Что такое синаптическая передача возбуждения

Синаптическая передача

Синаптическая передача (также называемая нейропередача) — электрические движения в синапсах вызванные распространением нервных импульсов. Каждая нервная клетка получает медиатор из пресинаптического нейрона или из терминального окончания или из постсинаптического нейрона или дендрида вторичного нейрона и посылает его обратно нескольким нейронам, которые повторяют данный процесс, таким образом, распространяя волну импульсов до тех пор, пока импульс не достигнет определенного органа или специфической группы нейронов.

Нервные импульсы необходимы для распространения сигналов. Эти сигналы посылаются в и исходят из центральной нервной системы через эфферентные и афферентные нейроны для координации гладких, скелетных и сердечных мышц, секреции желез и функционирования органов, важных для долгосрочного выживания многоклеточных позвоночных организмов, таких как млекопитающие.

Нейроны образуют нейронные сети, по которым передаются нервные импульсы. Каждый нейрон образует не менее 15,000 соединений с другими нейронами. Нейроны не соприкасаются друг с другом; они образуют точки соприкосновения, называемые синапсами. Нейрон передают информацию с помощью нервного импульса. Когда импульс нейрона достигает синапса это приводит к выделению медиаторов, которые влияют на другие клетки, приводя к торможению или возбуждению. Следующий нейрон может соединяться с множеством других нейронов, и если возбуждающие процессы превалируют над угнетающими, то будет развит потенциал действия в основании аксона, таким образом передавая информацию к следующему нейрону, приводя к памяти или действию.

Примером распространения с помощью нейронов является сердечное сокращение. Сокращение осуществляется когда сигнал поступает из синоатриального узла с частотой, заставляющей сердце полностью сократиться, выбросив всю кровь и последующему наполнению новой порцией крови. Важно, что импульс посылается из синоатриального узла, так как направление импульса между нейронами заставляет мышцу сокращаться полностью. Если импульс будет поступать из синоатриального узла сердце будет сокращаться неуверенно и не будет выбрасывать всю кровь в систему.

Конвергенция и дивергенция

Синаптическая передача включает как конвергенцию так и дивергенцию информации. Сначала на один нейрон влияют многие другие, приводя к конвергенции информации на входе. Потом нейрон отвечает, сигнал посылается множеству других нейронов, приводя к дивергенции на выходе. Этот нейрон воздействует на многие другие нейроны. [1]

Синаптическая сопередача

Синаптическая сопередача — высвобождение нескольких медиаторов из одного нервного окончания. Синаптическая сопередача реализовывает более сложные эффекты на постсинаптических рецепторах, таким образом реализовывая более сложные взаимодействия между нейронами.

В современной нейробиологии нейроны обычно классифицирцются по их комедиатору, например, стриарные ГАМКергические нейроны используют опиоидные белки или субстанцию P в качестве комедиаторов.

Источник

Что такое синаптическая передача возбуждения

Электрические синапсы в нервной системе млекопитающих встречают редко. Они образованы щелевидными контактами (нексусами) между дендритами или сомами соприкасающихся нейронов, которые соединяются с помощью цитоплазматических каналов диаметром 1,5 нм. Процесс передачи сигнала происходит без участия медиаторов и без синаптической задержки.

В области щелевидных контактов плотно расположенные ионные каналы формируют «мостики», образованные, находящимися напротив друг друга, парами коннексонов, состоящих из трансмембранных гексагонально ориентированных вокруг ионного канала белков,— коннексинов. В состоянии покоя ограничивающие ионный канал клиновидные субъединицы коннексинов сомкнуты между собой.

При прохождении по клеточной мембране потенциала действия эти субъединицы вращаются, тем самым обеспечивая увеличение диаметра ионного канала, за счет чего становится возможной свободная диффузия ионов и небольших молекул по градиенту концентрации.

Задача щелевидных контактов — осуществление одновременного возбуждения нейронов, выполняющих одинаковую функцию. Примером служат нейроны дыхательного центра продолговатого мозга, которые во время вдоха синхронно генерируют импульсы. Другой пример — нейронные цепи, управляющие саккадами, при которых точка фиксации взора перемещается от одного объекта внимания к другому.

Строение электрических синапсов.
(А) Синаптический контакт между двумя дендритами. (Б) Увеличенный фрагмент изображения (А).
(В) Щелевидный межклеточный контакт образован мостиками плотно расположенных ионных каналов, соединяющими две клеточные мембраны.
(Г) Ионные каналы образованы расположенными напротив друг друга парами коннексонов.
(Д) Коннексоны состоят из шести одинаковых коннексинов, в состав которых входят субъединицы клиновидной формы, окружающие ионный канал.
(Е) За счет одновременного вращения этих субъединиц происходит открытие ионного канала.

