Общая характеристика синапсов

Термин и понятие «синапс», «синаптическая переда­ча» был введен в физиологию Ч. Шеррингтоном в 1897 году. Исследуя деятельность ЦНС, он предположил, что между собой нейроны сообщаются с помощью специаль­ного так называемого синаптического механизма. После­дующие годы подтвердили его предположение. В разра­ботке учения о синапсах большую роль сыграли О. Леви, Г. Дейл, Д. Ленгли, Дж. Экклс, Дель-Кастильо, В. Катц, а также многие отечественные физиологи - А.Ф. Самой­лов, А.В. Кибяков, Х.С. Коштоянц, Л.Г. Магазанник, Г.И. Полетаев, Е.Е. Никольский, А.Л. Зефиров, Р.А. Гиниатуллин и другие.

Синапс - это морфофункциональное образование ЦНС, которое обеспечивает передачу сигнала с нейрона на другой нейрон или с ней­рона на эффекторную клетку (мышечное волокно, секре­торную клетку). Все синапсы ЦНС можно классифициро­вать следующим образом.

1. По локализации - центральные (головной и спин­ной мозг) и периферические (нервно-мышечный, нейросекреторный, синапс вегетативной нервной системы). Цен­тральные синапсы можно в свою очередь разделить на аксо-аксональные, аксо-дендритические (дендритные), аксо-соматические, дендро-дендритические, дендро-соматические и т.п. Согласно Г. Шеперду, различают реципрокные синапсы, последовательные синапсы и синаптические гломерулы (различным способом соединенные через синапсы клетки).

2. По развитию в онтогенезе - стабильные (напри­мер, синапсы дуг безусловного рефлекса) и динамичные, появляющиеся в процессе индивидуального развития.

3. По конечному эффекту - тормозные (тормозя­щие) и возбуждающие.

4. По механизму передачи сигнала - электрические, химические, смешанные.

Различают медиаторные (химические) и безмедиаторные

(электрические) синапсы. Электрические синапсы характерны для нервной системы более примитивных животных (диффузионная нервная система кишечнополостных, комиссуральные синапсы рака и кольчатых червей, синапсы нервной системы рыб). Во всех перечисленных выше случаях импульсы передаются посредством деполяризующего действия электрического тока, который генерируется в пресинаптическом элементе. В случае электрических синапсов возможна передача импульсов как в одном, так и в двух направлениях. Есть также синапсы, в которых сочетаются электрическая и химическая передача импульсов (например, в огромных чашевидных синапсах цилиарного ганглия цыпленка). Если у низших животных контакт между пресинаптическим и постсинаптическим элементами осуществляется посредством всего одного синапса (моносинаптическая форма связи), то в процессе филогенеза осуществляется переход к полисинаптической форме связи, когда указанный выше контакт осуществляется посредством большого числа синапсов.

    Число синапсов очень велико, что обеспечивает большую площадь для передачи информации. Как показали микроскопические и химические исследования последних лет, синапсы отличаются друг от друга как по структуре, так и по функциям даже в пределах одной и той же нервной клетки (отросток нервной клетки длиной 0,2 мм может образовать тысячи различных синаптических контактов). В головном мозгу человека имеется около 10 миллиардов нервных клеток, каждая из которых может иметь до 10 тысяч синаптических контактов. На дендритах и телах отдельных двигательных нейронов спинного мозга находится свыше 1000 синапсов.

Благодаря этому количество и качество возможных нервных переключении чрезвычайно велико.

Как показали опыты с применением микроэлектродов, условия хими­ческой среды, необходимые для функционирования синапсов, также варьируют, благодаря чему возможности переключения могут изменяться в зависимости от химизма внутренней среды тела и от состояния гуморальной

    Возбуждающие импульсы проходят через синапсы и связывают части нервной системы в схемы возбуждения. Проходящие по нервным волокнам возбуждающие импульсы отличаются друг от друга скоростью и частотой распространения сигнала, а также числом волокон, проводящих данное возбуждение, благодаря чему возникает схема, меняющаяся в зависимости от времени и пространства.

Возбуждающие импульсы распространяются в нервной системе не как отдельные, не зависимые друг от друга раздражения, а в виде наблюдаемых залпов, которые исходят из различных отделов головного мозга или достигают их, проходя через пучки нервных волокон и скопления нервных клеток.

