Передача нервного возбуждения между клетками. Представление О синапсах

Мы рассмотрели механизмы передачи возбуждения в пре­делах одной клетки. Что же происходит, когда сигнал доходит до места контакта клетки с другой — нервной, мышечной или иной клеткой организма? Здесь целесообразно сделать неболь­шое историческое отступление. В начале XX в. крупнейший гис­толог С. Рамон-и-Кахаль с помощью светового микроскопа вы­яснил, что нейроны в нервной ткани окрашиваются как отдель­ные клетки. Однако многие анатомы продолжали считать, что нервная система представляет собой сеть, в которой цитоплазма-тическое пространство отростков одной клетки напрямую сооб­щается с внутриклеточным объемом других клеток. Окончательно этот вопрос был разрешен в 40-х годах с появлением электронного микроскопа, когда были получены четкие данные о наличии мем­браны вокруг нервных клеток и их окончаний, а также о сущест­вовании особых участков межней­ронного взаимодействия, получив­ших название синапсов.

Токи, текущие через щелевые контакты из одной метки в другую

Прежде чем перейти к описа­нию структуры и функции синап­сов, рассмотрим ситуацию, когда замкнутая клеточная мембрана нерв­ного отростка примыкает к мембра­не сомы другой нервной клетки или к мембране мышечного волокна. До­пустим, в мембране конца нервного отростка (аксона) в результате рас­пространения возбуждения возник потенциал действия. Тогда согласно вышеописанной схеме (см. рис. 2.17) от этого участка через его мембрану и мембрану сомы другой клетки бу­дут пассивно распространяться пет­ли тока (рис. 2.19), деполяризуя мем­брану сомы соседней клетки. При

Рис. 2.19. Схема электрического синапса:

стрелкой показано направление распространения

потенциала действия в пресинаптическом нервном

волокне

 

достижении порогового значения в ней начнется регенератив­ный процесс повышения проводимости к ионам натрия и воз­никнет потенциал действия, который может проследовать даль­ше по отросткам клетки. Такое соединение называется электри­ческий синапс.

Передача через электрический синапс электрического сигнала затруднена несовершенством кабельных свойств клеток. В частно­сти, в том случае, если площадь контакта мембраны нервного во­локна и сомы клетки сравнительно небольшая, например контак­тирует нервный отросток диаметром 5 мкм, общее электрическое сопротивление мембраны этого отростка и участка сомы клетки, к которому он примыкает, составляет миллиарды ом. В то же время сопротивление клеточной мембраны всей сомы клетки будет в не­сколько десятков раз меньше и сыграет роль короткого замыкания для тока, выходящего из концевой мембраны отростка.

Кроме того, ионный ток будет утекать через пространство меж­ду мембранами. Все это, несмотря на высокий фактор надежнос­ти — 5... 6 (отношение амплитуды потенциала действия к величине пороговой деполяризации), для потенциала действия чрезвычайно сильно ослабит выходящий из отростка ионный ток и передача возбуждения в этом участке не будет происходить. Для того чтобы передача функционировала более эффективно, необходимо увели­чить площадь соприкосновения двух мембран, а также плотнее приблизить сами мембраны. Непосредственная электрическая пе­редача была экспериментально обнаружена сначала на толстых (гигантских) волокнах ракообразных, а затем такие соединения были найдены и у позвоночных животных между нервными клет­ками в ЦНС, в гладких и сердечных мышцах. Отметим, что элект­рическая передача возбуждения имеет определенные преимуще­ства. Поскольку ионный ток при такой передаче непосредственно течет из передающей (пресинаптической) клетки в воспринимаю­щую (постсинаптическую) клетку без каких-либо промежуточных этапов, задержка при проведении возбуждения будет минималь­ная. Таким образом, электрическое проведение более удобно в тех случаях, когда необходимо быстро охватить возбуждением несколько нервных клеток. Вместе с тем в большинстве синапсов нервной и нервно-мышечной систем для передачи сигналов ис­пользуются специальные химические вещества-посредники — медиаторы. Поскольку следующая часть данной главы посвящена изложению механизмов возбуждения в мышцах, здесь мы остано­вимся на синаптическом проведении через нервно-мышечный си­напс или, как часто называют, через концевую пластинку скелет­ных мышц позвоночных. О строении и функции синапсов в ЦНС будет подробнее изложено в гл. 12.

