4.3. Химический синапс

В 1892 году Лэнгли предположил, что синаптическая передача в вегетативных ганглиях млекопитающих имеет химическую природу, а не электрическую. Примерно через 10 лет Эллиот обнаружил, что экстракт, полученный из надпочечников, — адреналин — производит на клетки такое же воздействие, как и стимуляция симпатических нервов. Это позволило предположить, что адреналин может секретироваться нейронами, и выделятся нервными окончаниями при проведении возбуждения. Однако лишь в 1921 году Леви поставил опыт, в котором была установлена химическая природа передачи в вегетативных синапсах между блуждающим нервом и сердцем. Он наполнял физиологическим раствором сосуды сердца лягушки и стимулировал блуждающий нерв, вызывая замедление сердцебиений. Когда жидкость из заторможенного стимуляцией сердца была перенесена на второе нестимулированное сердце, оно в результате такого воздействия также начинало биться медленнее. Было очевидно, что стимуляция блуждающего нерва вызывала освобождение в раствор тормозящего вещества. В последующих экспериментах Леви и его коллеги показали, что ацетилхолин полностью воспроизводил эффекты этого вещества.

Удивительно, что идея этого эксперимента пришла Леви во сне, он записал ее, но поутру не смог разобраться в том, что написал ночью. К счастью, сон повторился, и в этот раз Леви не стал рисковать: он помчался в лабораторию и поставил этот эксперимент. Вот как он вспоминает эту ночь: По серьезному размышлению, в холодных лучах утреннего света, я бы никогда не поставил этого эксперимента. То, что блуждающий нерв может освобождать тормозящее вещество, было очень маловероятно; еще менее вероятным было то, что химическое вещество, которое предположительно должно было действовать на коротком расстоянии между нервным окончанием и мышцей, освобождалось бы в таком большом количестве, что сохраняло бы эффективность после разведения в перфузирующей жидкости.

В начале 1930-х годов роль ацетилхолина в синаптической передаче в ганглиях вегетативной нервной системы была окончательно установлена Фельдбергом и его сотрудниками. Дейл, британский физиолог и фармаколог, установил роль ацетилхолина при передаче возбуждения в нервно-мышечном синапсе.

Принципиальным отличием химического синапса является передача раздражения с пресинапса на постсинапс при помощи биологически активных веществ, называемых медиаторами (трансмиттерами). В связи с этим появляются и отличия в морфологии химического синапса.

4.3.1. Пресинаптическая область обязательно содержит везикулы (замкнутые в собственные мембраны полости); их вид, размеры и содержимое определяют тип синапса. Разные везикулы могут содержать медиатор, модулятор действия медиатора и нейросекрет; способны к перемещениям.

Предполагается, что вещество, предшественник медиатора попадает в нервную клетку или в нервное окончание из крови или из церебральной/цереброспинальной жидкости, подвергается биохимическим превращениям при участии ферментов, транспортируется в область пресинапса. Некоторые медиаторы (например ацетилхолин) синтезируются в цитоплазме синаптического окончания, и там же молекулы медиатора депонируются в синаптических пузырьках. Ферменты, необходимые для синтеза медиатора, образуются в теле нейрона и доставляются в синаптическое окончание путем медленного антероградного (0,2 – 1 мм/сут) аксонного транспорта. Другие медиаторы (пептиды и др.) синтезируются и упаковываются в везикулы в теле нейрона, готовые синаптические пузырьки доставляются в синаптичекую бляшку за счет быстрого (200 – 400 мм/сут) аксонного транспорта. Синтез медиатора и образование синаптических пузырьков осуществляются непрерывно. Энергообеспечение этого процесса берут на себя митохондрии, находящиеся здесь же. Везикулы проходят ряд стадий созревания перед секрецией медиатора.

