Процесс высвобождения медиатора

Фактор, выполняющий медиаторную функцию, вырабатывается в теле нейрона и оттуда транспортируется в окончания его аксона, где в основном происходит его депонирование. Содержащийся в пресинаптических окончаниях медиатор должен выделиться в синоптическую щель, чтобы воздействовать на рецепторы постсинаптической мембраны, обеспечивая транссинаптическую передачу сигналов.

Еще до того, как были выяснены многие существенные особенности процесса высво­бождения медиатора, было установлено, что пресинаптические окончания могут изменять состояние спонтанной секреторной активности. Выделяемые постоянно небольшие порции медиатора вызывают в постсинаптической клетке так называемые спонтанные миниатюрные пост синоптические потенциалы. Открытие спонтанного, т. е. не связанного с приходом нервного импульса, выделения медиатора помогло установить важнейшую особенность механизма его высвобождения — дискретный, квантовый характер. Дискретность процесса высвобождения выражается в том, что медиатор выходит из окончания не диффузно, не в виде отдельных молекул, а в форме многомолекулярных порций (или квантов), в каждой из которых содержится несколько тысяч молекул.

Постсинаптические эффекты, вызываемые в нервных клетках спонтанно выделяющи­мися квантами медиатора, наблюдаются особенно отчетливо в условиях, когда им­пульсная активность пресинаптических волокон искусственно подавлена, например, с помощью тетродотоксина — яда, избирательно блокирующего потенциалзависимые натриевые каналы мембраны, что устраняет возможность генерации потенциала дей­ствия. На рис. 64 показано, что после устранения импульсной активности спонтанные миниатюрные Постсинаптические потенциалы продолжают возникать через нерегулярные интервалы времени.

Приходящий в пресинаптическое окончание нервный импульс резко увеличивает высвобождение квантов медиатора. Возникающий в результате одновременного высвобождения многих квантов постсинаптический ответ, таким образом, представляет собой вызванный постсинаптический потенциал. Деполяризация пресинаптической мембраны является необходимым условием для высвобождения медиатора. Установле­но, что такая деполяризация будет неэффективной, если в окружающей нейроны среде отсутствуют ионы кальция.

Действительно, если изолировать участок мозга и перфузировать его искусственным раство­ром, то при сохранении обычного ионного состава перфузирующей жидкости синаптическая передача в изолированном мозге не будет отличаться от передачи в условиях целого мозга и нор

Рис. 64. Спонтанные миниатюрные постсинаптические потенциалы, зарегистрированные при помощи внутриклеточного микроэлектрода в мотонейроне изолированного спинного мозга котенка.

а — при перфузии изотоническим раствором хлорида натрия; б — после выключения импульсной активности тетро до токсином.

мального кровообращения. Удаление из перфузата ионов Са⁺ и особенно замена этих ионов на ионы Mg⁺ или Mn⁺, не влияя на спонтанное высвобождение квантов медиатора, прекращает высвобождение квантов медиатора нервными импульсами. Это особенно наглядно демонстрируют опыты на изолированном спинном мозге лягушки, поскольку здесь первичные афферентные волокна образуют смешанные синапсы со спинальными мотонейронами и возбуждающие постсинаптические потенциалы, возникающие в мотонейроне при раздражении одного такого афферентного волокна, содержат электрический и химический компоненты (рис. 65). Электрический компонент, отражаю­щий возникновение потенциала действия в пресинаптическом окончании, не изменяется после удаления кальция из раствора. Напротив, медиаторный компонент полностью утрачивается. Таким образом, Са²⁺ является необходимым для процесса высвобождения медиатора нервным импульсом. При отсутствии Са²⁺ связь между деполяризацией пресинаптической мембраны и высвобождением медиатора (электросекреторная связь) нарушается. Роль кальция в этом процессе связана с тем, что деполяризация, создаваемая нервными импульсами, приводит к активации потенциалзависимых кальциевых каналов пресинаптической мембраны. Ионы Са, поступая внутрь пресинаптического окончания, обеспечивают выход квантов медиатора в синаптическую щель. Ионы Mg и Mn, блокируя потенциалзависимые кальциевые каналы мембраны, нарушают процесс высвобождения медиатора даже при наличии ионов Са в среде, окружающей клетки.

