Глава 3 физиология синаптической передачи

Термин и понятие «синапс», «синаптическая передача» был введен в физиологию Ч.Шеррингтоном. Он, исследуя деятельность ЦНС, предположил еще в 1897 г., что нейро­ны между собой сообщаются с помощью специального механизма, который он и назвал синаптическим. Последующие годы подтвердили эту идею.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИНАПСОВ

Синапс — это морфофункциональное образование ЦНС, которое обеспечивает переда­чу сигнала с нейрона на другой нейрон или с нейрона на эффекторную клетку (мышечное волокно, секреторную клетку). Все синапсы ЦНС можно классифицировать следующим образом.

1. По локализации: центральные (головной и спинной мозг) и периферические (нервно- мышечный, нейросекреторный синапс вегетативной нервной системы). Центральные си­ напсы можно в свою очередь разделить на аксо-аксональные, аксо-дендритические (денд­ ритные), аксо-соматические, дендро-дендритические, дендро-соматические и т. п. Согласно Г. Шеперду, различают реципрокные синапсы, последовательные синапсы и синалтические гломерулы (различным способом соединенные через синапсы клетки).

2. По развитию в онтогенезе: стабильные (например, синапсы дуг безусловного рефлек­ са) и динамичные, появляющиеся в процессе индивидуального развития.

3. По конечному эффекту: тормозные и возбуждающие.

4. По механизму передачи сигнала: электрические, химические, смешанные.

5. Химические синапсы можно классифицировать:

а) по форме контакта — терминальные (колбообразное соединение) и преходящие (ва­ рикозное расширение аксона);

б) по природе медиатора — холинергические (медиатор — ацетилхолин, АХ), адренер- гические (медиатор — норадреналин, НА), дофаминергические (дофамин), ГАМК-ергичес- кие (медиатор — гамма-аминомасляная кислота), глицинергические, глутаматергические, аспартатергические, пептидергические (медиатор — пептиды, например, вещество Р), иу- ринергические (медиатор — АТФ).

Электрические синапсы. Вопрос о них во многом не ясен. Многие авторы недостаточно четко дифференцируют понятия «электрический синапс» и «нексусы» (в гладких мыш­цах, в миокарде). В настоящее время признают, что в ЦНС имеются электрические синап­сы. С точки зрения морфологии электрический синапс представляет собой щелевидное об­разование (размеры щели до 2 нм) с ионными мостиками-каналами между двумя контакти­рующими клетками. Петли тока, в частности при наличии потенциала действия (ПД), почти беспрепятственно перескакивают через такой шелевидный контакт и возбуждают, т. е. ин­дуцируют генерацию ПД второй клетки. В целом, такие синапсы (они называются эфапса-ми) обеспечивают очень быструю передачу возбуждения. Но в то же время с помощью этих синапсов нельзя обеспечить одностороннее проведение, т. к. большая часть таких синапсов обладает двусторонней проводимостью. Кроме того, с их помощью нельзя заставить эффек­торную клетку (клетку, которая управляется через данный синапс) тормозить свою актив­ность. Аналогом электрического синапса в гладких мышцах и в сердечной мышце являются щелевые контакты типа нексуса.

Химические синапсы. По строению химические синапсы представляют собой окончания аксона (терминальные синапсы) или его варикозную часть (проходящие синапсы), которая

27

заполнена химическим веществом — медиатором. В синапсе различают пресинаптический элемент, который ограничен пресинаптической мембраной, постсинаптический элемент, который ограничен постсинаптической мембраной, а также внесинаптическую область и синаптическую щель, величина которой составляет в среднем 50 нм. В литературе сущест­вует большое разнообразие в названиях синапсов. Например, синаптическая бляшка — это синапс между нейронами, концевая пластинка — это постсинаптическая мембрана мионев-рального синапса, моторная бляшка — это пресинаптическое окончание аксона на мышеч­ном волокне.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ХИМИЧЕСКОГО СИНАПСА

