Отличия медиаторов и модуляторов синаптической передачи

Характеристика	Медиатор	Модудлятор
Химическая природа	амины и аминокислоты	нейропептиды
Место образования в нейроне	в основном в терминали	в теле нейрона
Путь образования	синтез	отщепление от белков, синтезированных в теле нейрона
Ферменты	синтезируются в теле нейрона и поступают в терминаль с аксо-плазматическим током: глютамат- декарбоксилаза (для ГАМК), тирозингидроксилазы (для кате- холаминов) и др.	протеазы тела нейрона
Везикулы	мелкие (диаметр около 50 нм), однородны по размерам	крупные (диаметр около 100 нм), неоднородные по размерам
Скорость экзоциоза	высокая	низкая
Обратное поступление из синаптической щели в терминаль	имеет место	отсутствует

Крупные электронноплотные везикулы заполняются в теле нейрона уже в процессе их образования из эндоплазматического ретикулума модуляторами синаптической передачи.

Мелкие же везикулы, образованные в теле нейрона, заполняются в области нервного окончания после доставки туда аксональным током. При этом они формируют два пула: 1- небольшой, готовый к немедленному экзоцитозу и 2- большой, везикулы которого не участвуют в секреции, но могут трансформироваться в пул 1, что регулируется внутриклеточной концентрацией ионов кальция. Высокая концентрация медиатора в мелких везикулах (около 100 ммоль/л) обеспечивается наличием в мембранах активных транспортных систем. Электрохимический градиент, формируемый протонным насосом, обеспечивает активный транспорт медиатора из цитоплазмы, где он синтезируются в везикулу. Наряду с медиатором в везикулах находятся АТФ, ферменты и другие вещества.

Физиологический смысл существования двух пулов мелких везикул состоит в том, что первый представляет собой запас доступного медиатора, освобождающегося в течение короткого промежутка времени, а второй - мобилизационный резерв, из которого с определенной скоростью пополняется убыль доступного медиатора.

Пул доступного медиатора является величиной постоянной, содержит 10-50 везикул и при его истощении пополняется за 5-12 с. Вероятность освобождения кванта из пула 1 пропорциональна количеству везикул в пуле. Именно он определяет эффективность работы синапса.

В процессе передачи сигнала в синапсе синатическая везикула проходит ряд этапов:

1. переход из пула 2 в пул 1 при участии цитоскелета и специфических белков,

2. стыковка или докирование везикулы с местом освобождения медиатора в активной зоне,

3. подготовка или прайминг везикулы к экзоциозу, которая состоит в комплесной трансформации белкового комплекса экзоциоза (см. ниже), в результате чего везикула уже готова к выбросу своего содержимого и “ожидает” лишь команды в виде входа в терминаль ионов кальция,

4. экзоцитоз - слияние мембраны везикулы с плазматической мембраной после открытия потенциалзависимых Са-каналов и увеличения концентрации ионов кальция в области везикулы,

5. рециклизация (повторное вовлечение в цикл) везикулы посредством эндоцитоза с последующим заполнением медиатором и включением ее в 1 или 2 пул.

Активная зона имеет длину 1-3 мкм и ширину 0.1 мкм. Она представляет собой желобок на внутренней поверхности пресинаптической мембраны, вдоль обеих сторон которого располагаются в ряд синаптические везикулы (пузырьки) и кальциевые каналы. Некоторые из них открыты наружу, в синаптическую щель. Очевидно, активные зоны и асссоциированные с ними везикулы (пузырьки) следует рассматирвать как аппарат, специализированный для экзоцитоза, т.е. для выброса содержимого этих везикул (пузырьков) в синаптическую щель. Постсинаптическая мембрана напротив каждой активной зоны образует глубокие складки.

Цитоскелетом активной зоны является сеть актиновых филаментов и микротрубочек. Везикулы связываются с элементами цитоскелета и между собой фосфопротеином - синапсином I. Элементы цитоскелета удерживают синаптические везикулы в резервном пуле и ограничивают их избыточную мобилизацию, регулируют процессы освобождения, обеспечивают характерную пространственную организацию активных зон и рециркулирование мембраны синаптической везикулы после экзоциоза. Количество активных зон в синапсах обычно равно 1-5.