Те частоты возбуждения, которые при этом поступают в головной мозг, могут в известной мере возникать и циркулировать в кольцевых структурах волокон коры, так сказать, в «кладовых» схем возбуждения, достигающих коры головного мозга. Между различными отделами системы, а также между этими системами и иннервируемыми ими органами существует двусторонняя взаимосвязь. Обратная связь, или реафферентация, является предпосылкой эффективной нервной и внутрисекреторной регуляции в организме.

Химические синапсы можно классифицировать:

а) по форме контакта - терминальные (колбообразные соединения) и проходящие (варикозные расширения аксона);

б) по природе медиатора - холинергические (медиа­тор - ацетилхолин), адренергические (норадреналин, в отдельных случаях адреналин), дофаминергические (дофа­мин), серотонинергические (серотонин), ГАМК-ергические (медиатор - гамма-аминомасляная кислота), глицинергические (глицин), глютаматергические (глютамат), пептидергические (медиатор - пептиды, например, вещество Р), пуринергические (медиатор - АТФ), азотергические (медиатор - оксид азота NO) и другие.

Рассмотрим электрические синапсы (эфапсы), о которых упоминалось выше. Вопрос о них во многом не ясен. До настоящего времени недостаточно четко дифференцируются такие понятия как «электричес­кий синапс» (в ЦНС) и «нексус» (в гладких мышцах, в миокарде). В настоящее время признают, что в ЦНС име­ются электрические синапсы. В основном они локализова­ны в стволе мозга, в том числе они обнаружены между нейронами мезенцефального ядра тройничного нерва, а также между нейронами вестибулярного ядра Дейтерса и ядер нижней оливы в продолговатом мозге. С точки зре­ния морфологии электрический синапс представляет со­бой щелевидное образование (размеры щели до 2 нм) с ионными мостиками-каналами между двумя контакти­рующими клетками. Петли тока, в частности при наличии потенциала действия (ПД), почти беспрепятственно про­ходят через такой щелевидный контакт и возбуждают, т.е. индуцируют генерацию ПД в соседней клетке. В це­лом, эфапсы обеспечивают очень быструю передачу воз­буждения. Но в то же время с помощью этих синапсов нельзя обеспечить одностороннее проведение, т.к. боль­шая часть таких синапсов обладает двусторонней прово­димостью. Кроме того, с их помощью нельзя вызывать торможение эффекторной клетки.

Аналогом электрического синапса в гладких мышцах и в сердечной мышце являются щелевые контакты типа нексуса.

Общие представления о строении и механизмах фун­кционирования химического синапса

 Химические синап­сы (далее по тексту - синапсы) представляют собой окончания аксона (терминальные синапсы) или его вари­козную часть (проходящие синапсы).

Химический синапс состоит из трех компонентов (или элементов) (рис. 3): пресинаптической части, постсинаптической части и синаптической щели. В пресинаптической час­ти содержится медиатор (трансмиттер), который под вли­янием нервного импульса выделяется в синаптическую щель и, связываясь с рецепторами в постсинаптической части, вызывает ряд физиологических эффектов, в том числе изменение ионной проницаемости постсинаптической мембраны, что приводит к ее деполяризации (в воз­буждающих синапсах) или гиперполяризации (в тормоз­ных синапсах).

 

 

 

Рис.3. Схема строения синапса

 

 

Пресинаптическая часть (или пресинаптический эле­мент, пресинпас) образуется аксоном по его ходу (про­ходящий синапс) или представляет собой расширенную конечную часть аксона (концевой бутон). В ней содер­жатся митохондрии, агранулярная эндоплазматическая сеть, нейрофиламенты, нейротрубочки и синаптические пузырьки диаметром 20-65 нм, в которых находится нейромедиатор. Форма и характер содержимого пузырь­ков зависят от находящихся в них нейромедиаторов. Круглые светлые пузырьки обычно содержат ацетилхолин, пузырьки с компактным плотным центром - норадреналин, крупные плотные пузырьки со светлым подмембранным ободком - пептиды. Медиаторы выра­батываются в теле нейрона и механизмом быстрого аксонного транспорта переносятся в окончания аксона, где происходит их депонирование. Частично синаптические пузырьки образуются в самом синапсе путем отщепле­ния от цистерн агранулярной эндоплазматической сети. На внутренней стороне плазмолеммы, обращенной к синаптической щели, т.е. пресинаптической мембраны име­ется пресинаптическое уплотнение, образованное фиб­риллярной гексагональной белковой сетью, ячейки кото­рой способствуют равномерному распределению синаптических пузырьков по поверхности мембраны.

