2 курс / Гистология / Гистология,_цитология_и_эмбриология_Зиматкин_С_М_Ред_

Рисунок 6.10 – Строение синапсов (Г-Д):

Г - электронная микрофотография аксодендритического синапса

(препарат И.Г. Павловой): 1 – аксосоматический синапс, 2 – аксодендритические синапсы, 3 – аксоаксональный синапс, 4 – дендриты, 5 – дендритный шипик, 6 – аксон,

7 – синаптические пузырьки, 8 – пресинаптическая мембрана, 9 – постсинаптическая мембрана, 10 – синаптическая щель,

11– постсинаптические уплотнения. (по Ю.И. Афанасьеву и др. 1999).

Д– объемная реконструкция синапсов на теле мотонейрона спинного мозга кошки (по Haggar R.A., Barr M.L.)

Поскольку в процессе образования миелиновой оболочки осевой цилиндр и леммоциты продолжают расти, то каждый последующий, наружный виток мезаксона шире предыдущего.

131

Участки волокна, не покрытые миелином, называются узловыми перехватами Ранвье. Они находятся на границе между двумя соседними леммоцитами. Соответственно, участок волокна, образованный одной глиальной клеткой, именуется межузловым сегментом. Снаружи всё волокно, включая узловые перехваты, покрыто базальной мембраной (рис. 6.6). По миелиновым волокнам нервный импульс передается с большой скоростью, до 120 м/сек.

По химической природе используемого медиатора различают синапсы:

1.Холинергические (медиатор – ацетилхолин).

2.Аминергические (медиаторы – биогенные амины: адреналин, норадреналин, дофамин, серотонин, гистамин и др.).

3.ГАМКергические (медиатор – гаммааминомасляная кислота).

4.Аминокислотоергические (медиаторы – аминокислоты: глутамат, аспартат).

5.Пептидергические (медиаторы – пептиды).

6.Пуринергические (пуриновые нуклеотиды).

Всего в нервной системе обнаружено около сотни разных медиаторов и, соответственно, типов синапсов и нейронов различной медиаторной природы. Самую большую группу нейромедиаторов образуют нейропептиды. Они широко распространены на периферии в качестве общих или местных гормонов и регулируют кровяное давление, секрецию пищеварительных соков, пролиферацию клеток. К ним относятся вещество Р, ангиотензин II, люлиберин, холецистокинин, ß-эндорфин и др. Эти же пептиды с помощью меченых антител (иммуногистохимические методы) обнаружены и в нервной системе. Нейропептиды образуются рибосомами гранулярной эндоплазматической сети в теле нейрона, и в составе везикул переносятся к окончаниям аксона с помощью быстрого аксонального транспорта.

Пресинаптичекие нейроны, образующие синапсы и синтезирующие и выделяющие эти медиаторы, называются, соответ-

ственно, холинергическими, аминергическими, ГАМКергическими, и др. Постсинаптические нейроны с рецепторами к этим медиаторам называются, соответственно, холин-, амино-, и

ГАМК реактивными.

132

На одном нейроне могут заканчиваться аксоны нейронов различной медиаторной природы (холинергические, аминергические, пептидергические и др.). На каждом нейроне могут образовывать синапсы тысячи других нейронов.

Пресинаптические пузырьки, содержащие различные медиаторы, при электронной микроскопии значительно отличаются по строению. По этому признаку можно различать синапсы и нейроны различной медиаторной природы (рис. 6.10В). Нейромедиаторы, выделяясь в синаптическую щель, взаимодействуют со специфическими рецепторами, расположенными в постсинаптической мембране.

Синаптическая передача

Это сложный каскад событий, включающий в себя следующие этапы: синтез нейромедиатора в пресинаптическом нейроне, его накопление и хранение в синаптических пузырьках вблизи пресинаптической мембраны, высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель, кратковременное взаимодействие нейромедиатора с рецептором, встроенным в постсинаптическую мембрану, разрушение нейромедиатора или обратный захват его пресинаптической мембраной.

