Физиология синапсов

Физиология синапсов.

  ПРОЛОГ:

  Наше  тело - один большой часовой механизм. Он состоит из огромнейшего количества мельчайших частиц, которые расположены  в строгом порядке и каждая из них выполняет определённые функции, и имеет свои неповторимые свойства. Этот механизм - тело, состоит из клеток, соединяющих их тканей и систем: все это в целом представляет собой единую цепочку, сверхсистему организма. Величайшее множество клеточных элементов не могли бы работать как единое целое, если бы в организме не существовал утонченный механизм регуляции. Особую роль в регуляции играет нервная система. Вся сложная работа нервной системы - регулирование работы внутренних органов, управление движениями, будь то простые и неосознаваемые движения (например, дыхание) или сложные, движения рук человека - все это, в сущности, основано на взаимодействии клеток между собой. Все это, в сущности, основано на передаче сигнала от одной клетке к другой. Причем, каждая клетка выполняет свою работу, а иногда имеет несколько функций. Разнообразие функций обеспечивается двумя факторами: тем, как клетки соединены между собой, и тем, как устроены эти соединения. 

Синапс - это специализированная структура, которая  обеспечивает передачу возбуждения с  одной возбудимой структуры на другую. Термин "синапс" введен Ч. Шеррингтоном и означает "сведение", "соединение", "застежка".

Классификация синапсов. 
 
Синапсы можно классифицировать по:

1) их местоположению и принадлежности  соответствующим структурам:

  периферические (нервно-мышечные, нейро-секреторные,  рецеп-торнонейрональные);

  центральные (аксо-соматические, аксо-дендритные, аксо-аксо-нальные, сомато-девдритные, сомато-соматические);

2) знаку их действия - возбуждающие  и тормозящие;

3) способу передачи сигналов - химические, электрические, смешанные.

4) медиатору, с помощью которого  осуществляется передача - холинергические,  адренергические, серотонинергические,  глицинергические и т. д.

Строение  синапса. Все синапсы имеют много  общего, поэтому строение синапса  и механизм передачи возбуждения  в нем можно рассмотреть на примере нервно-мышечного синапса

Синапс  состоит из трех основных элементов:

  пресинаптической мембраны (в нервно-мышечном  синапсе - это утолщенная концевая  пластинка);

  постсинаптической мембраны;

  синаптической щели.

Пресинаптическая  мембрана - это часть мембраны нервного окончания в области контакта его с мышечным волокном. Постсинаптическая  мембрана - часть мембраны мышечного  волокна. Часть постсинаптической  мембраны, которая расположена напротив пресинап-тической, называется субсинаптической мембраной. Особенностью субсинаптической мембраны является наличие в ней  специальных рецепторов, чувствительных к определенному медиатору, и  наличие хемозависимых каналов. В постсинаптической мембране, за пределами субсинаптической, имеются  потенциалозависимые каналы.

Механизм  передачи возбуждения в химических возбуждающих синапсах. В синапсах с химической передачей возбуждение  передатся с помощью медиаторов (посредников). Медиаторы - это химические вещества, которые обеспечивают передачу возбуждения в синапсах. Медиаторы  в зависимости от их природы делятся  на несколько групп:

  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.). Медиатор в молекулярном виде  находится в пузырьках пресинаптического  утолщения (синаптической бляшке), куда он поступает:

  из околоядерной области нейрона  с помощью быстрого аксо-нального  транспорта (аксотока);

  за счет синтеза медиатора,  протекающего в синаптических  терминалях из продуктов его  расщепления;

  за счет обратного захвата  медиатора из синаптической щели  в неизменном виде.

