Синапс (греч. σύναψις, от συνάπτειν - обнимать, обхватывать, пожимать руку) - место контакта между двумянейронами или между и получающей сигнал эффекторной клеткой. Служит для передачи между двумя клетками, причём в ходе синаптической передачи амплитуда и частота сигнала могут регулироваться.
Термин был введён в 1897 г. английским физиологом Чарльзом Шеррингтоном.
Структура синапса
Типичный синапс - аксо-дендритический химический. Такой синапс состоит из двух частей: пресинаптической , образованной булавовидным расширением окончаниемаксона передающей клетки и постсинаптической , представленной контактирующим участком цитолеммы воспринимающей клетки (в данном случае - участком дендрита). Синапс представляет собой пространство, разделяющее мембраны контактирующих клеток, к которым подходят нервные окончания. Передача импульсов осуществляется химическим путём с помощью медиаторов или электрическим путём посредством прохождения ионов из одной клетки в другую.
Между обеими частями имеется синаптическая щель - промежуток шириной 10-50нм между постсинаптической и пресинаптической мембранами, края которой укреплены межклеточными контактами.
Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной . Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположной стороны, называется постсинаптической мембраной , в химических синапсах она рельефна и содержит многочисленные .
В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, так называемые синаптические пузырьки , содержащие либо медиатор (вещество-посредник в передаче ), либо фермент, разрушающий этот медиатор. На постсинаптической, а часто и на пресинаптической мембранах присутствуют рецепторы к тому или иному медиатору.
Классификация синапсов
В зависимости от механизма передачи нервного импульса различают
- химические;
- электрические - клетки соединяются высокопроницаемыми контактами с помощью особых коннексонов (каждый коннексон состоит из шести белковых субъединиц). Расстояние между мембранами клетки в электрическом синапсе - 3,5 нм (обычное межклеточное - 20 нм)
Так как сопротивление внеклеточной жидкости мало(в данном случае), импульсы проходят не задерживаясь через синапс. Электрические синапсы обычно бывают возбуждающими.
Открыты два механизма высвобождения: с полным слиянием везикулы с плазмалеммой и так называемый «поцеловал и убежал» (англ. kiss-and-run ), когда везикула соединяется с мембраной, и из неё в синаптическую щель выходят небольшие молекулы, а крупные остаются в везикуле. Второй механизм, предположительно, быстрее первого, с помощью него происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке.
Следствием такой структуры синапса является одностороннее проведение нервного импульса. Существует так называемая синаптическая задержка - время, нужное для передачи нервного импульса. Её длительность составляет около - 0,5 мс.
Так называемый «принцип Дейла» (один - один медиатор) признан ошибочным. Или, как иногда считают, он уточнён: из одного окончания клетки может выделяться не один, а несколько медиаторов, причём их набор постоянен для данной клетки.
История открытия
- В 1897 году Шеррингтон сформулировал представление о синапсах.
- За исследования нервной системы, в том числе синаптической передачи, в 1906 году Нобелевскую премию получили Гольджи и Рамон-и-Кахаль.
- В 1921 австрийский учёный О. Лёви (О. Loewi) установил химическую природу передачи возбуждения через синапсы и роль в ней ацетилхолина. Получил Нобелевскую премию в 1936 г. совместно с Г. Дейлом (Н. Dale).
- В 1933 советский учёный А. В. Кибяков установил роль адреналина в синаптической передаче.
- 1970 - Б. Кац (В. Katz, Великобритания), У. фон Эйлер (U. v. Euler, Швеция) и Дж. Аксельрод (J. Axelrod, США) получили Нобелевскую премию за открытие ролинорадреналина в синаптической передаче.
Синапс - это определенная зона контакта отростков нервных клеток и остальных невозбудимых и возбудимых клеток, которые обеспечивают передачу информационного сигнала. Синапс морфологически образуется контактирующими мембранами 2-х клеток. Мембрана, относящаяся к отростку зовется пресинаптической мембраной клетки, в которую поступает сигнал, второе ее название - постсинаптическая. Вместе с принадлежностью постсинаптической мембраны синапс может быть межнейрональным, нейромышечным и нейросекреторным. Слово синапс было введено в 1897 г. Чарльзом Шеррингтоном (англ. физиологом).
Что же такое синапс?
Синапс - это специальная структура, которая обеспечивает передачу от нервного волокна нервного импульса на другое нервное волокно или нервную клетку, а чтобы произошло воздействие на нервное волокно от рецепторной клетки (области соприкосновения друг с другом нервных клеток и другого нервного волокна), требуется две нервные клетки.
Синапс - это небольшой отдел в окончании нейрона. При его помощи идет передача информации от первого нейрона ко второму. Синапс находится в трех участках нервных клеток. Также синапсы находятся в том месте, где нервная клетка вступает в соединение с разными железами или мышцами организма.