Синаптические везикулы 1-го пула, докированные (состыкованные) с соответсвующей областью активной зона, Са²⁺-канал (каналы), а также белки, отвественные за экзо- и эндоцитоз, образуют комплекс, функционирующий как единое целое и получивший название - секретосома. Основные белки, отвественные за экзо- и эндоцитоз, следующие: синаптотагмин - связан с везикулой и выполняет роль рецептора Са²⁺, синтаксин локализован в пресинаптической мембране в ассоциации с Са²⁺-каналом и способен связываться с синаптотагмином везикулы, синапсин I - связывает элементы цитоскелета и везикулы, синатобревин - протеин, связанный с везикулой, Rab3A - ограничивает освобождение медиатора из активной зоны одним квантом (порцией), NSF (N-этил-малеимид чувствительный фактор) - обладает АТФ-азной активностью (способностью расщеплять АТФ) и обеспечивает энергией различные внутриклеточные процессы, во время которых происходит слияние мембран и процессы экзо- и эндоцитоза, SNAP - протеин, связывающий NSF, SNAP-25 - расположен на пресинаптической мембране, соместно с синаптобревином и синтаксином формирует комплекс, необходимый для экзоцитоза.

Количество секретосом в отдельной активной зоне определяется размерами последней и равно нескольким десяткам. Каждая секретосома представляет собой точку освобождения одного кванта (одной порции) медиатора.

Функционирование описанного комплекса объясняет SNARE- гипотеза, суть которой можно свести к следующему: белок v-SNARE везикулы взаимодействует с белком t-SNARE мембраны, следствием чего является докирование везикулы в активной зоне, к комплексу этих двух белков присоединяется следующий белок SNAP, котрый в свою очередь присоединяет NSF, обладающий как отмечалось выше АТФ-азной активностью. Гидролиз последним АТФ приводит к пространственной реорганизации всего комплекса, что переводит синаптическую везикулу в состояние прайминга - готовности к экзоцитозу. Поступление же в терминаль Са²⁺ дестабилизирует SNARE-комплекс и приводит к экзоциозу.

На пресинаптической мембране имеются также утолщения или “частицы” - молекулы фермента, разрушающего медиатор (например, холинэстеразы в неровно-мышечных синапсах).

СИНАПТИЧЕСКАЯ ЩЕЛЬ - толщина ее в различных синапсах различна. В центральных и в периферических синапсах в синаптической щели обнаружены внемсинаптические филаментозные нити (мостики). Эти нити ориентированы в продольном направлении. Ряд из них не достигает противоположной мембраны и заканчивается небольшими утолщениями (общее их количество около 20). Другие, их большинство, соединяют пре- и пост-СМ. Предполагается, что за счет этих структур осуществляется ускоренная и направленная диффузия медиаторов, модуляторов и других веществ в межклеточное пространство.

ПОСТСИНАПТИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ - главным морфологическим признаком постсинаптической области являются своеобразные утолщения на пост-СМ с субсинаптической щелью. Характерны для постсинаптической области микропиноцитозные структуры. Система филаментов имплантированная на внутренней стороне пост-СМ в виде идущих внутрь субсинаптических утолщений, образует субсинаптические цистерны.

На пост-СМ имеются рецепторы к нейромедиаторам и нейромодуляторам. Рецепторы - это генетически детерминированные макромолекулы (белки или комплексы белков и липидов), локализованные на внешней стороне пост-СМ и имеющие связывающие центры для медиаторов и модуляторов.

На пост-См, равно как и на пре-См выделяю так называемые частицы - это фермент, разрушающий медиатор, но на постсинаптической мебране они включают в себя и рецепторы к медиатору.

Каждый рецептор постсинаптической мембраны взаимодействует со своим специфическим медиатором. Однако такая специфичность к медиатору не абсолютна - практически все рецепторы способны связываться и с другими веществами. Если это приводит к такому же сдвигу проницаемости мембраны, значит, действующее вещество полностью заменяет медиатор и является его агонистом, в том случае если оно не столь эффективно изменяет ионную проницаемость мембраны говорят о частичном агонисте, если же вещество проницаемость мембраны не меняет, а связавшись с рецептором не дает медиатору прореагировать с последним, то речь идет об антагонисте.

Результатом образования комплекса медиатор-рецептор является изменение проницаемости постсинаптической мембраны для ионов натрия, калия, кальция и хлора и возникновение локальной де- или гиперполяризации. Однако по принципу реализации данного эффекта рецепторы делятся на два типа - ионотропные, когда ионный канал и место связывания медиатора находятся на одной белковой молекуле и метаботропные, когда через белок-рецептор активируется цепочка внутриклеточных биохимических реакций, в конечном счете приводящих к изменению ионной проницаемости мембраны.