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 11.11.2018

Источник

Что такое синаптическая передача возбуждения

Процесс слияния синаптических пузырьков с клеточной мембраной начинается с образования плотного комплекса между везикулярными белками SNARE (v-SNARE) и белками пресинаптической мембраны (t-SNARES). Метаболические компоненты, необходимые для осуществления слияния синаптических пузырьков с мембраной клетки, расположены в активной зоне. Наиболее важный крупный мультидоменный белок RIM соединяется с ГТФ-связывающим белком синаптических пузырьков Rab3. Остальные белки обеспечивают слияние синаптических пузырьков с мембраной клетки и высвобождение нейромедиаторов. К синаптическим компонентам относят синаптические везикулярные белки (синаптотагмин, синаптобревин, синаптофизин и синапсины), везикуло-ассоциированные белки (амфифизин, динамин и СаМ-киназы), синаптические белки плазматической мембраны (синтаксины, нейрексины и SNAP-25), а также цитозольные белки (комплексины, различные виды белков SNAP и NSF-белки).

Многие из перечисленных синаптических белков выполняют специфические функции по обеспечению единства процессов возбуждения клетки и высвобождения нейромедиаторов, а также механизмов восстановления синаптических пузырьков, что лежит в основе синаптической передачи сигнала. Молекулярные процессы, обеспечивающие взаимосвязь возбуждения клетки и высвобождения нейромедиаторов, представляют собой сложные модели, осуществляемые различными механизмами. Белки сразу же формируют ответную реакцию на поступление ионов Са 2+ в клетку, в связи с чем временной промежуток между входом ионов и высвобождением нейромедиаторов составляет менее 1 мс.

Для высвобождения некоторого количества нейромедиаторов из синаптических пузырьков небольшого размера [например, содержащих глутамат или у-аминомасляную кислоту (ГАМК)] достаточно единичных потенциалов действия. В это же время для запуска медленного (с задержкой 50 мс и выше) высвобождения медиаторов из гранулярных везикул большого размера, характерных для пептидергических нейронов, минимальная частота импульсов составляет 10 Гц. Таким образом, количество высвобождаемого медиатора не является постоянной величиной и может изменяться под влиянием внутренних и внешних факторов.

Последовательность процессов, происходящих в клетке после деполяризации пресинаптической мембраны.
(1) При открытии кальциевых каналов (Са 2+ ) (указано стрелкой) за счет актиновых филаментов синаптические пузырьки приближаются к пресинаптической мембране.
Парные макромолекулы белков слияния (FPM_S), расположенные на синаптическом пузырьке, совмещаются с соответствующими белками на пресинаптической мембране.
(2) Макромолекулы белков слияния разделяются (указано стрелками, направленными в разные стороны), тем самым обеспечивая выход молекул нейромедиатора в синаптическую щель.
(3) Мембрана синаптического пузырька встраивается в пресинаптическую мембрану, и нейромедиаторы активируют специфические рецепторы.
(4) Молекулы белка клатрина участвуют в перемещении мембраны синаптического пузырька внутрь клетки. Молекулы белка динамина (выделены зеленым цветом) участвуют в сближении пар макромолекул белков слияния (указано стрелками, направленными навстречу друг другу) и замыкают формирующийся синаптический пузырек.
(5) Синаптический пузырек не содержит медиатора и может быть использован повторно.

б) Связывание медиатора с рецептором клетки-мишени. Молекулы нейромедиатора связываются с молекулами белков-рецепторов на постсинаптической мембране. Выделяют ионотропные и метаботропные рецепторы. Каждая группа включает рецепторы, активация которых приводит к открытию ионных каналов, а также рецепторы, обеспечивающие закрытие этих каналов.

1. Ионотропные рецепторы. В каждой макромолекуле ионотропных рецепторов присутствует ионный канал. Медиатор связывается со специфическим рецептором в синаптической щели, вызывая ее конформационное преобразование, что приводит к открытию ионного канала. Считают, что ионотропные каналы являются медиаторозависимыми (или лиганд-зависимыми), что указывает на их способность связываться с молекулой медиатора или лекарственного вещества. После отсоединения молекулы нейромедиатора или его разрушения ионный канал, закрываясь, возвращается в исходное состояние.

Ионотропные рецепторы получили название «быстрых», поскольку они оказывают быстрое, но непродолжительное действие на ионные каналы.