Из чего состоит синапс
Строение синапса имеет простую схему. Он образуется из 3-х частей, в каждой из которых осуществляются определенные функции во время передачи информации. Тем самым такое строение синапса можно назвать подходящим для передачи Непосредственно на процесс воздействуют две главные клетки: воспринимающая и передающая. В конце аксона передающей клетки находится пресинаптическое окончание (начальная часть синапса). Оно может повлиять в клетке на запуск нейротрансмиттеров (это слово имеет несколько значений: медиаторы, посредники или нейромедиаторы) - определенные с помощью которых между 2-мя нейронами реализуется передача электрического сигнала.
Синаптической щелью является средняя часть синапса - это промежуток между 2-мя вступающими во взаимодействие нервными клетками. Через эту щель и поступает от передающей клетки электрический импульс. Конечной частью синапса считается воспринимающая часть клетки, которая и является постсинаптическим окончанием (контактирующий фрагмент клетки с разными чувствительными рецепторами в своей структуре).
Медиаторы синапса
Медиатор (от латинского Media - передатчик, посредник или середина). Такие медиаторы синапса очень важны в процессе передачи
Морфологическое различие тормозного и возбуждающего синапса заключается в том, что они не имеют механизм освобождения медиатора. Медиатор в тормозном синапсе, мотонейроне и другом тормозном синапсе считается аминокислотой глицином. Но тормозной или возбуждающий характер синапса определяется не их медиаторами, а свойством постсинаптической мембраны. К примеру, ацетилхолин дает возбуждающее действие в нервно-мышечном синапсе терминалей (блуждающих нервов в миокарде).
Ацетилхолин служит возбуждающим медиатором в холинэргических синапсах (пресинаптическую мембрану в нем играет окончание спинного мозга мотонейрона), в синапсе на клетках Рэншоу, в пресинаптическом терминале потовых желез, мозгового вещества надпочеников, в синапсе кишечника и в ганглиях симпатической нервной системы. Ацетилхоли-нестеразу и ацетилхолин нашли также во фракции разных отделов мозга, иногда в большом количестве, но кроме холинэргического синапса на клетках Рэншоу пока не смогли идентифицировать остальные холинэргические синапсы. По словам ученых, медиаторная возбуждающая функция ацетилхолина в ЦНС весьма вероятна.
Кателхомины (дофамин, норадреналин и адреналин) считаются адренэргическими медиаторами. Адреналин и норадреналин синтезируются в окончании симпатического нерва, в клетке головного вещества надпочечника, спинного и головного мозга. Аминокислоты (тирозин и L-фенилаланин) считаются исходным веществом, а адреналин заключительным продуктом синтеза. Промежуточное вещество, в которое входят норадреналин и дофамин, тоже выполняют функцию медиаторов в синапсе, созданных в окончаниях симпатических нервов. Эта функция может быть либо тормозной (секреторные железы кишечника, несколько сфинктеров и гладкая мышца бронхов и кишечника), либо возбуждающей (гладкие мышцы определенных сфинктеров и кровеносных сосудов, в синапсе миокарда - норадреналин, в подкровных ядрах головного мозга - дофамин).
Когда завершают свою функцию медиаторы синапса, катехоламин поглощается пресинаптическим нервным окончанием, при этом включается трансмембранный транспорт. Во время поглощения медиаторов синапсы находятся под защитой от преждевременного истощения запаса на протяжении долгой и ритмичной работы.
Синапс: основные виды и функции
Лэнгли в 1892 году было предположено, что синаптическая передача у вегетативной ганглии млекопитающих не электрической природы, а химической. Через 10 лет Элиоттом было выяснено, что из надпочечников адреналин получается от того же воздействия, что и стимуляция симпатических нервов.
После этого предположили, что адреналин способен секретироваться нейронами и при возбуждении выделяться нервным окончанием. Но в 1921 году Леви сделал опыт, в котором установил химическую природу передачи в вегетативном синапсе среди сердца и блуждающих нервов. Он заполнил сосуды физиологическим раствором и стимулировал блуждающий нерв, создавая замедление сердцебиения. Когда жидкость перенесли из заторможенной стимуляции сердца в нестимулированое сердце, оно билось медленнее. Ясно, что стимуляция блуждающего нерва вызвала освобождение в раствор тормозящего вещества. Ацетилхолин целиком воспроизводил эффект этого вещества. В 1930 г. роль в синаптической передаче ацетилхолина в ганглии окончательно установил Фельдберг и его сотрудник.
Синапс химический
Химический синапс принципиально отличается передачей раздражения при помощи медиатора с пресинапса на постсинапс. Поэтому и образуются различия в морфологии химического синапса. Химический синапс более распространен в позвоночной ЦНС. Теперь известно, что нейрон способен выделять и синтезировать пару медиаторов (сосуществующих медиаторов). Нейроны тоже имеют нейромедиаторную пластичность - способность изменять главный медиатор во время развития.
