 |
Типы межнейрональных синапсов
|
|
|
|
Лекция 6 от 30 сентября 2008 г.
Межклеточная передача возбуждения [Мф1] .
Общая физиология синапсов.
| [1] |
Мы продолжаем рассматривать вопросы распространения возбуждения. Но если на предыдущей лекции мы ограничились проблемой передачи возбуждения между отдельными частями клетки, причём основной темой являлось распространение возбуждения вдоль волокна, то сегодня мы разберём вопросы передачи возбуждения от одной клетки к другой.
Ещё в 60-х годах прошлого столетия И.М.Сеченов подчеркивал, что вне рассмотрения межклеточной связи нельзя объяснить способы происхождения даже самого элементарного нервного процесса, т.е. информационного процесса[Мф2].
В центре нашего внимания будет синапс.
План лекции
1. Понятия «синапс», «нексус». 3
2. Классификация синапсов. 3
По характеру контактирующих клеток. 3
По способу передачи сигнала. 3
По конечному эффекту. 3
По форме контакта. 4
По развитию в онтогенезе. 4
Типы межнейрональных синапсов. 4
По характеру контактирующих частей нейронов 4
По локализации в нервной системе. 4
3. Химический синапс: общий план строения 5
4. Типы химических синапсов. 6
5. Этапы передачи сигнала в химическом синапсе 6
Везикулярная гипотеза освобождения медиатора в синапсе 6
Формирование везикул. 7
Заполнение везикул. 7
Опустошение везикул и освобождение медиатора 8
Рециклизация везикул. 9
Кальциевые каналы и экзоцитоз. 9
6. Медиаторы химического синапса. 9
Понятие «медиатор химического синапса». 9
Доказательство возможности химической передачи возбуждения. Опыт О.Лёви. 9
Виды (классификация) медиаторов химического синапса 10
Принцип Г.Х.Дейла. 10
Происхождение медиаторов химического синапса 11
|
|
|
7. Комедиаторы, модуляторы, агонисты, антагонисты. 11
Комедиаторы (сомедиаторы) 11
Модуляторы.. 12
Агонисты.. 12
Антагонисты.. 12
8. Ионотропные рецепторы.. 12
Постсинаптические потенциалы.. 13
9. Метаботропные синапсы.. 14
Структура и функция G-белка при передаче сигнала 15
ГТФ-азный цикла G‑ белков. 15
10. Нервно-мышечный синапс скелетного мышечного волокна 18
Структура нервно-мышечного синапса. 19
Рецепторы постсинаптической мембраны.. 20
Варианты изображения Н-холинорецептора (nicotinic acetylcholine receptors) 21
Этапы передачи возбуждения в НМС.. 22
Миниатюрный потенциал концевой пластинки 22
Фармакологическая модификации НМС.. 22
11. Электрические синапсы. Смешанные синапсы. 22
Сравнительная характеристика химического и электрического синапсов 23
Рекомендуемая литература. 24
Основная. 24
Дополнительная. 24
Приложение 1. Межнейрональные синапсы. 24
Приложение 2. Биохимия медиаторов. 24
Приложение 3. Холинергические синапсы.. 25
Приложение 4. Адренергические синапсы.. 25
Приложение 5. Термины.. 25
Методические указания. 26
Понятия «синапс», «нексус»
| Термин «синапс» был введен Ч.Шеррингтоном как функциональное понятие. Исследуя деятельность ЦНС, он предположил еще в 1897 г., что нейроны между собой сообщаются с помощью специального механизма, который он и назвал синаптическим. [Мф3] [V.G.4] |
| Synapsis по-гречески – соприкосновение, соединение, связь.[Мф5] sidcptw - смыкать. |
 
Английский нейрофизиолог Чарльз С.Шеррингтон (Sir Charles Scott Sherrington) (1857[Б6] -1952) в 1932 г. был удостоен Нобелевской премии[Б7]. Школа Шеррингтона заложила основы современной нейрофизиологии (Гранит Р., Лиддел Дж.Т., Магнус Р., Пенфилд У., Экклс Дж.).
