6.6. Передача сигналов в химических синапсах

 

В большинстве синапсов нервной системы для передачи сигналов от пресинаптического нейрона на постсинаптический используются химические вещества — медиаторы. В этом разделе мы подробно рассмотрим последовательность событий при такой химической передаче. Схематично эта последовательность приведена на рис. 6–15.

 

 

Рис. 6.15. Последовательность событий, происходящих в химическом синапсе от момента возбуждения пресинаптического окончания до возникновения ПД в постсинаптической мембране.

 

 

После поступления ПД к пресинаптическому окончанию (вверху) происходит деполяризация мембраны этого окончания, активируются кальциевые каналы и в окончание входит Са²⁺ . Повышение [Ca²⁺]_i инициирует экзоцитоз везикул, наполненных медиатором. Содержимое везикул высвобождается во внеклеточное пространство, и часть молекул медиатора, диффундируя, связывается с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. В результате происходит активация ионных каналов, связанных с этими молекулами, и переход по каналам соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам, порождает постсинаптический ток, под действием которого возникает постсинаптический потенциал. Если этот потенциал превосходит пороговый, возникает ПД. Химическая передача возбуждения более гибкая, чем электрическая, поскольку этом без труда может осуществляться как возбуждающее, так и тормозное действие. Кроме того, при активации постсинаптических каналов химическими агентами может возникать достаточно сильный ток, способный деполяризовать крупные клетки, поэтому при химической передаче мелкие пресинаптические волокна могут возбуждать большие постсинаптические клетки. В течение первых шести десятилетий нашего века среди ученых шли споры о наличии химической передачи и медиаторов. Первые прямые данные в пользу существования химического медиатора были получены Отто Леви (1921). Он обнаружил, что при торможении деятельности сердца лягушки путем раздражения блуждающего нерва из сердца выделяется вещество, под действием которого частота сокращений сердца другой лягушки также уменьшается. Работы, последовавшие за открытием Леви, увенчались тем, что была установлена природа медиатора постганглионарных нейронов блуждающих нервов (см. рис. 8–11, Б) и мотонейронов, иннервирующих скелетные мышцы у позвоночных. Этим медиатором оказался ацетилхолин (АцХ). С тех пор был обнаружен ряд других медиаторов и получено множество новых данных об их действии.

 

6.6.1. Строение химических синапсов

 

Химическая передача сигналов осуществляется через синаптическую щель – область внеклеточного пространства шириной около 20 нм, разделяющую мембраны пре– и постсинаптических клеток (рис. 6–12, Б). В пресинаптическом окончании содержатся синаптические везикулы (рис. 6–16, 6–17)  – мембранные пузырьки диаметром порядка 50 нм, в каждом из которых заключено 1·10⁴ – 5·10⁴ молекул медиатора. Число таких пузырьков в пресинаптических окончаниях составляет несколько тысяч. Так, во всех веточках окончания, иннервирующего одиночное мышечное волокно лягушки, обычно содержится около 10⁵ синаптических пузырьков. При передаче сигнала медиатор высвобождается в синаптическую щель и диффундирует к постсинаптической мембране. Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, «склеивающим» пре– и постсинаптическую мембраны. В области синапса эти мембраны обычно несколько утолщены.

 

Рис. 6.16. Поперечный срез синаптического окончания в электрическом органе ската Torpedo; препарат получен методом замораживания – скалывания. В окончании видны синаптические пузырьки; два из них были заморожены в тот момент, когда они вскрывались в синаптическую щель. Увеличение 40000. (Nickel, Potter, 1970.)

 

Рис. 6.17. Двигательная концевая пластинка (нервно–мышечное соединение) лягушки. А. Снимок цельного  препарата под световым микроскопом. Видно двигательное волокно (идет в направлении сверху), разветвляющееся вправо и влево по поверхности мышечной клетки. С помощью специфической гистохимической реакции  ацетилхолинэстераза на постсинаптической (мышечной) мембране была окрашена в черный цвет. Б. Электронная микрофотография области двигательной концевой пластинки. Мышечная клетка (в ней видна поперечная исчерченность миофибрилл) расположена внизу. В мембране мышечной клетки образуются многочисленные впячивания – так называемые субнейрональные складки. Над мышечным волокном проходит окончание аксона (здесь виден его продольный срез), в котором содержатся бледные синаптические пузырьки, группирующиеся над участками утолщения пресинаптической мембраны и образующие так называемые активные зоны. Над пузырьками видны более темные гранулы и митохондрии. Синаптическая щель заполнена аморфным мукополисахаридом. (МсМаhan at al., 1972.)

 

Рис. 6.18. Трехмерная реконструкция двигательной концевой пластинки лягушки по данным электронной микроскопии. Нервное окончание лежит в углублении на поверхности мышечного волокна. В этом углублении имеются поперечные субнейрональные складки (сс), над которыми располагаются активные зоны (аз) нервного окончания, богатые синаптическими пузырьками (сп). Окончание покрывает шванновская клетка (Ш), от которой под это окончание протягиваются тонкие отростки. (Для сравнения см. рис. 6–17.) (Peper et al., 1974.)

 

 

Наиболее полно изучено синаптическое проведение через нервно–мышечный синапс, или концевую пластинку скелетных мышц позвоночных (рис. 6–17), в частности портняжной мышцы лягушки (строго говоря, термин «концевая пластинка» не совсем точно описывает строение нервно–мышечного синапса у земноводных; первоначально он был применен к нервно–мышечному соединению млекопитающих, которое действительно было компактно и больше похоже на пластинку, чем у земноводных).Проведение возбуждающих сигналов в нейронах ЦНС, за исключением различий в природе медиаторов и некоторых количественных особенностей, осуществляется так же, как и в нервно–мышечном синапсе. На примере этого синапса мы и рассмотрим механизм химического проведения.

Обратимся к рис. 6–17 и трехмерной реконструкции двигательной концевой пластинки лягушки, приведенной на рис. 6–18. Из этих рисунков видно, что нервно–мышечный синапс состоит из специализированных участков постсинаптической мембраны, окончания двигательного нерва и шванновских клеток. От окончания нерва отходят ветви толщиной около 2 мкм, каждая из которых лежит в продольном углублении поверхностной мембраны мышечного волокна. Мембрана, выстилающая это углубление, с периодичностью 1–2 мкм образует поперечные субнейрональные складки. В участках нервного окончания, расположенных непосредственно над этими складками, имеются так называемые активные зоны –поперечные участки с несколько утолщенной пресинаптической мембраной, над которыми скапливаются синаптические пузырьки. Есть указания на то, что пузырьки выделяются из активных зон путем экзоцитоза; в пользу этого говорят электронно–микроскопические данные, такие, например, как на рис. 6–16. Выделение медиатора из пресинаптического окончания начинается под действием поступающего к этому окончанию ПД. Высвободившийся медиатор (в нервно–мышечном синапсе позвоночных это ацетилхолин) гидролизуется ацетилхолинэстеразой (АцХЭ). Этот фермент можно обнаружить гистохимическими методами (рис. 6–17). Оказалось, что в нервно–мышечном синапсе лягушки он располагается в области субнейрональных складок. Еще до гидролиза АцХ связывается с рецептором в постсинаптической мембране концевой пластинки, в результате чего на короткое время открываются расположенные рядом с этими рецепторами каналы, более или менее избирательно проницаемые для Na⁺ и К ⁺ .