Нормальная физиология (Пособие для резидентуры)

Регистрация суммарного

потенциала действия

Раздражение

Проведение

возбуждения

α βγ δ

А В С

Нерв

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН. СИНАПСЫ	4

Рис. 4.7. Изменение формы суммарного потенциала действия нерва за счет разной скорости проведения возбуждения по разным группам нервных волокон:

Аα, Аβ, Аγ, Аδ, В, С – группы нервных волокон /5/.

Три другие группы волокон типа А: Аβ, Аγ и Аδ – имеют меньший диаметр, меньшую скорость проведения возбуждения и более длительный потенциал действия. Это преимущественно чувствительные волокна, проводящие возбуждение от различных рецепторов в ЦНС. Волокна Аβ образуют афферентные волокна от рецепторов прикосновения кожи в ЦНС. Волокна Аγ – образуют эфферентные волокна к мышечным веретенам. Волокна Аδ являются преимущественно афферентными соматическими волокнами, идущими от температурных и болевых рецепторов кожи в ЦНС. При проведении возбуждения по этим волокнам возникает первичный электрический компонент боли.

Волокна типа В – тонкие миелинизированные, диаметром 10-11 мкм и скоростью проведения возбуждения менее 10 м/сек. Продолжительность потенциала действия волокон типа В (1-2 мс) примерно в 3 раза превышает длительность потенциала действия волокон типа А. Отличительной особенностью этих волокон является то, что в них отсутствует фаза следовой деполяризации; нисходящее колено пика непосредственно переходит в следовую гиперполяризацию, которая в ряде случаев продолжается более 100 мс. Входят в состав преганглионарных волокон вегетативной нервной системы.

Волокна типа С – тонкие безмиелиновые, диаметром 4-5 мкм, скоростью проведения возбуждения 0,7 м/сек. Потенциалы действия волокон этого типа характеризуются наибольшей продолжительностью (2 мс у теплокровных). Входят в состав постганглионарных волокон вегетативной нервной системы. Волокна типа С также передают афферентное возбуждение от внутренних органов в ЦНС. По ним передается возбуждение, формирующее вторичный протопатический компонент боли.

Характеристика проведения возбуждения в смешанном нерве представлена на табл. 4.1.

61

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

Таблица 4.1.Проведение возбуждения в смешанном нерве /6/.

	Тип	Диаметр	Скорость	Длительность	Характерпередаваемойинформации
	волокна	волокна,	проведения,	ПД, мс
		мкм	м/с
			100-160,		Произвольные двигательные волокна,
	Аα	12-20		0,4-05	проприорецепция, мышечная чувстви-
			(70-120)
					тельность
					Осязание, прикосновение (тактильная
	Аβ	8-12	40-70	0,4-0,6
					чувствительность), давление
					Чувствительные афферентные волокна от
	А	4-8	15-40	0,5-0,7	задних корешков спинного мозга,
					эфферентные волокна к мышечным
					веретенам
					Проведение острой болевой, температур-
	А	1-4	5-15	0,6-1,0
					ной, тактильной чувствительности
	В	10-11	10	1-2	Преганглионарные волокна ВНС
					Боль, температура, некоторые виды меха-
	С	4-5	0,7-1	2,0	норецепции, постганглионарные волокна
					ВНС

4.4. Физиологиясинапсов

Синапс – это специализированная структура, которая обеспечивает передачу возбуждения от одной возбудимой структуры к другой. Термин «синапс» был введен в

физиологию Ч.Шеррингтоном, что означает «соединение», «застежка» /4/. Синапс представляет собой сложную структуру и состоит из пресинаптической части (окончание аксона, передающее сигнал), синаптической щели и постсинаптической части (структура воспринимающей клетки) (рис. 4.8).

	Безмиелиновое окончание
	двигательного нерва
	Пузырьки с медиатором
Синаптическая	Пресинаптическая мембрана

Эндоплазматическая сеть	Митохондрия

Са2+ Са2+

Постсинаптическая мембрана с хеморецепторами

Рис. 4.8. Ультраструктура синапса (схема) /4, 6/.

