Синаптическая передача.
Синапсы - специализированные контакты между нервными клетками или между нервными и эффекторными клетками, используемые для передачи сигналов. Синапсы классифицируют: 1) по их местоположению и принадлежности соответствующим клеткам (нервно-мышечные, нейро-нейрональные, а среди последних - аксо-аксональные, аксо-соматические, аксо-дендритические); 2) по их действию на постсинаптическукю мембрану - возбуждающие и тормозящие; 3) по способу передачи сигналов - электрические (в которых сигналы передаются электрическим током) и химические (в которых передатчиком сигнала - медиатором - является физиологически активное вещество). Описаны также и смешанные - электрохимические - синапсы. Во всех синапсах содержатся такие компоненты, как пресинаптическая и постсинаптическая мембраны и разделяющая их синаптическая щель.
Электрическим синапсам возбуждающего действия свойственна очень узкая синаптическая щель (около 2 - 5 нм ) и очень низкое удельное электрическое сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран. Низкое сопротивление связано с наличием поперечных каналов диаметром около 1 нм, пересекающих обе мембраны, идущих из клетки в клетку (щелевой контакт, gap junction). Эти каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, т.к. проходимы для многих низкомолекулярных метаболитов. Поэтому возбуждающие синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между нейронами одного вида специализации. Эти синапсы различаются по коэффициенту передачи и по отсутствию или наличию выпрямляющих свойств. Механизм передачи возбуждения в электрическом синапсе подобен проведению возбуждения в нервном проводнике: ток, порождаемый пресинаптическим ПД раздражает постсинаптическую мембрану (рис. 8). Общие свойства электрических синапсов: быстродействие (превосходит таковое химических синапсов), слабость следовых эффектов при передаче (это свойство делает электрические синапсы непригодными для интегрирования и суммации последовательных сигналов), высокая надежность передачи возбуждения. Однако эти синапсы не лишены некоторой пластичности: они могут возникать и исчезать при изменении условий.
Рис. 8. Электрические синапсы между двумя клетками [3]:
А. Приложенная к пресинаптической клетке (4) через микропипетку (1) разность потенциалов DE вызывает через электрические контакты между клетками ток iKo, который может быть измерен в постсинаптической клетке (3) с помощью второй микропипетки (2). Б. Строение "gap junction" при большом увеличении. Каждый канал (6) состоит из двух встроенных в плазматические мембраны клеток (5) полуканалов - коннексонов (7), каждый из которых в свою очередь состоит из шести субъединиц белка коннексина. Плазматические мембраны разделены щелью (8) шириной 2 нм. В,Г Кривые зависимости тока соединения (iKo) от изменения пресинаптического напряжения (DЕ), для невыпрямляющего (В) и выпрямляющего (Г) электрического синапса.
Химические синапсыимеют относительно широкую синаптическую щель (20 - 50 нм) и высокое сопротивление синаптических мембран. В пресинаптической нервной терминали находится большое число пузырьков - синаптических везикул - диаметром около 50 нм, заполненных медиатором.
Механизм работы химического синапса: при деполяризации пресинаптической терминали (вызванной ПД или искусственно) в нее из среды входят ионы Ca2+, которые стимулируют процесс экзоцитоза- опорожнениявезикул в синаптическую щель (рис.9).
Рис.9.Схема участия синаптических и мембранных белков в образовании пор для экзоцитоза содержимого везикул в синаптическую щель [4]:
Представлены характерные синаптические и везикулярные белки, а также их предполагаемые рецепторы и функции. Постулируются раздельные участки везикулярной мембраны для заякоривания пузырьков на цитоскелете (1), прикрепления везикулярной мембраны к пресинаптической (2) и высвобождения медиатора через образовавшуюся пору (3). Молекулярные механизмы прикрепления везикул к пресинаптической мембране и образования поры предположительно различны. Некоторые из указанные на схеме белков являются мишенями нейротоксинов (пунктирные стрелки), изменяющих выброс медиатора. Например, структура везикулярных белков синаптобревинов (VAMPs) нарушается под действием столбнячного и ботулинического токсинов; яд паука латротоксин связывается с пресинаптическими мембранными белками нейрексинами и усиливает опорожнение везикул.