|
| Синапс – специализированная зона контакта между нейронами или нейронами и другими клетками, обеспечивающая передачу возбуждения. |
|
|
|
| Частые ошибки: «Синапс - морфофункциональное образование ЦНС [Мф8] ». Не только ЦНС! |
| «Синапс - морфофункциональное образование между нейронами». Не только между нейронами! | |
| «В синапсе передача возбуждения осуществляется с помощью медиатора [Мф9] ». Это в химическом синапсе, а не вообще в синапсе. В электрическом - без медиатора. |
| Структуры, обеспечивающие проведение возбуждения между гладкими и сердечными миоцитами называют нексусами (nexus [Мф10] ) или щелевидными коммуникационными соединениями (рис. 410021103). Нексус аналогичен электрическим синапсам. |
Дадим определение нексусам.
| Нексус – специализированная зона контакта между клетками возбудимой ткани, не являющимися нейронами или клетками нейронального происхождения, обеспечивающая передачу возбуждения. |
Классификация синапсов
|
| [2] |
Синапсы можно разделить, положив в основу различные критерии.
| По характеру контактирующих клеток выделяют: 1. Нейрон ® нейрон (межнейронный, нейронейрональный,) [Мф11] 2. Нейрон ® эффекторная клетка, а именно: 2.1. нейрон ® миоцит (нервномышечный, мионевральный) 2.2. нейрон ® гландулоцит (нейросекреторный) 3. Рецепторная клетка вторичночувствующего рецептора ® нейрон |
Иногда в литературе встречается термин «внутриклеточный синапс». [3] Например, так называют место, где Т‑трубочка близко подходит к терминальной цистерне саркоплазматического ретикулюма мышечного волокна. [A12]
Соединение между аксонами нейросекреторных клеток гипоталямуса и стенкой капилляра, обеспечивающее поступление нейрогормона в кровь, тоже называют синапсом, вазоневральным, или нейрокапиллярным, или аксоваскулярным. Однако под классическое понятие «синапс» этот тип соединения, безусловно, не подпадает.
| По способу передачи сигнала выделяют [Мф13] 1. химические, 2. электрические, 3. смешанные. Смешанные синапсы называют ещё синапсами двоякого действия [Б14]. |
| По конечному эффекту выделяют синапсы 1. возбуждающие 2. тормозные |
| Раньше считали, что тормозными могут быть только химические синапсы, а электрические могут быть только возбуждающими. Относительно недавно найдены тормозные электрические синапсы. Причем торможение может быть как при гиперполяризации, так и деполяризации (по типу катодической депрессии). |
|
|
|
| По форме контакта различают (рис. 410020742) 1. терминальные (концевые, колбообразное соединение); 2. проходящие (касательные, варикозное расширение аксона[Б15] [Б16]). |
Рис. 410020742. А — терминальные синапсы (ТС); Б — проходящие синапсы (ПС).
|
На рис. 410021125 проходящие синапсы изображены более детально.
Рис. 410021125. Проходящие синапсы[Мф17].
|
| По развитию в онтогенезе различают 1. стабильные (например, синапсы дуг безусловного рефлекса) 2. динамичные (появляющиеся и исчезают в процессе развития организма). Пример — синапсы дуг условного рефлекса. |
Типы межнейрональных синапсов
• Мозг человека содержит» 100 миллиардов нейронов.
• Каждый нейрон образует контакты в среднем с 1000 других нейронов.
|
| По характеру контактирующих частей нейронов выделяют (рис. 410020748): · аксо-аксональные, · аксо-дендритические (дендритные), · аксо-соматические, · дендро-дендритические, · дендро-соматические · и т.п.. |
Рис. 410020748. Типы межнейрональных синапсов по характеру контактирующих частей неронов, АД — аксо-дентритические, АС — аксо‑соматические, АА — аксо-аксонаьные, ДД — дендро‑дендритические.
|
В приложении 1 межнейрональные синапсы показаны более детально.
| По локализации в нервной системе выделяют 1. центральные ( расположены в головном и спинном мозге, т.е. в ЦНС) 2. периферические ([Б18] в периферической нервной системе). |
Классификацию (типы) химических синапсов смотрите ниже.
3. Химический синапс: общий план строения
|
| [4] |
| В синапсе различают (рис. 709180936.): · пресинаптический элемент (полюс), который ограничен пресинаптической мембраной, · постсинаптический элемент (полюс), который ограничен постсинаптической мембраной. В постсинаптическом элементе выделяют околосинаптическую (внесинаптическую) область, · синаптическую щель. |
|
|
|
Рис. 709180936. Общий план строения синапса. А – пресинаптическая мембрана; Б - синаптическая щель; В – постсинаптическая мембрана.
|
Сложностей в определении основных частей химического синапса у морфологов, как правило, не возникает. В пресинапсе имеются синаптические пузырьки (рис. 809221450, 809221454).