Когда по аксону к его терминалям приходит возбуждение, пресинаптическая мембрана деполяризуется, что сопровождается поступлением ионов кальция из внеклеточной жидкости внутрь нервного окончания. Поступившие  ионы кальция активируют перемещение  синаптических пузырьков к пресинаптической мембране, их соприкосновение и разрушение (лизис) их мембран с выходом медиатора  в синаптическую щель. В ней  медиатор диффундирует к суб-синаптической  мембране, на которой находятся его  рецепторы. Взаимодействие медиатора  с рецепторами приводит к открытию преимущественно каналов для  ионов натрия. Это приводит к деполяризации  субсинаптической мембраны и возникновению  так называемого возбуждающего  постсинаптического потенциала (ВПСП). В нервно-мышечном синапсе ВПСП называется потенциалом концевой пластинки (ПКП). Между деполяризованной субсинаптической мембраной и соседними с ней участками постсинаптической мембраны возникают местные токи, которые деполяризуют мембрану. Когда они деполяризуют мембрану до критического уровня, в постсинаптической мембране мышечного волокна возникает потенциал действия, который распространяется по мембранам мышечного волокна и вызывает его сокращение.

Химические  тормозные синапсы. Эти синапсы  по механизму передачи возбуждения  сходны с синапсами возбуждающего  действия. тормозных синапсах медиатор (например, глицин) взаимодействует  с рецепторами субсинаптической мембраны и открывает в ней  хлорные каналы, это приводит к  движению ионов хлора по концентрационному  градиенту внутрь клетки и развитию гиперполяризации на субсинаптической: мембране. Возникает так называемый тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

Ранее полагали, что каждому медиатору  соответствует специфическая реакция  постсинаптической клетки - возбуждение  или торможение в той или иной форме. В настоящее время установлено, что одному медиатору чаще всего  соответствует не один, а несколько  различных рецепторов. Например, ацетилхолин  в нервно-мышечных синапсах скелетных  мышц действует на Н-холинорецепторы (чувствительные к никотину), которые  открывают широкие каналы для натрия (и калия), что порождает ВПСП (ПКП) В ваго-сердечных синапсах тот же ацетилхолин действует на М-холинорецепторы (чувствительные к мускарину), открывающие селективные каналы для ионов калия, поэтому здесь генерируется тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Следовательно, возбуждающий или тормозной характер действия медиатора определяется свойствами субсинаптической мембраны (точнее, видом рецептора), а не самого медиатора.

Особенности проведения сигнала  через химический синапс

Особенности проведения сигнала через химический синапс определяются особенностями  его структуры.

• электрический сигнал от одной клетки передается к другой при помощи химического посредника - медиатора
• электрический сигнал передается только в одном направлении, что определяется особенностями строения синапса.
• существует небольшая задержка в проведении сигнала, время которой определяется временем диффузии медиатора по синаптической щели.
• проведение через химический синапс можно блокировать различными способами.
• синапсы обладают низкой лабильностью;
• синапсы обладают высокой утомляемостью;
• синапсы обладают высокой чувствительностью к химическим (в том числе и к фармакологическим) веществам.

Регуляция работы химического  синапса

Работа  химического синапса регулируется как на уровне пресинапса, так и  на уровне постсинапса. В стандартном  режиме работы из пресинапса после  поступления туда электрического сигнала  выбрасывается медиатор, который  связывается с рецептором постсинапса  и вызывает возникновение нового электрического сигнала. До поступления  в пресинапс нового сигнала количество медиатора успевает восстановиться. Однако, если сигналы от нервной  клетки идут слишком часто или  длительное время, количество медиатора  там истощается и синапс перестает  работать.

Ряд экспериментов показал, что симпатическое  постганглионарное волокно, участвующее  в ускорении ритма сердца, может  выделять симпатин - вещество, сходное  с адреналином, однако стимуляции следующего дендрита или мышцы не происходит. Оказалось, это связано с тем, что в области синапса высокая  концентрация фермента ацетилхолинас -теразы, который гидролизует ацетилхолин, т.е. инактивирует его. В области  синапса содержится также фермент, окисляющий симпатин. Было показано, что  двигательные нервы освобождают  ацетилхолин отдельными "порциями", содержащими большое число молекул. Для выделения ацетилхолина необходимы ионы кальция, а ионы магния тормозят его выделение. Вероятно, при каждом нервном импульсе содержимое одного из синаптических пузырьков освобождается  в синаптическое пространство, способствуя  передаче импульса.