1. Синапсины - белки, ассоциированные с везикулами, которые предположительно связывают синаптические пузырьки с цитоскелетом нервного окончания. 2.Прикрепление, образование поры и опорожнение везикул осуществляются взаимодействиями (указаны стрелками) различных везикулярных и мембранных белков. Например, в образовании прикрепительного комплекса участвуют везикулярные белки (синаптотагмин и синаптобревины) и белки плазматической мембраны нервного окончания (синтаксины и нейрексины). 3. Какие белки - плазматические или везикулярные образуют пору слияния до сих пор не ясно. Предположительно, это - синаптофизин (имеющий и другие функции) и белок плазматической мембраны физофилин. 4. Rab-белки могут участвовать в транспорте везикул в клетке и в прикреплении их к мембране нервной клетки. Везикулярные транспортеры играют роль в аккумуляции нейромедиатора в синаптических пузырьках (см. также рис. 5Б).
Одновременно Ca2+ начинает удаляться из цитоплазмы несколькими путями: связывание с белками, захват митохондриями и работа активного транспорта. Выход медиатора зависит от деполяризации терминали и составляет около 100 - 200 везикул, каждая из которых содержит одну порцию (квант), соответствующую приблизительно 104 молекул. Молекулы медиатора диффундируют к постсинаптической мембране, где взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны, регулирующими состояние ионных каналов. Эта регуляция может быть прямой (как, например, в нервно-мышечном соединении скелетных мышц позвоночных), так и включать активацию систем вторичных внутриклеточных медиаторов ( G-белки, цАМФ) (рис.10).
Рис. 10.Синаптические процессы, вызывающие открытие (А1, А2) или закрытие (Б1, Б2) ионных каналов через реализацию различных механизмов взаимодействия медиаторов с рецепторами [4]:
А1- медиатор, например, ацетилхолин (АХ) или глутамат, непосредственно действует на рецептор Na+/К+ - канала и открывает его (А2);Б1 - медиатор, например, серотонин (5-ГT), связывается с рецептором и стимулирует аденилатциклазу через соединяющий G- белок. При этом фосфорилируется связанный с G-белком ГДФ. Образующийся цАМФ активирует затем протеинкиназу, которая фосфорилирует (Ф) субcтратный белок (или сам канал, или регуляторный белок, контролирующий канал), в результате чего К+ -канал закрывается (Б2).
В первом случае осуществляется передача быстрых пусковых сигналов, во втором - осуществляются более медленные длительные воздействия. Направление изменения потенциала постсинаптической мембраны (деполяризация или гиперполяризация) зависит главным образом от того, открытием каких каналов управляют постсинаптические рецепторы. Часть молекул медиатора может взаимодействовать с пресинаптическими рецепторами, что приводит к изменению МП нервной терминали и, соответственно, количества выделяемого медиатора (обратная связь). Синаптическая щель очищается от медиатора различными путями: дезактивация, гидролиз, обратный захват в пресинаптическое окончание, диффузия, захват глиальными клетками. Основная часть синаптической задержки - времени от прихода нервного импульса до развития постсинаптического ответа (0,2-0,5 мс) приходится на процесс секреции медиатора. Химический синапс обеспечивает передачу сигнала только от пресинаптического нейрона к постсинаптическому.
При частой ритмической стимуляции в химических синапсах наблюдается сначала усиление (облегчение), а затем ослабление (депрессия)передачи, т.е. рост, а затем падение амплитуды постсинаптических потенциалов. Эти явления в основном определяются изменениями в пресинаптическом звене. Они имеют особое развитие в некоторых синапсах ЦНС, где выступают как факторы синаптической пластичности. Наличие различных типов рецепторов в постсинаптической мембране может обусловливать развитие этих явлений по отдельности, как, например, длительную потенциацию (рис.11) и длительную депрессию (рис.12).