Схематически последовательность событий, происходящих при передаче электрического сигнала через химический синапс, мож­но представить следующим образом (рис. 2.20). После возникно-

Х^\ ПД в пресинаптическом ^----- _s Связывание медиатора с

\fj,tj волокне \) постсинаптическими рецепто-
— —ч^~*У W»'_______ Р^ами

Активация синаптических каналов;
С_а2+ возникновение синаптического тока,

V-/, Увеличение проницаемости Созывающего лостсиналтический
Л^) для Са^, вход Са^ ^ ^ потенциал

\\_^^ Высвобождение медиатора ч>\^ ПД в постсинаптической
>Г \ путем экзоцитоза. ^^ N. клетке

Рис. 2.20. Механизм передачи электрического сигнала через химический синапс

вения потенциала действия в пресинаптическом окончании мембрана его деполяризована. При этом помимо натриевых и ка­лиевых каналов активируются (открываются) кальциевые каналы и в окончание из внешней среды входят ионы кальция. Повыше­ние внутриклеточной концентрации кальция вызывает экзоцитоз везикул, наполненных медиатором (выброс из них медиатора). Содержимое везикул поступает во внеклеточное пространство, и часть молекул медиатора, диффундируя к постсинаптической мембране (мембрана мышечной клетки), связывается со специ­альными (рецепторными) участками этой мембраны. В результате происходит активация ее ионных каналов, связанных с этими молекулами. Движение по каналам соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам порождает постсинаптичес-кий ток, под действием которого возникает деполяризующий постсинаптический потенциал мышечного волокна. Если этот потенциал превышает пороговый уровень, возникает потенциал действия. Из-за наличия химического звена проведение в хими­ческом синапсе происходит медленнее, чем в электрическом. Однако химическая передача гибче электрической, поскольку с ее помощью легко может осуществляться как возбуждающее, так и тормозное действие. Кроме того, при активации постсинаптичес-ких каналов химическими агентами может возникать достаточно сильный ток, способный деполяризовать до порогового уровня крупные клетки. В связи с этим при химической передаче тонкие пресинаптические волокна могут возбуждать большие постсинап-тические клетки.

Необходимо отметить, что принятию представленной схемы химической передачи предшествовали в течение шести десятиле-

 

тий XX в. споры среди ученых о наличии химической передачи и медиаторов в нервно-мышечной системе организма. Первые пря­мые данные в пользу существования химического медиатора были получены в 20-е годы XX в. О. Леви. Он обнаружил, что при тор­можении работы сердца лягушки путем раздражения блуждающе­го нерва из сердца в кровь выделяется вещество, под действием которого частота сокращений сердца другой лягушки также умень­шается. В последующих работах было установлено, что этим веще­ством — медиатором является ацетилхолин (АцХ). В дальнейшем был обнаружен ряд других медиаторов, накоплено множество дан­ных об их действии и химической природе.

Вернемся вновь к нервно-мышечному синапсу — концевой пластинке. На рисунке 2.21, А представлено трехмерное изобра­жение концевой пластинки. Она состоит из специализирован­ных участков постсинаптической мембраны, являющейся час­тью мембраны мышечного волокна, окончания нервного волокна (окончания двигательного нерва — пресинаптической мембраны) и шванновских клеток. От окончания нерва отходят веточки тол­щиной около 2 мкм, каждая из которых лежит в продольном уг­лублении мембраны мышечного волокна. Мембрана, выстилаю­щая это углубление, с периодичностью 1...2 мкм образует попе­речные субнейрональные складки. В участках нервного оконча­ния, расположенного непосредственно над этими складками, име­ются так называемые активные зоны — поперечные участки с не­сколько утолщенной пресинаптической мембраной, над которы­ми скапливаются синаптические пузырьки. Пузырьки выделяются из активных зон путем экзоцитоза.

Выделение медиатора из пресинаптического окончания на­чинается под действием деполяризации этого окончания, вызван­ной потенциалом действия. Высвободившийся медиатор, в дан­ном случае это АцХ, связывается с рецептором, т. е. со специаль­ной белковой молекулой в постсинаптической мембране конце­вой пластинки, в результате чего на короткое время открываются каналы, через которые течет ионный ток.

Для выяснения природы ионов, обусловливающих синаптичес-кий ток, первоначально изменяли внеклеточные концентрации различных ионов и исследовали влияние этих изменений. Так, было обнаружено, что входящий синаптический ток в концевой пластинке является натриевым ионным током, причем он частич­но компенсируется выходящим калиевым током. Дальнейшие ис­следования показали, что через одни и те же каналы, активируе­мые в концевой пластинке АцХ, проходят ионы натрия и калия. Значит, эти каналы обладают меньшей избирательностью (селек­тивностью), чем потенциалзависимые натриевые и калиевые ка­налы при деполяризации мембраны.

Мы уже подробно разбирали механизмы формирования мемб­ранного потенциала в нервных и мышечных клетках и знаем, что

Рис. 2.21. Схема нервно-мышечного синапса (концевой пластинки) и ацетил-холинактивируемого ионного канала:

А - тоехмеоная реконструкция нервно-мышечного синапса: 1 - терминальная часть нервного
волоса 2-Гин1птиче?кие пузырьки; б- синаптические складки; 9- пальцеобразные вы-
ро"ванновской клетки; i-продольный срез участка нервно-мышечно„;синвпса^-
терминаль нервного волокна; 2- синаптические пузырьки; 3 - пресинаптическая[мембрана,
7-п™тсинаптическая мембрана; 5-базальная мембрана; 6- синаптическая складка, 7- ак-
тивная зона 5™бГ-мышечное волокно; В а, р, 5_Л - белковые субъединицы. На а-белковых
суГданицах^одна единица не показан^ находится участок связывания ацетилхолина
^у (АцХ). Холинрецептор взаимодействует с белком цитоскелета (Ц)

