ФИЗИОЛОГИЯ СИНАПСОВ
Синапсами называются контакты, которые устанавливают
нейроны как самостоятельные образования. Синапс представляет собой сложную
структуру и состоит из пресинаптической части (окончание аксона, передающее
сигнал), синаптической щели и постсинаптической части (структура
воспринимающей клетки).
Классификация синапсов. Синапсы классифицируются по местоположению,
характеру действия, способу передачи сигнала.
По местоположению выделяют нервно-мышечные синапсы и нейронейрональные,
последние в свою очередь делятся на аксосоматические, аксоаксональные,
аксодендритические, дендросоматические.
По характеру действия на воспринимающую структуру синапсы
могут быть возбуждающими и тормозящими.
По способу передачи сигнала синапсы делятся на электрические,
химические, смешанные.
Характер взаимодействия нейронов. Определяется способом
этого взаимодействия: дистантное, смежное, контактное.
Дистантное взаимодействие может быть обеспечено двумя
нейронами, расположенными в разных структурах организма. Например, в клетках
ряда структур мозга образуются нейрогормоны, нейропептиды, которые способны
воздействовать гуморально на нейроны других отделов.
Смежное взаимодействие нейронов осуществляется в случае,
когда мембраны нейронов разделены только межклеточным пространством. Обычно
такое взаимодействие имеется там, где между мембранами нейронов нет глиальных
клеток. Такая смежность характерна для аксонов обонятельного нерва,
параллельных волокон мозжечка и т. д. Считают, что смежное взаимодействие
обеспечивает участие соседних нейронов в выполнении единой функции. Это
происходит, в частности, потому, что метаболиты, продукты активности
нейрона, попадая в межклеточное пространство, влияют на соседние нейроны.
Смежное взаимодействие может в ряде случаев обеспечивать передачу
электрической информации от нейрона к нейрону.
Контактное взаимодействие обусловлено специфическими
контактами мембран нейронов, которые образуют так называемые электрические и
химические синапсы.
Электрические синапсы. Морфологически представляют собой
слияние, или сближение, участков мембран. В последнем случае синаптическая
щель не сплошная, а прерывается мостиками полного контакта. Эти мостики
образуют повторяющуюся ячеистую структуру синапса, причем ячейки ограничены
участками сближенных мембран, расстояние между которыми в синапсах
млекопитающих 0,15—0,20 нм. В участках слияния мембран находятся каналы,
через которые клетки могут обмениваться некоторыми продуктами. Кроме
описанных ячеистых синапсов, среди электрических синапсов различают другие —
в форме сплошной щели; площадь каждого из них достигает 1000 мкм, как,
например, между нейронами ресничного ганглия.
Электрические синапсы обладают односторонним 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), а синапсы между разнофункциональными нейронами (сенсорные и
моторные) обладают односторонним проведением. Функции электрических синапсов заключаются
прежде всего в обеспечении срочных реакций организма. Этим, видимо,
объясняется расположение их у животных в структурах, обеспечивающих реакцию
бегства, спасения от опасности и т. д.
Электрический синапс сравнительно мало утомляем, устойчив
к изменениям внешней и внутренней среды. Видимо, эти качества наряду с
быстродействием обеспечивают высокую надежность его работы.
Химические синапсы. Структурно представлены пресинаптической
частью, синаптической щелью и постсинаптической частью. Пресинаптическая
часть химического синапса образуется расширением аксона по его ходу или
окончания (рис. 2.19). В пресинаптической части имеются агранулярные и
гранулярные пузырьки. Пузырьки (кванты) содержат медиатор. В пресинаптическом
расширении находятся митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора, гранулы
гликогена и др. При многократном раздражении пресинаптического окончания
запасы медиатора в синаптических пузырьках истощаются. Считают, что мелкие
гранулярные пузырьки содержат норадреналин, крупные — другие катехоламины. Агранулярные
пузырьки содержат ацетилхолин. Медиаторами возбуждения могут быть также
производные глутаминовой и аспарагиновой кислот.
Синаптические контакты могут быть между аксоном и
дендритом (аксодендритические), аксоном и сомой клетки (аксосоматические),
аксонами (аксоаксональные), дендритами (дендродендритические), дендритами и
сомой клетки.
Действие медиатора на постсинаптическую мембрану заключается
в повышении ее проницаемости для ионов Na+. Возникновение потока ионов Na+ из
синаптической щели через постсинаптическую мембрану ведет к ее деполяризации
и вызывает генерацию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) (см.
рис. 2.19).
