Химический синапс, его ультраструктура. Механизм передачи сигнала в химическом синапсе. Механизм возникновения постсинаптического потенциала.

 

 Ультраструктура химического синапса.

Все синапсы имеют общий план строения (рис. 1).

Конечная часть аксона (синаптическое окончание), подходя к иннервируемой клетке, теряет миелиновую оболочку и образует на конце небольшое утолщение (синаптическую бляшку). Ту часть мембраны аксона, которая контактирует с иннервируемой клеткой, называют пресинаптической мембраной. В пресинаптической части находятся пузырьки и митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора. Медиаторы депонируются в гранулах (пузырьках).

Синаптическая щель – узкое пространство между пресинаптической мембраной и мембраной иннервируемой клетки, которое является непосредственным продолжением межклеточного пространства.

Постсинаптическая мембрана – участок мембраны иннервируемой клетки, контактирующий с пресинаптической мембраной через синаптическую щель. Она имеет ионные каналы и способна к генерации потенциала действия. Кроме того, на ней расположены специальные белковые структуры — рецепторы, воспринимающие действие медиаторов.

Рис. 1. Ультраструктура химического и электрического синапса.

 

Особенности ультраструктуры химического синапса (см. рис. 1):

• широкая (20–50 нм) синаптическая щель;
• наличие в синаптической бляшке синаптических пузырьков (везикул), заполненных химическим веществом, при помощи которого передается возбуждение;
• в постсинаптической мембране имеются многочисленные хемочувствительные каналы (в возбуждающем синапсе – для Nа+, в тормозном – для Cl – и К +), но отсутствуют потенциалчувствительные каналы.

Постсинаптические рецепторы – это трансмембранные белки, чья наружная часть узнаёт и связывает молекулы медиаторов. Связь рецептора с медиатором специфична. Рецепторы также связаны с ионными каналами в мембране. Существует два способа управления этими каналами и, соответственно, два типа рецепторов:

а) Ионотропный (прямая синаптическая передача). При этом виде управления рецептор и ионный канал представляют собой единую молекулу. Если к рецептору присоединяется медиатор, то изменяется конформация молекулы и образуется пора, через которую проходят ионы. Пример – никотиновый АХ-рецептор.

б) Метаботропный (непрямая синаптическая передача). В этом случае рецептор не связан с каналом напрямую (они разделены), поэтому моменты присоединения медиатора и открытия канала разделены несколькими промежуточными этапами. Когда образуется комплекс медиатор-рецептор, активируется специфический мембранный белок, называемыый G-белком. Одна молекула медиатора может активировать много молекул G-белка (происходит усиление). В одних нейронах каждая активировання молекула G-белка может открывать ионный канал, а к других нейронах – активировать внутри клетки синтез специфических молекул – вторичных посредников. Последние могут запускать в клетке различные биохимические реакции (например, синтез определённых белков). В этом случае не возникает постсинаптический потенциал. Некоторые вторичные посредники (напр. NO и CO) могут диффундировать в соседние нейроны и там оказывать своё действие (в т.ч. и на пресинаптические нейроны).

Т.о. ионотропное управление является очень быстрым и занимает 1-2мс. При метаботропном управлении ответ появляется значительно позже – через несколько секунд или минут, но при этом изменения в клетке сохраняются дольше, могут усиливатья, давая более долговременный эффект.

Вещества, которые оказывают на постсинаптические рецепторы такое же действие, как и медиатор, называются агонистами, а вещества, которые связываются с рецептором и блокируют их, называются антагонистами. Эти термины обычно применяются в фармакологических веществах.

Нарушение синаптических контактов может привести к тяжелейшим последствиям для человека. Антагонисты могут использоваться в лечебных целях.

Механизм проведения возбуждения в химическом синапсе путем освобождения трансмиттеров.

Механизм открытия каналов у ионотропных рецепторов

Серия потенциалов действия пробегает по аксону, достигает нервного окончания и деполяризует пресинаптическую зону. Во время этой деполяризации в нервном окончании возникает не только входящий ток натрия, как это происходит в мембране по всей длине аксона. Мембрана окончания аксона имеет потенциалуправляемые кальциевые каналы, через которые во время деполяризации, вызванной пришедшим потенциалом действия, ионы кальция проникают в синаптическое окончание, так как там исходно очень низкая концентрация кальция. Одновременно ионы кальция дополнительно выходят из эндоплазматического ретикулума. В синаптическом окончании в зоне пресинаптической мембраны имеется большое количество синаптических пузырьков (везикул). Их мембраны состоят из бислоя фосфолипидов и белков. Эти везикулы заполнены жидкостью, содержащей химическое вещество – трансмиттер, благодаря которому осуществляется синаптическая передача.Трансмиттер переносит возбуждение от пресинаптической мембраны на постсинаптическую. Одним из таких веществ является ацетилхолин. Синапс, в котором в качестве трансмиттера из везикул выбрасывается ацетилхолин, называется холинергическим.

Если потенциал действия достиг пресинаптической области и в пресинаптическом окончании концентрация ионов кальция достигла необходимого уровня, происходят 2 процесса. Во-первых, на везикулах, связанных с пресинаптической мембраной, кальций связывается с протеином, входящим в состав их мембраны. Это приводит к тому, что мембранные везикулы раскрываются, происходит экзоцитоз трансмиттера в синаптическую щель.