2. Метаботропные рецепторы. Метаботропные рецепторы получили свое название благодаря способности оказывать в цитоплазме нейрона многочисленные метаболические действия. Макромолекула рецептора представляет собой трансмембранный белок, в котором отсутствует ионный канал. Рецептор активируется посредством присоединения медиатора к его активному центру, в результате чего происходит конформационная перестройка белка, что, в свою очередь, активирует одну из закрепленных субъединиц (α- или β-субъединицу). После активации субъединица открепляется и направляется вдоль внутренней поверхности клеточной мембраны. Субъединицы являются G-белками за счет преимущественного связывания с гуанинтрифосфатом (ГТФ) или гуаниндифосфатом (ГДФ).

В большинстве случаев эти белки оказывают непрямое действие через систему вторичных посредников. Однако некоторые G-белки активируют ионные каналы напрямую. G-белок, оказывающий возбуждающее действие, называют G_s-белком, а белок, оказывающий тормозное действие,— G_i-белком. За счет многостадийного функционирования метаботропные рецепторы, как правило, являются «медленными»; после единичного стимула влияние мембранного канала может продолжаться сотни миллисекунд. Кроме того, образование вторичных посредников может привести к снижению способности нейрона к возбуждению.

В настоящее время выделяют три системы вторичных посредников.

1. Система циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), осуществляющая фосфорилирование белков.

2. Инозитолфосфатная система, обеспечивающая высвобождение ионов Са₂₊ из эндоплазматических депо.

3. Система арахидоновой кислоты, за счет которой осуществляется образование метаболитов арахидоновой кислоты.

— Система цАМФ. Связывание нейромедиатора с рецептором приводит к отделению а-субъединицы от G_s-белка, за счет чего становится возможным присоединение ГТФ к освободившемуся белку, который, в свою очередь, способствует превращению аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ под действием аденилатциклазы (рис. 8.4). Синтезированный цАМФ, расщепляясь, выполняет в клетке функцию вторичного посредника. Под воздействием цАМФ протеинкиназа А переносит фосфат-ионы от молекулы АТФ в ионный канал, что приводит к его открытию и поступлению ионов Na + внутрь клетки, за счет чего происходит деполяризация нейрона-мишени. При инактивации G_s-белка под действием прикрепленного к мембране фермента протеинфосфатазы происходят выход фосфат-ионов из клетки и закрытие ионного канала.

Система арахидоновой кислоты. Описана далее (в связи с гистамином).

— Транскрипция генов. В настоящее время установлено, что рефлекторный ответ на повторяющиеся воздействия способен либо прогрессивно увеличиваться при формировании сенсибилизации, что в большинстве случае происходит под влиянием вредоносных стимулов, либо уменьшаться при формировании приспособления, что чаще встречается при воздействии безвредных стимулов. В ходе экспериментов на животных, изучались рефлекторные дуги, в которых были задействованы чувствительные, двигательные и ассоциативные нейроны, было показано, что для развития сенсибилизации характерно образование новых синаптических контактов между ассоциативными и двигательными нейронами; это сопровождается дополнительным синтезом и высвобождением медиаторов. Для развития приспособления, напротив, характерно снижение синтеза и высвобождение медиаторов. Данные процессы обусловлены изменением транскрипции генов.

Повторяющиеся вредоносные стимулы оказывают влияние на цАМФ, в результате чего происходит чрезмерная активация протеинкиназ, участвующих в фосфорилировании белков, регулирующих транскрипцию генов. При этом увеличивается синтез белков (в том числе и ферментов), необходимых для синтеза медиаторов и построения новых ионных каналов и цитоскелета синапса. Действие повторяющихся безвредных стимулов заключается только в снижении синтеза и высвобождения медиаторов.

Влияния транскрипции генов играют особенно значимую роль в процессе формирования долгосрочной памяти.

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 11.11.2018

Источник

Что такое синаптическая передача возбуждения

Синaпс – специализированный контакт между нервными клетками (или нервными и другими возбудимыми клетками), обеспечивающий передачу возбуждения с сохранением его информационной значимости. С помощью синапсов нервные клетки объединяются в нервные сети, которые осуществляют обработку информации. Взаимосвязь между нервной системой и периферическими органами и тканями также осуществляется при помощи синапсов.

Классификация синапсов

По морфологическому принципу синапсы подразделяют на:

• нейро-мышечные (аксон нейрона контактирует с мышечной клеткой);

• нейро-секреторные (аксон нейрона контактирует с секреторной клеткой);

• нейро-нейрональные (аксон нейрона контактирует с другим нейроном):

• аксо-соматические (с телом другого нейрона),
• аксо-аксональные (с аксоном другого нейрона),
• аксо-дендритические (с дендритом другого нейрон).

