Ультраструктура химического синапса.

 

Основными и наиболее изученными синаптическими образованиями играющими роль в деятельности нервной системы являются химические синапсы (Рис. 5).

Их пресинаптическое окончание образует характерное утолщение, покрытое пресинаптической мембраной. Между нервным окончанием и эффекторной клеткой имеется пространство называемое синапти-ческой щелью, которая отделяет нервное окончание от мембраны эффекторной клетки. Часть мембраны эффекторной клетки лежащая за синаптической щелью называется постсинаптической мембраной. Эта мембрана имеет белковые хеморецепторы, которые связаны с хемо-управляемыми ионными каналами. Связывание рецепторов с биологи-чески активными веще-ствами (медиаторами, гормонами, лекарст-венными препаратами), приводит к открытию канала, движению ионов через него и изменению заряда мембраны.

Повышенная химическая чувствитель-ность постсинаптичес-кой мембраны является важным свойством си-напса, регулирующим его активность.

Рис. 5. Структура химического синапса.

 

Активность синапса заключается в синаптической передаче - распространении возбуждения через синапс. Этот процесс является достаточно сложным и протекает в несколько стадий.

1. Синтез медиатора.

Химические медиаторы, это вещества различной химической природы, среди которых различают 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.), поэтому их биосинтез разнообразен. Ацетилхолин, например, синтезируется из холина (продукт секретируемый печенью) и уксусной кислоты при участии ферментов нервной клетки; норадреналин синтезируется из аминокислот тирозина и фенилаланина.

Медиаторы непрерывно синтезируются в нервной клетке и депонируются (складируются) в синаптических пузырьках нервных окончаний куда они поступают: во-первых из околоядерной области тела нейрона с помощью быстрого аксонального транспорта, во-вторых за счет синтеза медиатора, протекающего в самих синаптических окончаниях из продуктов его расщепления. Кроме того, медиатор может поступать в синаптическое окончание за счет обратного захвата его из синаптической щели в неизменном виде.

Следует отметить, что скорость биосинтеза медиатора невелика, и при больших нагрузках на синапс, может значительно отставать от скорости его разрушения. Работоспособность синапса при этом снижается. Именно эта причина является основной, при развитии всех видов утомления и время требуемое на отдых, это время требуемое на восстановление количества медиатора необходимого для полноценной работы синапса.

2. Секреция медиаторов.

Высвобождение медиатора из синаптических пузырьков осуществляется дискретно, квантами (порциями). В состоянии покоя оно незначительно, и не вызывает никакого эффекта, но под влиянием нервного импульса, приходящего по аксону, резко усиливается. Возбуждение, деполяризует мембрану синаптического окончания, что приводит к активации имеющихся на ней Са²⁺-каналов и входу ионов кальция в синаптическое окончание. Пузырьки находящиеся у пресинаптической мембраны, под действием Са²⁺ разрушаются (по механизму экзоцитоза) и медиатор попадает в синаптическую щель. Медиатор выделившийся из синаптических пузырьков пресинаптического окончания диффундирует в синаптической щели и достигает постсинаптической мембраны.

Скорость экзоцитоза зависит от количества входящего кальция и активности метаболических процессов. Она увеличивается при введении лекарств содержащих кальций, АТФ, биогенных стимуляторов (алоэ, женьшень, боярышник), гормонов.

 

 

3. Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны.

Медиатор достигший постсинаптической мембраны действует на ее хеморецепторы, связанные с различными хемо-управляемыми ионными каналами, вследствие чего изменяется проницаемость постсинаптической мембраны для различных ионов (Na⁺, K⁺, Cl^-). В зависимости от иона и направления его движения постсинаптическая мембрана деполяризуется или гиперполяризуется и на ней возникает возбуждающий или тормозной потенциал.

Отметим, что электроуправляемых каналов на постсинаптической мембране нет, поэтому сама к генерации ПД она не способна.

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), возникающий в результате поступления в клетку ионов Na+, электротонически распространяется за пределы постсинаптической мембраны и если его величина достаточно велика, деполяризует уже плазматическую мембрану до критического уровня. В мышечных клетках плазматическая мембрана сразу за пределами синапса имеет потенциал-чувствительные каналы, на ней относительно легко возникает полноценный потенциал действия. В нервных клетках возникновение возбуждения возможно только в аксоном холмике, поэтому активности одного из синапсов, которые, как правило, расположены далеко от него недостаточно для возникновения ПД. Нервная клетка воспринимает (суммирует) несколько синаптических сигналов и генерирует потенциал действия избирательно. В этом заключается интегративная функция нейрона.

Тормозной постсинаптический (ТПСП) потенциал возникает при усилении проницаемости для калия и хлора, он гиперполяризует постсинаптическую мембрану, препятствуя электротоническому распространению возбуждения по мембране нервной клетки. Процесс торможения имеет место только на межнейронных синапсах.

