Механизм работы химического синапса

Наиболее хорошо изученным химическим синапсом является нервномышечное соединение, или концевая пластинка. Однако механизмы, рассмотренные на этом примере, применимы и ко всем остальным химическим синапсам в нервной системе.

Начнем рассмотрение механизма передачи информации с поступления ПД к синаптическому окончанию (рис. 5.3). Поскольку синаптическая щель в химическом синапсе имеет довольно большие размеры, для эффективной передачи импульса к следующей клетке необходим механизм усиления. Это наличие химического вещества — медиатора (посредника). В случае с концевой пластинкой этим медиатором является вещество ацетилхолин.

Экспериментально было показано, что медиатор в синапсе содержится в специальных пузырьках — везикулах, а не просто растворен в цитоплазме. Пузырьки формируются путем впячивания мембраны пресинаптического окончания. Бывают пузырьки окаймленные и гладкие. Ацетилхолин синтезируется не в теле клетки, а в самом окончании. Там находится ферментативная система синтеза этого вещества.

Рис. 5.3. Процессы передачи сигнала в химическом синапсе^1.

Ацетилхолин широко распространен не только в организме человека, но содержится также в стрекательных капсулах крапивы и стрекательных клетках кишечнополостных животных.

При исследовании деятельности нервно-мышечного синапса проводили следующие эксперименты. Вводили микроэлектрод в мышечную клетку в области синапса (под постсинаптической мембраной) и регистрировали изменение ее потенциала. Оказалось, что в состоянии покоя, т. е. в отсутствии нервного импульса, ПП мышечной клетки не выражается прямой линией. Периодически наблюдаются всплески уровня мембранного потенциала (небольшая по амплитуде деполяризация) с частотой примерно один раз в секунду. Эти потенциалы были названы миниатюрные потенциалы концевой пластинки (МПКП). Изучение работы синапса при помощи электронного микроскопа позволило связать каждый такой МПКП с выделением порции (кванта) медиатора, которая содержится в одном пузырьке. Так возникла квантовая теория высвобождения медиатора. Она постулирует, что в каждом химическом синапсе медиатор высвобождается квантами, или порциями, которые равны содержанию медиатора в одном пузырьке.

Таким образом, даже в состоянии покоя периодически происходит выделение одного кванта ацетилхолина в синаптическую щель, что приводит к возникновению в мышечной клетке сдвига мембранного потенциала в положительную сторону, т. е. к появлению МПКП. В состоянии возбуж-^[1]

дения сразу увеличивается вероятность выделения медиатора (одновременно высвобождается больше квантов) и в мышечной клетке регистрируется уже не миниатюрный, а просто потенциал концевой пластинки (1IKII). Когда выделяется сразу большое количество квантов медиатора, то МПКП от каждого в отдельности складываются, и сумма МПКП образует ПКП. Если медиатора выделилось достаточно много, то амплитуда Г1КГ1 достигнет порогового значения и разовьется ПД мышечной клетки. Результатом ПД мышечной клетки является сокращение мышечных волокон.

Рассмотрим процессы, происходящие в синапсе, которые приводят к появлению ПКП и в результате — к мышечному сокращению. Итак, по нервному волокну к окончанию приходит ПД (возбуждение) и начинается деполяризация пресинаптической мембраны. В это время меняется заряд на мембране (внутренняя сторона меняет знак с отрицательного на положительный) и запускается высвобождение ионов Са⁺⁺ из внутриклеточных депо (эндоплазматический ретикулум). Эти процессы приводят к тому, что пузырьки с медиатором начинают в большом количестве подходить к пресинаптической мембране и встраиваться в нее (процесс экзоцитоза), в результате чего ацетилхолин выходит в синаптическую щель. Далее ацетилхолин двигается к постсинаптической мембране, т. е. уже к мембране мышечной клетки. На постсинаптической мембране имеются специальные белковые образования — рецепторы, с которыми ацетилхолин и связывается. Холинорецепторы представляют собой структуры, связанные с ионными каналами, поэтому при связывании медиатора со своим рецептором происходит открывание канала для какого-либо иона. В случае с ацетилхолином — это каналы для натрия и калия.

Таким образом, при взаимодействии ацетилхолина со своим рецептором происходит открывание ионного канала в мембране мышечной клетки, возникают ток ионов натрия внутрь клетки и деполяризация мембраны мышечной клетки. Если ток и, следовательно, деполяризация достаточно сильные, то в мышечной клетке возникнет ПД.

Для нормальной работы синапса, в частности для обеспечения передачи параметров (частоты и паттерна) приходящей к синапсу информации, необходимо, чтобы медиатор достаточно быстро удалялся с постсинаптических рецепторов, т. е. из синаптической щели. Это обеспечивается, помимо незначительной утечки медиатора из области синаптической щели, прежде всего, двумя механизмами. Во-первых, это ферментативная инактивация медиатора путем расщепления его активной молекулы на неактивные метаболиты (продукты распада). В нервно-мышечном синапсе эту функцию в синаптической щели выполняет фермент ацетилхолинэстераза, которая расщепляет ацетилхолин на составные элементы — холин и уксусную кислоту (ацетат). Вторым способом устранения медиатора из щели является обратный захват медиатора, когда его молекулы поступают в пресинаптическое окончание. Так происходит, например, в норадренэргических синапсах как в ЦНС, так и на периферии (в составе симпатической нервной системы). Это обеспечивает не только устранение активного вещества из щели, но и более экономное расходование медиатора в синапсе.

В случае концевой пластинки обратному захвату подвергается не сам ацетилхолин, а образующийся при его распаде холин, который в дальнейшем снова используется в синаптическом окончании для синтеза ацетилхолина. Для синтеза нового ацетилхолина в окончании аксона существует другой фермент — ацетилхолинтрансфераза.

• [1] Сост. по: Фундаментальная и клиническая физиология / под ред. А. Г. Камкина, А. А. Каменского.