Любой химический синапс, независимо от природы медиатора и хеморецептора, акти­вируется под влиянием потенциала действия, прибегающего к пресинапсу от тела нейро­на. В результате — происходит деполяризация пресинаптической мембраны, что повышает проницаемость кальциевых каналов пресинаптической мембраны и приводит к увеличению входа в пресинапс ионов кальция. В ответ на это происходит высвобождение квантов (вы­ход из пресинапса) — 100—200 порций (квантов) медиатора. Выйдя в синаптическую щель, медиатор взаимодействует со специфическим рецептором постсинаптической мембраны, что вызывает изменение ионной проницаемости. В синапсах, в которых осуществляется возбуждение постсинаптической структуры, обычно происходит повышение проницаемос­ти для ионов натрия, что вызывает деполяризацию постсинаптической мембраны. Эта депо­ляризация получила определенное название: возбуждающий постсинаптический потенци­ал (ВПСП). Если его величина достаточно велика и достигает критического уровня деполя­ризации, то генерируется ПД. В тормозных синапсах в результате взаимодействия медиа­тора с рецепторами, наоборот, происходит гиперполяризация (за счет, например, увеличе­ния проницаемости для ионов калия и хлора). Это называется тормозным постсинаптичес-ким потенциалом (ТПСП). В гиперполяризованном состоянии клетка снижает свою возбу­димость и благодаря этому прекращает отвечать на внешние раздражители или (если она обладала свойством автоматии) уменьшает спонтанную активность.

После каждого цикла проведения импульса медиатор разрушается, например, ацетил-холин разрушается ацетилхолинэстеразой, норадреналин разрушается моноаминоксидазой (МАО) или катехол-О-метилтрансферазой (КОМТ), либо идет обратный захват в преси-наптическую структуру. В одних случаях захватывается неразрушенный медиатор (напри­мер, норадреналин), в других — его осколки (например, холин из ацетилхолина).

Существует еще один путь воздействия медиатора на постсинаптическую структуру — за счет активации рецептора меняется концентрация внутриклеточного посредника типа циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), в результате которого меняется активность внутриклеточных протеаз — а как следствие этого происходит изменение функциональной активности клетки.

Синтез медиатора совершается в пресинаптическом элементе, куда попадают исходные продукты для синтеза и ферменты, необходимые в синтезе. Ферменты образуются в соме нейрона и по аксону, примерно со скоростью 6 мм/сутки, попадают в пресинапс, где ис­пользуются в процессе синтеза медиатора. Угнетение активности этих ферментов фармако­логическим путем может привести к истощению запасов медиатора в синапсе и, следова­тельно, к снижению его функциональной способности.

Синтез рецепторов постсинаптической мембраны. Рецепторы — это белковые структу­ры, которые являются интегральными белками плазматической мембраны, они синтезиру­ются в эндоплазматическом ретикулюме клетки, после чего попадают (встраиваются) в пост­синаптическую мембрану, пройдя предварительно «сортировку» в аппарате Гольджя. При нарушении белкового синтеза концентрация рецепторов может существенно снижаться и приводить к уменьшению функциональных возможностей синаптической передачи. В ряде

28

случаев у человека могут вырабатываться антитела к собственным рецепторам постсинап-тической мембраны. Это приводит к нарушению функции синапса. Синтез рецепторов — контролируемый процесс. Например, если мышца денервирована, то число холинорецеп-торов в области постсинаптической мембраны снижается, но одновременно во внесинапти-ческих областях возрастает концентрация холинорецепторов, что делает мышцу более чув­ствительной в отношении циркулирующего в крови ацетилхолина.

СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ СИНАПСОВ

1. Односторонняя проводимость — одно из важнейших свойств химического синапса. Асимметрия — морфологическая и функциональная — является предпосылкой для суще­ ствования односторонней проводимости.

2. Наличие синаптической задержки: для того, чтобы в ответ на генерацию ПД в области пресинапса выделился медиатор и произошло изменение постсинаптического потенциала (ВПСП или ТПСП), требуется определенное время (синаптическая задержка). В среднем оно равно 0,2—0,5 мс. Это очень короткий промежуток времени, но когда речь идет о ре­ флекторных дугах (нейронных сетях), состоящих из множества нейронов и синаптических связей, это латентное время суммируется и превращается в ощутимую величину — 300— 500 мс. В ситуациях, встречающихся на автомобильных дорогах, это время оборачивается трагедией для водителя или пешехода.