Для синапсов с химическим способом передачи возбуждения
характерны синоптическая задержка проведения возбуждения, длящаяся около 0,5
мс, и развитие постсинаптического потенциала (ПСП) в ответ на пресинаптический
импульс. Этот потенциал при возбуждении проявляется в деполяризации
постсинаптической мембраны, а при торможении — в гиперполяризации ее, в
результате чего развивается тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). При
возбуждении проводимость постсинаптической мембраны увеличивается.
ВПСП возникает в нейронах при действии в синапсах ацетил
холина, норадреналина, дофамина, серотонина, глутаминовой кислоты, вещества
Р.
ТПСП возникает при действии в синапсах глицина, гамма-аминомасляной
кислоты. ТПСП может развиваться и под действием медиаторов, вызывающих ВПСП,
но в этих случаях медиатор вызывает переход постсинаптической мембраны в
состояние гиперполяризации.
Для распространения возбуждения через химический синапс важно,
что нервный импульс, идущий по пресинаптической части, полностью гасится в синаптической
щели. Однако нервный импульс вызывает физиологические изменения в пресинаптической
части мембраны. В результате у ее поверхности скапливаются синаптические
пузырьки, изливающие медиатор в синаптическую щель.
Переход медиатора в синаптическую щель осуществляется
путем экзоцитоза: пузырек с медиатором соприкасается и сливается с пресинаптической
мембраной, затем открывается выход в синаптическую щель и в нее попадает
медиатор. В покое медиатор попадает в синаптическую щель постоянно, но в
малом количестве. Под влиянием пришедшего возбуждения количество медиатора
резко возрастает. Затем медиатор перемещается к постсинаптической мембране,
действует на специфические для него рецепторы и образует на мембране комплекс
медиатор—рецептор. Данный комплекс изменяет проницаемость мембраны для ионов
К+ и Na+, в результате чего изменяется ее потенциал покоя.
В зависимости от природы медиатора потенциал покоя
мембраны может снижаться (деполяризация), что характерно для возбуждения, или
повышаться (гиперполяризация), что типично для торможения. Величина ВПСП
зависит от количества выделившегося медиатора и может составлять 0,12—5,0 мВ.
Под влиянием ВПСП деполяризуются соседние с синапсом участки мембраны, затем
деполяризация достигает аксонного холмика нейрона, где возникает возбуждение,
распространяющееся на аксон.
В тормозных синапсах этот процесс развивается следующим
образом: аксонное окончание синапса деполяризуется, что приводит к появлению
слабых электрических токов, вызывающих мобилизацию и выделение в синаптическую
щель специфического тормозного медиатора. Он изменяет ионную проницаемость
постсинаптической мембраны таким образом, что в ней открываются поры
диаметром около 0,5 нм. Эти поры не пропускают ионы Na+ (что вызвало бы
деполяризацию мембраны), но пропускают ионы К+ из клетки наружу, в
результате чего происходит гиперполяризация постсинаптической мембраны.
Такое изменение потенциала мембраны вызывает развитие
ТПСП. Его появление связывают с выделением в синаптическую щель
специфического медиатора. В синапсах разных нервных структур роль тормозного
медиатора могут выполнять различные вещества. В ганглиях моллюсков роль
тормозного медиатора выполняет ацетилхолин, в ЦНС высших животных — гамма-аминомасляная
кислота, глицин.
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. Следовательно, как и межнейронный
синапс, нервно-мышечный синапс имеет пресинаптическую часть, принадлежащую
нервному окончанию, синаптическую щель, постсинаптическую часть (концевая
пластинка), принадлежащую мышечному волокну.
В пресинаптической терминали образуется и скапливается в
виде пузырьков ацетилхолин. При возбуждении электрическим импульсом, идущим
по аксону, пресинаптической части синапса ее мембрана становится проницаемой
для ацетилхолина.
Эта проницаемость возможна благодаря тому, что в
результате деполяризации пресинаптической мембраны открываются ее кальциевые
каналы. Ион Са2+ входит в пресинаптическую часть синапса из синаптической
щели. Ацетилхолин высвобождается и проникает в синаптическую щель. Здесь он
взаимодействует со своими рецепторами постсинаптической мембраны,
принадлежащей мышечному волокну. Рецепторы, возбуждаясь, открывают белковый
канал, встроенный в липидный слой мембраны. Через открытый канал внутрь
мышечной клетки проникают ионы Na+, что приводит к деполяризации мембраны
мышечной клетки, в результате развивается так называемый потенциал концевой
пластинки (ПКП). Он вызывает генерацию потенциала действия мышечного волокна.
Нервно-мышечный синапс передает возбуждение в одном
направлении: от нервного окончания к постсинаптической мембране мышечного
волокна, что обусловлено наличием химического звена в механизме
нервно-мышечной передачи.
