Химический синапс
Обратимся к химическим синапсам. Классическим модельным объектом здесь является возбуждающий нервно-мышечный синапс скелетной мускулатуры позвоночных, действующий с помощью медиатора ацетилхолина (АХ). Электрофизиология этого синапса подробно проанализирована в работах А. Ф. Самойлова, Куффлера, А. Г. Гинецинского и Катца. Этот и все известные химические синапсы в отличие от электрических характеризуются, а) относительно широкой синаптической щелью (20-80 им, т. е. 200-800 А) и б) относительно высоким (обычным) удельным электрическим сопротивлением контактирующих мембран. Их морфологической особенностью, кроме того, являются пресинаптические везикулы с медиатором (рис.6.4.). При таких структуре и свойствах синапса пресинаптический ПД не может петлей своего тока возбудить постсинаптическую клетку.
Рис.6.4. Схема работы возбуждающего химического синапса .
Дело в том, что ток, выходящий через пресинаптическую мембрану, здесь почти целиком уходит через широкую синаптическую щель мимо постсинаптической клетки, обладающей значительным входным сопротивлением . А очень небольшая часть этого тока, которая все же входит в постсинаптическую клетку, вызывает лишь ничтожное изменение ее МП. Суть работы химического синапса состоит в следующем. Пресинаптический ПД здесь работает как инициатор нейро-секреторного акта. При развитии ПД терминали (а также и при искусственной ее деполяризации) в нее из среды входят ионы кальция. А это стимулирует выброс медиатора из 100-200 пресинаптических везикул в синаптическую щель. Заметим, что выход медиатора очень сильно зависит от величины деполяризации терминали. Эта зависимость объясняет резкое снижение выхода медиатора при падении амплитуды ПД терминали. В нормальных условиях в ответ на нервный импульс освобождается около миллиона молекул АХ. Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, где для него имеются рецепторы (холинорецепторы- ХР). При взаимодействии АХ и ХР в постсинаптической мембране открываются многочисленные ионные каналы (D∼6,5A). Сопротивление этой мембраны падает в 4000 раз, что приводит к ее частичной деполяризации, т. е. к развитию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). В нервно-мышечном синапсе этот ВПСП называется потенциалом концевой пластинки (ПКП). ВПСП (ПКП), в свою очередь, создает ток, раздражающий соседнюю с постсинаптической злектровозбудимую мембрану мышечного волокна, что и порождает в ней ПД.
Рис.6.5. Формы основных электрических феноменов, регистрируемых в районе нервно-мышечного синапса при различных способах отведения.
а - схема внеклеточного отведения (по А . Ф. Самойлову),
б - форма записи ПД нерва ПКП и П мышцы при таком отведении,
в - схема внутриклеточного отведения,
Г - форма записи внутриклеточных ПКП и ПД мышцы.
Таким образом, химическое звено в синапсе выполняет функцию усилителя. Но синаптическая задержка в химическом синапсе составляет около 0,5 мс. Причем основная часть этого времени тратится на процесс секреции медиатора.
Химический синапс - это вентильный механизм, рабочий сигнал в нем передается односторонне (что не исключает обратных связей) (рис.6.5.).
ПКП - локальный потенциал, который злектротонически расползается по мембране с декрементом. С помощью внутриклеточных микроэлектродов и методики фиксации потенциала можно изучить токи, текущие через активируемую постсинаптическую мембрану (рис.6.6.). В подобных экспериментах, варьируя ионный состав среды, А. Такеучи и Н. Такеучи установили, что АХ открывает в постсинаптической мембране каналы, пропускающие катионы (Na+, K+), но не пропускающие анионы.
Позже, изучая ацетилхолиновый шум каналов постсинаптической мембраны, рассчитали проводимость одиночного канала (20-30 рмО), а также среднее время его жизни (∼1 мс).
Ток концевой пластинки (ТКП) и в клампе, и в обычных условиях представляет собой результат движения Na+ и К? по их электрохимическим градиентам.
Рис.6.6. Схема методики фиксации потенциала постсинаптической мышечной мембраны (а) и формы токов концевой пластинки при разных потенциалах мембраны (б).
1 - запись потенциала концевой пластинки - ПКП - до включения схемы фиксации потенциала на мембране, 2 - запись тока концевой пластинки (ТПК) при фиксации потенциала на уровне покоя, 3 - запись ТКП при разных Uм.
При обычных значениях МП (-80, -60 мВ) ток Na+ направлен внутрь, а ток К+ наружу, причем первый больше второго и суммарный (здесь разностный) ток является входящим. При МП = 0; Iк=INa и суммарный ток равен 0. А при МП= + 10 мВ, + 20 мВ и т. д. Iк>INa и суммарный ток имеет выходящее направление.
МП, при котором IK = INa и суммарный ток равен 0, называют потенциалом реверсии ТКП (Eр ТКП). По тем же причинам ПКП на фоне нормальных МП (-90, -70 и т. п.) развивается как деполяризация (20-30 мВ). При МП = 0 ПКП отсутствует (Eр ПКП), а при положительных МП развивается как гиперполяризация.
Формы ТКП (в клампе) и ПКП (рис.6.6.) несколько различаются. ТКП короче, основная часть его соответствует по длительности восходящей фазе ПКП. Соответственно у ПКП лишь восходящая фаза создается трансмембранными ионными токами. Относительно более медленный спад ПКП определяется постепенной зарядкой мембранной емкости и пропорционален тм. При частом следовании ПКП могут суммироваться и создавать стационарную деполяризацию.
Помимо рабочих ПКП (ВПСП), инициируемых нервным импульсом, в химических синапсах имеются спонтанные обычно редкие миниатюрные ПКП (ВПСП), составляющие доли милливольта и обозначаемые МПКП (МВПСП) . Они отражают спонтанный выброс одиночных квантов медиатора (т. е. содержимого одиночных везикул) и реакцию на них постсинаптической мембраны. Как уже указывалось, рабочий ПКП складывается из 100-200 МПКП, это число называют квантовым составом ПКП. При ритмической активности ПКП (ВПСП) могут постепенно возрастать по амплитуде (потенциация) из-за накопления Са2+ в пресинапсе или снижаться (депрессия) из-за истощения запаса квантов медиатора.