Нервно-мышечный синапс
Данный синапс осуществляет передачу возбуждения, однако эту связь могут разрушить различные факторы. Передача заканчивается во время блокады выбрасывания в синаптическую щель ацетилхолина, также и во время избытка его содержания в зоне постсинаптических мембран. Множество ядов и лекарственных препаратов влияют на захват, выход, который связан с холинорецепторами постсинаптической мембраны, тогда мышечный синапс блокирует передачу возбуждения. Организм гибнет во время удушья и остановки сокращения дыхательных мышц.
Ботулинус - микробный токсин в синапсе, он блокирует передачу возбуждения, разрушая в пресинаптическом терминале белок синтаксин, управляемый выходом в синаптическую щель ацетилхолина. Несколько отравляющих боевых веществ, фармокологических препаратов (неостигмин и прозерин), а также инсектициды блокируют проведение возбуждения в нервно-мышечный синапс при помощи инактивации ацетилхолинэстеразы - фермента, который разрушает ацетилхолин. Поэтому идет накопление в зоне постсинаптической мембраны ацетилхолина, снижается чувствительность к медиатору, производится выход из постсинаптических мембран и погружение в цитозоль рецепторного блока. Ацетилхолин будет неэффективен, и синапс будет заблокирован.
Синапс нервный: особенности и компоненты
Синапс - это соединение места контакта среди двух клеток. Причем каждая из них заключена в свою электрогенную мембрану. Нервный синапс состоит из трех главных компонентов: постсинаптическая мембрана, синаптическая щель и пресинаптическая мембрана. Постсинаптическая мембрана - это нервное окончание, которое проходит к мышце и опускается внутрь мышечной ткани. В пресинаптической области имеются везикулы - это замкнутые полости, имеющие медиатор. Они всегда находятся в движении.
Подходя к мембране нервных окончаний, везикулы сливаются с ней, и медиатор попадает в синаптическую щель. В одной везикуле содержится квант медиатора и митохондрии (они нужны для синтеза медиатора - главного источника энергии), далее синтезируется из холина ацетилхолин и под воздействием фермента ацетилхолинтрансферразы перерабатывается в ацетилСоА).
Синаптическая щель среди пост- и пресинаптических мембран
В разных синапсах величина щели различна. наполнено межклеточной жидкостью, в которой имеется медиатор. Постсинаптическая мембрана накрывает место контакта нервного окончания с иннервируемой клеткой в мионевральном синапсе. В определенных синапсах постсинаптическая мембрана создает складку, возрастает контактная площадь.
Дополнительные вещества, входящие в состав постсинаптической мембраны
В зоне постсинаптической мембраны присутствуют следующие вещества:
Рецептор (холинорецептор в мионевральном синапсе).
Липопротеин (обладает большой схожестью с ацетилхолином). У этого белка присутствует электрофильный конец и ионная головка. Головка поступает в синаптическую щель, происходит взаимодействие с катионовой головкой ацетилхолина. Из-за этого взаимодействия идет изменение постсинаптической мембраны, затем происходит деполяризация, и раскрываются потенциально зависимые Na-каналы. Деполяризация мембраны не считается самоподкрепляющим процессом;
Градуален, его потенциал на постсинаптической мембране зависит от числа медиаторов, то есть потенциал характеризуется свойством местных возбуждений.
Холинэстераза - считается белком, у которого имеется ферментная функция. По строению она схожа с холинорецептором и обладает похожими свойствами с ацетилхолином. Холинэстеразой разрушается ацетилхолин, вначале тот, который связан с холинорецептором. Под действием холинэстеразы холинорецептор убирает ацетилхолин, образуется реполяризация постсинаптической мембраны. Ацетилхолином расщепляется до уксусной кислоты и холина, необходимого для трофики мышечной ткани.
При помощи действующего транспорта выводится на пресинаптическую мембрану холин, он используется для синтеза нового медиатора. Под воздействием медиатора меняется проницаемость в постсинаптической мембране, а под холинэстеразой чувствительность и проницаемость возвращается к начальной величине. Хеморецепторы способны вступать во взаимодействие с новыми медиаторами.
Московский Психолого- социальный Институт (МПСИ)
Реферат по Анатомии ЦНС на тему:
СИНАПСЫ (строение, структура, функции).
Студент 1 курса Психологического факультета,
группа 21/1-01 Логачёв А.Ю.
Преподаватель:
Холодова Марина Владимировна.
2001 год.
План работы:
1.Пролог.
2.Физиология нейрона и его строение.
3.Структура и функции синапса.
4.Химический синапс.
5.Выделение медиатора.
6.Химические медиаторы и их виды.
7.Эпилог.
8.Список литературы.
