клетках миокарда при аппликации АцХ выявлены K+-токи (рис. 5.15А).

При связывании АцХ с мускариновым рецептором активируется G-белок на внутренней стороне клеточной мембраны. В результате внутриклеточный ГТФ расщепляется до ГДФ и фосфата. G-бе- лок распадается на βγ- и α-субъединицы. βγ-Субъ-

единица диффундирует во внутриклеточный слой мембраны и там связывается с K+-каналом. Через 30–100 мс после связывания АцХ с рецептором K+-канал открывается; задержка обусловлена диффузией βγ-субъединицы ближе к каналу.

Связывание при участии вторичных посредников (second messengers). K+-канал мускаринового рецептора открывается при связывании АцХ

сβγ-субъединицей G-белка (рис. 5.15). Синапти-

ческие рецепторы, сопряженные с G-белком, могут осуществлять свои функции также при участии цитоплазматических вторичных посредников —

цАМФ или IP3 (разд. 2.3).

Примером служит β-адренергическая передача

в синапсах симпатического нерва в миокарде. При связывании медиатора норадреналина с β-адрено-

рецептором происходит запуск сигнального каскада

собразованием цАМФ. Протеинкиназа А, активированная цАМФ, фосфорилирует Са2+-каналы, повышая вероятность их открывания. В результате входа Са2+ увеличивается частота импульсов, генерируемых водителем сердечного ритма (пейсмекером) и соответственно возрастает частота сокращений сердца.

Ионотропное и метаботропное действие ли-

гандов. При повышении внутриклеточной концентрации ионов Са2+ вследствие их входа из внешней среды либо поступления из саркоплазматического ретикулума возрастает сократительная сила миофибрилл. Постсинаптический эффект, опосредуемый G-белком, может быть реализован благодаря различным механизмам, таким как открывание ионных каналов или повышение сократительной силы миофибрилл. Прямое влияние на ионные каналы, вызывающее их открывание, называется ионотропным, а непрямое влияние через изменения внутриклеточных функций — метаботропным.

синтеза NO служит повышение концентрации Са2+ в клетках, например при открывании ионных каналов возбуждающих глутаматергических синапсов в ЦНС или в результате высвобождения Са2+ из внутриклеточных запасов, опосредуемого инозитолтрифосфатом (IP3). Когда Са2+ связывается с кальмодулином, возрастает активность NOS и при взаимодействии NOS с аргинином образуется NO. Оксид азота очень быстро распространяется в клетках, а также может диффундировать через плазматическую мембрану в межклеточное пространство; среднее время полужизни NO составляет не более 5 с. В соседних клетках NO активирует гуанилатциклазу, обеспечивающую синтез медиатора цГМФ из ГТФ. В свою очередь, цГМФ регулирует открывание или закрывание ионных каналов, а также активирует цГМФ-зависимые протеинкиназы (аналогично влиянию цАМФ). Кроме того, цГМФ способствует секреции квантов медиатора из нервных окончаний. Вызываемое NO расширение сосудов можно рассматривать в качестве физиологической основы для визуализации активных областей головного мозга с использованием метода функциональной магнитно-резонансной томографии.

Коротко

Лигандуправляемые ионные каналы

Существуют различные типы трансмембранных ионных каналов, управляемых лигандами. В ионных каналах непосредственного сопряжения с лигандами связывание медиатора с постсинаптическим рецептором приводит к открыванию ионных каналов, принадлежащих этому рецептору (например, никотиновый АцХ-рецептор). В каналах непрямого сопряжения с лигандами связывание медиатора с рецептором приводит к активации G-белка. G-белок либо связывается с молекулой канала (например, мускариновый АцХ-рецептор), либо воздействует на молекулы канала опосредованно через ферментные цепи и вторичные мессенджеры, такие как цАМФ или NO (например, адренергическая передача). Наряду с ионотропным эффектом (открывание канала) осуществляется метаботропное влияние лигандов на внутриклеточные функции через вторичные мессенджеры.

Газообразные медиаторы

!Посредником между синаптическими рецепторами и каналами или другими функциональными структурами может служить оксид азота (NО).

Благодаря выделению оксида азота (NО) из клеток эндотелия осуществляется расслабление гладких мышц кровеносных сосудов (разд. 28.5). Кроме того, NO служит медиатором в межнейронных синапсах. Реакцию синтеза NO из аргинина катализирует синтаза оксида азота (NO-синтаза, NOS), ассоциированная с кальмодулином. Инициатором

5.6. Синаптическая пластичность

Долговременная потенциация

!Долговременная потенциация соответствует продолжительному повышению эффективности синаптической передачи.