Рис. 11.Схема развития длительной потенциации на аксо-шипиковом синапсе в гиппокампе млекопитающих [3]:
Слева - обычный ход возбуждающей синаптической передачи. Единичный ПД в нервном окончании высвобождает глутамат (Глу), который может связываться с постсинаптическими глутаматными рецепторами. Одни из них - AMPA / каинатные (А/К)- рецепторы, каналы которых открываются после связывания с глутаматом. При этом ионы Na+, K+ и Ca2+ проходят через эти каналы, вызывая ВПСП амплитудой, например, 20 мВ. Соединение глутамата с другим типом рецепторов (NMDA-рецепторы) не дает эффекта, т.к. их каналы блокированы ионами Mg2+, которые связаны с внутренними стенками поры при отрицательных значениях МП. Справа - серия ПД вызывает длительную потенциацию за счет большего количества высвобождаемого глутамата. Более сильная деполяризация в этом случае (за счет большего числа активированных А/К каналов) приводит к разблокированию NMDA-каналов путем удаления из них ионов Mg2+. Возникающий относительно сильный Ca2+ ток увеличивает внутриклеточную концентрацию этих ионов, что ведет к активации специфической ферментной системы, чье действие в шипиках длительно повышает реакцию на глутамат. Вероятно, катализируется также образование молекул NO, которые могут диффундировать к пресинаптическому окончанию как ретроградный медиатор и там стимулировать выброс новых квантов глутамата, тем самым, способствуя длительной потенциации.
Рис. 12.Схема развития длительной депрессии [3]:
Слева - главный путь действия глутамата на A/K рецепторы, открытие каналов которых вызывает ВПСП дендритного шипика. Справа - серия ПД создает более высокую концентрацию глутамата, который активирует не только A/K-рецепторы, но и метаботропные Глу- рецепторы. Последнее вызывает высвобождение связанного с G-белком инозитолтрифосфата (ИТФ) из липидной мембраны, который в свою очередь способствует высвобождению Ca2+ из внутриклеточных депо. Повышение при этом концентрации Ca2+ активирует NO-синтазу, а образующаяся NO - гуанилатциклазу (ГЦ). Синтезирующийся цГМФ действует как внутриклеточный медиатор и активирует Г-киназу, фосфорилирующую A/K канал, который при этом десенситизируется. Вследствие этих событий вызванный глутаматом ток через A/K канал уменьшается - наступает длительная депрессия ВПСП.
Многообразие медиаторных систем. Принцип Дейла: один нейрон, как правило, синтезирует и использует один медиатор во всех своих терминалях. Возможно использование нейроном нескольких медиаторов (комедиаторы), но, по-видимому, в одном и том же сочетании. Как следствия принципа Дейла можно рассматривать следующие положения:
1) Знак синаптического действия определяется не медиатором, а свойствами рецепторов на постсинаптической клетке.
2) Рецепторы на клетках, являющихся постсинаптическими по отношению к одному пресинаптическому нейрону, могут фармакологически различаться и могут контролировать разные ионные каналы.
3) Одна постсинаптическая клетка может иметь более одного типа рецепторов для данного медиатора, и каждый из этих рецепторов может контролировать отличный от других механизм ионной проводимости.
Вследствие этих трех свойств клетки могут оказывать противоположные синаптические действия как на различные постсинаптические клетки, так и на одну и ту же.
Медиаторы, выявленные к настоящему времени у животных и человека, составляют довольно разнородную группу веществ. Моноамины: ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-ГТ), гистамин. Аминокислоты: гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глутаминовая кислота, глицин, таурин и др. Нейропептиды: метэнкефалин, лейэнкефалин, эндорфин, окситоцин,вазопрессин и др. Соответствующие синапсы называют, например,холинэргические, серотонинэргические, норадренэргические и т.д. Большому количеству медиаторов соответствует большое количество постсинаптических рецепторов: холинорецетпоры, адренорецепторы, ГАМК-рецепторы и т.д. В пределах каждой группы рецепторов существует разнообразие их подтипов, например никотиновые и мускариновые холинорецепторы (Н-ХР и М-ХР, соответственно) (рис.13).