ПРОЛОГ:
Наше тело - один большой часовой механизм. Он состоит из огромнейшего количества мельчайших частиц, которые расположены в строгом порядке и каждая из них выполняет определённые функции, и имеет свои неповторимые свойства. Этот механизм - тело, состоит из клеток, соединяющих их тканей и систем: все это в целом представляет собой единую цепочку, сверхсистему организма. Величайшее множество клеточных элементов не могли бы работать как единое целое, если бы в организме не существовал утонченный механизм регуляции. Особую роль в регуляции играет нервная система. Вся сложная работа нервной системы - регулирование работы внутренних органов, управление движениями, будь то простые и неосознаваемые движения (например, дыхание) или сложные, движения рук человека - все это, в сущности, основано на взаимодействии клеток между собой. Все это, в сущности, основано на передаче сигнала от одной клетке к другой. Причем, каждая клетка выполняет свою работу, а иногда имеет несколько функций. Разнообразие функций обеспечивается двумя факторами: тем, как клетки соединены между собой, и тем, как устроены эти соединения.
ФИЗИОЛОГИЯ НЕЙРОНА И ЕГО СТРОЕНИЕ:
Простейшая реакция нервной системы на внешний раздражитель - это рефлекс. Прежде всего, рассмотрим строение и физиологию структурной элементарной единицы нервной ткани животных и человека - нейрона. Функциональные и основные свойства нейрона определяются его способностью к возбуждению и самовозбуждению. Передача возбуждения осуществляется по отросткам нейрона - аксонам и дендритам.
Аксоны - более длинные и широкие отростки. Они обладают рядом специфических свойств: изолированным проведением возбуждения и двусторонней проводимостью.
Нервные клетки способны не только воспринимать и перерабатывать внешнее возбуждение, но и самопроизвольно выдавать импульсы, не вызванные внешним раздражением (самовозбуждение). В ответ на раздражение, нейрон отвечает импульсом активности - потенциалом действия, частота генерации которых колеблется от 50-60 импульсов в секунду (для мотонейронов), до 600-800 импульсов в секунду (для вставочных нейронов головного мозга). Аксон заканчивается множеством тоненьких веточек, которые называются терминалями. С терминалей импульс переходит на другие клетки, непосредственно на их тела или чаще на их отростки дендриты. Количество терминалей у аксона, может достигать до одной тысячи, которые оканчиваются в разных клетках. С другой стороны, типичный нейрон позвоночного имеет от 1000 до 10000 терминалей от других клеток.
Дендриты - более короткие и многочисленные отростки нейронов. Они воспринимают возбуждение от соседних нейронов и проводят его к телу клетки. Различают мякотные и безмякотные нервные клетки и волокна.
Мякотные волокна - входят в состав чувствительных и двигательных нервов скелетной мускулатуры и органов чувств Они покрыты липидной миелиновой оболочкой. Мякотные волокна более «быстродействующие»: в таких волокнах диаметром 1-3,5 микромиллиметра, возбуждение распространяется со скоростью 3-18 м/с. Это объясняется тем, что проведение импульсов по миелинизированному нерву происходит скачкообразно. При этом потенциал действия «перескакивает» через участок нерва, покрытый миелином и в месте перехвата Ранвье (оголенный участок нерва), переходит на оболочку осевого цилиндра нервного волокна. Миелиновая оболочка является хорошим изолятором и исключает передачу возбуждения на соединение, параллельно идущие нервные волокна.
Безмякотные волокна - составляют основную часть симпатических нервов. Они не имеют миелиновой оболочки и отделены друг от друга клетками нейроглии.
В безмякотных волокнах роль изоляторов выполняют клетки нейроглии (нервной опорной ткани). Швановские клетки - одна из разновидностей глиальных клеток. Помимо внутренних нейронов, воспринимающих и преобразующих импульсы, поступающие от других нейронов, существуют нейроны, воспринимающие воздействия непосредственно из окружающей среды - это рецепторы, а так же нейроны, непосредственно воздействующие на исполнительные органы - эффекторы, например, на мышцы или железы. Если нейрон воздействует на мышцу, его называют моторным нейроном или мотонейроном. Среди нейрорецепторов различают 5 типов клеток, в зависимости от вида возбудителя:
- фоторецепторы, которые возбуждаются под воздействием света и обеспечивают работу органов зрения,
- механорецепторы, те рецепторы, которые реагируют на механические воздействия. Они располагаются в органах слуха, равновесия. Осязательные клетки также являются механорецепторами. Некоторые механорецепторы располагаются в мышцах и измеряют степень их растяжения.
- хеморецепторы - избирательно реагируют на присутствие или изменение концентрации различных химических веществ, на них основана работа органов обоняния и вкуса,
- терморецепторы, реагируют на изменение температуры либо на ее уровень - холодовые и тепловые рецепторы,
- электрорецепторы реагируют на токовые импульсы, и имеются у некоторых рыб, амфибий и млекопитающих, например, у утконоса.
Исходя из выше сказанного, хотелось бы отметить, что долгое время среди биологов, изучавших нервную систему, существовало мнение, что нервные клетки образуют длинные сложные сети, непрерывно переходящие одна в другую.