Синтез нейромедиатора. Ферменты, необходимые для синтеза нейромедиаторов, образуются в перикарионах и транспортируются с аксотоком к синапсу, где в пресинаптической части из предшественников синтезируется нейромедиатор. Исключение составляют нейропептиды, которые синтезируются в теле нейрона, а затем транспортируются в область синапса.

Хранение нейромедиатора. Нейромедиатор накапливается в пресинаптической части, внутри синаптических пузырьков. В пузырьке находится несколько тысяч молекул медиатора, что составляет квант. Величина кванта зависит от количества синтезированного медиатора.

Часть синаптических пузырьков подходит к пресинаптической мембране и прикрепляются к ней в ожидании нервного импульса.

Секреция нейромедиатора. Когда потенциал действия достигает синапса, в пресинаптической мембране откры-

133

ваются кальциевые каналы и Са++ входит в пресинаптическую часть синапса. Под действием кальция синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, что приводит к выделению медиатора в синаптическую щель (экзоцитоз медиатора).

Взаимодействие нейромедиатора с рецептором. После выброса в синаптическую щель молекулы нейромедиатора быстро достигают специфических рецепторов находящихся в постсинаптической мембране и взаимодействуют с ними. Это приводит к открытию ионных каналов, деполяризации мембраны и возникновению потенциала действия (в возбуждающих синапсах), либо гиперполяризации и торможению (в тормозных синапсах).

Удаление медиатора из синаптической щели осуществляется путём быстрого (несколько миллисекунд) разрушения нейромедиатора ферментами постсинаптической мембраны (например, ацетилхолин разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой). Продукты распада медиатора захватываются пресинаптическим нейроном, где происходит быстрый ресинтез медиатора и накопление его в синаптических пузырьках. Некоторые медиаторы могут удаляться путём обратного захвата специальными белками-транспортёрами пресинаптической мебраны.

Молекулярные механизмы секреции медиатора в синапсе

Синаптические везикулы образуются в теле нейрона, отделясь от цистерн комплекса Гольджи, а затем транспортируются по аксону в нервные окончания. Заполнение везикул медиатором происходит в терминалях (для классических медиаторов) или они отпочковываются от комплекса Гольджи уже заполненные медиатором (для нейропептидов).

Имеются два механизма освобождения медиатора из везикул в синаптическую щель. Оба механизма кальцийзависимые. Первый механизм представляет собой чистый (классический) экзоцитоз с полным слиянием. Он сопровождается встраиванием мембраны синаптической везикулы в пресинаптическую мембрану, что сопровождается увеличением площади последней (рис. 6.11). При этом все содержимое везикулы оказывается в синаптической щели, а мембрана везикулы встраивается в пост-

134

синаптическую мембрану. В результате бывшая внутренняя поверхность мембраны везикулы обращена в сторону синаптической щели. При этом новые везикулы могут образовываться уже из других участков пресинаптической мембраны. Второй механизм – экзоцитоз без полного слияния, с частичным освобождением содержимого (kiss and run). Он характеризуется формированием временной поры (канала) в пресинаптической мембране, сообщающей полость везикулы с синаптической щелью. После выделения медиатора везикула быстро восстанавливается в том же месте (рис. 6.11).

Рисунок 6.11 – Схематическое изображение формирования, заполнения, экзоцитоза и рециклизации синаптических везикул

135

Процесс экзоцитоза медиатора происходит в специализированных постсинаптических структурах – активных зонах. Активная зона состоит из пресинаптической плотной полоски, расположенной поперек нервного окончания, по бокам которой в два двойных ряда расположены кальциевые каналы и синаптические везикулы. Расстояние между активными зонами 1– 2 мкм. Везикулы связаны между собой, а также с микротрубочками и актиновыми филаментами цитоскелета нитями фосфопротеина синапсина.

В активной зоне осуществляются 5 основных процессов.