62

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН. СИНАПСЫ	4

Пресинаптическое окончание аксона нейрона при подходе к иннервируемой клетке теряет миелиновую оболочку, что несколько снижает скорость распространения волны возбуждения. Небольшое утолщение на конце волокна, называемое синаптической бляшкой, содержит синаптические пузырьки с медиатором – веществом, способствующим передаче возбуждения в синапсе. В пресинаптической области обнаружены митохондрии, гранулы гликогена, спиралевидные нити – филаменты.

Синаптическая щель – пространство между пресинаптическим окончанием и участком мембраны эффекторной клетки является непосредственным продолжением межклеточного пространства; ее содержимое – гель, в состав которого входят гликозаминогликаны /6/.

Постсинаптическая мембрана – участок эффекторной клетки, контактирующий с пресинаптической мембраной через синаптическую щель. От постсинаптической мембраны по направлению к ядру клетки прослеживаются нежные микротрубочки, образованные молекулами специфических белков. Полагают, что им принадлежит определенная роль в распространении и обработке информации внутри клетки. Уникальной структурой постсинаптической мембраны являются клеточные рецепторы – сложные белковые молекулы, способные к конформации, т.е. изменяющие пространственную ориентацию при взаимодействии с соответствующими им веществами – лигандами /6/. В результате конформации в центрах связывания рецептора с медиатором изменяется проницаемость мембранных ионоселективных каналов эффекторной клетки. Это в свою очередь способствует возбуждению или торможению эффекторной клетки.

Организации синапсов способствуют специальные белковые вещества, которые вырабатываются в нервной ткани и называются синаптинами. Кроме того, организации синапсов способствуют также факторы роста нервов и инсулин. Если синапс структурно создается нервом, то его физиологические свойства зависят от свойств постсинаптической мембраны иннервируемой ткани.

Исключительную роль синапсов в процессах жизнедеятельности организма изучает наука

– синаптология. Она исследует различные свойства синапсов в организме и их реакции на разнообразные воздействия.

Классификация синапсов. В соответствии с морфологическим принципом синапсы

(рис. 4.9) подразделяются на /6/:

аксо-аксональные (между двумя аксонами);

аксо-дендритические (между аксоном одного нейрона и дендритом другого);

аксо-соматические (между аксоном одного нейрона и телом другого);

дендро-дендритические (между дендритами двух или нескольких нейронов);

нервно-мышечные (между аксоном нейрона и мышечным волокном);

аксо-эпителиальные (между секреторным нервным волокном и грандулоцитом);

межнейронные (общее название синапсов между какими-либо элементами двух нейронов).

Кроме того, все синапсы делят на центральные (нейронейрональные в головном и спинном мозге) и периферические (нервно-мышечные, аксоэпителиальные и синапсы

63

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

вегетативных ганглиев).

В соответствии с нейрохимическим принципом синапсы классифицируют по виду химического вещества – медиатора, с помощью которого происходит возбуждение и торможение эффекторной клетки. Различают адренергические, холинергические, серотонинергические, ГАМК-ергические и др. синапсы.

Сложный синапс на шипике

			Ответвление	Дендриты
			шипика
				Шипики
Шипик
							Микро-
							трубочки
							Мито-
							хондрия
								Синапти-
								ческие
								пузырьки
								Шипик
						Дендрит
					Аксодендритический синапс
	Тело
	ней-			Аксон
	рона

				Аксон
Аксосоматические синапсы
				Эффекторная
		Аксон
				клетка

Аксо-аксональный синапс

Рис. 4.9. Различные виды синаптических контактов на пирамидной клетке гиппокампа /6/.

По способу передачи информации синапсы подразделяются на три группы. Первую группу составляют синапсы с химической природой передачи посредством медиаторов, например, нервно-мышечные.

Вторую – синапсы с передачей электрического сигнала непосредственно с прена постсинаптическую мембрану – эфапсы, например, синапсы в сетчатке глаза. По сравнению с химическими они отличаются большой скоростью передачи сигнала, высокой надежностью и возможностью двусторонней передачи возбуждения.