Постсинаптическая часть (или постсинаптический элемент) представлена постсинаптической мембраной, со­держащей особые комплексы интегральных белков - си­наптические рецепторы (мембранные рецепторы), связы­вающиеся с нейромедиатором. Мембрана утолщена за счет скопления под ней плотного филаментозного белкового материала (постсинаптическое уплотнение). По обе сторо­ны от постсинаптической мембраны располагаются внесинаптические области, которые играют исключительно важную роль в процессах дальнейшего проведения воз­буждения от постсинаптической мембраны.

Синаптическая щель - это еще один компонент си­напса. Ее ширина обычно варьирует от 20-30 нм до 50 нм. Во многих синапсах синаптическая щель содержит поперчно расположенные гликопротеиновые интрасинап-тические филаменты толщиной 5 нм, которые являются элементами специализированного гликокаликса. За счет этих элементов обеспечиваются адгезивные связи пре- и постсинаптических частей, а также направленная диффу­зия медиатора.

В литературе существует большое разнообразие в на­званиях синапсов. Например, синаптическая бляшка - это синапс между нейронами, концевая пластинка - это постсинаптическая мембрана мионеврального синапса, мо­торная бляшка - это пресинаптическое окончание аксона на мышечном волокне.

Любой химический синапс, независимо от природы медиатора и хеморецептора, активируется под влиянием потенциала действия, распространяющегося к пресинапсу от тела нейрона. Под влиянием потенциала действия про­исходит деполяризация пресинаптической мембраны, что повышает проницаемость кальциевых каналов пресинапти­ческой мембраны и приводит к увеличению входа в пресинапс ионов Са²⁺. В ответ на это происходит высвобож­дение (выход из пресинапса) 100-200 порций, или кван­тов, медиатора, что осуществляется путем экзоцитоза. Выйдя в синаптическую щель, медиатор взаимодействует со специфическими рецепторами постсинаптической мемб­раны. Во многих синапсах основная масса рецепторов -это ионотропные рецепторы. Активированные медиатором они непосредственно регулируют проницаемость ионных каналов постсинаптической мембраны. Кроме того, в ряде синапсов имеются метаботропные рецепторы, при актива­ции которых (за счет вторичных посредников и протеинкиназ) меняется активность внутриклеточных белков-эф­фекторов, в том числе ионных каналов и ионных насо­сов. В целом, взаимодействие медиатора с постсинаптическими рецепторами изменяет ионную проницаемость. В синапсах, в которых осуществляется возбуждение постси­наптической структуры, обычно происходит повышение проницаемости для ионов Na⁺ или Са²⁺, что вызывает де­поляризацию постсинаптической мембраны. Эта депо­ляризация получила название возбуждающий постсинап­тический потенциал, или ВПСП (в нервно-мышечном си­напсе - потенциал концевой пластинки, или ПКП). Если его величина достигает критического уровня деполя­ризации, то во внесинаптических областях генерируется ПД. В тормозных синапсах в результате взаимодействия медиатора с рецепторами, наоборот, происходит гиперпо­ляризация (за счет, например, увеличения проницаемости для ионов калия и хлора). Этот вид изменения мембран­ного потенциала получил название тормозной постсинап­тический потенциал, или ТПСП. В гиперполяризованном состоянии клетка снижает свою возбудимость и благода­ря этому прекращает отвечать на внешние раздражители или (если она обладала свойством автоматии) уменьшает спонтанную активность.

Одновременно, выделившийся в синаптическую щель медиатор может взаимодействовать с рецепторами, распо­ложенными на пресинаптической мембране. Таким спосо­бом регулируется интенсивность последующего высво­бождения медиатора, т.е. процесс экзоцитоза. Это полу­чило название антидромного эффекта, или явления обрат­ной связи.