По способу передачи возбуждения синапсы подразделяют на:

• электрические (возбуждение передается при помощи электрического тока);

• химические (возбуждение передается при помощи химического вещества):

По физиологическому эффекту синапсы подразделяют на:

• возбуждающие (деполяризуют постсинаптическую мембрану и вызывают возбуждение постсинаптической клетки);

• тормозные (гиперполяризуют постсинаптическую мембрану и вызывают торможение постсинаптической клетки).

Ультраструктура синапсов

Все синапсы имеют общий план строения (рис. 1).

Конечная часть аксона (синаптическое окончание), подходя к иннервируемой клетке, теряет миелиновую оболочку и образует на конце небольшое утолщение (синаптическую бляшку). Ту часть мембраны аксона, которая контактирует с иннервируемой клеткой, называют пресинаптической мембраной. Синаптическая щель – узкое пространство между пресинаптической мембраной и мембраной иннервируемой клетки, которое является непосредственным продолжением межклеточного пространства. Постсинаптическая мембрана – участок мембраны иннервируемой клетки, контактирующий с пресинаптической мембраной через синаптическую щель.

Рис. 1. Ультраструктура химического и электрического синапса.

Особенности ультраструктуры электрического синапса (см. рис. 1):

• узкая (около 5 нм) синаптическая щель;
• наличие поперечных канальцев, соединяющих пресинаптическую и постсинаптическую мембрану.

Особенности ультраструктуры химического синапса (см. рис. 1):

Механизм передачи возбуждения в электрическом синапсе

Механизм проведения возбуждения аналогичен механизму проведения возбуждения в нервном волокне. Во время развития ПД происходит реверсия заряда пресинаптической мембраны. Электрический ток, возникающий между пресинаптической и постсинаптической мембраной, раздражает постсинаптическую мембрану и вызывает генерацию в ней ПД (рис. 2).

Рис. 2. Передача возбуждения в электрическом синапсе.

Этапы и механизмы передачи возбуждения
в возбуждающем химическом синапсе

Передача возбуждения в химическом синапсе – сложный физиологический процесс, протекающий в несколько этапов. На пресинаптической мембране осуществляется трансформация электрического сигнала в химический, который на постсинаптической мембране снова трансформируется в электрический сигнал.

Синтез медиатора

Медиатором (посредником) называют химическое вещество, которое обеспечивает одностороннюю передачу возбуждения в химическом синапсе. Некоторые медиаторы (например, ацетилхолин) синтезируются в цитоплазме синаптического окончания, и там же молекулы медиатора депонируются в синаптических пузырьках. Ферменты, необходимые для синтеза медиатора, образуются в теле нейрона и доставляются в синаптическое окончание путем медленного (1–3 мм/сут) аксонного транспорта. Другие медиаторы (пептиды и др.) синтезируются и упаковываются в везикулы в теле нейрона, готовые синаптические пузырьки доставляются в синаптичекую бляшку за счет быстрого (400 мм/сут) аксонного транспорта. Синтез медиатора и образование синаптических пузырьков осуществляется непрерывно.

Секреция медиатора

Содержимое синаптических пузырьков может выбрасываться в синаптическую щель путем экзоцитоза. При опорожнении одного синаптического пузырька в синаптичекую щель выбрасывается порция (квант) медиатора, которая включает около 10000 молекул.

1 – пресинаптическая мембрана, 2 – синаптическая щель, 3 – постсинаптическая мембрана

Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны

Инактивация медиатора

Генерация ПД

В нейро-мышечном синапсе амплитуда единичного ВПСП достаточно велика. Поэтому для генерации ПД в мышечной клетке достаточно прихода одного нервного импульса. Генерация ПД в мышечной клетке происходит в области, окружающей постсинаптическую мембрану.

Особенности работы тормозного химического синапса

Свойства синапсов

Сравнительная характеристика свойств электрических и химических синапсов приведена в табл. 1.

Одностороннее проведение возбуждения в химическом синапсе связано с его функциональной асимметрией: молекулы медиатора выделяются только на пресинаптической мембране, а рецепторы медиатора расположены только на постсинаптической мембране.

Высокая утомляемость химического синапса объясняется истощением запасов медиатора. Утомляемость электрического синапса соответствует утомляемости нервного волокна.

Низкая лабильность химического синапса определяется главным образом периодом рефрактерности хемочувствительных каналов на постсинаптической мембране.

Синаптическая задержка – время от момента возникновения возбуждения в пресинаптической мембране до момента возникновения возбуждения в постсинаптической мембране. Относительно длительное время синаптической задержки в химическом синапсе (0,2–0,7 мс) затрачивается на вход Са++ в синаптическое окончание, экзоцитоз, диффузию медиатора.