Рис. 13.Трехмерная модель никотинергического АХ рецептора (А и Б - по А.Карлину с соавторами; В и Г - по Ш. Нума с соавторами) [4]:
А. Рецепторный канал, состоящий из 5 субъединиц, которые образуют пору.
Б.Изменение конформации рецепторного канала при связывании двух молекул АХ с внеклеточной частью a-субъединиц и открытие поры, находящейся в билипидном слое. Как Na+, так и K+ двигаются соответственно своим электрохимическим градиентам через открытый канал.
В. Каждая субъединица состоит из четырех проникающих через мембрану a-спиралей (М1 - М4).
Г. Пять субъединиц образуют заполненный водой канал, причем сегменты М2 каждой субъединицы обращены вовнутрь и выстилают канал.
1,2 - внеклеточная и цитоплазматическая поверхности мембраны; 3 - область входа; 4 - ионоселективная пора; 5 - область выхода.
Разделение рецепторов проводится на основе различий их фармакологических свойств: разные агонисты(вещества, имитирующие эффект медиатора) и антагонисты(вещества, препятствующие проявлению эффекта медиатора). Например, для Н-ХР агонист - никотин, антагонисты - тубокурарин (выделен из яда кураре), бунгаротоксин (выделен из яда змеи рода Bungarus). По агонистам различают три типа рецепторов глутамата: квисквалатные(AMPA-тип), каинатные и NMDA (N-метил-D-аспартат)-типа. Некоторые рецепторы медиаторов (в частности, адренорецепторы и рецепторы многих нейропептидов) связаны не с ионными каналами (ионотропные рецепторы), а с мембранным ферментом (метаботропные рецепторы), например, аденилатциклазой. Последняя, однократно активируемая медиатором, катализирует превращение множества молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ)циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) - усилительный механизм. ЦАМФ, являясь вторичным посредником, активирует в клетке многие ферменты, в частности протеинкиназыи таким образом стимулирует клеточный метаболизм. Разрушается цАМФ фосфодиэстеразой. Аденилатциклазной системе аналогичны гуанилатциклазная система, система фосфолипазы С и т.д. (рис.14). Образование цГМФ из нециклической формы катализируется гуанилатциклазой, активность которой стимулирует окись азота. Молекулы последней образуются при дезаминировании аргинина и образовании цитруллина под действием синтазы окиси азота. Активность этого фермента в свою очередь регулируется комплексом Са2+-кальмодулин. Таким образом, например, глутаматные рецепторы, запускающие входящий ток ионов Са2+, управляет колебаниями концентрации цГМФ в цитоплазме нейронов (см. рис. 11). В головном мозге позвоночных активность синтазы окиси азота выявляется в мозжечке, четверохолмии, полосатом теле и обонятельной луковице.
Рис. 14.Три важных каскада вторичных мессенджеров, которые начинаются с гидролиза фосфолипидов в клеточной мембране [4]:
А. В диацилглицерин-инозитолтрифосфатном пути участвует G- белок. После его активации через комплекс, образуемый молекулами медиатора с рецептором, стимулируется фосфолипаза С, которая свой субстрат фосфатидилинозитол (ФИ) расщепляет на 2 вторичных мессенджера: диацилглицерин (ДАГ) и инозитолтрифосфат (ИТФ). Последний водорастворим и диффундирует в цитоплазму, где соединяется с рецептором в мембране эндоплазматического ретикулума и этим вызывает высвобождение ионов Ca2+ из внутренних депо.
Б. Ca2+ / кальмодулин-зависимая протеинкиназа. Ионы Ca2+ в комплексе с кальмодулином активируют Ca2+/кальмодулинзависимую киназу II, фосфорилирующую белковый субстрат, что приводит к развитию клеточного ответа.
В. Диацилглицерин остается в мембране и активирует там вместе с также необходимыми для этого процесса мембранными фосфолипидами протеинкиназу С. Последняя активируется также только, если она занимает примембранное положение. Не все изоформы протеинкиназы нуждаются в ионах Са2+ для активирования.
Р и К - регуляторная и каталитическая субъединицы ферментов, соответственно.