Возможные механизмы научения. Основополагающую способность даже примитивных нервных систем составляет научение, т. е. изменение реакции нервной системы на основе опыта.

Долговременная депрессия (ДВД) — явление, по знаку противоположное ДВП, подробно исследованное в клетках Пуркинье, которым принадлежат эфферентные волокна из мозжечка. Эти клетки получают три входа (разд. 7.5). Когда два из трех входов, лиановидные (лазящие) волокна и параллельные волокна, возбуждаются одновременно, то передача сигналов от параллельных волокон к клеткам Пуркинье на несколько часов блокируется вследствие развития ДВД.

Рис. 5.17. Долговременная потенциация и морфологические проявления синаптической пластичности. А. Продолжительность ранней и поздней фаз долговременной потенциации (ДВП). Б. Для поздней фазы ДВП характерны процессы транскрипции ДНК и синтеза белка в клеточном ядре. (По данным: Kandel et. al., 2001.) В. Через 60 мин после запуска ДВП в пирамидной клетке гиппокампа наблюдается рост дендритных шипиков

ДВД обусловлена одновременной активацией двух типов ионных каналов глутаматергических рецепторов. Первые из них относятся к классическому типу А/К-рецепторов и активируются при стимуляции лиановидных волокон. Возникает сильная деполяризация с интенсивным входом Са2+ в клетки. Если одновременно стимулируется другой вход, через параллельные волокна, то вследствие высокой концентрации выделенного глутамата активируются и метаботропные рецепторы. Они сопряжены с G-белком и запускают сигнальный каскад инозитолтрифосфата (IP3), обеспечивающего высвобождение Са2+ из внутриклеточных запасов. В клетках создается высокая концентрация Са2+, достаточная для активации синтеза NO (аналогично рассмотренной выше ситуации при развитии ДВП). В свою очередь, NO способствует образованию цГМФ; развивается продолжительная десенситизация рецепторов А/К-типа и как следствие — ДВД.

Динамическая регуляция и пластичность синапсов

!В некоторых синапсах высокочастотные серии им- пульсов порождают ДВП, а низкочастотные — ДВД.

Роль последовательности синаптических событий. Реализация одной либо другой формы долговременной пластичности (ДВП либо ДВД) может зависеть от соотношения между активностью синаптических входов и самой постсинаптической клетки (разд. 10.2, Хеббовский синапс). Ретроградное проведение ПД (рис. 5.7) осуществляет «контроль результата» даже в дистальных дендритах. Если слабый вход (который сам по себе не вызывает ПД в постсинаптической клетке) задействован незадолго до сильного входа (вызывающего ПД), то можно ожидать развитие ДВП (рис. 5.18, слева). В случае обратной последовательности событий итогом активации слабого входа становится ДВД (рис. 5.18, справа). В иных синапсах эффект (выбор между ДВП и ДВД) может быть противоположным. Это наблюдение свидетельствует, насколько существенна последовательность синаптических событий в определении формы пластичности.

Пластичность и онтогенез. Степень пластичности синапсов зависит от стадии развития нервной системы. Обычно незрелые синаптические входы более пластичны, чем зрелые. По мере созревания нервной системы количество синапсов уменьшается (рис. 5.19). Как показано на рисунке, к моменту рождения мыши два аксона образуют окончания на волокне скелетной мышцы. Одно нервное окончание продолжает свой рост в течение нескольких дней, остальные деградируют. В созревании синапсов важным фактором является также соотношение между активностью синаптических входов и электрическим ответом постсинаптической клетки.

Рис. 5.18. Центральная регуляция результативности периферических синапсов. Изменение амплитуды ВПСТ (ось ординат) в зависимости от задержки между ВПСТ и генерацией потенциала действия (ось абсцисс). Слева: стимуляция подпорогового входа за короткое время до активации надпорогового входа (т. е. ПД генерируется после ВПСТ) обеспечивает индукцию ДВП. Справа: Стимуляция надпорогового входа до активации подпорогового входа (т. е. ПД генерируется до ВПСТ) инициирует ДВД подпорогового входа

Коротко

Синаптическая пластичность

Две формы долгосрочных изменений эффективности синаптической передачи считаются возможными механизмами научения. Долговременная потенциация (ДВП) развивается в случае сильной активации синаптического входа серией высокочастотных потенциалов действия. В такой ситуации повышенная эффективность постсинаптической клетки может сохраняться в течение нескольких дней. Долговременная депрессия (ДВД) означает продолжительное снижение эффективности синаптической передачи. В некоторых синапсах при сериях высокочастотных импульсов наблюдается ДВП, а при низкочастотных — ДВД. Таким образом, обеспечивая продолжительное усиление или уменьшение эффективности синапсов, ЦНС, ДВП и ДВД могут участвовать в процессе научения.