Однако в 1875 году, итальянский ученый, профессор гистологии университета в Павии, придумал новый способ окраски клеток - серебрение. При серебрении одной из тысяч лежащих рядом клеток окрашивается только она - единственная, но зато полностью, со всеми своими отростками. Метод Гольджи сильно помог изучению строения нервных клеток. Его использование показало, что, не смотря на то, что клетки в головном мозгу расположены чрезвычайно близко друг к другу, и их отростки перепутаны, все же каждая клетка четко отделяется. То есть мозг, как и другие ткани, состоит из отдельных, не объединенных в общую сеть клеток. Этот вывод был сделан испанским гистологом С. Рамон-и-Кахалем, который тем самым распространил клеточную теорию на нервную систему. Отказ от представления об объединенной сети, означал, что в нервной системе импульс переходит с клетки на клетку не через прямой электрический контакт, а через разрыв.
Когда в биологии стал использоваться электронный микроскоп, который был изобретен в 1931 году М. Кноллем и Э. Руска, эти представления о наличии разрыва получили прямое подтверждение.
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ СИНАПСА:
Каждый многоклеточный организм, каждая ткань, состоящая из клеток, нуждается в механизмах, обеспечивающих межклеточные взаимодействия. Рассмотрим, как осуществляются межнейронные взаимодействия. По нервной клетке информация распространяется в виде потенциалов действия. Передача возбуждения с аксонных терминалей на иннервируемый орган или другую нервную клетку происходит через межклеточные структурные образования - синапы (от греч. «Synapsis» -соединение, связь). Понятие синапс было введено английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 году, для обозначения функционального контакта между нейронами. Следует отметить, что еще в 60-х годах прошлого столетия И.М. Сеченов подчеркивал, что вне межклеточной связи нельзя объяснить способы происхождения даже самого нервного элементарного процесса. Чем сложнее устроена нервная система, и чем больше число составляющих нервных мозговых элементов, тем важнее становится значение синаптических контактов.
Различные синаптические контакты отличаются друг от друга. Однако при всем многообразии синапсов существуют определенные общие свойства их структуры и функции. Поэтому сначала опишем общие принципы их функционирования.
Синапс - представляет собой сложное структурное образование, состоящее из пресинаптической мембраны (чаще всего это концевое разветвление аксона), постсинаптической мембраны (чаще всего это участок мембраны тела или дендрита другого нейрона), а так же синаптической щели.
Механизм передачи через синапс долгое время оставался невыясненным, хотя было очевидно, что передача сигналов в синаптической области резко отличается от процесса проведения потенциала действия по аксону. Однако в начале XX века была сформулирована гипотеза, что синаптическая передача осуществляется или электрическим или химическим путем. Электрическая теория синаптической передачи в ЦНС пользовалась признанием до начала 50-х годов, однако она значительно сдала свои позиции после того, как химический синапс был продемонстрирован в ряде периферических синапсов. Так, например, А.В. Кибяков, проведя опыт на нервном ганглии, а также использование микроэлектродной техники для внутриклеточной регистрации синаптических потенциалов
нейронов ЦНС позволили сделать вывод о химической природе передачи в межнейрональных синапсах спинного мозга.
Микроэлектродные исследования последних лет показали, что в определенных межнейронных синапсах существует электрический механизм передачи. В настоящее время стало очевидным, что есть синапсы, как с химическим механизмом передачи, так и с электрическим. Более того, в некоторых синаптических структурах вместе функционируют и электрический и химический механизмы передачи - это так называемые смешанные синапсы.
Лекция 2. Физиология синапсов: строение, классификация и механизмы деятельности. Медиаторы, нейрохимические основы поведения.
В конце XIX века параллельно существовали две теории организации нервной системы (НС). Ретикулярная теория считала, что НС представляет собой функциональный синцитий: нейроны соединены с помощью отростков подобно капиллярам кровеносной системы. Согласно клеточной теории Вальдейера (1981 г.) НС состоит из отдельных, разделенных мембранами, нейронов. Чтобы решить вопрос о взаимодействии отдельных нейронов, Шеррингтон в 1987 г. предположил наличие особого мембранного образования – синапса . С помощью электронного микроскопа наличие синапсов было безоговорочно подтверждено. Однако, клеточная теория строения НС стала общепризнанной, по иронии науки в 1959 г. Фершпан и Поттер открыли в НС ракообразных синапс с щелевыми контактами (электрический синапс).
Синапс – это мембранное образование двух (или более) клеток, в котором происходит передача возбуждения (информации) от одной клетки к другой.
Существует следующая классификация синапсов:
1) по механизму передачи возбуждения (и по строению):
Химические;
Электрические (эфапсы);
Смешанные.
2) по выделяемому нейромедиатору:
Адренергические – нейромедиатор норадреналин;
Холинергические – нейромедиатор ацетилхолин;
Дофаминергические – нейромедиатор дофамин;
Серотонинергические – нейромедиатор серотонин;
ГАМК-ергические – нейромедиатор гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)
3) по влиянию:
Возбуждающие;
Тормозные.