3. Благодаря сиааптическому процессу нервная клетка, управляющая данным постси- наптическим элементом (эффектором), может оказывать возбуждающее воздействие или, наоборот, тормозное (это определяется конкретным синапсом).

4. В синапсах существует явление отрицательной обратной связи — антидромный эф­ фект, Речь идет о том, что выделяемый в синаптическую щель медиатор может регулиро­ вать выделение следующей порции медиатора из этого же пресинаптического элемента пу­ тем воздействия на специфические рецепторы пресинаптической мембраны. Так, известно, что в адренергических синапсах имеются альфа₂-адренорецепторы, взаимодействие с кото­ рыми (норадреналин связывается с ними) приводит к снижению выделения порции норад- реналина при поступлении очередного сигнала к синапсу. На пресинаптической мембране обнаруживаются рецепторы и к другим веществам.

5. Эффективность передачи в синапсе зависит от интервала следования сигналов через синапс. Если этот интервал до некоторых пор уменьшать (учащать подачу импульса по аксону), то на каждый последующий ПД ответ постсинаптической мембраны (величина ВПСП или ТПСП) будет возрастать (до некоторого предела). Это явление облегчает пере­ дачу в синапсе, усиливает ответ постсинаптического элемента (объекта управления) на оче­ редной раздражитель; оно получило название «облегчение» или «потенциация». В основе его лежит накопление кальция внутри пресинапса. Если частота следования сигнала через синапс очень большая, то из-за того, что медиатор не успевает разрушиться или удалиться из синаптической щели, возникает стойкая деполяризация или католическая депрессия — снижение эффективности синаптической передачи. Это явление называется депрессией. Если через синапс проходит много импульсов, то в конечном итоге постсинаптичеркая мембрана может уменьшить ответ на выделение очередной порции медиатора. Это называется явле­ нием десенситизации — утратой чувствительности. В определенной мере десенситизацня похожа на процесс рефрактерности (утрата возбудимости). Синапсы подвержены процессу утомления. Возможно, что в основе утомления (временного падения функциональных воз­ можностей синапса) лежат: а) истощение запасов медиатора, б) затруднение выделения медиатора, в) явление десенситизации. Т. о., утомление — это интегральный показатель.

НЕРВНО-МЫШЕЧНЫЙ (МИОНЕВРАЛЬНЫЙ) СИНАПС

Изучен наиболее полно. Для него характерно наличие большого числа изгибов на пре­синаптической и, особенно, на постсинаптической мембране. Благодаря этому возрастает

29

площадь контакта пресинапса с постсинапсом, что увеличивает вероятность взаимодейст­вия. Пресинапс заполнен везикулами ацетилхолина (АХ). Примерно каждый из них содер­жит до 1000—10000 молекул АХ. В основном везикулы расположены в определенных мес­тах пресинапса — около так называемых активных зон. В норме везикулы не подходят близко к пресинаптической мембране, вероятно, из-за того, что имеют такой же заряд, как и преси­напс, хотя возможно и наличие жесткой структуры, которая удерживает везикулы в подве­шенном состоянии. Постсинаптическая мембрана представлена в виде гребешков. Они сле­дуют с интервалом примерно в I мкм. На вершине гребешка концентрация холинорецепто-ров достигает максимальных значений (примерно 20000 рецепторов на 1 мкм²), а в устьях — т. е. в глубине — около 1000 рецепторов. Во внесинаптической зоне концентрация холи-норецепторов меньше — порядка 50 на 1 мкм^г. В синаптической щели расположен гликока-ликс — волокна, которые выполняют опорную функцию (связь механическая). Здесь рас­положена ацетилхолинэстераза (АХЭ), способная расщеплять ацетилхолин со скоростью 1 молекула/мс.

Холинорецепторы нервно-мышечного синапса относятся к Н-ХР (никотинчувствитель-ный холинорецептор), т. е. к рецептору, который помимо ацетилхолина способен возбуж­даться и под влиянием никотина. Его молекулярная масса, определенная с помощью мето­дики связывания рецептора бунгаротоксином (яд полосатой крайоты — вид змеи), равна 250.000. Молекула рецептора состоит из 5 субъединиц — 2 альфа, бета, гамма и дельта. Узнающая субьединица — это альфа. Внутри рецептора (его внешний вид — гриб) прохо­дит ионный канал, пропускающий натрий. При взаимодействии АХ с ХР вследствие кон-формационных изменений меняется состояние канала — он становится доступным для ио­нов натрия, что порождает вход их внутрь мышечного волокна в месте постсинаптической мембраны и, как результат, вызывает деполяризацию. В отличие от других синапсов, этот вид деполяризации получил название потенциала концевой пластинки (ПКП).

