом, телом или аксоном другого нейрона или в некоторых случаях с мышечной или железистой клеткой. С точки зрения функции синапсы можно разделить на химические и электрические.
Поскольку в большинстве случаев как плазматические мембраны, так и внутренняя среда смежных клеток лишены непосредственной связи, нервный импульс не может сразу электрически перейти через синапс (за исключением электрических синапсов, им будет посвящена отдельная статья). В передаче импульса участвуют особые промежуточные механизмы, с вовлечением особых веществ-посредников (медиаторов) в химических синапсах и особое распространение тока в электрических синапсах. Химические синапсы привлекают интерес, в том числе с медицинской точки зрения. В процессе сложных межклеточных взаимодействий здесь могут возникать особые патологические состояния и проявляется чувствительность к определенным фармакологическим препаратам.
Следует напомнить, что нейрон состоит из тела и отростков. Различают короткие отростки (дендриты) и длинные (аксоны). На теле и отростках одного нейрона может быть от нескольких до 200 000 синапсов. Выходящий сигнал покидает нейрон через аксон. Все нейроны организованы в нейрональные сети, которые определяют функцию центральной нервной системы.
Схема химического синапса представлена на рисунке ниже. Потенциал действия вызывает деполяризацию пресинаптического окончания аксона. В нем содержатся синаптические пузырьки (везикулы), заполненные тысячами молекул медиатора, например, ацетилхолина (АцХ). При деполяризации пресинаптической мембраны с ней сливаются достигшие активных зон везикулы, так что их содержимое высвобождается в синаптическую щель. Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, где расположены специфические рецепторы. При связывании медиатора с рецепторами открываются трансмембранные каналы. Через них проходят ионные токи, благодаря которым изменяется мембранный потенциал постсинаптической клетки; при деполяризации клетки до уровня порога возбуждения генерируется потенциал действия (нервный импульс).
Например, в нервно-мышечном синапсе (двигательной концевой пластинке**) при возбуждении мотонейрона высвобождается АцХ. При этом в участке мышечной мембраны, расположенном под пресинаптическим окончанием, открываются катионные каналы (натриевые и кальциевые) и генерируется потенциал концевой пластинки.
** Существуют различия в определении термина «двигательная концевая пластинка». Есть три варианта определения: а) окончание двигательного аксона, контактирующее с мембраной мышечного волокна, — пресинаптическое окончание; б) область контакта пресинаптического окончания с участком мембраны мышечного волокна, где находятся рецепторы медиатора, — постсинаптическая (или субсинаптическая) мембрана; в) нервно-мышечный синапс, т. е. совокупность (а) и (б)
В нервно-мышечном синапсе медиатором является ацетилхолин.
В отличие от нервно-мышечного синапса в синапсах ЦНС встречается большое количество медиаторов. В ЦНС выделено более чем 40 веществ, которые отвечают всем свойствам медиатора. Синтез медиатора осуществляется как в теле нейрона, так и в пресинаптической структуре из материала, который поставляется туда аксоплазматическим током. Исключение составляет оксид азота, который не образуется заранее и не запасается в синаптических пузырьках. Он синтезируется в момент необходимости и сразу же высвобождается в синаптическую щель. Весь это процесс продолжается несколько секунд, что гораздо быстрее, чем образование и высвобождение медиатора, запасенного в везикулах. В соответствии с принципом Дейла (1934 г.) в синаптических терминалях одного и того же аксона образуется только один медиатор. То есть, один нейрон – один медиатор. В последнее время показано, что существуют синапсы, в которых одновременно могут высвобождаться несколько медиаторов. Причём, одним из них очень часто является пептид.
Система инактивации медиатора.
После высвобождения медиатор должен быть разрушен. Для этого существует система инактивации медиатора. Инактивация медиатора происходит следующими путями:
1. Ферментативное расщепление при помощи фермента, расположенного на поверхности постсинаптической мембраны или базальной мембраны.
2. Система обратного захвата медиатора, расположенная в пресинаптической мембране.
3. Диффузия медиатора в окружающую тканевую жидкость.
