Механизм передачи возбуждения в химическом синапсе

Передача возбуждения в химическом синапсе осуществляется особыми химическими веществами – медиаторами. Для простоты весь сложный процесс работы медиатора можно разделить на 4 этапа.

1 этап -синтез медиатора - происходит непосредственно в пресинаптическом окончании или в теле нейрона. Для этого нужны специальные ферменты и молекулы-предшественники, от количества и активности которых зависит в конечном итоге активность медиаторной системы. Если синтез идет в теле нейрона, то везикулы (мембранные пузырьки, образующиеся в результате активности комплекса Гольджи) переносятся в пресинаптическое окончание по микротрубочкам. Каждый нейрон производит один основной медиатор и несколько дополнительных.

2 этап -выделение медиатора в синаптическую щель - происходит под действием приходящей импульсации. Возбуждение пресинаптической мембраны приводит к повышению проницаемости мембраны для ионов кальция, которые входят в цитоплазму пресинаптического окончания. Взаимодействие с ионами Са²⁺ изменяет состояние белков мембран везикул, в результате чего везикулы перемещаются к пресинаптической мембране. Их мембрана сливается с пресинаптической мембраной, и содержимое пузырьков выделяется в синаптическую щель. Чрезвычайно важным моментом является остановка выброса медиатора в синаптическую щель – только это обеспечит точное соответствие числа ПД и количества выделившегося медиатора. Эту функцию выполняют кальциевые насосы, удаляющие кальций из цитоплазмы окончания. На этапе выброса медиатора синапс может быть блокирован различными ядами. Так, ботулотоксин блокирует белки, обеспечивающие контакт везикул с пресинаптической мембраной, и синапс перестает работать. Процесс выделения медиатора в синаптическую щель занимает 1-5 мс. Единичный ПД вызывает выделение содержимого определенного количества пузырьков (от 10 до нескольких сотен). Содержимое одного пузырька называется квантом медиатора. Один квант содержит порядка 10⁴ молекул медиатора.

3 этап -взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны, что вызывает возбуждение постсинаптической клетки. Молекулы медиатора, диффундируя через синаптическую щель, достигают постсинаптической мембраны, которая может «узнавать» свой медиатор благодаря наличию специфических рецепторов. Это белковые молекулы, встроенные в постсинаптическую мембрану. Их пространственная структура соответствует форме молекулы медиатора как ключ замку. Рецепторами могут быть участки белковых молекул, образующих ионные каналы постсинаптической мембраны (ионотропные рецепторы). Их взаимодействие с медиатором приводит к изменению пространственной структуры канала, и он «открывается». Другой вариант синаптических рецепторов – метаботропные рецепторы. Их взаимодействие с медиатором инициирует синтез в постсинаптической клетке особых веществ – вторичных посредников (мессенджеров), которые взаимодействуют с белками ионных каналов и приводят к их раскрытию (это более медленный и древний механизм химической передачи). Ионные каналы постсинаптической мембраны (натриевые, калиевые и хлорные) являются хемочувствительными. Открытие натриевых каналов приводит к деполяризации мембраны и формированию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), калиевых и хлорных – к гиперполяризации и появлению тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП). Длительность ПСП составляет обычно 10 мс (иногда от –50 до -100 мс). Амплитуда ПСП зависит от количества и длительности нахождения медиатора в синаптической щели и составляет обычно 1-5 мВ. Каждый квант медиатора изменяет потенциал постсинаптической мембраны на 0,1 мВ. В подавляющем большинстве случаев одиночный ВПСП не в состоянии запустить ПД, поскольку КУД составляет порядка 20 мВ. Чтобы на постсинаптической клетке возник ПД, необходима суммация нескольких ВПСП. Суммация бывает временнаяипространственная. Временная – объединение эффектов стимулов, приходящих друг за другом по одному каналу (сигнал достаточно интенсивен и «заслуживает» того, чтобы передаваться дальше по сети нейронов). Пространственная – наложение ВПСП соседних синапсов в некоторой точке мембраны, имеющей потенциалозависимые каналы. Возбуждение постсинаптической клетки происходит при следующем условии: (ПП + Σ ВПСП – Σ ТПСП)≥КУД.

4 этап - инактивация медиатора- заключительный этап его «жизненного цикла». Значение инактивации – прекращение передачи сигнала. Это может происходить с помощью специальных ферментов, обратного захвата медиатора (ферментативный насос) или всасывания в глиальные клетки. Повреждение системы инактивации значительно увеличивает эффективность синапса.

Вещества, влияющие на различные этапы жизненного цикла медиаторов, являются действующим началом психотропных препаратов, которые могут изменять общий уровень активности мозга, память, эмоциональные процессы. Вещества-агонисты сходны по структуре с медиатором, они прочно связываются с синаптическими рецепторами, возбуждают их, но хуже удаляются системой инактивации. Вещества-антагонисты частично напоминают медиатор, связываются с рецептором, но не возбуждают его, и передачи сигнала не происходит.

Основные свойства химических синапсов:

- наличие медиатора и относительная медиаторная специфичность;

- одностороннее проведение возбуждения;

- синаптическая задержка (2-3 мс);

- суммация и трансформация ритма возбуждения;

- квантовое выделение медиатора, зависимость количества квантов от частоты приходящей импульсации;

- зависимость эффективности синапса от частоты использования;

- утомляемость.