После каждого цикла проведения нервного импульса медиатор разрушается с участием специфического фер­мента и подвергается удалению. Например, ацетилхолин разрушается ацетилхолинэстеразой, норадреналин - моноаминоксидазой (МАО) и катехол-О-метилтрансферазой (КОМТ). Одновременно происходит обратный захват ме­диатора (например, норадреналина) или продуктов его расщепления (например, холина при разрушении ацетилхолина) в пресинаптическую структуру (это называется нейрональный захват) либо в постсинаптическую структу­ру (экстранейрональный захват). Кроме того, снижение концентрации медиатора в синаптической щели достигает­ся путем его простой диффузии во внесинаптические пространства.

Рассмотрим, каким образом происходит активация постсинаптических рецепторов, а также вторичные посредники, принимающие участие в передаче нервного сигнала. Каждый рецептор постсинаптической мемб­раны имеет сайт (активный центр) для связывания медиа­тора (агониста). Кроме того, рецептор может иметь сай­ты для связывания модуляторов или комедиаторов, бла­годаря чему сродство данного рецептора к медиатору мо­жет существенно изменяться. Например, в крови и ликворе есть эндогенный сенсибилизатор бетта-адренорецепторов (его функцию выполняют гистидин, триптофан, тирозин), повышающий в 10-100 раз чувствительность этих рецеп­торов к норадреналину и адреналину, а также эндоген­ный блокатор М-холинорецепторов, снижающий чувстви­тельность М-холинореактивных структур к ацетилхолину.

Для активации большинства рецепторов необходимо более одной молекулы агониста (медиатора). Например, для активации одного холинорецептора нужны две моле­кулы ацетилхолина, что объясняется наличием двух сим­метричных агонист-связывающих альфа-субъединиц в со­ставе холинорецептора.

При активации ионотропных рецепторов, содержа­щих внутри себя ионные каналы, происходит изменение проницаемости этих каналов, что в конечном итоге при­водит к деполяризации или гиперполяризации постсинап­тической мембраны. При активации метаботропных ре­цепторов происходит опосредованное изменение проница­емости ионных каналов, изменение активности ионных насосов или ферментов метаболических процессов в дан­ной клетке. При активации метаботропных рецепторов передача сигнала внутрь клетки осуществляется с участи­ем вторичных посредников - мелких, подвижных моле­кул (цАМФ, цГМФ, инозитол-3-фосфат, диацилглицерол), способных активировать протеинкиназы (ферменты, пере­носящие фосфатную группу от АТФ на белок-мишень). Фосфорилированный белок (ионный канал, ионный насос, фермент метаболической цепочки и др.) меняет свою ак­тивность и тем самым обеспечивает передачу синаптического сигнала. Образованию вторичных посредников пред­шествует передача сигнала от мембранного рецептора че­рез ГТФ-связывающий белок (G-белок) к внутриклеточно­му примембранному ферменту (аденилатциклазе или гуа-нилатциклазе). При этом G-белок может активировать или ингибировать этот фермент (разновидности этого бел­ка обозначают соответственно как Gs-белок и Gi-белок).

Для различных синапсов существует своя последова­тельность передачи сигнала (медиатор, G-белок, вторичный посредник, протеинкиназа, белок-эффектор). Например, для моноаминов (адреналина, норадреналина, серотонина) она выглядит так: Gs → аденилатциклаза → цАМФ → про­теинкиназа А → ионные каналы, ферменты обмена углево­дов и др. Для ацетилхолина: Gs → гуанилатциклаза → цГМФ → протеинкиназа Г→ калиевые ионные каналы, кальциевые насосы. Для моноаминов и пуринов: Gi→ фосфолипаза С → инозитол-3-фосфат/диацилглицерол → про­теинкиназа С и рецепторы инозитол-3-фосфата → кальцие­вый ионный канал. Для пуринов: Gi → фосфолипаза С → арахидоновая кислота → калиевые ионные каналы.

В роли медиатора выступают десятки и даже сотни химических веществ. Для того чтобы назвать вещество медиатором, используют следующие критерии: 1. Вещество выделяется из клетки при ее активации. 2. В клетке имеются ферменты для синтеза данного вещества. 3. В соседних клетках имеются белки-рецепторы, активи­руемые данным медиатором. 4. Фармакологический (экзо­генный) аналог имитирует действие медиатора. Наряду с медиаторами в синапсе есть модуляторы, т.е. вещества, которые прямо не участвуют в процессе передачи сигнала от нейрона к нейрону, но могут, однако, этот процесс существенно усиливать или ослаблять.