Например, в нервно-мышечном синапсе, выделившийся медиатор AцХ разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой на холин и ацетат, которые в свою очередь захватываются пресинаптическим образованием, затем при помощи фермента холинацетилазы в присутствии ацетил-СоА соединяются, превращаясь в ацетилхолин. Последний поступает в пузырек и хранится в пресинаптическом образовании.
Механизм высвобождения медиатора из пресинаптического образования.
В пресинаптической мембране содержится большое количество потенциал-зависимых кальциевых каналов. Когда потенциал действия деполяризует пресинаптическую мембрану, большое число ионов Са2+ и Na+ поступает в окончание аксона. Затем Са2+ соединяется с белком кальмодулином и активирует Са2+/кальмодулин-киназу, которая в свою очередь фосфорилирует белковый комплекс, состоящий из 4-х белков, расположенный на поверхности синаптического пузырька. Считается, что при помощи этого белкового комплекса пузырек прикрепляется к цитоскелету нервного окончания. Его фосфорилирование устраняет эту связь пузырька с цитоскелетом, что позволяет двигаться синаптическому пузырьку по направлению к синаптической мембране, где он склеивается с ней и выбрасывает свое содержимое.
Кроме того, ионы Са2+, поступившие в синаптическую терминаль связываются с белковыми молекулами, расположенными на внутренней поверхности пресинаптической мембраны в местах, называемых местом высвобождения или активной зоной. Это, в свою очередь, заставляет близко расположенные везикулы связываться с мембраной и затем выбрасывать своё содержимое наружу путём экзоцитоза. Обычно несколько пузырьков высвобождают свой медиатор в синаптическую щель. В одном пузырьке содержится от 2000 до 10000 молекул ацетилхолина. Это количество получило название - квант медиатора. В пресинаптической терминали имеется достаточное количество пузырьков, чтобы обеспечить передачу от нескольких сотен до 10000 потенциалов действия.
Таким образом, можно отметить общие особенности химических синапсов:
1. Они широко представлены в организме (как в ЦНС, так и на периферии).
2. Требуют участия медиатора (химического посредника).
3. Имеют широкую синаптическую щель (10 - 50 нм).
4. Бывают возбуждающие и тормозные.
5. Проводят возбуждение в одном направлении (одностороннее проведение возбуждения).
6. Имеют низкую скорость проведения возбуждения (характеризуются синаптической задержкой). Это время возбуждения пресинаптической мембраны до возбуждения эффекторной клетки. В это время происходит секреция медиатора, его взаимодействие с рецептором, расположенным на постсинаптической мембране, изменение ее проницаемости для ионов, развитие постсинаптического потенциала и электротонические взаимодействия постсинаптической мембраны с внесинаптической мембраной клетки.
7. Обладают суммацией. Особенности нервной системы в том, что, как правило, на один импульс возбуждения выделяется недостаточно медиатора, чтобы привести в состояние возбуждения эффекторный нейрон. Поэтому только при ритмическом поступлении раздражителей обычно возникает возбуждение постсинаптического нейрона. Следовательно, на постсинаптической мембране происходит суммация маленьких ВПСП, возникающих при выбросе медиатора в ответ на каждый потенциал действия.
8. Обладают высокой чувствительностью к лекарствам, блокаторам и температуре, pH и гипоксии.
Например, алкалоз резко повышает возбудимость нейронов. Так, повышение рН артериальной крови с нормальных значений 7,4 до 7,7 может вызвать эпилептический приступ. Ацидоз значительно подавляет активность нейронов. Снижение рН с 7,4 до значений ниже 7,2 вызывает коматозное состояние (например, при тяжёлом сахарном диабете или уремическом ацидозе). Гипоксия может привести к полной потере возбудимости некоторых нейронов. В случае, когда мозговой кровоток временно прекращается (на 3–7 сек), человек теряет сознание.
Кураре (d-тубокурарин) (которым аборигены смазывали стрелы) и курареподобные вещества (миорелаксанты) обратимо связываются с никотиновыми (Н-)холинорецепторами в нервно-мышечных синапсах, блокируя действие на них АцХ. Парализуя двигательные функции и дыхание, хотя сознание и болевая чувствительность остаются сохранны, снижают тонус скелетной мускулатуры и двигательную активность вплоть до полного обездвиживания. Курареподобные соединения применяют при хирургических операциях и диагностических манипуляциях для расслабления мышц.