Механизм синаптической передачи и ее регуляция

Передача в синапсе имеет два главных этапа.

1. Преобразование электрического сигнала в химический (электросекреторное сопряже­ние). Потенциал действия (ПД), поступив­ший в пресинаптическое окончание, вызы­вает деполяризацию его мембраны, откры­вающую потенциалзависимые Са-каналы. Ионы кальция входят, согласно концентра­ционному и электрическому градиентам, внутрь клетки, что ведет к увеличению его содержания в цитозоле в 10—100 раз. Ионы кальция активируют фосфорилирование синаптосина, что ослабляет связь везикулы с цитоскелетом, и везикула перемещается вдоль микротрубочек на позицию у актив­ной зоны. При контакте везикулы с преси­наптической мембраной происходит фер­ментативное «плавление» ее стенки, а также активация белка синаптопорина, формирую­щего канал, через который медиатор выхо­дит в синаптическую щель посредством пер­вично-активного транспорта — экзоцитоза. В нервно-мышечном синапсе медиатором является ацетилхолин, который образуется в пресинаптическом окончании из ацетилкоэнзима А и холина под действием фермента холинацетилтрансферазы. Впервые экспери­ментальное доказательство химического ме­ханизма передачи возбуждения в нервно-мышечном синапсе получил А.Ф.Самойлов (1924). Он показал, что скорость передачи возбуждения с нерва на мышцу в отличие от проведения возбуждения по нерву зависит от температуры в такой же степени, как и скорость химических реакций. Английский физиолог Г.Дейл (1934) установил, что ме­диатором нервно-мышечного синапса явля­ется ацетилхолин. Этот медиатор был обнаружен одним из первых − он был известен также как «вещество блуждающего нерва» из-за своего действия на сердце.

Выделение молекул медиатора из пресинаптического окончания пропорционально количеству поступившего туда Са²⁺ в степени n = 4. Следовательно, химическое звено пре-синаптического окончания работает как уси­литель. Один из возможных механизмов уси­ления связан с тем, что поступивший в пресинаптическое окончание Са²⁺ активирует рианодиновые рецепторы в цистернах эндоплазматической сети, имеющие в своем со­ставе Са-каналы, что приводит к дополни­тельному выделению Са²⁺ в цитозоль из цис­терн. Выделение ацетилхолина в синаптичес­кую щель осуществляется квантами, каждый из которых в нервно-мышечном синапсе со­держит от нескольких тысяч до 10 тыс. моле­кул. На один ПД из пресинаптического окончания нервно-мышечного синапса выде­ляется 200—300 квантов медиатора. В про­межутках между ПД из пресинаптического окончания происходит спонтанное выделе­ние 1—2 квантов медиатора в синаптическую щель в течение 1 с.

Молекулы медиатора, поступившие в си­наптическую щель, диффундируют к пост-синаптической мембране и вступают во вза­имодействие с ее рецепторами. В нервно-мышечном синапсе ацетилхолин действует на Н-холинорецепторы, которые способны активизироваться и под влиянием никотина, вследствие чего они и получили свое назва­ние. Н-холинорецептор имеет в своем составе Nа/К-канал и состоит из пяти очень сходных субъеди­ниц (α)₂, β, γ, δ) примерно одинакового размера, группирующихся вокруг центрального канала. Такого рода макробелок составляет основу рецепторов различных типов, а для ацетилхолинового рецептора установлена его полная аминокислотная последовательность. Молекулярная масса этого белка 258 000. Открывание каналов в химических синапсах происходит в результате связывания медиатора или его агониста с комплексом рецептор-канал.

Скорость диффузии молекул медиатора позволяет им пройти расстояние синаптической щели в течение 0,1—0,2 мс. Длительность действия медиатора на рецеп­торы постсинаптической мембраны, опре­деленная по продолжительности открытия в ней ионных каналов, равна около 1 мс. Это значительно меньше периода полурас­пада медиатора и свидетельствует о его уда­лении из синаптической щели. Оно осу­ществляется путем диффузии ацетилхолина из щели в окружающую жидкость и разру­шения его под действием ацетилхолинэстеразы.

Этот фермент выделяется миоцитом и прикрепляется к мукополисахаридному ве­ществу в синаптической щели. Одна молеку­ла ацетилхолинэстеразы может гидролизовать до ацетата и холина 10 молекул ацетил­холина в 1 мс, что обеспечивает его разруше­ние в синаптической щели в течение не­скольких десятых долей миллисекунды. При этом большая часть (около 60 %) холина за­хватывается обратно пресинаптическим окончанием. Значительная доля высвобожденного ацетилхолина разрушается уже в ходе диффузии через синаптическую щель, не успевая достигнуть рецепторов, и через несколько миллисекунд его практически не остается: синапс вновь готов к передаче возбуждения.