Принципы работы возбуждающего и тормозного синапсов сходны. Разница заключается в том с какими специфическими каналами связаны рецепторы расположенные на постсинаптической мембране, от чего и зависит физиологическая реакция.

 

4. Инактивация медиатора

Инактивация медиатора - последняя стадия синаптической передачи, обеспечивающая ее прекращение. Она необходима для реполяризации постсинаптической мембраны и восстановления исходного уровня ее мембранного потенциала, что обеспечивает возможность восприятия следующего сигнала. Наиболее распространенным является гидролитическое расщепление медиатора с помощью соответствующих ферментов, постоянно находящихся в синаптической щели. Для ацетилхолина, например, таким ферментом является холинэстераза, для норадреналина - моноаминооксидаза. Эти ферменты начинают разрушать медиатор на исходные компоненты, сразу, как только он попадает в синаптическую щель, и скорость разрушения настолько велика, что при небольших количествах медиатора, он разрушается еще до того, как достигает постсинаптической мембраны.

Продукты расщепления либо поступают в кровь и циркулируют как его предшественники, либо за счет пиноцитоза осуществляется их «обратное всасывание» в синаптическое окончание, где происходит их восстановление и упаковка в синаптические пузырьки и медиатор может использоваться повторно.

 

Свойства синапсов:

· односторонность проведения возбуждения через синапс (всегда от пре- к постсинаптической мембране обусловлена наличием рецепторов чувствительных к медиатору только на постсинаптической мембране;

· синаптическая задержка - замедление скорости распространения возбуждения в синапсе в связи с длительностью процессов выделения медиатора из пресинаптического окончания, диффузии его по синаптической щели и процесса взаимодействия его с постсинаптической мембраной. Синаптическая задержка в химических синапсах обычно равна 0,2 - 0,5 мс.

· низкая лабильность - обусловлена временем распространения предыдущего импульса и наличием у него периода абсолютной рефрактерности;

· повышенная утомляемость - обусловлена отставанием скорости синтеза медиатора от скорости его распада при возбуждении;

· трансформация ритма возбуждения, обусловлена тем, что не все приходящие к синаптическому окончанию аксона потенциалы действия способны вызвать критическую деполяризацию постсинаптической мембраны;

· высокая чувствительность к лекарствам и ядам обусловлена высокой специфичностью хеморецепторов постсинаптической мембраны;

· низкий фактор безопасности (надежности), обусловлен тем, что хеморецепторы чувствительны к большому количеству веществ, способных инициировать или изменять активность синапса.

 

 

АДРЕНЕРГИЧЕCКИЕ СИНАПСЫ

Адренергические нейроны расположены в ЦНС (голубое пятно сред­него мозга, мост, продолговатый мозг) и в симпатических ганглиях.

Периферические адренергические синапсы образованы варикоз­ными утолщениями разветвлений постганглионарных симпатических волокон.

Медиатор адренергических синапсов - норадреналин. Его пред­шественник в биосинтезе дофамин выполняет медиаторную функцию в дофаминергических синапсах. Адреналин представляет собой гор­мон мозгового слоя надпочечников. Все три вещества относятся к груп­пе катехоламинов, так как содержат гидроксилы в 3-м и 4-м положе­ниях ароматического кольца.

Синаптические пузырьки в адренергических синапсах имеют под электронным микроскопом гранулярное строение и поэтому получили название гранулы.

В гранулах норадреналин депонирован в связи с АТФ и белком хромогранином. В составе гранул обнаружены также ферменты и моду­лирующие нейропептиды (энкефапины, нейропептид Y).

Норадреналин синтезируется из аминокислоты тирозина. Превра­щение фенилаланина в тирозин является неспецифическим процес­сом и происходит в печени. Обе аминокислоты в большом количестве содержатся в твороге, сыре, шоколаде, бобовых.

ТИРОЗИН

Тирозингидроксилаза

(тирозин-3-монооксигеназа)

Кофактор - тетрагидроптерин

ДОФА

Декарбоксилаза ароматических

L- аминокиспот

Кофактор - пиридоксальфосфат

ДОФАМИН

Дофамин-β-гидроксилаза

Кофактор – аскорбат

НОРАДРЕНАЛИН

Фенилэтаноламин-N-метилтрансфераза
Кофактор – S – аденозилметионин

АДРЕНАЛИН

 

После диссоциации комплексов норадреналин - адренорецептор ме­диатор инактивируется при участии ряда механизмов:

• Нейрональный захват (захват-1) - активный транспорт вначале через пресинаптическую мембрану (сопряжен с выходом ионов на­трия), а затем через мембрану гранул под влиянием АТФ-зависимой протонной транслоказы (при входе в гранулы одной молекулы норадреналина в цитоплазму выходят 2 протона);

• Экстранейрональный захват (захват-2) нейроглией, фибробластами, миокардом, эндотелием и гладкими мышцами сосудов;

• Инактивация ферментами.