Перемещения везикул в пресинапсе осуществляются при участии нейрофиламентов. Особая роль в сближении синаптических везикул с мембраной принадлежит синапсинам – молекулам фосфопротеинов, обильно покрывающих поверхность синаптических пузырьков. В зрелых нейронах наиболее сильно экспрессированы синапсины 1 и 2. Синапсин 3 обнаруживается в значительной концентрации при развитии мозга, после чего его экспрессия снижается. В дефосфорилированной форме синапсины присоединяются к синаптическим пузырькам и запускают полимеризацию F-актина (нейрина), а фосфорилирование вызывает их отсоединение от пузырьков. В ряде клинических исследованиях доказывается, что ген SYN2 (находящийся в третьей хромосоме и кодирующий белок синапсин 2) может быть ассоциирован с шизофренией – полиморфным психическим расстройством, для которого характерны отклонения в восприятии и/или отражении реальности.

Пусковым механизмом высвобождения медиатора в синаптическую щель является потенциал действия на пресинаптическом нервном окончании. Для активации экзоцитоза медиатора необходимы ионы Са²⁺, находящиеся во внеклеточном матриксе в достаточно большом количестве. Экспериментально доказано, что в случае отсутствия Ca²⁺ в окружающей синапс среде передача возбуждения становится невозможной. В состоянии покоя кальциевые каналы пресинаптической мембраны закрыты, уровень Са²⁺ в синаптическом окончании низок и выделения медиатора практически не происходит. Приход в синаптическое окончание волны деполяризации приводит к открытию потенциалчувствительных кальциевых каналов. Ионы Са²⁺ поступают в цитоплазму синаптического окончания и взаимодействуют с кальмодулином. Сам кальмодулин не проявляет ферментативной активности, но является интегральной субъединицей целого ряда ферментов: протеинкиназы, протеинфосфатазы, фосфодиэстеразы (в клетках организма способен связывать и активировать более 40 мишеней). Под действием комплекса Ca²⁺-кальмодулин фосфорилированный синапсин 1 разрывает связь синаптического пузырька с F-актином. Это начальный этап миграции синаптического пузырька.

Существует два механизма экзоцитоза медиатора. В первом случае всё содержимое везикулы оказывается в синаптической щели: медиатор, АТФ, ионы, ассоциированные белки и ферменты и пр. Но есть и другой принципиальный механизм высвобождения медиатора – экзоцитоз без полного слияния, с частичным освобождением (kiss and run – от англ. «поцеловал и убежал»). Он характеризуется формированием временной поры (канала) в пресинаптической мембране, сообщающей полость везикулы с синаптической щелью. В этом случае через нее по градиенту концентрации медиатор будет диффундировать в синаптическую щель только тогда, пока пора будет находиться в открытом состоянии, а везикула при каждом контакте с пресинаптической мембраной теряет только часть своего содержимого и может многократно участвовать в экзоцитозе. Пора обладает селективностью, и другие ингредиенты везикулы при этом виде экзоцитоза в синаптическую щель не выделяются.

Молекулярные механизмы прикрепления синаптических пузырьков к пресинаптической мембране и образования поры могут быть различны. Они осуществляются взаимодействиями различных везикулярных и мембранных белков. Например, в образовании прикрепительного комплекса участвуют везикулярные белки (синаптотагмин и синаптобревины) и белки плазматической мембраны нервного окончания (синтаксины и нейрексины). Какие белки – плазматические или везикулярные – образуют пору слияния до сих пор не ясно. Предположительно, это синаптофизин (имеющий и другие функции) и белок плазматической мембраны физофилин. Слиянию мембраны везикулы с плазмалеммой способствует фактор роста нервов.

Секреция нейромедиатора осуществляется в специализированных участках пресинаптического нервного окончания – активных зонах – участках утолщения пресинаптической мембраны. Количество активных зон в нервно-мышечном синапсе достигает 30 – 40, в межнейронных синапсах – около десятка. Активные зоны расположены против скоплений рецепторов в постсинаптической мембране, что уменьшает задержку в передаче сигнала, связанную с диффузией нейромедиатора в синаптической щели.