Чувствительность синапса к внешним воздействиям определяется характером процессов, протекающих в синапсе при передаче возбуждения. Химические синапсы чувствительны к действию химических веществ, влияющих на синтез и секрецию медиатора, взаимодействие медиатора с рецептором.

Таблица 1.Свойства электрических и химических синапсов

Источник

Синаптическая передача

Содержание

Синаптическая передача [ править | править код ]

Синапсы соединяют нервные клетки друг с другом (этот же принцип встречается в некоторых мышечных клетках), а также с чувствительными и эффекторными клетками (мышечными и секреторными).

В химических синапсах для передачи информации используются нейромедиаторы (нейротрансмиттеры). Они не только обеспечивают связь в нервной системе, но также служат переключательными элементами. Они могут ускорять или тормозить передачу информации нейроном или передавать ее вместе с другим входящим сигналом.

В химическом синапсе потенциал действия (A1,2) запускает высвобождение медиаторов из пресинаптических терминалей аксона. Затем медиатор диффундирует через узкую синаптическую щель (

30 нм), чтобы связаться с рецепторами на пресинаптической мембране нейрона, мышечной или секреторной клетки. В зависимости от типа рецептора и медиатора эффект на постсинаптическую мембрану может быть возбуждающим или тормозным, как описано ниже.

Единственный ВПСП обычно не может генерировать постсинаптический (аксонный) потенциал действия (ПДд), но вызывает множественные локальные деполяризации в дендритах. Волны деполяризации проходят через сому и суммируются на аксонном холмике (пространственная суммация; Б). Несмотря на то что индивидуальные стимулы возникают в разное время (с интервалом приблизительно в 50 мс), предыдущая деполяризация не успевает исчезнуть к моменту наступления следующей, а суммация облегчает достижение порогового уровня. Таким образом, временная суммация увеличивает возбудимость постсинаптического нейрона (В).

Окончание синаптической передачи (Д) может произойти вследствие инактивации катионных каналов из-за изменения конформации канала, как это происходит во время потенциала действия. Этот очень быстрый процесс называется десенсибилизацией и может также происходить в присутствии медиатора. Другие пути окончания синаптической передачи включают быстрое ферментивное расщепление медиатора (например, ацетилхолина) непосредственно в синаптической щели; повторное поглощение медиатора (например, норадреналина, или норэпинефрина) в пресинаптическом окончании; или его поглощение клетками (отличными от нейронов, например в глиальных клетках ЦНС); а также интернализацию медиатора рецептором и связывание его на пресинаптической мембране (ауторецептором). В последнем случае может произойти увеличение gK+ и уменьшение gCa+, что будет ингибировать высвобождение медиатора, например ГАМК посредством ГАМКв-рецепторов или норадреналина посредством а2-адренорецепторов (Е ).

СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА В ВЕГЕТАТИВНОЙ И СОМАТИЧЕСКОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ [ править | править код ]

Первые прямые экспериментальные доказательства теории химической передачи нервного импульса были получены около ста лет назад (von Euler, 1981); в последующие годы эта теория бурно развивалась, и в настоящее время считается общепризнанной. Передача возбуждения в большинстве синапсов осуществляется с помощью химических веществ — медиаторов (нейромедиаторов, нейротрансмиттеров). Действие многих лекарственных средств, влияющих на гладкие мышцы, сердце и железы, обусловлено именно тем, что они воспроизводят или изменяют эффекты медиаторов на уровне вегетативных ганглиев либо исполнительных органов.

Многие закономерности медиаторной передачи в вегетативной нервной системе справедливы также для нервно-мышечных и центральных синапсов. Более того, именно исследования в области физиологии вегетативной нервной системы в значительной степени помогли понять, как происходит межнейронная передача в ЦНС (гл. 12). Как в центральных, так и в периферических синапсах действуют механизмы синтеза, запасания, высвобождения, инактивации и распознавания медиатора. Основными медиаторами вегетативной нервной системы служат ацетилхолин и норадреналин. Вспомогательное действие оказывают другие медиаторы, в том числе пептиды, пурины и N0.

Для понимания эффектов препаратов, действующих на уровне вегетативной нервной системы, — вегетотропных средств — необходимо ясно представлять себе анатомию и физиологию этой системы. Влияние подобных препаратов на внутренние органы часто можно предсказать, если знать, как реагируют эти органы на раздражение вегетативных нервов. В настоящей главе мы рассмотрим анатомию, биохимию и физиологию вегетативной и соматической нервной системы.

