Глава 3. Межклеточная передача возбуждения 61

длительное время, примерно несколько минут). Клетка ганглия получает также синаптический вход от дофаминергического нейрона. Высвобождаемый дофамин сам по себе не влияет на ионную проводимость постсинаптической мембраны, однако он увеличивает амплитуду мВПСП на несколько часов, усиливается таким образом постсинаптическую реакцию на ацетилхолин [23].

Другой тип гетеросинаптического обличения обнаружен у моллюсков и насекомых. Здесь активация нервных волокон, высвобождающих серотонин, ведет к блокаде К⁺-каналов в мембране пресинаптических окончаний. Это задерживает ее реполяризацию после потенциалов действия (см. гл. 2). Поскольку окончание дольше остается деполяризованным, количество высвобождаемого им медиатора увеличивается. Следовательно, это еще один пример пресинаптического облегчения, при котором совместная активация двух синапсов повышает эффективность синаптической передачи [5].

3.3. Микрофизиология химической синаптической передачи

Итак, мы рассмотрели важнейшие макропроцессы в химических синапсах; каждый из них представляет собой результат огромного количества молекулярных взаимодействий. Многие детали химической синаптической передачи, как и свойства мембран, обсуждавшиеся в предыдущей главе, исследованы на молекулярном уровне, что существенно расширило наши представления о синаптических механизмах. В качестве первого примера обратимся к упоминавшемуся процессу - высвобождению медиаторных веществ.

Высвобождение медиатора

Микроморфология концевой пластинки. Существующие представления о структуре концевой пластинки отражены на рис. 3.13. Характерная особенность пресинаптического окончания мотонейронаскопления в нем (кластеры) «синаптических» пузырьков. Напротив них постсинаптическая мембрана образует глубокие складки. Каждой из них соответствует активная зона пресинаптической мембраны-желобок на ее внутренней поверхности, вдоль обеих сторон которого располагаются в ряд синаптические пузырьки. Некоторые из них открыты наружу, в синаптическую щель. Очевидно, активные зоны и ассоциированные с ними пузырьки следует рассматривать как аппарат, специализированный для экзоцитоза (с. 17), т.е. для выброса содержимого этих пузырьков в синаптическую щель. Биохимическими методами показано, что они содержат высокие концентрации ацетилхолина, а также белки и нуклеотиды. Таким образом, в активных зонах

Рис. 3.13. Ультраструктура нервно-мышечного синапса. Вверху слева: нервные окончания на мышечном волокне; на схеме рядом пресинаптическое окончание (красный цвет) вместе с лежащей под ним складчатой мышечной мембраной при большем увеличении. Внизу: еще большее увеличение: мембрана пресинаптического нейрона {красный цвет) с частично разъединенными внутренним и внешним слоями, а под ней (черный цвет) соответствующие слои субсинаптической мембраны мышцы. «Частицы»-это ацетилхолиновые рецепторы и молекулы холинзстеразы в мембране (по [6] с изменениями)

ацетилхолин высвобождается из окончания мотонейрона в виде накопленных пузырьками порций.

«Квантовая» природа потенциала концевой пластинки. Поскольку ацетилхолин высвобождается приблизительно одинаковыми порциями, соответствующими объему пузырька, постсинаптический ток (ВПСТ) должен состоять из мелких «субъединиц». Их можно наблюдать, регистрируя с помощью метода локальной фиксации потенциала «пэтч-кламп» (см. рис. 2.11); синаптические токи в микроучастке концевой пластинки длиной несколько микрометров. Во время стимуляции мотонейрона амплитуда ВПСТ явно представляет собой кратное количество этих субъединиц; на рис. 3.14 показаны последовательно 2, 1, 3, 0 ... его «квантов». В отсутствие стимуляции нейрона они могут появляться спонтанно. Количество квантов на один стимул варьирует стохастически, биномиально рас-

62 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

пределяясь около некоторого среднего значения. Практически нет сомнений, что каждый такой «квант» тока соответствует порции ацетилхолина из одного пузырька, достигающей путем диффузии постсинаптических рецепторов и вызывающей открывание ионных каналов. Пузырек содержит несколько десятков тысяч молекул ацетилхолина.

Длина пресинаптического окончания концевой пластинки составляет более I мм; из него в ответ на один потенциал действия двигательного аксона высвобождается несколько сот «квантов», неразличимых индивидуально в суммарной реакции. Однако между потенциалами концевой пластинки, достигающими примерно 40 мВ (рис. 3.2), можно зарегистрировать спонтанные сдвиги потенциала амплитудой менее 1 мВ, обусловленные спонтанным высвобождением «квантов» медиатора из открывающихся наружу синаптических пузырьков.

Медиаторы запасаются в пузырьках и высвобождаются из них не только в нервно-мышечном, но и во всех других известных химических синапсах. Например, «квантовые» токи на рис. 3.12 вызваны таким высвобождением глутамата. Пузырьки могут содержать различные медиаторы, перечисленные на рис. 3.7, но обычно только по одному в каждом синапсе. Впрочем, иногда наряду с классическим медиатором (например, ГАМК) в пузырьках находится и пептид с модулирующим действием (с. 54).

Высвобождение квантов медиатора. Потенциал действия пресинаптического окончания ведет к почти синхронному (с небольшой синаптической задержкой) высвобождению квантов медиатора, которое приводит к генерированию потенциала (например. ВПСП) в постсинаптической мембране. Временные соотношения этих процессов показаны на рис. 3.15 для гигантского синапса кальмара, где можно зарегистрировать как пре-, так и постсинаптические изменения потенциала и токи. Кроме потенциала действия, постсинаптических токов и потенциалов на рисунке представлено поступление Са²⁺ в пресинаптическое окончание, сопровождающее Na⁺- и К ⁺-токи во время деполяризации (см. с. 38). Этот входящий Ca²⁺-ток играет ключевую роль в квантовом высвобождении. Уже давно было известно, что химическая синаптическая передача нарушается при значительном снижении внеклеточной концентрации Cα^{2 +} , [Са^{2 +} ]₀. Этот эффект примерно пропорпионален четвертой степени [Са^{2 +} ]₀ [12], следовательно, для высвобождения одного кванта медиатора требуется реакция четырех ионов Ca с активатором на внутренней стороне пресинаптической мембраны. Однако действие активатора зависит, по-видимому, еше и от потенциала, т.е. даже при достаточно высокой внутриклеточной концентрации Са²⁺,[Са²⁺]_i синхронное высвобождение медиатора требует деполяризации мембраны [31]. Можно предполагать, что она влияет на акти-

Рис. 3.14. Высвобождение квантов медиатора проявляется в квантовом характере ВПСТ. Каждая стрелка указывает момент кратковременной деполяризации нервного окончания. Возникающие ВПСТ состоят из 2, 1, 3, ... и т.д. квантов, что отмечено цифрами под кривой. Между ВПСТ, «вызванными» деполяризацией, заметен спонтанный ВСПТ такой же квантовой амплитуды

Рис. 3.15. Синаптическая передача в гигантском синапсе кальмара. А. Пресинаптическая запись: временной ход потенциала действия и ассоциированное поступление Са2+ в нервное окончание (/Са). Б. Постсинаптическая запись: ток (ВПСТ), потенциал (ВПСП) и запускаемый им потенциал действия (по [24] с изменениями)