4) по местоположению:
Нервно-мышечные;
Нейро-нейрональные:
а) аксо-соматические;
б) аксо-аксональные;
в) аксо-дендрические;
г) дендросоматические.
Рассмотрим три типа синапсов: химический, электрический и смешанный (совмещающий свойства химического и электрического синапсов).
Независимо от типа, синапсы имеют общее черты строения: нервный отросток на конце образует расширение (синаптическую бляшку , СБ); конечная мембрана СБ отлична от других участков мембраны нейрона и носит название пресинаптической мембраны (ПреСМ); специализированная мембрана второй клетки обозначается постсинаптической мембраной (ПостСМ); между мембранами синапса находится синаптическая щель (СЩ, рис. 1, 2).
Рис. 1. Схема строения химического синапса
Электрические синапсы (эфапсы, ЭС) сегодня обнаружены в НС не только ракообразных, но и моллюсков, членистоногих, млекопитающих. ЭС обладают рядом уникальных свойств. Они имеют узкую синаптическую щель (около 2-4 нм), благодаря чему возбуждение может передаваться электрохимическим способом (как по нервному волокну за счет ЭДС) с высокой скоростью и в обоих направлениях : как от ПреСМ мембраны к ПостСМ, так и от ПостСМ к ПреСМ. Между клетками имеются щелевые контакты (коннексусы или коннексоны), образованные двумя белками коннексинами. Шесть субъединиц каждого коннексина формируют каналы ПреСМ и ПостСМ, через которые клетки могут обмениваться низкомолекулярными веществами молекулярной массой 1000-2000 Дальтон. Работа коннексонов может регулироваться ионами Са 2+ (рис. 2).
Рис. 2. Схема электрического синапса
ЭС обладают большей специализацией по сравнению с химическими синапсами и обеспечивают высокую скорость передачи возбуждения . Однако он, по-видимому, лишен возможности более тонкого анализа (регуляции) передаваемой информации.
Химические синапсы доминируют в НС . История их изучения начинается с работ Клода Бернара, который в 1850 г. опубликовал статью «Исследование о кураре». Вот что он писал: «Кураре – сильный яд, приготовляемый некоторыми народностями (большей частью людоедами), обитающими в лесах... Амазонки». И далее, «Кураре сходен с ядом змеи в том отношении, что его можно безнаказанно ввести в пищеварительный тракт человека или животных, в то время как впрыскивание его под кожу или в какую-либо часть тела быстро приводит к смерти. …через несколько мгновений животных ложатся, как будто они устали. Затем дыхание останавливается и их чувствительность и жизнь исчезают, причем животные не издают крика и не проявляют никаких признаков боли». Хотя К.Бернар не пришел к мысли о химической передачи нервного импульса, его классические опыты с кураре позволили этой мысли зародиться. Прошло более полувека, когда Дж. Ленгли установил (1906 г.), что парализующее действие кураре связано с особой частью мышцы, которую он назвал рецептивной субстанцией. Впервые предположение о передаче возбуждения с нерва на эффекторный орган с помощью химического вещества было высказано Т. Элиотом (1904).
Однако окончательно утвердили гипотезу химического синапса только работы Г. Дейла и О. Лёви. Дейл в 1914 г. установил, что раздражение парасимпатического нерва имитируется ацетилхолином. Лёви в 1921 г. доказал, что ацетилхолин выделяется из нервного окончания блуждающего нерва, а в 1926 г. открыл ацетилхолинэстеразу – фермент, разрушающий ацетилхолин.
Возбуждение в химическом синапсе передается с помощью медиатора . Этот процесс включает в себя несколько стадий. Рассмотрим эти особенности на примере ацетилхолинового синапса, который широко распространении в ЦНС, вегетативной и периферической нервной системе (рис. 3).
Рис. 3. Схема функционирования химического синапса
1. Медиатор ацетилхолин (АХ) синтезируется в синаптической бляшке из ацетил-СоА (ацетил-кофермент А образуется в митохондриях) и холина (синтезируется печенью) с помощью ацетилхолинтрансферазы (рис. 3, 1).
2. Медиатор упакован в синаптические везикулы (Кастильо, Катц; 1955 г.). Количество медиатора в одной везикуле составляет несколько тысяч молекул (квант медиатора ). Часть везикул расположена на ПреСМ и готова к высвобождению медиатора (рис. 3, 2).
3. Высвобождается медиатор путем экзоцитоза при возбуждении ПреСМ. Важную роль в разрыве мембран и квантовом высвобождении медиатора играет входящий ток Са 2+ (рис. 3, 3).
4. Высвободившийся медиатор связывается со специфическим белком-рецептором ПостСМ (рис. 3, 4).
5. В результате взаимодействия медиатора и рецептора изменяется ионная проводимость ПостСМ: при открытии Na + каналов происходит деполяризации; открытие K + или Cl - каналов приводит к гиперполяризации (рис. 3, 5).