Третья группа представлена «смешанными» синапсами, сочетающими элементы как химической, так и электрической передачи.

По конечному физиологическому эффекту, а также по изменению потенциала постсинаптической мембраны, различают возбуждающие и тормозные синапсы. В возбуждающих синапсах в результате деполяризации постсинаптической мембраны

64

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН. СИНАПСЫ	4

генерируется возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). В тормозных синапсах в результате гиперполяризации постсинаптической мембраны возникает тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП) /6/.

Этапыимеханизмысинаптическойпередачи

Передача возбуждения в химическом синапсе включает в себя синтез и секрецию медиатора, взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны, инактивирование медиатора. В целом синапс осуществляет последовательную трансформацию электрического сигнала, поступающего по нервному волокну, в энергию химических превращений на уровне синаптической щели и постсинаптической мембраны, которая затем снова трансформируется в энергию распространяющегося возбуждения в эффекторной клетке /6/.

Синтез медиатора. Некоторые медиаторы (например, ацетилхолин) синтезируются в цитоплазме синаптических окончаний из нормальных компонентов внутри- и внеклеточных жидкостей, поступающих в них путем пиноцитоза. Другие образуются в теле нейрона, в частности в аппарате Гольджи (пластинчатый комплекс), в перикарионе, а затем путем прямого аксонного транспорта поступают в синаптическое окончание и депонируются в везикулах /6/.

По принципу Дейла каждая нервная клетка синтезирует только один медиатор. В синапсах периферической нервной системы имеется два медиатора (ацетилхолин и норадреналин). Ацетилхолин выделяется в нервно-мышечных синапсах соматической нервной системы, ганглионарных синапсах вегетативной нервной системы, нейроорганных синапсах парасимпатической нервной системы и нейроорганных синапсах симпатической нервной системы в потовых железах и кровеносных сосудах скелетных мышц. Норадреналин выделяется в основной части нейроорганных синапсов симпатической нервной системы. В синапсах соматической нервной системы ацетилхолин является возбуждающим медиатором. В нейроорганных синапсах вегетативной нервной системы ацетилхолин и норадреналин могут вызвать и возбуждение и торможение постсинаптических мембран (амбивалентность медиатора), что зависит от свойств постсинаптических рецепторов. Так, один и тот же медиатор (например, ацетилхолин) может активировать как натриевые (в скелетных мышцах), так и калиевые (в сердце) каналы. В первом случае синапсы, выделяющие ацетилхолин, действует как возбуждающие, во втором – как тормозные.

Таким образом, характер изменения проницаемости постсинаптической мембраны (деполяризация и гиперполяризация) зависит не столько от химической природы медиатора, сколько от особенностей строения клеточных рецепторов разных органов. Именно, поэтому один и тот же медиатор (например, ацетилхолин) возбуждает одни органы (скелетные мышцы) и тормозит другие (сердце).

Кроме основного медиатора, пресинаптические окончания выделяют комедиаторы, которые настраивают чувствительность постсинаптических рецепторов к основному медиатору. В адренергических синапсах комедиаторами являются дофамин, АТФ, гонадотропин и пептид Y. В холинергических синапсах комедиатором является вазоинтестинальный полипептид.

В синапсах центральной нервной системы имеется множество медиаторов. Главным

65

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

возбуждающим медиатором является глутамат, с помощью которого в ЦНС передается 80% информации, а также аспартат. Ацетилхолин, норадреналин, дофамин и серотонин настраивают возбудимость нейронов, определяя уровень бодрствования организма и его мотивационно-эмоциональный фон. Ацетилхолин поддерживает тонус нервных центров как при бодрствовании, так и во время сна. Норадреналин дополнительно активирует нервные центры при напряжении организма. Дофамин способствует регуляции движений и мышечного тонуса. Серотонин сдерживает возбуждение нервных центров в необходимых пределах.

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и глицин являются тормозными медиаторами.