Синаптическая щель имеется между пре- и постсинаптическими мембранами. Величина щели неодинакова в различных синапсах. Так, в нервно-мышечном окончании, где медиатором является ацетилхолин, ширина синаптической щели достигает 30 нм. Пространство синаптической щели заполнено межклеточной жидкостью, а в нервно-мышечном окончании коллоидом (поэтому часто синаптическую щель в нервно-мышечном окончании рассматривают как базальную мембрану).

4.3.2. Постсинаптическая область. Постсинаптическая мембрана содержит на своей поверхности рецепторы – белки, обладающие большим сродством к медиатору. Определенному типу медиатора соответствует определенный тип рецептора, например, в нервно-мышечном окончании – холинорецепторы, они распознают медиатор в окружающей среде и вступают с ним во взаимодействие, образуя комплекс медиатор-рецептор. В результате этого взаимодействия происходят структурные изменения на постсинаптической мембране, изменяется ионная проводимость через соответствующий ионный канал. Через мембрану начинает протекать ионный ток, что приводит к возникновению на ней постсинаптического потенциала. В зависимости от специфики открытых ионных каналов возникает возбудительный (открываются каналы для ионов натрия и калия) или тормозной (открываются каналы для ионов хлора) постсинаптический потенциал. Вследствие этих процессов возникает деполяризация или гиперполяризация постсинаптической мембраны, соответственно.

Постсинаптические потенциалы по своим свойствам более напоминают процессы местного возбуждения, чем потенциал действия. Они не имеют тенденции к активному распространению, т.е. не являются самоподкрепляющимися процессами. Зависят от количества выделенного медиатора, следовательно, градуальны. Отдельные потенциалы способны суммироваться в пространстве и во времени. Деполяризация постсинаптической мембраны наступает только при достаточном количестве выделенного медиатора. Так, в нервно-мышечном окончании при экзоцитозе одного кванта медиатора из пресинапса рецептор постсинаптического компонента взаимодействует приблизительно с 1700 молекулами ацетилхолина. Однако это слишком ничтожная доза чтобы вызвать деполяризацию всего постсинапса, последняя развивается только при выделении около 3,5 тысяч квантов медиатора ацетилхолина. Исследования показали, что в организме существуют два типа рецепторов к ацетилхолину: один успешно связывает никотиновую кислоту, а другой – мускарин (вещество, которое выделено из гриба рода Muscaris). На мышцах нашего тела находятся рецепторы никотинового типа к ацетилхолину, тогда как на сердечной мышце и нейронах головного мозга – рецепторы к ацетилхолину мускаринового типа.

Кроме ацетилхолина в качестве медиатора могут выступать также: аминокислоты – глутамат, глицин, аспартат, -аминомасляная кислота (ГАМК); биогенные амины – дофамин, норадреналин, адреналин, серотонин, гистамин; производные пурина – АТФ, АДФ, АМФ, аденозин; пептиды – энкефалины, эндорфины, вещество Р, соматостатин, вазоинтестинальный пептид и многие другие.

По строению и принципу действия рецепторы делятся на два типа:

1) Ионотропные (каналообразующие) рецепторы связанные с ионным каналом. Ионный канал и место связывания медиатора находятся на одной белковой молекуле. В этом случае результатом образования комплекса медиатор-рецептор является открытие ионного канала и изменение проницаемости постсинаптической мембраны для ионов, как мы только что рассмотрели на примере ацетилхолина. Такой механизм синаптических процессов называется первым типом синаптической передачи информации.

2 ) Метаботропные (каталитические) рецепторы, в которых через белок-рецептор активируется цепочка внутриклеточных ферментативных реакций (рис. 12). При этом происходит изменение метаболических процессов через системы внутриклеточных посредников (мессенджеров). Такой механизм обеспечивает второй тип синаптической передачи. По метаботропному типу функционируют и уже упомянутые ранее рецепторы пресинаптической мембраны. Они также могут взаимодействовать с медиатором, осуществляя регулирование процессов экзоцитоза по принципу обратной связи.

Рис. 12. Принципиальная схема метаботропного рецептора (По Зефиров А.Л. и др., 2003).