Вместе  с тем синапс можно "приучить" к передаче очень частых сигналов в течение длительного времени. Этот механизм крайне важен для понимания  механизмов памяти. Показано, что в  везикулах, кроме вещества, играющего  роль медиатора, находятся и другие вещества белковой природы, а на мембране пресинапса и постсинапса находятся  специфические рецепторы, их узнающие. Эти рецепторы к пептидам принципиально  отличаются от рецепторов к медиаторам тем, что взаимодействие с ними не вызывает возникновения потенциалов, а запускает биохимические синтетические  реакции.

Таким образом, после прихода импульса в пресинапс вместе с медиаторами  выбрасываются и регуляторные пептиды. Часть из них взаимодействует  с пептидными рецепторами на пресинаптической мембране, и это взаимодействие включает механизм синтеза медиатора. Следовательно, чем чаще выбрасывается медиатор и регуляторные пептиды, тем интенсивнее  будет проходить синтез медиатора. Другая часть регуляторных пептидов вместе с медиатором достигает постсинапса. Медиатор связывается со своим рецептором, а регуляторные пептиды со своим, и это последнее взаимодействие запускает процессы синтеза рецепторных  молекул к медиатору. В результате подобного процесса рецепторное  поле, чувствительное к медиатору, увеличивается  для того, что бы все без остатка  молекулы медиатора связались со своими рецепторными молекулами. В  целом, этот процесс приводит к так  называемому облегчению проведения через химический синапс.

Электрические синапсы возбуждающего действия. Кроме синапсов с химической передачей  возбуждения преимущественно в  центральной нервной системе (ЦНС) встречаются синапсы с электрической  передачей. Возбуждающим электрическим  синапсам свойственны очень узкая  синаптическая щель и очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран, что обеспечивает эффективное прохождение  локальных электрических токов. Низкое сопротивление, как правило, связано с наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембраны, т. е. идущих из клетки в клетку (щелевой контакт). Каналы образуются белковыми молекулами (полумолекулами) каждой из контактирующих мембран, которые соединяются комплементарно. Эта структура легко проходима  для электрического тока.

Схема передачи возбуждения в электрическом  синапсе: ток, вызванный пресинаптическим потенциалом действия, раздражает постсинаптическую  мембрану, где возникает ВПСП и  потенциал действия.

Поперечные  каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, так как они  проходимы для многих низкомолекулярных  соединений. Поэтому возбуждающие электрические  синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между  клетками одного типа (например, между  клетками сердечной мышцы).

Общими  свойствами возбуждающих электрических  синапсов являются:

  быстродействие (значительно превосходит  таковое в химических синапсах);

  слабость следовых эффектов при  передаче возбуждения (в результате  этого в них практически невозможна  суммация последовательных сигналов);

  высокая надежность передачи  возбуждения.

Возбуждающие  электрические синапсы могут  возникать при благоприятных  условиях и исчезать при неблагоприятных. Например, при повреждении одной  из контактирующих клеток ее электрические  синапсы с другими клетками ликвидируются. Это свойство называется пластичностью.

Электрические синапсы могут быть с односторонней  и двусторонней передачей возбуждения.

Электрический тормозный синапс. Наряду с электрическими синапсами возбуждающего действия могут встречаться электрические  тормозные синапсы. Примером такого синапса может служить синапс, который образует нервное окончание  на выходном сегменте маутнеровского нейрона у рыб. Тормозящее влияние  возникает за счет действия тока, вызванного потенциалом действия пресинапти-ческой мембраны. Пресинаптический потенциал  вызывает значительную гиперполяризацию сегмента и гиперполяризующий ток  мгновенно тормозит генерацию потенциала действия в начальном сегменте аксона.