Скорость проведения возбуждения через синапс намного
меньше, чем по нервному волокну, так как здесь тратится время на активацию пресинаптической
мембраны, переход через нее кальция, выделение ацетилхолина в синаптическую
щель, деполяризацию постсинаптической мембраны, развитие ПКП.
Синаптическая передача возбуждения имеет рад свойств:
1) наличие медиатора в пресинаптической части синапса;
2) относительная медиаторная специфичность синапса, т.
е. каждый синапс имеет свой доминирующий медиатор;
3) переход постсинаптической мембраны под влиянием
медиаторов в состояние де- или гиперполяризации;
4) возможность действия специфических блокирующих
агентов на рецептирующие структуры постсинаптической мембраны;
5) увеличение длительности постсинаптического
потенциала мембраны при подавлении действия ферментов, разрушающих синаптической
медиатор;
6) развитие в постсинаптической мембране ПСП из миниатюрных
потенциалов, обусловленных квантами медиатора;
7) зависимость длительности активной фазы действия
медиатора в синапсе от свойств медиатора;
8) односторонность проведения возбуждения;
9) наличие хемочувствительных рецепторуправляемых
каналов постсинаптической мембраны;
10) увеличение выделения квантов медиатора в синаптическую
щель пропорционально частоте приходящих по аксону импульсов;
11) зависимость увеличения эффективности синаптической
передачи от частоты использования синапса («эффект тренировки»);
12) утомляемость синапса, развивающаяся в результате длительного
высокочастотного его стимулирования. В этом случае утомление может быть
обусловлено истощением и несвоевременным синтезом медиатора в пресинаптической
части синапса или глубокой, стойкой деполяризацией постсинаптической мембраны
(пессимальное торможение).
Перечисленные свойства относятся к химическим синапсам.
Электрические синапсы имеют некоторые особенности, а именно: малую задержку
проведения возбуждения; возникновение деполяризации как в пре-, так и в
постсинаптической частях синапса; наличие большей площади синаптической щели
в электрическом синапсе, чем в химическом.
Синаптические медиаторы являются веществами, которые имеют
специфические инактиваторы. Например, ацетилхолин инактивируется ацетилхолинэстеразой,
норадреналин — моноаминоксидазой, катехолометилтрансферазой.
Неиспользованный медиатор и его фрагменты всасываются обратно
в пресинаптическую часть синапса.
Ряд химических веществ крови и постсинаптической мембраны
изменяет состояние синапса, делает его неактивным. Так, простагландины
тормозят секрецию медиатора в синапсе. Другие вещества, называемые блокаторами
хеморецепторных каналов, прекращают передачу в синапсах. Например,
ботулинический токсин, марганец блокируют секрецию медиатора в
нервно-мышечном синапсе, в тормозящих синапсах ЦНС. Тубокурарин, атропин,
стрихнин, пенициллин, пикротоксин и др. блокируют рецепторы в синапсе, в
результате чего медиатор, попав в синаптическую щель, не находит своего
рецептора.
В то же время выделены вещества, которые блокируют
системы, разрушающие медиаторы. К ним относят эзерин, фосфорорганические
соединения.
В нервно-мышечном синапсе в норме ацетилхолин действует на
синаптическую мембрану короткое время (1—2 мс), так как сразу же начинает
разрушаться ацетилхолинэстеразой. В случаях, когда этого не происходит и
ацетилхолин не разрушается на протяжении сотни миллисекунд, его действие на
мембрану прекращается и мембрана не деполяризуется, а гиперполяризуется и
возбуждение через этот синапс блокируется.
Блокада нервно-мышечной передачи может быть вызвана следующими
способами:
1) действие местноанестезирующих веществ, которые
блокируют возбуждение в пресинаптической части;
2) блокада высвобождения медиатора в пресинаптической
части (например, ботулинический токсин);
3) нарушение синтеза медиатора, например при действии гемихолиния;
4) блокада рецепторов ацетилхолина, например при
действии бунгаротоксина;
5) вытеснение ацетилхолина из рецепторов, например
действие кураре;
6) инактивация постсинаптической мембраны сукцинилхолином,
декаметонием и др.;
7) угнетение холинэстеразы, что приводит к длительному
сохранению ацетилхолина и вызывает глубокую деполяризацию и инактивацию
рецепторов синапсов. Такой эффект наблюдается при действии
фосфорорганических соединений.
Специально для снижения тонуса мышц, особенно при
операциях, используют блокаду нервно-мышечной передачи миорелаксантами;
деполяризующие мышечные релаксанты действуют на рецепторы субсинаптической
мембраны (сукцинилхолин и др.), недеполяризующие мышечные релаксанты,
устраняющие действие ацетилхолина на мембрану по конкуренции (препараты
группы кураре).
|