Повышенный уровень ионов кальция в пресинапсическом окончании активирует кальций-кальмодулинзависимую протеинкиназу 2. В пресинаптическом окончании этот фермент фосфорилирует синапсин (протеин, с помощью которого везикула фиксируется большей частью на цитоскете). После этого нагруженные трансмиттером везикулы освобождаются от цитоскелета и перемещаются на пресинаптическую мембрану для осуществления дальнейшего цикла. Таким образом, главную роль для процесса выброса трансмиттера по типу экзоцитоза играет не деполяризация окончания, а входящий ток кальция. Ионы кальция при этом служат не для дополнительной деполяризации, а вторичным посредником, запускающим механизм слияния везикул.

Механизм открытия каналов у метаботропных рецепторов

В противоположность синапсам (например никотиновым), в которых трансмиттер открывает ионный канал, существуют другие рецепторные белки, не являющиеся ионными каналами. Примером может служить холинергический синапс мускаринового типа. Название синапс приобрел по действию агониста – яда мухомора мускарина. В этом синапсе Ach-рецептором является белок. Этот белок обладает большим химическим сходством со светочувствительным пигментом родопсином, α- и β- адренергическими и другими рецепторами. Ионные каналы, необходимые для возникновения ВПСП, открываются там только благодаря обменным процессам. Поэтому их функция включает процессы метаболизма, а эти рецепторы называют метаботропными. Процесс передачи возбуждения в этом синапсе происходит следующим образом. Как только медиатор связывается с рецептором, G-белок, имеющий три субъединицы, образует с рецептором комплекс. В этом родопсин, мускариновый рецептор, и все другие рецепторы, связанные с G-белками, похожи друг на друга. ГДФ, связанный с G-белком, заменяется на ГТФ. При этом образуется активированный G-белок, состоящий из ГТФ и α-субъединицы, который и открывает калиевый ионный канал.
У вторичных мессенджеров есть много возможностей для осуществления влияния на ионные каналы. С помощью вторичных мессенджеров определенные ионные каналы могут открываться или закрываться. Наряду с описанным выше механизмом открытия каналов, у многих синапсов при помощи ГТФ могут также активироваться β- и γ-субъединицы, например, в сердце. В других синапсах могут участвовать иные вторичные мессенджеры. Так, ионные каналы могут открываться при помощи цАМФ/IP3 или фосфорилирования протеинкиназы С. Этот процесс опять связан с G-белком, который активирует фосфолипазу С, что ведет к образованию IP3. Дополнительно увеличивается образование диацилглицерина (ДАG) и протеинкиназы. У мускариновых синапсов и место связывания с медиатором, и ионный канал локализуются не в самом трансмембранном белке. Эти рецепторы связаны непосредственно с G-белком, что дает дополнительные возможности для влияния на функцию синапсов. С одной стороны, для таких рецепторов также существуют конкурентные блокаторы. У мускариновых синапсов это, например, атропин – алкалоид, содержащийся в растениях семейства пасленовых. С другой стороны, известны соединения, которые сами блокируют ионный канал. Они не конкурируют за места связывания и являются так называемыми неконкурентными блокаторами. Известно также, что некоторые бактериальные токсины, такие как холеротоксин или токсин возбудителя коклюша, на уровне синаптического аппарата осуществляют специфические воздействия на систему G-белка. Холе-ротоксин препятствует гидролизу α-Gs-ГТФ в α-Gs-ГДФ и повышает тем самым активность аденилатциклазы. Пертуситоксин препятствует связыванию ГТФ с α-Gi-субъединицей G-белка и блокирует ингибирующий эффект α-Gi. Такое опосредованное действие повышает в цитозоле концентрацию цАМФ. Передача является очень медленной. Время передачи лежит в диапазоне от 100 мс. К мускариновым синапсам относятся постганглионарные, парасимпатические и ауторецепторы ЦНС. Мускариновые рецепторы, образованные от аксонов маунтеровских клеток, управляют особыми процессами обучения. При болезни Альцгеймера (деменция) количество маунтеровских клеток в ядре убывает.

Механизм возникновения постсинаптического потенциала.

Взаимодействуя с рецептором, молекулы ацетилхолина открывают неспецифические ионные каналы в постсинаптической мембране клетки так, что повышается их способность к проводимости для одновалентных катионов. Какие катионы проходят через каналы, зависит от электрохимических градиентов. Работа данных каналов ведет к базовому входящему току положительных ионов, следовательно к деполяризации постсинаптической мембраны (ВПСП). Так как участвующие ионные токи зависят от разности равновесного потенциала и потенциала мембраны, то при уменьшенном потенциале покоя мембраны ток ионов натрия ослабевает, а ток ионов калия увеличивается, поэтому амплитуда ВПСП уменьшается.

 Ионные токи, участвующие в возникновении ВПСП, ведут себя иначе нежели токи натрия и калия во время генерации потенциала действия. Причина в том, что в этом механизме принимают участие другие ионные каналы с другими свойствами. При потенциале действия активируются потенциалуправляемые каналы, и с увеличивающейся деполяризацией открываются следующие каналы, так что процесс деполяризации усиливает сам себя, а проводимость лигандуправляемых каналов зависит от количества молекул трансмиттера, связавшихся с молекулами рецептора и от числа открытых ионных каналов.

Прежде всего, в зоне синапса локально образовавшийся ВПСП пассивно электротонически распространяется по всей постсинаптической мембране клетки. Это распространение не подчиняется закону «все или ничего». Если большое число синапсов возбуждается одновременно или почти одновременно, то возникает явление суммации, которое проявляется в возникновении ВПСП большей амплитуды, что может деполяризовать мембрану всей постсинаптической клетки. Если величина этой деполяризации достигает в области постсинаптической мембраны определенного порогового значения (10 мВ или больше), то на аксональном холмике нервной клетки молниеносно открываются потенциалуправляемые натриевые каналы и она генерирует потенциал действия, проводящийся вдоль ее аксона.