5.7. Электрическая синаптическая передача

Электрические синапсы

!В электрических синапсах ток переходит от пресинаптической клетки через нексус (щелевой контакт, gap junction) непосредственно к постсинаптической клетке, вызывая постсинаптический потенциал.

Рис. 5.19. Элиминация синапсов (синаптический прунинг). Слева: концевая пластинка мыши в первый постнатальный день (День 0) с двумя аксонами (показаны синим и зеленым). Постсинаптические никотиновые рецепторы АцХ (показаны красным) компактно размещены в виде округлой фигуры. В центре: в течение нескольких дней один из аксонов (показан зеленым) берет на себя иннервацию мышечного волокна. Справа: через 2 недели (День 14) окончание синего аксона элиминируется

Электрическая связь. Принцип передачи возбуждения через щелевой контакт представлен на рис. 5.20А. Если с помощью микропипетки 1 пропускать деполяризующий ток через 1-ю клетку, то во 2-й клетке тоже возникнет деполяризация, хотя и менее значительная, чем в 1-й клетке. Это обусловлено локальным током связи (iсо), проходящим через каналы щелевого контакта. Ток связи может линейно зависеть от деполяризации мембраны ( Е) 1-й клетки (рис. 5.20Б), или же он обладает свойством выпрямления, т. е. проводится только при деполяризации 1-й клетки, но не при ее гиперполяризации (одностороннее проведение возбуждения, рис. 5.20В).

Деполяризация, передаваемая путем электрической связи, может превысить порог возбуждения в постсинаптической клетке (2-я клетка на рис. 5.20) и вызовет в ней потенциалы действия. Однако часто деполяризация не достигает уровня порога, и тогда возбуждение 2-й клетки может возникнуть только при суммации постсинаптических потенциалов, генерируемых в результате химической передачи либо электрической передачи сигналов от других клеток.

Отличительные особенности электрических синапсов. При передаче сигналов через химический синапс постсинаптические токи генерируются благодаря открыванию каналов постсинаптической мембраны и возникновению ионных градиентов в постсинаптической клетке. Электрические синапсы устроены иначе: источник постсинаптических токов находится в мембране пресинаптической клетки. Здесь отсутствует медиатор; следовательно, электрическую передачу не нарушают факторы, влияющие на высвобождение медиаторов и на их взаимодействие с постсинаптическими рецепторами. К таким факторам относятся снижение внеклеточной концентрации Са2+, а также ингибирование ферментов, инактивирующих медиаторы.

Щелевые контакты. Ионные токи между электрически связанными клетками проходят через узкие каналы (поры), окруженные белковыми комплексами — коннексонами. Структуры, состоящие из канала и коннексона, обеспечивают связь между мембранами пресинаптической и постсинаптической клетки; эти соединения называются нексусами или щелевыми контактами (gap junction) (рис. 5.20А). Коннексоны распределены регулярно

снебольшими промежутками. Каждый из них пронизывает преили постсинаптическую мембрану, причем коннексоны двух мембран противостоят друг другу таким образом, что их поры образуют единый сквозной канал. Каналы имеют довольно большую пропускную способность. Через них проходят малые ионы, а также крупные молекулы

смолекулярной массой от 1000 (диаметром примерно 1,5 нм). Каждый коннексон состоит из шести субъединиц с молекулярной массой примерно 25 кДа.

Щелевые контакты вне нервной системы

!Щелевые контакты обеспечивают соединение элементов функциональных синцитиев вне нервной системы.

Функциональные синцитии. Электрическая связь между клетками посредством щелевых контактов (gap junction) нередко наблюдается и вне нервной системы. Применительно к передаче возбуждения следует прежде всего упомянуть функциональные синцитии миокарда и гладкой мускулатуры. Здесь возбуждение переходит от клетки к клетке без задержки потенциала действия или снижения его амплитуды. Для этих органов имеет функциональное значение «управляемость» щелевых контактов: их каналы перекрываются при уменьшении рН или повышении концентрации Са2+ в клетке. Подобные процессы характерны при повреждениях или серьезных нарушениях метаболизма клеток. Следовательно, блокада щелевых контактов в патологической зоне синцития должна ограничивать пределы распространения некроза, например при инфаркте миокарда.

Наряду с упомянутыми выше возбудимыми клетками существует много иных клеточных образований, для которых свойственна связь через щелевые контакты, например все типы эпителия или клетки печени. Ассоциированное состояние является для клетки сущностно первичным. На ранних стадиях эмбрионального развития все клетки свя-