1.Транспорт (мобилизация) везикул доступных к освобождения к пресинаптической мембране с помощью микротрубочек и актиновых миофиламентов (продолжительность этого процесса 5–12 секунд).

2.Стыковка (докирование) везикулы с местом освобождения в активной зоне.

3.Подготовка (прайминг) везикулы к экзоцитозу. При этом синаптическая везикула уже готова к выбросу своего содержимого и ожидает лишь входа ионов Са.

4.Экзоцитоз – слияние мембраны везикулы с плазматической мембраной. Для этого необходимо открытие потенциалзависимых кальциевых каналов и увеличение концентрации ионов Са в области везикулы. Этот процесс происходит очень быстро – в течение тысячных долей секунды.

5.Рециклинг везикулы посредством эндоцитоза с последующим заполнением медиатором и включением ее в мобили-

зационный пул или пул, доступный к освобождению. Морфофункциональный модуль секреции медиатора – сек-

ретосома.

Секретосома состоит из синаптической везикулы, докированной в области активной зоны пресинаптической мембраны, кальциевого канала и молекулярной машины освобожденная (белки, ответственные за экзо- и эндоцитоз). Работа секретосом определяет деятельность активных зон и всего синапса в целом.

К настоящему времени уже известно более десяти типов белков отвественных за экзо- и эндоцитоз. Среди них:

− синаптотагмин (Са++ – сенсор), ответственный за связывание четырех ионов Са необходимых для экзоцитоза одной везикулы;

136

−синаптобревин - входит в состав мембраны везикул;

−синаптофизин - входит в состав мембраны везикул, связывает ионы Са;

−синапсин – связывает везикулы с элементами цитоскелета, участвуя в мобилизации везикул.

Работа секретосомы. Активная зона представляет собой группу докированных синаптических везикул и Са++ – кана-

лов находящихся в определенной области пресинаптической мембраны. Потенциал действия открывает Са++ канал. Через него за 1 мс из межклеточной среды входит несколько сотен ионов. Около внутреннего его устья образуется короткоживущее «облако» ионов Са с концентрацией более 100 мкмоль. Ионы Са дей-

ствуя как внутриклеточные посредники быстро связываются с Са++ – сенсором, который взаимодействует с другими белками, в результате чего происходит конформационные изменения белков мембраны везикул. В результате происходит слияние сотен везикул с пресинаптической мембраной и выделение соответственно сотен квантов медиатора в синаптическую щель. Это вызывает деполяризацию постсинаптической мембраны (потенциал действия). В это же время имеющиеся в плазматической мембране кальциевые насосы быстро откачивают ионы Са из клетки.

В покое, без ионов Са, может также изредка происходить экзоцитоз отдельных везикул (примерно 1 в секунду), при этом

всинаптическую щель выделяется стандартная маленькая порция (квант) медиатора (например, около 5000 молекул ацетилхолина в моторной бляшке). Это вызывает миниатюрный синаптический потенциал с амплитудой 1 мв, что намного ниже порогового уровня.

Количество и суммарная протяженность активных зон, а также их функциональные особенности определяют количество квантов медиатора, освобождаемых в ответ на нервный импульс из нервного окончания в целом, величину постсинаптического ответа и надежность передачи возбуждения с одной возбудимой клетки на другую. Активные зоны расположены прямо напротив рецепторов постсинаптической мембраны, благодаря этому нейромедиатор, выделяемый в синаптическую щель, мгновенно достигает рецепторов.

137

Рецепторы к нейромедиаторам – это специальные белки расположенные в постсинатической мембране. Они бывают двух типов: связанные с ионными каналами и не связанные с ними (рис. 6.12).

Рисунок 6.12 – Воздействие нейромедиатора на постсинаптическую клетку

Рецепторы, связанные с ионными каналами, опосреду-

ют быстрые постсинаптические эффекты, проявляющиеся в течение нескольких милисекунд. Через эти рецепторы действуют ацетилхолин, аспартат, АТФ и глутамат. Они открывают катионные каналы (натриевые, калиевые), что ведет к возникновению быстрых возбудительных постсинаптических потенциалов. ГАМК и глицин открывают анионные каналы (хлорные) и в результате возникают быстрые тормозные постсинаптические потенциалы (рис. 6.12).