2. Преобразование химического сигнала об­ратно в электрический. Этот этап осущест­вляется в постсинаптической мембране. Дей­ствие молекул медиатора на ее рецепторы ведет к открытию ионных каналов и переме­щению ионов, имеющих высокий электрохи­мический градиент на протяжении канала. Присоединение двух молекул ацетилхолина к α-субъединицам Н-холинорецептора откры­вает канал. Открытое состояние сохраняется 1 мс, в течение которой через него проходит около 500 000 ионов. Один квант медиатора (десятки тысяч его молекул) создает на несколько миллисекунд около рецепторов его высокую концентрацию, которая затем быстро падает. Начальный подъем концентрации медиатора повышает вероятность открывания канала, причем его открытые состояния перемежаются кратковременными закрываниями. После такой вспышки открываний он окончательно закрывается, потому что концентрация медиатора становится слишком низкой. Серии открываний суммируются, так что квант тока складывается из нескольких сотен токов одиночных каналов. Поскольку квант медиатора почти всегда вызывает только одну вспышку открываний, постоянная времени спада синаптического тока тоже примерно соответствует средней продолжительности такой вспышки.

Канал на внутреннем суженном конце имеет диаметр 0,65 нм, хо­рошо проницаем для Nа⁺ и К⁺, плохо прони­цаем для Са2+. Поскольку канал имеет сла­бую избирательность в отношении Nа+ и К⁺, то ионные токи через канал зависят главным образом от электродвижущей силы (ЭДС) этих ионов.

ЭДС иона равна разности между мембран­ным потенциалом покоя и равновесным по­тенциалом данного иона (ЭДС = МПП - Е_иона). Отрицательная величина ЭДС характе­ризует движение иона в клетку, положитель­ная — из клетки.

В связи с этим входящий в клетку ток на­трия (ЭДС = -140 мВ) резко преобладает над выходящим из клетки током калия (ЭДС = 14 мВ). Иными словами, ион Nа⁺ движется в клетку согласно концентрационному и электрическому градиенту (клетка внутри имеет положительный заряд), а ион К⁺ выхо­дит из клетки только согласно концентраци­онному градиенту, причем вопреки электри­ческому (снаружи клетка имеет положитель­ный заряд). Поэтому суммарный ток ионов Nа⁺ в клетку превосходит ток К⁺ из клетки, что и приводит к деполяризации постсинаптической мембраны (концевой пластинки). Эта деполяризация называется возбуждаю­щим постсинаптическим потенциалом (ВПСП), который в нервно-мышечном си­напсе называют потенциалом концевой плас­тинки (ПКП). Особенностью нерв­но-мышечного синапса фазного мышечного волокна является то, что при одиночной его активации формирующийся ПКП имеет большую амплитуду (30—40 мВ), которая превышает критический уровень деполяриза­ции и вызывает генерацию ПД в миоците. Тоническое мышечное волокно имеет 7—10 синапсов, принадлежащих, как правило, не­скольким мотонейронам. При этом ПКП не вызывает генерации ПД, а непосредственно запускает мышечное сокращение.

Как было отмечено, в промежутках между передачей нервного импульса происходит спонтанное выделение 1—2 квантов медиато­ра в синаптическую щель. При этом в пост-синаптической мембране формируется депо­ляризация амплитудой 0,12—0,24 мВ, возни­кающая в среднем 1 раз в 1 с. Такие потен­циалы, изученные в нервно-мышечном си­напсе, были названы миниатюрными потен­циалами концевой пластинки. Они, вероятно, поддерживают высокую возбудимость синап­сов в условиях функционального покоя нерв­ных центров. Кроме экзоцитоза медиатора, существует постоянная неквантовая утечка молекул медиатора в синаптическую щель. Предполагают, что неквантовая секреция иг­рает трофическую роль.

Саморегуляция в синапсе осуществляется с использованием функциональных обратных связей. Веществами, влияющими на эффек­тивность синаптической передачи, могут быть медиаторы, продукты их распада. В нервно-мышечном синапсе ацетилхолин, выделившийся в небольшом количестве в си­наптическую щель, может стимулировать более сильный выброс ацетилхолина из пресинаптического окончания по механизму обратной связи (самоусиление секреции). Высокие концентрации ацетилхолина в синаптической щели, напротив, угнетают секрецию его из пресинаптического оконча­ния.

Показано, что холин (продукт гидролиза ацетилхолина) в концентрации 10^-4—10^-5 М тормозит выделение ацетилхолина из преси­наптического окончания.