В условиях покоя, когда пресинаптическая мембрана не деполяризована, способность везикул выходить из пресинапса почти отсутствует. Однако с интервалом примерно в 1 с спонтанно одна из везикул открывается в синаптичёскую щель и выбрасывает квант медиа­тора. Этот вид активности получил название «миниатюрный потенциал концевой пластин­ки». Наличие МПКП свидетельствует о квантовой природе выделения медиатора.

Когда к пресинапсу приходит потенциал действия, он вызывает значительную деполя­ризацию мембраны. Это приводит к тому, что кальций извне поступает внутрь пресинапса и, вероятно, подобно ситуации в мышцах, вызывает сокращение структур синапса (актино-подобных волокон), в результате чего везикулы близко подходят к пресинаптической мем­бране и происходит экзоцитоз — выброс порции АХ. Если заблокировать кальциевые кана­лы, то процесс передачи возбуждения в синапсе прекращается. В целом, на 1 ПД выделяет­ся 100 (синапсы лягушки) или 200—300 (синапсы млекопитающих) везикул (квантов) меди­атора и в результате генерируется достаточно мощный постсинаптический потенциал (по­тенциал концевой пластинки), который достигает критического уровня деполяризации, вызывая генерацию полноценного потенциала действия, способного распространяться по обе стороны от постсинаптической области во внесинаптические ареалы. Вышедший в си­наптичёскую щель ацетилхолин мгновенно разрушается ацетилхолинэстеразой (АХЭ), превращаясь в холин (он вновь захватывается для последующего синтеза) и ацетат.

Как и все синапсы, нервно-мышечный синалс подвергается фармакологической модифи­кации: можно блокировать проведение ПД по пресинаптическому элементу (новокаином), блокировать высвобождение медиатора, например, за счет удаления из среды ионов каль­ция или добавления ионов марганца, или при помощи ботулинического токсина, можно заблокировать синтез АХ, угнетая захват холина. Наконец, что в практическом отношении чрезвычайно важно, можно блокировать сами рецепторы и, тем самым, полностью прекра­тить передачу возбуждения в синапсе. Это можно сделать, используя такие вещества, кото­рые при высоких концентрациях способны вытеснять ацетилхолин с ХР. Этим свойством обладают кураре и курареподобные вещества (д-тубокурарин, диплацин и т. д.). Эта про-

30

цедура находит широкое применение в хирурпш. Существует также возможность управ­лять активностью ацетилхолинэстеразы (АХЭ). Если ее активность уменьшить до опреде­ленной степени, то это будет способствовать накоплению АХ в синаптической щели. Такая ситуация при определенной патологии (миастения гравис, когда количество выбрасываемо­го медиатора резко снижено) является благоприятной. Если инактивация АХЭ достигает значительной величины, то это сопровождается развитием стойкой деполяризации в обла­сти синапса и приводит к блокаде проведения возбуждения через мионевральный синапс. В конечном итоге это может привести к гибели организма. На этом явлении основано при­менение ФОС (фосфороорганических соединений) в качестве отравляющих веществ (ОВ) или в качестве инсектицидов (дихлофос, хлорофос и т.д.).

ПРОЧИЕ ХОЛИНЕРГИЧЕСКИЕ СИНАПСЫ

Рис. 8. Адренергический (А) и холинергический (Б) синапсы в гладких мышцах.

Варианты медиаторных процессов:

1. — взаимодействие с рецепторами;

2. — разрушение медиаторов;

3. — обратный захват медиатора.

НА — норадреналин, АХ — ацетилхолин, МАО — моноами-ноксидаза, КОМТ—катехоламин-О-метилтрансфераза, АХЭ — ацетилхолинэстераза.