при изменении мембранной проницаемости для какого-либо иона мембранный потенциал согласно уравнению Голдмана (17) оудет смещаться до нового уровня. Если проницаемость для данного иона увеличится, мембранный потенциал сместится ближе к рав­новесному потенциалу для этого иона. И наоборот, уменьшение проницаемости вызовет смещение в противоположную сторону от равновесного потенциала. В ответ на АцХ каналы концевой плас­тинки становятся одновременно проницаемы для ионов натрия и калия. При этом возникает смешанный ионный ток, под деистви-

ем которого потенциал постсинаптической мембраны смещается к новому уровню, так называемому потенциалу реверсии, занима­ющему промежуточное положение между равновесными потенци­алами для этих двух проникающих ионов и равному -10 мВ. В об­щем случае потенциал реверсии для ионных токов, переносимых двумя ионами, зависит от двух главных факторов: относительной проницаемости активированного канала для проникающих ионов; равновесных потенциалов для этих ионов, зависящих, в свою оче­редь, от их концентрационных градиентов. Постсинаптические каналы открываются на короткое время (на несколько мс), по­скольку АцХ быстро подвергается ферментативному расщепле­нию ацетилхолинэстеразой (АцХЭ), которая располагается в обла­сти субнейрональных складок.

АцХ- активируемый канал. Успехи в совершенствовании мето­дов молекулярной биологии, а также электрофизиологических ме­тодов позволили выделить, идентифицировать и изучить АцХ-ак-тивируемый канал — интегральный белок мышечной мембраны. АцХ-активируемый канал состоит из пяти белковых субъединиц, которые образуют трубчатую структуру с общей молекулярной массой около 250 000. Канал выступает из мембраны с обеих сто­рон, причем над наружной ее поверхностью возвышается ворон­кообразная структура — вход в канал (см. рис. 2.21, В). Рецептор-ный участок канала состоит из двух белковых субъединиц и распо­лагается на наружной поверхности мембраны. Каждая из белко­вых субъединиц содержит участок связывания АцХ. Если к этим двум участкам присоединяется АцХ, то канал с высокой вероятно­стью переходит из закрытого состояния в открытое и через него течет ионный ток.

Регистрацию ионного тока через отдельные АцХ-каналы уда­лось осуществить с помощью методики локальной фиксации не­мецкими учеными Э. Неером и Б. Сакманом в середине 70-х годов XX в. (см. функционирование потенциалзависимого натриевого ка­нала). Здесь надо отметить, что в норме АцХ-каналы и связан­ные с ними АцХ-рецепторы сосредоточены в постсинаптической мембране концевой пластинки и плотность их весьма велика — около 10⁴/мкм². В остальной части мышечной мембраны их нет, и именно из-за этого в норме не иннервированная часть мышечных волокон нечувствительна к действию АцХ. Однако если перере­зать двигательный нерв, то зона чувствительности к АцХ посте­пенно распространяется от концевой пластинки, охватывая всю мембрану мышечного волокна. Значит, рецепторы и каналы появ­ляются во внесинаптических участках. В нормальных условиях эти внесинаптические каналы каким-то образом блокированы мало­изученным трофическим влиянием нервной клетки, иннерви-рующей мышечное волокно. Таким «рассеянным» распределени­ем АцХ-каналов воспользовались Неер и Сакман. На участок мем­браны накладывали пипетку и с помощью небольшого вакуума

плотно присасывали ее к мембране. Микропипетка была за­полнена физиологическим раствором, содержащим АцХ или его агонист (т. е. вещество, оказывающее сходное с АцХ действие). С целью увеличения ЭДС для входящего тока мембранный по­тенциал сдвигали в сторону гиперполяризации. Усилитель ре­гистрировал очень малые, менее 5 • 10~^² А, входящие кратко­временные токи, которые по форме сходны с токами одиноч­ных потенциалзависимых натриевых каналов, т. е. имеют фор­му прямоугольных импульсов и подчиняются закону «все или ничего». Частота таких токов была пропорциональна концен­трации АцХ или его агониста в растворе пипетки. Если же эти вещества отсутствовали, то токи не регистрировались. Прово­димость одиночного АцХ-канала крайне мала и составляет око­ло 20пкС, что соответствует 5 • 10'⁴ Ом, т. е. того же порядка, что и у потенциалзависимых натриевых каналов. Статистичес­кий анализ одиночных токов показал, что каналы случайным образом изменяют свое состояние (флуктуируют), переходя из закрытого состояния в открытое. По-видимому, связывание мо­лекулы АцХ с рецептором закрытого канала резко увеличивает вероятность его открывания, когда ионы в течение короткого времени могут проходить через данный канал.