Второй тип синаптической передачи широко распространен в синапсах, где медиаторами являются биогенные амины (дофамин, серотонин, адреналин и др.). Здесь развивается следующая последовательность событий. После того как образовался комплекс медиатор-рецептор (на рис. 12 обозначен как R-белок), активируется специальный мембранный G-белок. Он представляет собой олигомер, состоящий из трех субъединиц с общей молекулярной массой порядка 60 – 100 кД. В неактивном состоянии G-белок обычно связан с молекулой ГДФ. При взаимодействии с комплексом медиатор-рецептор ГДФ фосфорилируется до ГТФ и конфигурация G-белка меняется. Именно в состоянии комплекса с ГТФ G-белок способен быть активатором следующего компонента системы – фермента, образующего вторичный мессенджер.

Одна молекула медиатора при связывании с рецептором может активировать много молекул G-белка, и это усиливает эффект медиатора. Вторичные мессенджеры могут запускать в клетке многие биохимические реакции, связанные с синтезом, например синтезом белка. В этом случае электрический потенциал на мембране нейрона не возникает.

Какие же молекулы играют роль вторичных посредников – мессенджеров? Дело в том, что в отличие от первичных посредников – гормонов и медиаторов, ряд достаточно крупных молекул нейротрансмиттеров не в состоянии проникнуть внутрь клетки мишени. Для реализации физиологического эффекта этих молекул необходимо образование других внутриклеточных молекул – посредников. В их качестве выступают Са²⁺, цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфат и диацилглицериды, что приводит к активации соответствующих пулов протеинкиназ: цАМФ-зависимых протеинкиназ (протеинкиназа А); цГМФ-зависимых протеинкиназ (протеинкиназа G); Са²⁺-кальмодулин-зависимых протеинкиназ (протиенкиназа В) и Са²⁺-фосфолипид-зависимых протеинкиназ (протеинкиназы С). Активация протеинкиназ ведет к фосфорилированию регуляторных белков-мишеней в клетках возбудимых тканей и тем самым модулирует функциональную активность этих клеток.

Таким образом, постсинаптическая область принимает активное участие в реализации функций синапса. Пластичность структурных компонентов существенно влияет на трансформацию сигнала и пути его дальнейшего распространения.

Литература

Основная

Воронова Н.В., Климова Н.М., Менджерицкий А.М. Анатомия центральной нервной системы. М.: Аспект пресс, 2005.

Зефиров А.Л., Черанов С.Ю., Гиниатуллин Р.А., Ситдикова Г.Ф., Гришин С.Н. Медиаторы и синапсы. Казань: Изд-во КГМУ, 2003.

Мотавкин П.А. Введение в нейробиологию. Владивосток: Медицина ДВ, 2003.

Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Аспект Пресс, 2000.

Дополнительная

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., Пер. с англ.-М.: Мир, 1994.

Богданов А.В. Физиология центральной нервной системы. М.: Изд-во УРАО, 2002.

Моренков Э. Д. Морфология мозга человека. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978.

Немечек С., Лодин З., Вольф И.Р., Выскочил Ф., Байгар. И. Введение в нейробиологию. ЧССР Прага: Мед. изд-во Авиценум. Изд-е 1-ое русское – 1978.

Николс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер. с англ. П.М. Балабана, А.В.Галкина, Р.А. Гиниатуллина, Р.Н.Хазипова, Л.С.Хируга. – М.: Едиториал УРСС, 2003.

Корнев М.А., Кульбах О.С. Основы строения центральной нервной системы. С-Пб.: Фолант, 2002.

Коновалов А Н., Блинков С М., Пуцило М.В. Атлас нейрохирургической анатомии. М., 1990.

Оленев С Н. Развивающийся мозг. Л., 1979.

Савельев С.Д. Стереоскопический атлас мозга человека. М.: Area XVII, 1996.

Сапелкин А А. Анатомия человека. Владивосток. Изд-во ДВГУ, 2001.

Шаде Дж., Форд П. Основы неврологии. М., 1976.

Хэм А., Кормак Д. Гистология. Т.3. М.: Мир, 1983.

Учебное издание