Механизм проведения возбуждения через нервно-мышечный синапс. Возможности блокады проведения возбуждения .

Волокна скелетных мышц иннервируются аксонами нервных клеток – мотонейронами. Тела этих клеток расположены в стволе мозга или в спинном мозге. Аксоны мотонейронов покрыты миелиновой оболочкой, при этом их диаметр больше, чем у других аксонов, поэтому они проводят потенциалы действия с высокой скоростью, обеспечивая поступление сигналов из ЦНС к волокнам скелетных мышц с минимальной задержкой.

Войдя в мышцу, аксон мотонейрона разделяется на множество ветвей, каждая из которых образует одно соединение с мышечным волокном. Один мотонейрон иннервирует много мышечных волокон, но каждым мышечным волокном управляет ветвь только от одного мотонейрона.

При подходе аксона к поверхности мышечного волокна миелиновая оболочка заканчивается, и он образует терминальную часть (нервное окончание) в виде нескольких коротких отростков, располагающихся в желобках на поверхности мышечного волокна. Область плазматической мембраны мышечного волокна, лежащая непосредственно под нервным окончанием, обладает особыми свойствами и называется концевой двигательной пластинкой.

Терминали аксонов мотонейрона содержат пузырьки (везикулы), заполненные медиатором ацетилхолином (АЦХ). Поступающий от мотонейрона потенциал действия деполяризует плазматическую мембрану нервного окончания, вследствие чего открываются потенциалзависимые кальциевые каналы и в нервные окончание входит кальций из внеклеточной среды. Ионы кальция связываются с белками, которые обеспечивают слияние мембраны везикул с АЦХ с плазматической мембраной нервного окончания и высвобождение АЦХ в синаптическую щель, разделяющую нервное окончание и двигательную концевую пластинку.

Молекулы АЦХ диффундируют от нервного окончания к двигательной концевой пластинке, где связываются с АЦХ-рецепторами никотинового типа. При связывании с АЦХ открывается ионный канал каждого рецепторного белка, проницаемого как для калия, так и для натрия. Из-за разницы трансмембранных электрохимических градиентов этих ионов входящий в мышечное волокно поток натрия больше, чем выходящий поток калия, благодаря чему возникает местная деполяризация двигательной концевой пластинки – потенциал концевой пластинки (ПКП). ПКП аналогичен ВПСП в межнейронных синапсах.

Амплитуда одиночного ПКП существенно выше, чем ВПСП, потому что в нервно-мышечном соединении высвобождаемый нейромедиатор попадает на более обширную поверхность, где связывается с гораздо большим количеством рецепторов, следовательно, на ней открывается больше ионных каналов. Поэтому амплитуды ПКП достаточно для того, чтобы в смежной с концевой пластинкой области плазматической мышечной мембраны возник местный электрический ток, инициирующий потенциал действия. Затем потенциал действия распространяется по поверхности мышечного волокна посредством такого же механизма, что и в мембране аксона.

Наряду с АЦХ-рецепторами, на двигательной концевой пластинке присутствует фермент ацетилхолинэстераза, которая расщепляет АЦХ. По мере того, как концентрация свободного АЦХ снижается вследствие его расщепления ацетилхолинэстеразой, уменьшается количество АЦХ,

способного связываться с рецепторами. Когда не останется рецепторов, связанных с ним, ионные каналы концевой пластинки окажутся закрытыми. Деполяризация концевой пластинки завершается, мембранный потенциал возвращается к уровню покоя и концевая пластинка вновь способна отвечать на АЦХ, высвобождаемый при поступлении к нервному окончанию следующего потенциала действия.

Возможные способы блокады проведения возбуждения.

Деятельность нервно-мышечного соединения может нарушаться при заболевании и химических воздействиях.

Например, кураре (смертельный яд, которым индейцы Южной Америки обрабатывали свои стрелы) прочно связывается с АЦХ-рецепторами, но не открывает ионные каналы, связанные с рецепторами, и не уничтожается ацетилхолинэстеразой. АЦХ не может связаться с рецептором, занятым кураре, поэтому, несмотря на нормальное проведение потенциалов действия по мотонейронам и выход АЦХ из нервных окончаний, в двигательных концевых пластинках не возникает ПКП и мышечные волокна не сокращаются.

Нервно-мышечную передачу также можно блокировать путем ингибирования фермента ацетилхолинэстеразой. Таким действием обладают некоторые органические фосфаты, главные ингредиенты ряда пестицидов и нервнопаралитические газы, разработанные в качестве биологического оружия. В присутствии этих веществ АЦХ нормальным образом высвобождается из нервных окончаний в ответ на потенциал действия мотонейрона и связываются с рецепторами концевой пластинки. Но из-за угнетения ацетилхолинэстеразы АЦХ не разрушается и ионные каналы концевой пластинки остаются открытыми, что приводит к стойкой деполяризации концевой пластинки и смежной области мышечной мембраны. Деполяризованная мышечная мембрана не способна генерировать потенциал действия, так как потенциал зависимые натриевые канала находятся в инактивированном состоянии, для прекращения которого требуется реполяризация мембраны. В результате последующие нервные импульсы уже не могут вызвать сокращения мышцы.