Ряд биологически активных веществ обладает модулирующим действием на основные медиаторы (нейромодуляторы). Гистамин повышает чувствительность нервных центров к основным медиаторам. Вещество Р разнообразно модулирует действие основных медиаторов и принимает прямое участие в проведении болевого и эмоционального возбуждения. Энкефалины и эндорфины тормозят выделение основных медиаторов при болевом возбуждении.

Секрециямедиатора

Высвобождение медиатора из синаптических пузырьков имеет квантовый характер.

В состоянии покоя оно незначительно, так как в отсутствие деполяризации пресинаптического окончания происходит только случайное столкновение синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной. Скорость спонтанной секреции зависит от уровня поляризации пресинаптической мембраны и количества ионов кальция внутри нервного окончания. В результате экзоцитоза в синаптическую щель попадает лишь небольшое количество медиатора. В ответ на кванты медиатора на постсинаптической мембране возникают миниатюрные постсинаптические потенциалы (МПСП), причем беспорядочно, их величина (0,5 мВ) значительно меньше порога возбуждения постсинаптической мембраны, и нужно 200-300 таких МПП, чтобы возникло распространяющееся возбуждение /6/.

При деполяризации пресинаптической мембраны под влиянием нервного импульса высвобождение медиатора резко усиливается.

Взаимосвязь между деполяризацией пресинаптической мембраны и высвобождением медиатора выполняют ионы кальция, которые всякий раз, когда возбуждение (ПД) достигает пресинаптической части, на короткое время, но в значительных количествах входят в цитоплазму пресинаптического окончания и инициируют высвобождение медиатора из везикул.

И если деполяризация связана с активацией натриевых, то секреция – только кальциевых каналов.

Сложные взаимодействия между электрическим импульсом и синаптическими пузырьками (в присутствии ионов кальция, АТФ и мембранной АТФ-азы) приводят к склеиванию везикул с пресинаптической мембраной и опорожнению медиатора в синаптическую щель (экзоцитоз) (рис. 4.10). Скорость экзоцитоза зависит от скорости высвобождения кальция из эндоплазматической сети пресинаптического окончания и его поступления извне и активности метаболических процессов. Она увеличивается при введении лекарственных средств, содержащих кальций, а также АТФ, биогенных

66

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН. СИНАПСЫ	4

стимуляторов (алоэ, женьшень, боярышник), гормонов /6/.

	Синаптические	Пресинаптическая
	пузырьки	мембрана
	Пиноцитозный
	пузырек		Рис. 4.10. Экзо- и пиноцитоз медиатора в синапсе
	Синаптическая	Молекулы
			(схема) /6/.
	щель	медиатора
	Постсинаптическая	Экзоцитоз
		медиатора
	мембрана
	Белки-хеморецепторы

Взаимодействиемедиаторасрецепторамипостсинаптическоймембраны

Структурными элементами мембранного рецептора являются два белковых функциональных центра связывания молекул медиатора и пронизывающий мембрану ионоселективный канал. Связь между рецептором и ионоселективным каналом заключается в том, что при изменении (конформации) рецептора осуществляется «запуск» работы ионоселективного канала.

Вследствие конформационных процессов в области белковых ионоселективных каналов изменяется их проницаемость для различных ионов

(рис. 4.11).

При увеличении проницаемости натриевых каналов усиливается поступление этих ионов в клетку с последующей деполяризацией химически возбудимых участков мембраны и возникновением ВПСП, величина которых пропорциональна количеству выделяющегося медиатора. Из множества ВПСП вследствие их суммации возникает распространяющееся возбуждение в соседнем электровозбудимом участке мембраны (потенциал действия). Такие синапсы называются

возбуждающимися (рис. 4.12-I).

Пресинаптические окончания

Везикулы с медиатором

Ca2+ Cl-

Na+

K+	+
	K

ВПСП ТПСП

мВ

мВ

Возбуждение Торможение

Рис. 4.11. Возбуждающий и тормозной синапсы /1, 4, 6 /.