В головном и спинном моз­ге (центральные синапсы), в ве­гетативной нервной системе (ганглии, периферия) широко представлены холинергические синапсы: медиатором во всех этих синапсах является ацетил­холин. Фармакологически было показано, что в одних структурах ХР активизируют­ся помимо АХ, также и нико­тином, другие же рецепторы кроме адетилхолина способ­ные активироваться мускари-ном (алкалоид ряда грибов, в том числе мухомора). В связи с этим все холинорецепторы разделены на 2 основных клас­са: Н-ХР и М-ХР. Каждый из классов также неоднороден. В частности, Н-холинорецепто-ры: в одних случаях (нервно-мышечный синапс) они блоки­руются курареподобными ве­ществами, в других (синапсы головного мозга, синапсы сим­патической и парасимпатичес­кой систем) — они не реагиру­ют на курареподобные вещест­ва, но блокируются под влияни­ем бензогексония и ему подоб­ных веществ (ганглиоблокато-ры). Все М-ХР блокируются атропином (алкалоид белла­донны или красавки обыкновен­ной). Эти рецепторы имеются в центральных холинергичес-ких синапсах, а также в окон­чаниях постганглионарных па­расимпатических волокон.

31

В целом, синапсы на этом основании можно делить на н-холинергические и м-холи-нергические.

В отличие от н-холинергических синапсов, в м-холинергических синапсах может иметь место не только возбуждение, но и торможение. Судя по конечному эффекту, часть м-холи­нергических синапсов является возбуждающими (ГМК желудочно-кишечного тракта и брон­хов), а часть — тормозными синапсами, например, в сердечной мышце.

АДРЕНЕРГИЧЕСКИЕ СИНАПСЫ

Они локализуются в головном мозге, а также в симпатической нервной системе — в окончаниях постганглионарных волокон. Они осуществляют возбуждение (сердечная мыш­ца) или, наоборот, торможение (ГМК желудочно-кишечного тракта и бронхов). Во всех этих синапсах медиатором является НА — норадреналин (правильнее было бы их назвать норадренергическими). Он синтезируется в синапсе из тирозина (последовательно: ДОФА — дофамин — норадреналин — адреналин). Выделение НА происходит в результате появ­ления в области пресинапса потенциала действия. Ионы кальция тоже причастии к выделе­нию очередной порции квантов НА. Судьба НА такова: до 80% его подвергается обратному возвращению в пресинапс (нейрональный захват), часть — захватывается эффекторной клет­кой (экстранейрональный захват), часть — диффундирует в кровеносные сосуды, часть — подвергается расщеплению моноаминоксидазой (МАО) и катехол-0-метилтрансферазой (КОМТ).

Эффект выделения НА зависит от того, какой вид рецептора находится на постсинапти-ческой мембране. Различают 4 вида рецепторов — все они называются адренорецепторами. Их делят на класс альфа-АР (внутри — две популяции; альфа-1 и альфа-2) и бета-АР (соот­ветственно бета-1 и бета-2). В каждом синапсе, вероятно, есть эти все 4 вида рецепторов, но доминирует всегда какой-то один из них. Считается, что при взаимодействии НА с альфа-1-АР происходит деполяризация постсинаптической мембраны (образуется ВПСП) и возбуж­дение эффектора. Альфа-1-АР обычно много в ГМК сосудов кожи и желудочно-кишечного тракта, в нейронах головного мозга. Альфа-2-АР много на пресинаптической мембране ад-ренергического синапса, благодаря чему НА оказывает тормозной антидромный эффект (тормозит выделение очередной порции НА из синапса). Бета-1-адренорецепторы в основ­ном представлены в миокарде, благодаря чему НА вызывает активизацию этих структур. Бета-2-адренорецепторы в основном расположены в ГМК сосудов скелетных мышц, коро-наров, в ГМК бронхов, матки; при их активации возникает торможение активности соответ­ствующих структур.

Подобно другим синапсам, адренергические подвержены фармакологической модуля­ции. Можно регулировать синтез НА, нарушать депонирование его в везикулах (резерпин, октадин), угнетать активность МАО (ипразид), КОМТ (пирогалол), усиливать выделение НА (эфедрин), ингибировать выделение (октадин, орнид) и захват НА (резерпин, кокаин). Наконец, можно избирательно блокировать передачу возбуждения в адренергических си­напсах, используя соответственно альфа-адреноблокаторы (фентоламин), бета-блокаторы (обзидан) или селективные блокаторы (альфа-1, альфа-2, бета-1, бета-2 — адреноблокато-ры). Недавно нами (Циркин В. И. и соавт., 1994—1997) выявлено наличие в крови эндоген­ных адреномодуляторов, изменяющих эффективность адренергического взаимодействия.