Еще одна группа веществ, способная блокировать проведение возбуждения в нервно-мышечном синапсе – токсин бактерии Clostridium botulinum, который блокирует высвобождение АЦХ из двигательных нервных окончаний. Ботулинический токсин обладает свойствами фермента, расщепляющего белок, обеспечивающий связывание и слияние АЦХ-везикул с плазматической мембраной нервного окончания.

· 6. Различие передачи нервного импульса в синапсе по сравнению с его проведением в нервном волокне.
В синапсе:
Потенциал действия по аксону доходит до бляшки и вызывает изменение проницаемости пресинаптической мембраны для ионов кальция, которые из синаптической щели входят внутрь бляшки, что приводит к разрыву пузырьков и выходу из них ацетилхолина в синаптическую щель. Он диффундирует к постсинаптической мембране, взаимодействует с рецепторами мембраны, что повышает ее возбудимость, изменяет проницаемость для ионов натрия, в результате на мембране возникает возбуждение, которое распространяется на другой нейрон или клетки рабочего органа. Медиатор выделяется в синаптическую щель в большем количестве, чем это необходимо для проведения нервных импульсов (проявление принципа биологической надежности). Избыток медиаторов гидролизуется ферментами, находящимися во внеклеточной жидкости синаптической щели.
Тормозные синапсы по строению и проведению возбуждения
не отличаются от возбуждающих синапсов, отличие состоит лишь в природе медиаторов и рецепторов постсинаптической мембраны. Медиаторами тормозных синапсов спинного мозга является глицин, головного мозга – гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Тормозной медиатор, взаимодействуя с рецепторами постсинаптической мембраны, вызывает снижение ее возбудимости, что приводит к блокированию нервных импульсов на постсинаптической мембране, и возбуждение на другие нейроны не распространяется.
Электрические синапсы обнаружены в незначительных количествах в ЦНС и гладких мышцах. В этих синапсах пресинаптическая и постсинаптическая мембраны близко прилегают друг к другу, синаптическая щель очень узкая (5 нанометров), через нее проходят поперечные (из клетки в клетку) каналы, образованные белковыми молекулами. Через этот щелевой контакт потенциал действия легко переходит с пресинаптического окончания на постсинаптическую мембрану.
Иногда встречаются смешанные синапсы: в одной части – химический, в другой – электрический механизмы передачи нервных импульсов

По нервному волокну:
Потенциал действия — нервный импульс — распространяется вдоль нервного волокна с некоторой скоростью без изменения амплитуды. Перемещение нервного импульса связано с перемещением вдоль волокна локальной деполяризации с положительным знаком заряда внутри мембраны. По мере продвижения волны деполяризации происходит реполяризация, так что в каждый данный момент небольшой участок нервного волокна оказывается деполяризованным. После прохождения нервного импульса через некоторую область волокна наступает рефрактерный период, длящийся от 0,4 до 2 мс в зависимости от диаметра волокна. В течение этого времени волокно не реагирует на другие раздражения.

В гладких немиелинизированных нервных волокнах скорость проведения потенциала действия примерно пропорциональна квадратному корню из их диаметра. Относительно высокие скорости проведения нервных импульсов (20-30 м/с) обеспечиваются в таких волокнах за счет увеличения их диаметра. Гигантские аксоны некоторых беспозвоночных животных имеют диаметр 100—1000 мкм.
У позвоночных животных повышение скорости передачи импульса достигается путем миелинизации волокон.
В миелинизированных нервных волокнах ионы натрия входят внутрь волокна только в перехватах Ранвье. Передача импульса по волокну происходит дискретно-сальтаторно, путем перескока от одного перехвата Ранвье к другому. В этом случае импульс передается быстрее и с меньшей затратой энергии, чем в немиелинизированном волокне сравнимого диаметра.
Скорость распространения импульса зависит от расстояний между перехватами, которые в свою очередь определяются диаметром волокна. Эта связь такова, что скорость распространения импульса оказывается пропорциональной диаметру волокна, а не квадратному корню из диаметра, как в случае немиелинизированных волокон.
Если в немиелинизированных волокнах амплитуда потенциала с повышением температуры уменьшается, то в миелинизированных волокнах эта зависимость выражена слабо, что обусловлено высокой плотностью натриевого тока в перехватах Ранвье. Она почти на порядок выше, чем в гигантском аксоне кальмара. Слабая зависимость амплитуды потенциала действия в перехватах Ранвье от температуры обеспечила работу нервных волокон в органах теплокровных животных.