Трофические влияния, передаваемые через синапсы.Помимо передачи возбуждающих и тормозных сигналов, которые имеют функциональное значение, синапсы обеспечивают трофические(т.е. затрагивающие рост и дифференцировку) взаимодействия контактирующих клеток, реализуемые с помощью трофических факторов белковой природы, вероятно, также аккумулируемых в везикулах. Эти факторы обеспечивают метаболическое поддержание необходимой структуры и свойств этих клеток. Двусторонние трофические взаимодействия предполагают во всех синапсах, но изучены они главным образом в скелетных нервно-мышечных синапсах позвоночных. Денервация мышцы приводит к потере мышечными волокнами дифференцировки, достигнутой в онтогенезе.
Постсинаптические процессы. Изменения потенциала постсинаптической мембраны в результате активации синапса называют синаптическим потенциалом. Возбуждающий постсинптический потенциал (ВПСП) возникает в деполяризующих синапсах и обусловлен одновременным повышением проницаемости мембраны для ионов Na+ и K+. Возникающие при этом токи противоположно направлены (натриевый - внутрь клетки, калиевый - наружу). МП смещается в сторону деполяризации до значения равного полусумме равновесных потенциалов ENa и EK. Тормозные постсинаптические потенциалы(ТПСП) представляют собой гиперполяризационные изменения МП (до-80-90 мВ) и обусловлены открытием каналов для ионов K+ (которые покидают клетку), либо ионов Cl-(входящих в клетку), либо для тех и других ионов одновременно. Амплитуда синаптических потенциалов зависит от количества выделяющегося медиатора (числа квантов) и, таким образом, эти реакции являются градуальными в отличие от ПД. Это амплитудное кодирование частотного сигнала осуществляется в постсинаптическом нейроне за исключением его аксонной области, в которой происходит возврат к частотному кодированию, благодаря распространяющимся по аксонному волокну ПД (рис.15).
Рис. 15.Электрические сигналы в области возбуждающего (1 - 3) и тормозного (4,5) синапсов [5]:.
Создаваемая ВПСП деполяризация может значительно превышать (1), достигать (2) или оставаться ниже (3) порога возбуждения (отмечен точками). Амплитуда гиперполяризации вследствие развития ТПСП (4,5) зависит от частоты пресинаптических ПД и влияет на частоту фоновой активности постсинаптической клетки.
Т.к. направление ионных токов зависит от градиента электрохимического потенциала данного иона, то амплитуда и полярность синаптического сигнала изменяются с изменением МП. Его значение, при котором происходит изменение знака синаптического действия, называется потенциалом реверсии. Распространение синаптических потенциалов обусловлено только физическими свойствами мембраны клетки и поэтому происходит с затуханием (уменьшением амплитуды). Синаптические потенциалы, возникающие в разных синапсах, могут взаимодействовать между собой, подчиняясь правилам алгебраического суммирования. Деполяризация, вызванная суммацией ВПСП, приближает МП к пороговой для возбуждения величине. Напротив, наложение ТПСП отдаляет его. Степень деполяризации или гиперполяризации мембраны зависит от «противоборства» между ионными проводимостями и токами, активируемыми при ВПСП и ТПСП (рис.16). Главную роль в интеграции приходящих в клетку сигналов выполняют особые участки нейрональной мембраны: узлы ветвления дендритного дерева, соматическая мембрана, аксонный холмик. Чаще всего на дендритной мембране локализуются возбуждающие синапсы, в то время как тормозные располагаются, как правило, на соматической мембране. Окончательная интеграция всех входов происходит на аксонном холмике. Поскольку постсинаптические процессы возникают на различном удалении от триггерной зоны и распространяются пассивно, то их вклад в интегративный выход будет зависеть от локализации синаптических контактов.
Рис. 16.Интеграция ВПСП и ТПСП при различных величинах потенциала покоя (ПП) [6]:
А. ПП ниже (т.е. менее негативный), чем тормозный равновесный потенциал Етпсп, и увеличение проводимости во время ТПСП вызывает гиперполяризацию мембраны;
Б. ПП равен Етпсп и изменения потенциала не возникает.