Ионы Са также участвуют и в спонтанном выбросе квантов медиатора, так как факторы, способствующие увеличению концентрации Са²⁺ внутри нервных окончаний, например некоторые метаболические ингибиторы, вызывают повышение частоты спонтанных миниатюрных потенциалов.

Дискретный, квантовый характер высвобождения медиатора нервным импульсом в синапсах ЦНС подтверждается результатами статистического анализа распределения амплитуд постсинаптических потенциалов, вызываемых раздражением одиночного пресинаптического волокна.

В разных синапсах ЦНС эффекты, вызываемые в постсинаптической мембране одиночным квантом медиатора, и средний квантовый состав, т. е. число квантов медиатора, освобождаемых в среднем нервным импульсом, значительно варьируют. Так, в синапсах между окончаниями первичных афферентных волокон и мотонейронами спинного мозга величина деполяризации, вызы­ваемая одним квантом медиатора, обычно составляет 50—100 мкВ, а число квантов, высвобожда­емых окончаниями одного волокна на данном мотонейроне, обычно не превышает 5—10, а часто бывает значительно меньше. В синапсах между некоторыми клетками коры мозжечка средний квантовый состав может достигать нескольких сотен.

Рис. 65. Схема опыта, позволяю­щего регистрировать постсинап-тические ответы в мотонейроне изолированного спинного мозга лягушки при раздражении оди­ночного пресинаптического во­локна (а). Кривые (1, 2) иллю­стрируют влияние удаления каль­ция на химический компонент та­кого элементарного постсинапти-ческого ответа.

Электросекреторная связь. Электронно-микроскопические исследования показали, что пресинаптические окончания всегда содержат синаптические пузырьки или везикулы, каждая из которых содержит один квант медиатора. Действительно, имеются убедитель­ные биохимические данные, что вещества, рассматриваемые в качестве химических ме­диаторов, содержатся в синаптических пузырьках. Более того, расчеты количества медиатора, содержащегося в одном пузырьке, и количество молекул медиатора, необхо­димых для создания постсинаптического эффекта, аналогичного действию одного кванта, совпадают. Таким образом, совокупность имеющихся данных свидетельствует о том, что как спонтанные миниатюрные постсинаптические потенциалы, так и постсинаптические потенциалы обусловлены выходом в синаптическую щель медиатора, содержащегося в синаптических пузырьках. Этот процесс (экзоцитоз) заключается в том, что пузырек, подойдя к внутренней поверхности мембраны пресинаптического окончания при наличии Са²⁺, сливается с пресинаптической мембраной. В результате происходит опорожнение пузырька в синаптическую щель. После спадения пузырька окружающая его мембрана включается в мембрану пресинаптического окончания, увеличивая его поверхность. В дальнейшем (в результате 'процесса эндоцитоза} небольшие участки пресинаптической' мембраны впячиваются внутрь, вновь образуя пузырьки, которые впоследствии снова способны включать медиатор и вступать в цикл его высвобождения.

Участие Са²⁺ в процессе высвобождения медиатора нервным импульсом определяет ряд важных специфических особенностей работы синапсов с химическим механизмом передачи. Такое характерное свойство химических синапсов, как синоптическая задерж­ка, определяется главным образом временем, необходимым для вхождения Са ²⁺ внутрь пресинаптического окончания. Накопление Са ²⁺ внутри пресинаптического окончания в результате предшествующего поступления улучшает эффективность работы химическо­го синапса. Если интервал между последовательным возникновением потенциалов действия в пресинапсе невелик, каждый последующий потенциал вызывает высвобожде­ние большего числа квантов медиатора, что проявляется увеличением амплитуды постсинаптических потенциалов. Это явление временного облегчения или потенциации можно связать с накоплением Са²⁺ в пресинаптическом окончании. Такую же природу имеет и посттетаническая или постактивационная потенциация: увеличение числа кван­тов медиатора, высвобождаемых нервным импульсом, после предшествующего ритмического раздражения. Посттетаническая потенциация может длиться от нескольких минут до многих часов (в синапсах гиппокампа) и играть важную роль в пластических изменениях функции синапсов.