Рис. 809221450. Морфологическая асимметрия химического синапса.
|
Рис. 809221454. Электронный микрофотоснимок синаптической бляшки (S) на дендрите (D) в центральной нервной системе. P — постсинаптическое утолщение; М — митохондрии (´56000) [A19] [A20]
|
По характеру синаптических пузырьков (рис. 410070849) можно предположить харатер медиатора синапса.
Рис. 410070849. Схема строения синаптических пузырьков: А — холинергических (светлых); Б — адренергических; В — пуринергических; Г — пептидергических. [A21]
|
Более того, по морфологическим данным мы можем предположить тормозной или возбуждающий синапс находится перед нами (рис. 410070900).
Рис. 410070900. Схема строения синапсов различных типов: А — тормозного типа; Б — возбудительного типа.. 1 — аксон; 2 — пресинаптическая мембрана; 3 — постсинаптическая мембрана; 4 — синаптические пузырьки; 5 — синаптическая щель; 6 — постсинаптические уплотнения.
|
Однако, если морфологических признаков недостаточно для решения этого вопроса, можно проследить в каком направлении распространяется возбуждение (рис. 709180936).
По ходу распространения возбуждения основные части синапса расположены в следующем порядке: пресинаптическая мембрана, синаптическая щель, постсинаптическая мембрана.
Типы химических синапсов
По природе медиатора химические синапсы различают: — холинергические (медиатор - ацетилхолин), — адренергические (медиатор - норадреналин), — дофаминергические (медиатор - дофамин), — ГАМК-ергические (медиатор - гамма-аминомасляная кислота), — глицинергические, — глутаматергические, — аспартатергические, — пептидергические (медиатор - пептиды[Б22]), — пуринергические (медиатор - АТФ) — и т.д.
|
По характеру рецепторов на постсинаптической мембране, определяющих в постсинапсе процессы, происходящие при передаче возбуждения химические синапсы разделяются на • ионотропные • метаботропные
|
|
|
|
По характеру изменения мембранного потенциала на постсинаптической мембране при передаче возбуждения химические синапсы разделяются на[A23] • возбуждающие • тормозные
|
Возбуждающими и тормозными могут быть и электрические синапсы. Но у человека тормозных электрических синапсов не найдено, а функция возбуждающих и тормозных химических синапсов у человека хорошо изучена.
5. Этапы передачи сигнала в химическом синапсе[Мф24]
|
| [8] |
При огромном разнообразии синапсов и различиях в механизмах передачи сигнала в них, для большинства изученных синапсов можно выделить следующие наиболее общие этапы передачи возбуждения:
|
| 1. Деполяризация пресинаптической мембраны приходящим по аксону потенциалом действия (ПД). 2. Открытие потенциалзависимых Сa++‑каналов на пресинаптической мембране и поступление Сa++ в пресинапс (пассивный транспорт). 3. Увеличение концентрации Сa++ в пресинапсе запускает слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной и выброс нейромедиатора в синаптическую щель (экзоцитоз). 4. Диффузия медиатора к постсинаптической мембране. 5. Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны. 6. Реакция постсинапса на действие медиатора. 7. Инактивация медиатора. |
Везикулярная гипотеза освобождения медиатора в синапсе [A25]
|
| [9] |
Для того чтобы понять, как формировалась везикулярная гипотеза, необходимо остановиться на квантовой гипотезе освобождения медиатора в синапсе.
| Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1970 года. |
| Бернард Катц (Sir Bernard Katz, 1911 - 2003), University College London, United Kingdom | 
|
В 1953 году Бернард Катц с сотрудниками, исследуя нервно-мышечный синапс лягушки (медиатор - ацетилхолин), с помощью микроэлектродов зарегистрировали новый класс постсинаптических потенциалов (рис. 809260319).
| Рис. 809260319. Из Нобелевской лекции Б.Катца: МПКП. |
Эти сигналы возникали случайно, в покое, имели очень маленькую амплитуду и были названы миниатюрными потенциалами концевой пластинки (МПКП). Далее оказалось, что постсинаптические потенциалы, вызванные раздражением двигательного нерва (потенциалы концевой пластинки - ПКП), от раздражения к раздражению варьируют по амплитуде, причем эти колебания кратны амплитуде МПКП. Было предположено, что медиатор в синапсе освобождается в виде мультимолекулярных порций - квантов.