Этапы синаптической передачи [ править | править код ]

Знание этапов синаптической передачи чрезвычайно важно, так как многие препараты действуют на те или иные из них. Синаптическая передача включает распространение нервного импульса на пресинаптическое окончание и собственно передачу сигнала через синаптическую щель. Что касается первого этапа — распространения нервного импульса, — то на него, за исключением местных анестетиков, лекарственные средства почти не действуют, и поэтому мы разберем его лишь вкратце.

Распространение нервного импульса [ править | править код ]

Наши знания о механизмах возникновения и распространения нервного импульса в значительной степени базируются на основополагающих работах Ходжкина и Хаксли (1952).

В покое нервные клетки заряжены изнутри отрицательно, а снаружи — положительно; трансмембранная разность потенциалов в типичном аксоне при этом составляет около 70 мВ. Этот так называемый потенциал покоя представляет собой диффузионный потенциал. Концентрация К+ в аксоплазме в 40 раз выше, чем во внеклеточной среде, а мембрана для этого иона в покое высоко проницаема. Напротив, концентрации Na+ и СГ во внеклеточной среде выше, чем в аксоплазме, но мембрана в покое их почти не пропускает, и поэтому их вклад в потенциал покоя невелик. Эти концентрационные градиенты поддерживаются за счет системы активного транспорта (насоса), представляющей собой АТФазу, активируемую повышением внеклеточной концентрации Na+ и внутриклеточной — К+ (Hille, 1992; Hille et al., 1999a).

Если какой-либо участок мембраны деполяризовать до критического уровня, то в этом участке возникает потенциал действия. Он состоит из двух фаз. Первая — фаза деполяризации — обусловлена быстрым повышением натриевой проницаемости. Это повышение, в свою очередь, обусловлено тем, что в ответ на деполяризацию открываются потенциалзависимые натриевые каналы. В результате Na+ входит в клетку и деполяризует ее; на пике потенциала действия мембранный потенциал становится положительным (реверсия, или овершут). Затем следует фаза реполяризации, обусловленная инактивацией натриевых каналов и задержанным открыванием потенциалзависимых калиевых каналов; калий выходит из клетки, возвращая мембранный потенциал к уровню покоя. Видимо, инактивация натриевых каналов обусловлена потенциалзависимым изменением конформации некоего гидрофобного белка, который при этом перекрывает вход в канал со стороны цитоплазмы. В некоторых клетках (например, в сердце) в генерации потенциала действия участвует Са +. Вход этого иона в клетку продлевает деполяризацию, и кроме того, повышение внутриклеточной концентрации Са + служит сигналом, запускающим многие внутриклеточные процессы (Hille, 1992; Catterall, 2000). В генерации и проведении нервного импульса в аксонах Са2+ роли не играет.

Синаптическая передача [ править | править код ]

Поступление потенциала действия в пресинаптическое окончание запускает последовательность событий, приводящих к передаче сигнала через синапс (рис. 6.2).

1. Хранение и высвобождение медиатора. Непептидные (низкомолекулярные) медиаторы синтезируются преимущественно в пресинаптическом окончании и здесь же хранятся в синаптических пузырьках. Пептидные медиаторы (или их предшественники) синтезируются в теле нейрона и затем в крупных электроноплотных пузырьках переносятся по аксону в окончания. В покое из пресинаптических окончаний постоянно выделяются отдельные кванты медиатора (соответствующие содержимому отдельных синаптических пузырьков). В постсинаптической мембране скелетной мышцы это вызывает возникновение так называемых миниатюрных потенциалов концевой пластинки. Полагают, что благодаря таким потенциалам поддерживается функциональная готовность эффекторных органов (Katz, 1969); это особенно важно для скелетных мышц, не обладающих спонтанным миоген-ным тонусом. В ответ на поступление потенциала действия из пресинаптического окончания выбрасывается несколько сотен квантов медиатора. Этот выброс запускается деполяризацией пресинаптического окончания; в большинстве окончаний (но не во всех) связующим звеном между деполяризацией и выходом медиатора служит поступление в аксоплазму Са2+, вызывающее слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной (Meiret al., 1999; Hille et al., 1999a). После слияния с мембраной пузырьки посредством экзоцитоза высвобождают свое содержимое (медиатор, ферменты, другие белки) в синаптическую щель. Возможно как полное слияние пузырьков с мембраной с последующим обратным процессом (эндоцитозом), так и образование временной поры, через которую выходит медиатор (Murthy and Stevens, 1998).

Пресинаптическое окончание можно рассматривать как самостоятельную структуру, содержащую все необходимое для образования пузырьков, их экзоцитоза и эндоцитоза, синтеза и обратного захвата медиатора (Femandez-Chacon and Sudhof, 1999; Lin and Scheller, 1997).