В. При ПП, выше (отрицательнее) чем Етпсп, ТПСП вызывает деполяризацию мембраны. Во всех случаях интегративная суммация ВПСП и ТПСП ведет к уменьшению амплитуды ВПСП (пунктирная линия) из-за падения сопротивления мембраны и тем самым - к уменьшению возбудимости нейрона.
На это взаимодействие влияют геометрические взаимоотношения между возбуждающими и тормозными синапсами, расположенными в разных участках дендритов, а также особенности электротонического распространения тока по этим дендритам. При этом в постсинаптическом нейроне при генерации ПД могут возникать эффекты сложения и вычитания входных сигналов, имеющих одинаковые или различные (возбуждающую и тормозную) модальности (рис.17).
Рис. 17. Взаимоотношения «вход-выход» у различных синапсов [5]:
А- эффект сложения, Б -эффект вычитания.
Передача сигнала неимпульсирующими нейронами. Некоторые нервные клетки не генерируют в физиологических условиях ПД (эта типичная для нейронов способность проявляется после некоторых видов химического воздействия). Примером таких клеток у позвоночных могут служить фоторецепторы и клетки-зерна обонятельных луковиц. Однако у этих нейронов сохраняется закономерность: медиатор выделяется только при деполяризации пресинаптической клетки.
Глия
Электрические свойства мембраны глиальных клеток.Цитоплазма этих клеток содержит высокие концентрации ионов К+, а мембрана практически не пропускает другие ионы. Поэтому МП приближается к калиевому равновесному потенциалу (около -90 мВ) и ведет себя в точном соответствии с уравнением Нернста. Сопротивление мембраны глиальных клеток приближается к таковому у нейронов, но способность к генерации нервных импульсов и их проведению отсутствует. Межклеточные щели между нейронами и глией шириной около 20 нм препятствуют прямому распространению токов возбуждения в глиальные клетки. В то же время электрические разряды нейронов сопровождаются деполяризацией глиальных клеток, пассивно отражающей накопление ионов К+ в межклеточном пространстве. МП возвращается к норме в результате поглощения и диффузии калия. Возникающие таким образом колебания МП вносят свой вклад в регистрируемые внеклеточными электродами потенциалы (например, электроэнцефалограмма, электроретинограмма). Мембрана глиальных клеток содержит рецепторы, которые могут регулировать внутриклеточные процессы (например, глутаматные рецепторы гигантских глиальных клеток пиявки регулируют входящие кальциевые токи, а b-адренорецепторы астроцитов контролируют внутриклеточную концентрацию цАМФ).
Функции глиальных клеток:
1. Обеспечение физической опоры нейронов.
2. Глиальные клетки являются частью гематоэнцефалического барьера - механизма поддержания мозгом постоянства среды, окружающей его клетки. Как часть этой обширной функции можно рассматривать регуляцию ионного состава микросреды вокруг нейронов. Например, забуферивание межклеточного калия астроцитами и мюллеровсикми клетками сетчатки;
3. Электрическая изоляция нервных проводников миелиновой оболочкой, образуемой олигодендроцитами в ЦНС и шванновскими клетками в периферических нервах.
4. Поглощение, накопление и секреция медиаторов. Например, шванновские клетки выделяют кванты АХ при дегенерации моторных терминалей позвоночных. Усиленная секреция ГАМК наблюдается при деполяризации глиальных клеток спинальных и симпатических ганглиев. В астроцитах протекает также частичный метаболизм медиаторов: глутамат и ГАМК превращаются в глутамин, который, попадая в нейроны, используется для синтеза новых молекул медиатора.
5. Образуют рубцовую ткань и обладают фагоцитарной способностью. В процессе регенерации периферические аксоны способны прорастать в направлении иннервируемого органа по пути, обозначенному оставшимися шванновскими клетками. В развивающемся мозге клетки радиальной глии образуют каркас, направляющий миграцию нейронов. Астроциты, возможно, играют центральную роль в формировании иммунного ответа в мозге.
6. Обеспечение нейронов питательными и другими веществами. Присутствие клеток глии необходимо нейронам для синтеза медиаторов.
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 2636;