В покое случайное освобождение из нервного окончания отдельных порций вызывает появление на постсинаптической мембране МПКП, а в ответ на раздражение происходит синхронное освобождение нескольких десятков или сот квантов и возникает ПКП. Электрофизиологическое определение показало, что квант медиатора состоит из 1000-10 000 молекул ацетилхолина. В дальнейшем квантовая гипотеза освобождения медиатора получила подтверждение на самых разнообразных объектах и в настоящее время считается общепризнанной.
Использование метода электронной микроскопии для изучения ультраструктуры синапса позволило в 1954 году Де Робертсу и Беннету выявить в цитоплазме двигательного нервного окончания большое количество синаптических везикул диаметром около 50 нм. Поскольку везикулы имели одинаковые размеры и концентрировались у пресинаптической мембраны, было предположено, что квант медиатора находится в синаптической везикуле, а освобождение медиатора происходит путем выделения содержимого везикулы в синаптическую щель путем экзоцитоза.
Так была сформулирована везикулярная гипотеза освобождения медиатора в синапсе. В дальнейшем синаптические везикулы были обнаружены во всех химических синапсах нервной системы.
К основным постулатам везикулярной гипотезы необходимо отнести следующие: 1) медиатор в нервном окончании концентрируется в синаптических везикулах, 2) везикулярный медиатор освобождается путем слияния мембраны везикулы с пресинаптической мембраной (экзоцитоз).
Типы везикул. Как показали электронно-микроскопические исследования, самые разнообразные нервные окончания имеют два типа секреторных везикул: синаптические везикулы (мелкие везикулы) и секреторные гранулы (так называемые крупные или электронно-плотные везикулы). Мелкие синаптические везикулы однородны по размерам и имеют малый диаметр (около 50 нм). Эти везикулы содержат классические медиаторы. Крупные, электронно-плотные везикулы имеют большой диаметр (около 100 нм), они неоднородны по размерам и содержат электронно-плотные гранулы, представляющие собой крупномолекулярные медиаторы - пептиды и белки.
Формирование везикул
Синаптические везикулы образуются в теле нервной клетки из эндоплазматического ретикулума и цистерн аппарата Гольджи, а затем транспортируются по аксону в нервные окончания.
Рис. 809300818. Формирование, заполнение и опустошение везикул (а – мелких, б – крупных).
|
По всей видимости, принципиальной разницы в формировании различных типов везикул, заполненных различными медиаторами, не наблюдается.
Заполнение везикул
Как показали биохимические исследования, медиатор в мелких синаптических везикулах находится в очень высокой концентрации - 100 ммоль/л. Это достигается наличием в мембране везикулы специальных активных транспортных систем. В мембране везикулы имеется протонный насос, который, используя энергию АТФ, создает разность потенциалов на мембране везикулы (содержимое везикулы заряжено положительно по сравнению с цитоплазмой нервного окончания). Везикулы содержат также хлорные каналы. Электрохимический градиент, формируемый протонным насосом, обеспечивает активный транспорт медиатора, который синтезируется в цитоплазме нервного окончания, в везикулу.
В настоящее время выделены несколько классов таких транспортных молекул, специфичных для биогенных аминов, ацетилхолина, глютамата, ГАМК и глицина. Наряду с медиатором в везикулах находятся АТФ, ионы, ферменты и другие компоненты.
Что касается крупных, электронно-плотных везикул, то их заполнение белковыми компонентами начинается уже в процессе образования везикул из эндоплазматического ретикулума. Синтез нейроактивных пептидов происходит подобно синтезу пептидных гормонов. Первоначально крупные аминокислотные последовательности (пептидные цепи) образуются на рибосомах, подобно прегормонам, и помещаются в эндоплазматический ретикулум. В цистернах аппарата Гольджи начинается протеолитический процесс разделения крупных полипептидов на фрагменты с образования активных пептидов, которые включаются в отпочковывающиеся везикулы. Причем разные нейроактивные пептидные фрагменты могут оказаться в различных везикулах, которые транспортируются в нервные окончания нейрона. Во многих нейронах медиаторы и нейропептиды синтезируются и упаковываются в одни и те же везикулы, следовательно, из их нервных окончаний освобождаются несколько различных медиаторов.
|
|
|