70-80% норадреналина участвует в нейрональном захвате, по 10% подвергается экстранейрональному захвату и ферментативному рас­щеплению. Необходимость нейронального захвата диктуется дефици­том субстратов и большой потребностью в энергии для синтеза но­радреналина из тирозина. Для сохранения адреналина основное зна­чение имеет экстранейрональный захват.

Ферменты инактивации катехоламинов - моноаминоксидаза (МАО) и катехол – О -метилтрансфераза (КОМТ). МАО, локализованная на внеш­ней мембране митохондрий и в гранулах, осуществляет окислитель­ное дезаминирование катехоламинов с образованием биогенных аль­дегидов. Затем альдегиды окисляются НАД-зависимой альдегиддегид-рогеназой в кислоты или восстанавливаются альдегидредуктазой в гликоли.

Цитоплазматический фермент КОМТ катализирует присоединение метильной группы к гидроксилу в 3-м положении ароматического кольца (только при наличии гидроксила в 4-м положении). Донатором метиль­ных групп служит S-аденозилметионин. Метилированные продукты в 200-2000 раз (по разным тестам) менее активны, чем норадреналин и адреналин.

Адренорецепторы

Адренорецепторы локализованы на постсинаптической, пресинаптической мембранах и в органах, не получающих адренергическую ин­нервацию. Постсинаптические адренорецепторы имеют индексы 1 или 2, пресинаптические и внесинаптические адренорецепторы обозна­чаются индексом 2. Внесинаптические адренорецепторы возбуждаются циркулирующимив крови норадреналином и адреналином.

Постсинаптические α₁,-адренорецепторы (А, В, О) регулируют функ­цию мембранных фосфолипаз и проницаемость кальциевых каналов L -типа. В гладких мышцах ионы кальция активируют кальмодулин - зависимую киназу легких цепей миозина, что необходимо для образования актомиозина и сокращения. Только в желудке и кишечнике α₁-адрено­рецепторы, открывая кальцийзависимые калиевые каналы, вызывают гиперполяризацию сарколеммы и расслабление гладких мышц.

Эффекты возбуждения α_1-адренорецепторов:

· Сокращение радиальной мышцы радужки с расширением зрачков

(мидриаз; греч. amydros - темный, неясный);

· Сужение сосудов кожи, слизистых оболочек, органов пищеварения,

почек и головного мозга;

· Повышение АД;

· Сокращение капсулы селезенки с выбросом депонированной крови;

· Сокращение сфинктеров пищеварительного тракта и мочевого пузыря;

· Уменьшение моторики и тонуса желудка и кишечника.

α ₂ - Адренорецепторы (А, В, С) снижают активность аденилатциклазы.

Постсинаптические α₂ - адренорецепторы суживают сосуды кожи и слизистых оболочек, тормозят моторику желудка и кишечника, умень­шают секрецию кишечного сока.

Пресинаптичесие α₂ - адренорецепторы по принципу отрицатель­ной обратной связи снижают выделение норадреналина из адренергических окончаний при избытке медиатора в синаптической щели (уве­личивают калиевую проводимость мембран, блокируют кальциевые каналы L - и N -типов).

 

Внесинаптические α₂-адренорецепторы вызывают спазм сосудов, подавляют секрецию инсулина и повышают агрегацию тромбоцитов.

β-Адренорецепторы, активируя аденилатциклазу, повышают син­тез цАМФ (β₁,-адренорецепторы также открывают кальциевые каналы в миокарде).

Для постсинаптических β₁-адренорецепторов характерны следу­ющие эффекты:

· Возбуждение сердца - тахикардия, ускорение проведения импульсов по проводящей системе, усиление сокращений миокарда, рост потребности в кислороде, неадекватный выполняемой работе;

· Ослабление моторики кишечника;

· Секреция ренина;

· цАМФ-зависимый липолиз в жировых депо.

Постсинаптические и внесинаптические β₂-адренорецепторы расслабляют гладкие мышцы и вызывают гипергликемию:

• Расширяют сосуды сердца, легких и скелетных мышц;

• Снижают АД;

• Расширяют бронхи и уменьшают секреторную функцию бронхиальных желез;

•Тормозят моторику желудка и кишечника;

• Расслабляют желчный пузырь, мочевой пузырь, беременную и небе­ременную матку;

• Усиливают цАМФ-зависимые гликогенолиз и гликонеогенез в пече­ни, гликогенолиз в скелетных мышцах;

• Повышают секрецию инсулина.

Пресинаптические β₂-адренорецепторы осуществляют положительную обратную связь, стимулируя выделение норадреналина при его дефиците в синаптической щели.

В сосудах и внутренних органах расположены α- и β-адренорецепторы различных типов, например, в сосудах легких обнаружено 30% β₁-адренорецепторов и 70% β₂-адренорецепторов.