Если повышается проницаемость калиевых каналов и каналов для хлора, наблюдается

67

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

избыточный выход калия из клетки с одновременной диффузией в нее хлора, что приводит к гиперполяризации мембраны, снижению ее возбудимости и развитию ТПСП. Передача нервных импульсов затрудняется или совсем прекращается. Такие синапсы называются тормозными (рис. 4.12-II).

	I		II
Аксоплазматический		Проведение	Аксоплазматический	Проведение
ток медиатора			ток медиатора
		возбуждения		возбуждения
Медиатор			Медиатор
Везикулы		Na+	Везикулы	Na+
	K+	Ca2+	K+	Ca2+
А
Пресинаптическая			ПресинаптическаяCa2+Ca2+ Ca2+
мембрана	Ca2+Ca2+ Ca2+ Синаптическая
		щель	мембрана	Синаптическая
				щель
Постсинаптическая			Постсинаптическая
мембрана
			мембрана
Б
	Na+ Na+ Na+		Cl– Cl– Cl–
		ВПСП		ТПСП
				Торможение
В				возбуждения
Потеря части		Пресинаптические
		рецепторы
медиатора
				Отсутствие
		Проведение		проведения
				возбуждения
Г		возбуждения

Рис. 4.12. Проведение возбуждения через возбуждающий синапс (I) и торможение проведения возбуждения в тормозном синапсе (II): А – проведение возбуждения по аксону и увеличение проницаемости мембраны для ионов Са2+; Б – Са2+ вызывает движение везикул к пресинаптической мембране. Медиатор выходит в синаптическую щель; В – медиатор присоединяется к рецепторам постсинаптической мембраны и возникает ВПСП или ТПСП; Г – локальные токи способствуют возникновению ПД в соседних с постсинаптической мембраной участках, и возбуждение проводится в возбуждающем синапсе. В тормозном синапсе возбуждение не проводится. Медиатор расщепляется ферментативно, и большая часть продуктов его расщепления активно всасывается обратно в пресинаптическое окончание. Пресинаптические рецепторы оценивают количество выделившегося медиатора /5/.

Таким образом, взаимодействие медиатора с рецепторами может вызывать возбуждение или торможение эффекторной (постсинаптической) клетки, в частности, нейрона; сокращение или расслабление мышечной клетки; образование и выделение гормонов и других биологически активных веществ секреторными клетками. Рецептор «переводит»

68

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН. СИНАПСЫ	4

сообщение, закодированное в молекулярной структуре медиатора, в специфическую физиологическую реакцию.

В возбуждении постсинаптической мембраны, помимо медиаторов, участвуют и другие выделяющиеся в пресинаптической области вещества: ионы кальция, отдельные олигопептиды, такие как вещество Р, факторы роста нервов, оксид азота и др.

Классификация рецепторов постсинаптической мембраны. Рецепторы,

взаимодействующие с ацетилхолином, называются холинорецепторами. В функциональном отношении они подразделяются на две группы – мускарино- (М) и никотино- (Н) чувствительные. В синапсах скелетных мышц и вегетативных ганглиях присутствуют только Н-холинорецепторы, тогда как в сердце и гладких мышцах внутренних органов – преимущественно М-холинорецепторы.

Рецепторы, взаимодействующие с норадреналином, называются адренорецепторами. В функциональном отношении они делятся на α- и β-адренорецепторы. В постсинаптической мембране гладких мышечных клеток внутренних органов и кровеносных сосудов часто соседствуют оба вида адренорецепторов. Действие норадреналина в ряде случаев является деполяризующим, если он взаимодействует с α-адренорецептором, или тормозным – при взаимодействии с β-адренорецепторами. Результатом взаимодействия норадреналина с α-адренорецептором является, например, сокращение мышечной оболочки стенок кровеносных сосудов (артериол), а с β2-адренорецепторами – их расслабление.

Холино- и адренореактивные структуры находятся во всех внутренних органах, железах внутренней и внешней секреции, скелетных и гладких мышцах, вегетативных ганглиях, ЦНС.