138

Рецепторы не связанные с ионными каналами опосре-

дуют медленные, но продолжительные эффекты нейромедиаторов (лежат в основе научения и памяти). Они сопряжены с ферментами, которые в присутствии нейромедиатора катализирует образование внутриклеточного посредника (вторичного медиатора), например цАМФ (циклического аденозинмонофосфата). В свою очередь этот посредник вызывает целый каскад молекулярных сдвигов, вызывающих изменения в постсинаптической клетке, в том числе модификацию ионных каналов в клеточной мембране (рис. 6.12).

Рецепторы, не связанные с ионными каналами, подразделяются на две большие группы:

1.Каталитические рецепторы, представленные протеин-

киназами, которые в результате присоединения лиганда (медиатора) активируются и фосфорилируют внутриклеточные белки.

2.Рецепторы, связанные с G-белком (GТР, гуанозин-

трифосфат-связующим белком).

Эти рецепторы передают сигнал внутрь клетки тремя способами:

1.G- белок может регулировать активность адениллатциклазы, а тем самым – и содержание цАМФ в постсинаптической клетке. В свою очередь цАМФ регулирует активность цАМРзависимой протеинкиназы, которая регулирует ионные каналы плазматической мембраны.

2.G- белок может запускать инозитол-фосфолипидный

путь, активируя при этом протеинкиназу С, вызывая выход Са++ из депо в цитозоль постсинаптической клетки. Ионы Са могут регулировать ионные каналы.

3.G- белок может взаимодействовать непосредственно с ионными каналами, заставляя их открываться или закрываться.

Таким образом, в результате действия медиатора на рецеп-

торы, не связанные с ионными каналами, образуются вторичные

внутриклеточные посредники (Са++, цАМР и др.), которые диффундируют в клетке и передают сигнал от рецептора другим клеточным компонентам. Чем больше этапов включает этот каскад внутриклеточных посредников, тем больше возможностей для усиления и регуляции сигнала.

139

Для одного вида нейромедиаторов часто имеется несколько типов рецепторов, которые могут различаться по функции.

Процесс синаптической передачи в динамике протекает следующим образом. Когда проходящая по аксону волна возбуждения (нервный импульс) достигает синапса, окрываются находящиеся в пресинаптической мембране потенциалзависимые Са++ каналы. При этом ионы Са входят в пресинаптическую часть синапса и запускают в активных зонах синапса экзоцитоз нейромедиатора. В результате этого пресинаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, медиатор выходит в синаптическую щель и воздействует на рецепторы постсинаптической мембраны. После этого запускается каскад биохимических реакций в постсинаптическом нейроне, меняющий его функцию и вызывающий его возбуждение или торможение. Тем временем, очень быстро (в течение нескольких мс), медиатор в синаптической щели разрушается специальными ферментами, находящимися в постсинаптической мембране. Продукты распада медиатора захватываются пресинаптическим нейроном, где происходит быстрый ресинтез медиатора и накопление его в синаптических пузырьках (рис. 6.11).

Многие неврологические и психические заболевания развиваются в результате нарушения синаптической передачи. Целый ряд химических веществ и лекарственных препаратов влияют на синаптическую передачу, вызывая или коррегируя патологический процесс (психотропные, психофармакологические средства).

Эффекторные нервные окончания (эффекторы)

Эффекторы передают нервные импульсы от эффекторных нейронов рабочим органам (мышцы, железы). Соответственно они бывают двух типов – двигательные и секреторные. Двигательные нервные окончания (нервно-мышечные синапсы) –

концевые ветвления двигательных нейронов (мотонейронов), которые оканчиваются на мышце. Двигательные окончания в поперечнополосатых мышцах называются нервно-мышечны-

ми окончаниями (рис. 6.13).

140