6 . Вслед за деполяризацией запускаются биохимические процессы в постсинаптической цитоплазме (рис. 3, 6).
7. Рецептор освобождается от медиатора: АХ разрушается ацетилхолинэстеразой (АХЭ, рис. 3. 7).
Начало формы
братите внимание, что медиатор в норме взаимодействует со специфическим рецептором с определенной силой и длительностью . Почему кураре - яд? Местом действия кураре как раз является АХ синапс. Кураре более прочно связывается с ацетилхолиновым рецептором и лишает его взаимодействия с медиатором (АХ). Возбуждение с соматических нервов на скелетные мышцы, в том числе с диафрагмального нерва на основную дыхательную мышцу (диафрагму) передается с помощью АХ, поэтому кураре вызывает релаксацию (расслабление) мышц и остановку дыхания (из-за чего, собственно, и наступает смерть).
Отметим основные особенности передачи возбуждения в химическом синапсе .
1. Возбуждение передается с помощью химического посредника – медиатора.
2. Возбуждение передается в одном направлении: от ПреСм к ПостСМ.
3. В химическом синапсе происходит временная задержка в проведении возбуждения, поэтому синапс обладает низкой лабильностью .
4. Химический синапс обладает высокой чувствительностью к действию не только медиаторов, но и других биологически активных веществ, лекарств и ядов.
5. В химическом синапсе происходит трансформация возбуждений: электрохимическая природа возбуждения на ПреСМ продолжается в биохимический процесс экзоцитоза синаптических везикул и связывания медиатора со специфическим рецептором. За этим следует изменение ионной проводимости ПостСМ (тоже электрохимический процесс), который продолжается биохимическими реакциями в постсинаптической цитоплазме.
В принципе, такая многостадийность передачи возбуждения должна иметь весомое биологическое значения. Обратите внимание, что на каждом из этапов возможна регуляция процесса передачи возбуждения. Несмотря на ограниченное количество медиаторов (чуть больше десятка), в химическом синапсе имеются условия для широкого разнообразия в решении судьбы приходящего в синапс нервного возбуждения. Совокупность особенностей химических синапсов объясняет индивидуальное биохимическое разнообразие нервных и психических процессов.
Теперь остановимся на двух важных процессах, протекающих в постсинаптическом пространстве. Мы отметили, что в результате взаимодействия АХ с рецептором на ПостСМ могут развиваться как деполяризация, так и гиперполяризация. От чего же зависит, будет ли медиатор возбуждающим или тормозным? Результат взаимодействия медиатора и рецептора определяется свойствами рецепторного белка (еще одно важное свойство химического синапса – ПостСМ активна по отношению к приходящему к ней возбуждению). В принципе химический синапс – динамическое образование, изменяя рецептор, клетка, принимающая возбуждение, может влиять на его дальнейшую судьбу. Если свойства рецептора таковы, что его взаимодействие с медиатором открывает Na + каналы, то при выделении одного кванта медиатора на ПостСМ развивается локальный потенциал (для нервно-мышечного синапса он носит название миниатюрного потенциала концевой пластинки – МПКП).
Когда же возникает ПД? Возбуждение ПостСМ (возбуждающий постсинаптический потенциал – ВПСП) возникает как результат суммации локальных потенциалов. Можно выделить два типа суммационных процессов . При последовательном выделении нескольких квантов медиатора в одном и том же синапсе (вода и камень точит) возникает временн а я суммация . Если кванты медиаторы выделяются одновременно в разных синапсах (на мембране нейрона их может быть несколько тысяч) возникаетпространственная суммация . Реполяризация ПостСМ мембраны происходит медленно и после выделения отдельных квантов медиатора ПостСМ некоторое время находится в состоянии экзальтации (так называемая синаптическая потенциация, рис. 4). Возможно, таким образом, происходит обучение синапса (выделение квантов медиатора в определенных синапсах могут «подготовить» мембрану к решающему взаимодействию с медиатором).
При открытии K + или Cl - каналов на ПостСМ возникает тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП, рис. 4).
Рис. 4. Потенциалы постсинаптической мембраны
Естественно, что в случае развития ТПСП дальнейшее распространение возбуждения может быть остановлено. Другой вариант прекращения процесса возбуждения – пресинаптическое торможение. Если на мембране синаптической бляшки образуется тормозный синапс, то в результате гиперполяризации ПреСМ экзоцитоз синаптических визикул может быть заблокирован.