Синаптические пузырьки располагаются в особых участках у пресинаптической мембраны, называемых активными зонами. Эти участки часто бывают расположены напротив субсинаптических складок. В пузырьках обнаружено 20—40 различных белков, отвечающих за перенос веществ через мембрану пузырьков и за экзоцитоз последних. Транспорт медиаторов в пузырьки осуществляется за счет электрохимического градиента, создаваемого Н+-АТФазой (протонным насосом).

Роль белков, ответственных за экзоцитоз, менее изучена. Известно, что белок пузырьков синаптобревин (он же VAMP — vesicle-associated membrane protein, везикулярный мембранный белок) соединяется с белками пресинаптической мембраны SNAP-25 (synaptosomal-associated protein of 25 kDa — синаптосомный белок с молекулярной массой 25 ООО) и синтаксином-1, образуя комплекс, запускающий или направляющий процесс слияния пузырьков с мембраной. Синаптобревин, SNAP-25 и синтаксин-1 называют белками SNARE (SNAP receptor — рецепторы SNAP, или soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment protein receptor — растворимые, чувствительные к N-этилмалеимиду рецепторы стыковочных белков). Вызванный Са2+ экзоцитоз пузырьков, протекающий за доли миллисекунды, видимо, обеспечивается отдельным семейством белков — синаптотагминами.

ГТФ-связывающие белки подсемейства Rab-З регулируют слияние и повторное образование пузырьков. Функция этих белков связана с гидролизом ГТФ. Определенную роль в слиянии пузырьков с мембраной и экзоцитозе играют и другие, менее изученные регуляторные белки — синапсин, синаптофизин, синаптогирин и обнаруженные в активных зонах белки RIM (Rab3-interacting molecules — молекулы, реагирующие с Rab-З) и нейрексины. Многие из этих белков гомологичны тем, что отвечают за везикулярный транспорт в дрожжевых грибах.

За последние 30 лет было обнаружено множество пресинаптических рецепторов, от активации которых зависит выброс медиатора и, следовательно, синаптическая передача (Langer, 1997; MacDermott et al., 1999; von Kugelgen et al., 1999). Эти рецепторы оказались почти столь же многочисленными, как и постсинаптические рецепторы, и они также могут быть облегчающими или тормозными. Они могут активироваться как медиаторами других нейронов, так и медиатором того же самого нейрона после его выброса в синаптическую щель. В последнем случае они называются ауторецепторами. Так, норадреналин может взаимодействовать с пресинаптическими а2-адренорецепторами, подавляя тем самым собственное дальнейшее высвобождение. Активация таких же рецепторов приводит к снижению выброса ацетилхолина из холинергических окончаний. Активация пресинаптических М-холинорецепторов также угнетает высвобождение ацетилхолина (Wessler, 1992) и влияет на выброс норадреналина из симпатических окончаний в сердце и сосудах. Активация пресинаптических N-холинорецепторов усиливает выделение медиатора из окончаний мотонейронов (Bowman et al., 1990) и ряда других центральных и периферических нейронов (MacDermott et al., 1999).

На высвобождение медиатора в разных нейронах влияют также аденозин, дофамин, глутамат, ГАМК, простагландины и энкефалины. Этот модулирующий эффект частично обусловлен тем, что активация соответствующих рецепторов меняет проницаемость пресинаптических каналов (Tsien et al., 1988; Miller, 1998). Действительно, некоторые такие каналы непосредственно регулируют выброс медиатора из пресинаптических окончаний (Meir etal., 1999).

2. Соединение медиатора с рецептором и возникновение постсинаптического потенциала. После высвобождения в синаптическую щель медиатор диффундирует через нее и соединяется со специализированным рецептором на постсинаптической мембране. Это часто приводит к местному изменению ионных проницаемостей. За редкими исключениями (см. ниже), эти изменения бывают следующих трех типов: 1) повышение проницаемости для всех катионов (в основном для Na+, но также для Са2+). Это приводит 1 местной деполяризации, называемой ВПСП, 2) избирательное повышение проницаемости для анионов (обычно для СГ). В результате происходит стабилизация мембранного потенциала либо гиперполяризация — ТПСП, 3) повышение проницаемости для К+.

При этом также наблюдаются стабилизация мембранного потенциала и гиперполяризация (ТПСП).

Важно подчеркнуть, что постсинаптические потенциалы обусловлены пассивным током ионов в направлении их электрохимических градиентов. Эти токи возникают потому, что в результате соединения медиаторов с соответствующими рецепторами меняются проницаемости ионных каналов (см. ниже и гл. 12). Рецепторы могут либо располагаться в области специализированной постсинаптической мембраны (как, например, в нервно-мышечном и других четко оформленных синапсах), либо быть диффузно разбросанными по мембране (как в случае гладких мышц).