Рольхолинэстеразывпроведениивозбуждения

В области нервно-мышечного соединения в больших концентрациях присутствует фермент холинэстераза, способная быстро расщеплять ацетилхолин, выделяющийся в нервном окончании. В естественных условиях к мышце поступают быстро следующие друг за другом нервные импульсы и постсинаптическая мембрана, деполяризованная предшествующей порцией ацетилхолина, становится малочувствительной к действию следующей порции. Чтобы идущие друг за другом нервные импульсы могли осуществлять нормальное возбуждающее действие, необходимо к моменту прихода каждого из них «убрать» предшествующую порцию медиатора. Эту функцию выполняет холинэстераза. Холин, освобождающийся при расщеплении молекул ацетилхолина, переносится обратно в нервное окончание специальной транспортной системой, существующей в пресинаптической мембране.

Фармакологические вещества, обладающие способностью угнетать активность холинэстеразы, называются ингибиторами. К ним относятся: эзерин, простигмин, галантамин. Если на нервно-мышечное соединение действует какое-либо из этих веществ, постсинаптический потенциал увеличивается по своей амплитуде и резко растягивается во времени.

При действии ингибитора холинэстеразы ритмическое раздражение нерва вызывает выраженную суммацию потенциалов концевой пластинки (ПКП), что ведет к стойкой

69

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

деполяризации постсинаптической мембраны и блоку проведения импульсов с нервного волокна на мышечное. При этом стойкая деполяризация постсинапической мембраны приводит соседние участки мышечного волокна в состояние угнетения, обусловленное инактивацией натриевой, и стойким повышением калиевой проницаемости мембраны (состояние «катодической депрессии»).

В отсутствие ингибиторов холинэстеразы при условии частого раздражения нерва постсинаптические потенциалы, вызываемые каждым нервным импульсом, суммируются, поскольку в межимпульсный интервал холинэстераза не успевает полностью расщепить выделяющийся в нервном окончании ацетилхолин. В результате суммации потенциалов постсинаптическая мембрана все более и более деполяризуется.

Химическаяиэлектрическаятеориивозбуждениясинапсов

Согласно химической теории передача возбуждения с нервного волокна на скелетное мышечное волокно представляется следующим образом. При поступлении к пресинаптической области распространяющегося процесса возбуждения в пресинаптической мембране открываются потенциалзависимые кальциевые каналы. Под влиянием Са2+ пресинаптические везикулы с ацетилхолином начинают массивно концентрироваться около пресинаптической мембраны. Как только везикулы соприкасаются с пресинаптической мембраной, происходит лизис везикулярной и пресинаптической мембран – и содержимое везикулы изливается путем экзоцитоза в синаптическую щель. Затем медиатор ацетилхолин взаимодействует с Н-холинорецептором натриевого ионного канала в результате открываются активационные (m) ворота натриевых ионных каналов (рис. 4.13).

АЦХ Рецептор

АЦХ

Ворота

А

Б

Рис. 4.13. Схематическое изображение хемовозбудимого ионного канала, активизируемого ацетилхолином. Канал образован макромолекулой белка, погруженной в липидной бислой мембраны. Ворота канала управляются хеморецептором (заштрихован). До взаимодействия молекулы ацетилхолина (АЦХ) c рецептором ворота закрыты (А). Они открываются при связывании АЦХ с рецептором (Б).

При этом ионы Na+ устремляются внутрь постсинаптической клетки, что приводит к деполяризации постсинаптической мембраны и генерации потенциала действия. Схематически процесс передачи возбуждения с нервного волокна на скелетное мышечное волокно можно представить в виде следующей цепи явлений:

нервный импульс → поступление Са2+ внутрь нервного окончания → освобождение из нервного окончания ацетилхолина → взаимодействие ацетилхолина с холинорецептором → активация хемовозбудимых каналов постсинаптической мембраны в результате взаимодействия медиатора с холинорецептором → возникновение ПКП → критическая деполяризация околосинаптической электровозбудимой мембраны → генерация ПД → ПД распространяется по мембране мышечного волокна, вызывая его сокращение.

70