Второй важный процесс – развитие биохимических реакций в постсинаптической цитоплазме. Изменение ионной проводимости ПостСМ активирует так называемые вторичные мессенджеры (посредники) : цАМФ, цГМФ, Са 2+ -зависимую протеинкиназу, которые, в свою очередь активируют различные протеинкиназы путем их фосфорилирования. Эти биохимические реакции могут «спускаться» вглубь цитоплазмы вплоть до ядра нейрона, регулируя процессы белкового синтеза. Таким образом, нервная клетка может ответить на пришедшее возбуждение не только решением его дальнейшим судьбы (ответить ВПСП или ТПСП, т.е. провести или не провести далее), а изменить количество рецепторов, или синтезировать белок-рецептор с новыми свойствами по отношению к определенному медиатору. Следовательно, еще одно важное свойство химического синапса: благодаря биохимическим процессам постсинаптической цитоплазмы клетка готовится (обучается) к будущим взаимодействиям.
В нервной системе функционируют разнообразные синапсы, которые отличаются медиаторами и рецепторами. Название синапсов определяется медиатором, точнее названием рецептора к конкретному медиатору. Поэтому, рассмотрим классификацию основных медиаторов и рецепторов нервной системы (смотрите так же материал, розданный на лекции!!).
Мы уже отмечали, что эффект взаимодействия медиатора и рецептора определяется свойствами рецептора. Поэтому известные медиаторы, за исключением g-аминомасляной кислоты, могут выполнять функции как возбуждающих, так и тормозных медиаторов.По химической структуре выделяют следующие группы медиаторов.
Ацетилхолин , широко распространен в ЦНС, является медиатором в холинергических синапсах вегетативной нервной системы, а также в соматических нервно-мышечных синапсах (рис. 5).
Рис. 5. Молекула ацетилхолина
Известны два типа холинорецепторов : никотиновые (Н-холинорецепторы ) и мускариновые (М-холинорецепторы ). Название получили по веществам, вызывающим сходный с ацетилхолином эффект в этих синапсах: Н-холиномиметиком является никотин , аМ-холиномиметиком - токсин мухомора Amanita muscaria (мускарин ). Блокатором (холинолитиком) Н-холинорецептора являетсяd-тубокурарин (основной компонент яда кураре), а М-холинолитиком является токсин красавки Atropa belladonna –атропин . Интересно, что свойства атропина давно известно и было время, когда женщины использовали атропин красавки, чтобы вызвать расширение зрительных зрачков (сделать глаза темными и «красивыми»).
Четыре следующих основных медиаторов имеют сходство в химической структуре, поэтому их относят к группе моноаминов . Этосеротонин или 5-гидрокситриптами (5-HT), играет важную роль в механизмах подкрепления (гормон радости). Синтезируется из незаменимой для человека аминокислоты – триптофана (рис. 6).
Рис. 6. Молекула серотонина (5-гидрокситриптамина)
Три других медиатора синтезируются из незаменимой аминокислоты фенилаланина, поэтому объединены общим названиемкатехоламинов – это дофамин (допамин), норадреналин (норэпинефрин) и адреналин (эпинефрин, рис. 7).
Рис. 7. Катехоламины
Среди аминокислот к медиаторам относят гамма-аминомасляную кислоту (g-АМК или ГАМК – известна как только тормозный медиатор), глицин, глутаминовую кислоту, аспарагиновую кислоту.
К медиаторам относят ряд пептидов . В 1931 г. Эйлером в экстрактах мозга и кишечника было обнаружено вещество, вызывающее сокращение гладких мышц кишечника, расширение кровеносных сосудов. Этот медиатор был в чистом виде выделен из гипоталамуса и получил название вещества Р (от англ. powder – порошок, состоит из 11 аминокислот). В дальнейшем установлено, что вещество Р играет важную роль в проведении болевых возбуждений (название не пришлось менять, т.к. боль по англ. - pain).
Пептид дельта сна получил свое название за способность вызывать в электроэнцефалограмме медленные высокоамплитудные ритмы (дельта-ритмы).
В мозге синтезируется целый ряд белковых медиаторов наркотической (опиатной) природы. Это пентапептиды Met-энкефалин иLeu-энкефалин , а также эндорфины . Это важнейшие блокаторы болевых возбуждений и медиаторы подкрепления (радости и удовольствия). Другими словами, наш мозг является отличной фабрикой эндогенных наркотиков. Главное, научить мозг их вырабатывать. «Как?» - спросите вы. Все просто – эндогенные опиаты вырабатываются, когда мы получаем удовольствие. Делайте все с удовольствием, заставляйте свою эндогенную фабрику синтезировать опиаты! Нам от природы с рождения дана эта возможность – подавляющее большинство нейронов реактивны на положительное подкрепление.
Исследования последних десятилетий позволили открыть еще один очень интересный медиатор – оксид азота (NO). Оказалось, что NO не только играет важную роль в регуляции тонуса кровеносных сосудов (известный вам нитроглицерин является источником NO и расширяет коронарные сосуды), но и синтезируется в нейронах ЦНС.
В принципе, история медиаторов еще не закончена, есть целый ряд веществ, которые участвуют в регуляции нервного возбуждения. Просто пока точно не установлен факт их синтеза в нейронах, они не обнаружены в синаптических везикулах, не найдены специфические к ним рецепторы.
