Ультраструктура химического синапса.

Основными и наиболее изученными синаптическими образованиями играющими роль в деятельности нервной системы являются химические синапсы (Рис. 5).

Рис. 5. Структура химического синапса.

Их пресинаптическое окончание образует характерное утолщение, покрытое пресинаптической мембраной. Между нервным окончанием и эффекторной клеткой имеется пространство называемое синаптической щелью, которая отделяет нервное окончание от мембраны эффекторной клетки. Часть мембраны эффекторной клетки лежащая за синаптической щелью называется постсинаптической мембраной. Эта мембрана имеет белковые хеморецепторы, которые связаны с хемо-управляемыми ионными каналами. Связывание рецепторов с биологически активными веществами (медиаторами, гормонами, лекарственными препаратами), приводит к открытию канала, движению ионов через него и изменению заряда мембраны.

Повышенная химическая чувствительность постсинаптической мембраны является важным свойством синапса, регулирующим его активность.

Активность синапса заключается в синаптической передаче - распространении возбуждения через синапс. Этот процесс является достаточно сложным и протекает в несколько стадий.

1. Синтез медиатора.

Химические медиаторы, это вещества различной химической природы, среди которых различают моноамины (ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин и др.); аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота - ГАМК, глутаминовая кислота, глицин и др.); нейропептиды (вещество Р, эндорфины, нейротензин, АКТГ, ангиотензин, вазопрессин, соматостатин и др.), поэтому их биосинтез разнообразен. Ацетилхолин, например, синтезируется из холина (продукт секретируемый печенью) и уксусной кислоты при участии ферментов нервной клетки; норадреналин синтезируется из аминокислот тирозина и фенилаланина.

Медиаторы непрерывно синтезируются в нервной клетке и депонируются (складируются) в синаптических пузырьках нервных окончаний куда они поступают: во-первых из околоядерной области тела нейрона с помощью быстрого аксонального транспорта, во-вторых за счет синтеза медиатора, протекающего в самих синаптических окончаниях из продуктов его расщепления. Кроме того, медиатор может поступать в синаптическое окончание за счет обратного захвата его из синаптической щели в неизменном виде.

Следует отметить, что скорость биосинтеза медиатора невелика, и при больших нагрузках на синапс, может значительно отставать от скорости его разрушения. Работоспособность синапса при этом снижается. Именно эта причина является основной, при развитии всех видов утомления и время требуемое на отдых, это время требуемое на восстановление количества медиатора необходимого для полноценной работы синапса.

2. Секреция медиаторов.

Высвобождение медиатора из синаптических пузырьков осуществляется дискретно, квантами (порциями). В состоянии покоя оно незначительно, и не вызывает никакого эффекта, но под влиянием нервного импульса, приходящего по аксону, резко усиливается. Возбуждение, деполяризует мембрану синаптического окончания, что приводит к активации имеющихся на ней Са²⁺-каналов и входу ионов кальция в синаптическое окончание. Пузырьки находящиеся у пресинаптической мембраны, под действием Са²⁺ разрушаются (по механизму экзоцитоза) и медиатор попадает в синаптическую щель. Медиатор выделившийся из синаптических пузырьков пресинаптического окончания диффундирует в синаптической щели и достигает постсинаптической мембраны.

Скорость экзоцитоза зависит от количества входящего кальция и активности метаболических процессов. Она увеличивается при введении лекарств содержащих кальций, АТФ, биогенных стимуляторов (алоэ, женьшень, боярышник), гормонов.

3. Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны.

Медиатор достигший постсинаптической мембраны действует на ее хеморецепторы, связанные с различными хемо-управляемыми ионными каналами, вследствие чего изменяется проницаемость постсинаптической мембраны для различных ионов (Na⁺, K⁺, Cl^-). В зависимости от иона и направления его движения постсинаптическая мембрана деполяризуется или гиперполяризуется и на ней возникает возбуждающий или тормозной потенциал.

Отметим, что электроуправляемых каналов на постсинаптической мембране нет, поэтому сама к генерации ПД она не способна.

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), возникающий в результате поступления в клетку ионов Na+, электротонически распространяется за пределы постсинаптической мембраны и если его величина достаточно велика, деполяризует уже плазматическую мембрану до критического уровня. В мышечных клетках плазматическая мембрана сразу за пределами синапса имеет потенциал-чувствительные каналы, на ней относительно легко возникает полноценный потенциал действия. В нервных клетках возникновение возбуждения возможно только в аксоном холмике, поэтому активности одного из синапсов, которые, как правило, расположены далеко от него недостаточно для возникновения ПД. Нервная клетка воспринимает (суммирует) несколько синаптических сигналов и генерирует потенциал действия избирательно. В этом заключается интегративная функция нейрона.

Тормозной постсинаптический (ТПСП) потенциал возникает при усилении проницаемости для калия и хлора, он гиперполяризует постсинаптическую мембрану, препятствуя электротоническому распространению возбуждения по мембране нервной клетки. Процесс торможения имеет место только на межнейронных синапсах.

Принципы работы возбуждающего и тормозного синапсов сходны. Разница заключается в том с какими специфическими каналами связаны рецепторы расположенные на постсинаптической мембране, от чего и зависит физиологическая реакция.

4. Инактивация медиатора

Инактивация медиатора - последняя стадия синаптической передачи, обеспечивающая ее прекращение. Она необходима для реполяризации постсинаптической мембраны и восстановления исходного уровня ее мембранного потенциала, что обеспечивает возможность восприятия следующего сигнала. Наиболее распространенным является гидролитическое расщепление медиатора с помощью соответствующих ферментов, постоянно находящихся в синаптической щели. Для ацетилхолина, например, таким ферментом является холинэстераза, для норадреналина - моноаминооксидаза. Эти ферменты начинают разрушать медиатор на исходные компоненты, сразу, как только он попадает в синаптическую щель, и скорость разрушения настолько велика, что при небольших количествах медиатора, он разрушается еще до того, как достигает постсинаптической мембраны.

Продукты расщепления либо поступают в кровь и циркулируют как его предшественники, либо за счет пиноцитоза осуществляется их «обратное всасывание» в синаптическое окончание, где происходит их восстановление и упаковка в синаптические пузырьки и медиатор может использоваться повторно.

Свойства синапсов:

· односторонность проведения возбуждения через синапс (всегда от пре- к постсинаптической мембране обусловлена наличием рецепторов чувствительных к медиатору только на постсинаптической мембране;

· синаптическая задержка - замедление скорости распространения возбуждения в синапсе в связи с длительностью процессов выделения медиатора из пресинаптического окончания, диффузии его по синаптической щели и процесса взаимодействия его с постсинаптической мембраной. Синаптическая задержка в химических синапсах обычно равна 0,2 - 0,5 мс.

· низкая лабильность - обусловлена временем распространения предыдущего импульса и наличием у него периода абсолютной рефрактерности;

· повышенная утомляемость - обусловлена отставанием скорости синтеза медиатора от скорости его распада при возбуждении;

· трансформация ритма возбуждения, обусловлена тем, что не все приходящие к синаптическому окончанию аксона потенциалы действия способны вызвать критическую деполяризацию постсинаптической мембраны;

· высокая чувствительность к лекарствам и ядам обусловлена высокой специфичностью хеморецепторов постсинаптической мембраны;

· низкий фактор безопасности (надежности), обусловлен тем, что хеморецепторы чувствительны к большому количеству веществ, способных инициировать или изменять активность синапса.