С помощью микроэлектродов, плотно присасывающихся к мембране, стало возможным регистрировать токи через одиночные каналы, в том числе связанные с рецепторами медиаторов (Hille, 1992). В присутствии медиатора канал периодически быстро открывается, остается в открытом состоянии примерно 1 мс и затем вновь закрывается. При этом регистрируется короткий П-образный импульс тока. В результате суммации этих токов одиночных каналов и возникает постсинаптический потенциал. Рост постсинаптического потенциала при повышении концентрации медиатора обычно обусловлен не большей степенью открывания канала и не большей длительностью его пребывания в открытом состоянии, а увеличением частоты актов открывания. Обычно такие каналы, непосредственно связанные с рецепторами (хемочувствительные каналы, рецепторы-каналы, ионотропные рецепторы), пропускают Na+ и СГ, реже — К+ и Са2+. Эти каналы принадлежат к обширному суперсемейству ионотропных рецепторных белков, включающему N-холинорецепторы, глутаматные рецепторы, некоторые 5-НТ3-ре-цепторы и пуриновые рецепторы (все они связаны с натриевыми каналами, и их активация приводит к деполяризации, то есть к ВПСП), а также рецепторы ГАМК и глициновые рецепторы (связаны с хлорными каналами; активация приводит к гиперполяризации, то есть к ТПСП). N-холинорецепторы, 5-НТ3-рецепторы, рецепторы ГАМК и глициновые рецепторы (но не глутаматные и пуриновые рецепторы) по своему строению во многом сходны (Karlin and Akabas, 1995). Некоторые рецепторы опосредованно связаны с калиевыми и кальциевыми каналами; в таких случаях рецептор и канал — это разные белки, а сигнал к каналу от рецептора передается через G-белок (гл. 2). Наконец, существуют рецепторы, связанные с внутриклеточными системами вторых посредников. Их активация может и не сопровождаться изменениями мембранного потенциала. Наиболее известные примеры — это рецепторы, активация которых приводит к усилению или подавлению активности аденилатциклазы либо к образованию ИФ3 и, как следствие, к повышению концентрации Са2+ в цитоплазме (гл. 2).

3. Дальнейшие постсинаптические процессы. Если ВПСП превышает критический уровень, то в ближайших к постсинаптической мембране участках возбудимой мембраны открываются потенциалзависимые каналы и возникает распространяющийся потенциал действия. Так происходит в посгсинаптических нейронах и скелетных мышцах. В некоторых гладких мышцах, где распространяются даже низкоамплитудные потенциалы, ВПСП может увеличивать частоту спонтанных потенциалов действия и тем самым повышать мышечный тонус. В железах ВПСП запускает секрецию за счет повышения концентрации Са2+ в цитоплазме. ТПСП, препятствующий эффектам ВПСП, возникает в нейронах и в гладких мышцах, но не в скелетных мышцах. Конечная реакция эффекторной клетки (например, возникновение потенциала действия) зависит от результатов суммации всех постсинаптических потенциалов.

4. Инактивация медиатора. Импульсы могут проводиться через синапсы с частотой до нескольких сотен в секунду. Отсюда ясно, что должны существовать механиамы быстрого удаления медиатора из синаптической щели. В холинергических синапсах, где передача происходит особенно быстро, это удаление обеспечивается присутствием в синаптической щели фермента АХЭ в высокой концентрации. Если активность АХЭ подавить ингибиторами, то инактивация ацетилхолина будет осуществляться только за счет его диффузии из синаптической щели и его действие будет более сильным и длительным.

Норадреналин инактивируется путем диффузии из синаптической щели и обратного захвата адренергическим окончанием (Iversen, 1975). Инактивация аминокислотных медиаторов обеспечивается их активным захватом нейронами и глией. Пептидные медиаторы гидролизуются пептидазами и диффундируют из синаптической щели; механизмов обратного захвата для этих медиаторов не обнаружено.

5. Трофическое действие медиаторов. Как уже говорилось, в синапсе происходит постоянное выделение квантов медиатора. Этого количества недостаточно для того, чтобы вызвать явный ответ постсинаптической клетки, но, видимо, оно играет важную роль в обеспечении готовности синапса к передаче сигнала. Возможно, это так называемое трофическое действие медиатора (или неких других трофических факторов, выделяемых нервными окончаниями) поддерживает активность и обновление ферментов синтеза медиатора, плотность пре- и постсинаптических рецепторов и другие важные для синаптической передачи процессы (Reichardt and Farinas, 1997; Sanes and Lichtman, 1999).

Источник