ВНУТРИЦЕНТРАЛЬНЫЕ СИНАПСЫ

Химические синапсы мозга представлены двумя основными видами — возбуждающими и тормозными (тормозящими). Одна из главных особенностей синапсов мозга — это оби­лие синаптических связей на одном и том же нейроне (с одним нейроном могут контактиро­вать нескольких тысяч аксонов). При этом нейрон (или его отростки) одновременно по-

"32

лучает и возбуждающие сигналы, и тормозящие, т. е. оба вида синапсов могут функциони­ровать одновременно. Поэтому конечный результат представляет собой результирующую этих процессов — преобладание возбуждающих воздействий над тормозными приводит к возбуждению, и наоборот. Один и тот же нейрон может получать возбуждающие воздейст­вия через различные синапсы (адренергические, серотонинергические и т. п.), его плазма­тическая мембрана должна иметь набор соответствующих хеморецепторов. Нейрон может находиться в состоянии покоя, возбуждения или торможения. Во многом это определяется состоянием мембраны на аксонном холмике. Это место интеграции всех входов нейрона. Именно здесь может происходить суммация возбуждающих или, наоборот, тормозных вли­яний. Например, каждый возбуждающий синапс вызывает подпороговые изменения мемб­ранного потенциала, недостаточные для генерации ПД (ВПСП не достигает критического уровня деполяризации). Если одновременно возбуждаются два входа (через 2 синапса идет возбуждение нейрона), то их воздействия могут суммироваться на нейроне и ВПСП будет способен вызывать генерацию ПД.

В мозге имеется ряд медиаторов, вызывающих возбуждение нейрона: норадреналин (его продуцируют адренергические нейроны), дофамин (дофаминергические нейроны), серото-нин, пептиды (пептидергические), глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота и т. д. Во всех этих случаях выделяющийся медиатор взаимодействует со специфическим рецепто­ром, в результате чего меняется проницаемость для ионов натрия, калия или хлора, я в итоге развивается деполяризация (ВПСП). Если она достигает критического уровня депо­ляризации, то возникает ПД (возбуждение нейрона).

Тормозные синапсы образованы специальными тормозными нейронами (точнее, их ак­сонами). Медиатором могут быть глицин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и ряд других веществ. Обычно глицин вырабатывается в синапсах, с помощью которых осуще­ствляется постсинаптическое торможение. При взаимодействии глицина как медиатора с глициновыми рецепторами нейрона возникает гиперполяризация нейрона (ТПСП) и, как следствие, — снижение возбудимости нейрона вплоть до полной его рефрактерности. В результате этого возбуждающие воздействия, оказываемые через другие аксоны, стано­вятся малоэффективными или неэффективными. Нейрон выключается из работы полностью.

Пресинаптическое торможение осуществляется, вероятнее всего, с участием ГАМК. Принцип таков: тормозной ГАМК-ергический нейрон направляет свой аксон к аксону, по которому идет возбуждающее воздействие от одного нейрона (N 1, к примеру) ко второму (N 2). В месте контакта, который расположен недалеко от синаптической связи аксона ней­рона N 1 с нейроном N 2, выделяется ГАМК, которая взаимодействует с ГАМК-ергически-ми рецепторами, и в результате происходит стойкая деполяризация, которая приводит к развитию католической депрессии. Этого вполне достаточно, чтобы блокировать проведе­ние возбуждения по аксону от нейрона N 1 к нейрону N 2. Ситуация напоминает действие новокаина.

Пресинаптическое торможение, в отличие от постсинаптического, не выключает из ра­боты сразу весь нейрон, а лишь выключает отдельный вход, т. е. это более «тонкий» инстру­мент торможения, чем постсинаптическое. Оно позволяет «изъять» ненужную информа­цию, не допустить ее к данному нейрону.

Эффект глицина блокируется стрихнином, а эффект ГАМК блокируется бикукулином или пиротоксином.

3. Физиология человека