Медиатор или его агонист (А), взаимодействуя с рецепторм (Р) постсинаптической мембраны, вызывает изменение ее проводимости, что часто описывают уравнением:

А + Р  А_nР  (А_nР)^*,

где n -число молекул медиатора или его агониста, связывающихся с одним рецептором, а переход от состояния А_nР - рецептор, связавший n молекул медиатора или его агониста, но пока с закрытым состоянием канала к (А_nР)^* - рецептор с открытым (проводящим ионным каналом) - отражает сдвиги проводимости, т.е. открывание потенциалзависимых ионных каналов. Для многих типов рецепторов n > 1; например, в концевой пластинке n - 2, а в глутаматных синапсах - 4 и более. Это явление имеет большой физиологический смысл, поскольку после достижения “пороговой концентрации” медиатора приводит к резкому радикальному измению тока в достаточно узком диапазоне концентраций медиатора. Многие медиаторы и их агонисты образуются в процессе не связанного с передачей возбуждения клеточного метаболизма, а также имеет место их спонтанное выделение из синаптических пузырьков (везикул), а значит их низкие концентрации вполне могут присутствовать в межклеточной жидкости. А резкий переход от слабого тока к сильному исключает какие-либо синаптические эффекты таких “фоновых” концентраций.

Один “квант медиатора” (десятки тысяч его молекул) создает на несколько миллисекунд около рецепторв его высокую концентрацию, которая затем быстро падает. Начальный подъем концентрации медиатора приводит к открытию синаптического ионного канала, причем его открытые состояния перемежаются кратковременными закрываниями. После такой вспышки открываний он окончательно закрывается, потому что концентрация медиатора становится слишком низкой. Серии открываний суммируются, в результате чего “квант тока” складывается из нескольких сотен токов одиночных каналов.

На пост-СМ имеются также рецепторы и к нейромодуляторам. Активированные рецепторы нейромодулятора изменяют реактивность рецепторов нейромедиатора путем рецептор-рецепторного взаимодействия и через внутриклеточные процессы. Нейромодулятор изменяет также реакцию постсинаптического нейрона на нейромедиатор.

Передача сигнала в синапсе. Приход нервного импульса по аксону вызывавет деполяризацию пресинаптической мембраны и измененение ионных токов пре-СМ. Происходит активация потенциалзависимых Са^2+--каналов, через которые в терминаль поступает Са²⁺, взаимодейсмтвует с белками, инициирует экзоцитоз и освобождение в синаптическую щель медиатора. Синаптическая везикула подходит к терминали, сливается с ней и выделяет свое содержимое в синаптическую щель. Этот процесс энерго (АТФ)-зависим. Са²⁺ участвует в осуществлении метаболических процессов, завершающихся выделением нейромедиатора и нейромодулятора, и в самом выделении нейромедиатора и нейромодулятора. При действии нейромедиатора на ауторецепторы пресинаптической терминали активируется обратная связь, регулирующая синтез и выделение нейромедиатора. Часть нейромедиатора поступает обратно в терминаль (обратное поступление медиатора). Это поступление совершается с помощью переносчика, как в случае глютамата и, возможно, других медиаторов, а также путем эндоцитоза. Поступивший обратно медиатор пополняет его содержание в терминали. Энергия, необходимая для деятельности терминали, обеспечивается митохондриями. Деятельность терминали и, в частности, выделение нейромедиатора, контролируется влияниями другого специального нейрона, которое осуществляется через его терминаль (пресинаптический контроль). Выделившиеся нейромедиатор и нейромодулятор связываются со своими рецепторами на мембране постсинаптического нейрона. Активация этих рецепторов ведет либо к открытию ионных каналов, и как результат к возникновению или усилению ионных токов через каналы. что обусловливает возбуждение (или торможение) и включение в реакцию цепи внутриклеточных метаболических процессов в постсинаптическом нейроне. Активированные рецепторы нейромодуляторов изменяют реактивность рецепторов к нейромедиаторам путем рецептор-рецепторного взаимодействия (стрелка) и через внутриклеточные процессы. Нейромодулятор изменяет также реакцию постсинаптического нейрона на нейромедиатор.

Медиатор освобождается приблизительно одинаковыми порциями, соответсвующими объему одного пузырька (везикулы), получившими название “квантов” медиатора. При этом амплитуда возбуждающего постсинаптического тока (ВПСТ) всегда кратна количеству выделенных квантов.

В отсутствие стимуляции нейрона “кванты” медиатора выделяются спонтанно из открывающихся наружу синаптических пузырьков. В ответ на это можно зарегистрировать сдвиги потенциала постсинаптической мембраны амплитудой менее 1 мВ.

При возбуждении нейрона количество квантов на один стимул варьирует стохастически (случайно) биноминально распределяясь около некоего среднего значения.

Одновременно происходит изменение обмена в эффекторной клетке и инактивация потенциала действия (выход из синапса путьем диффузии, инактивация ферментами, обратный захват тер­миналью).

От прихода нервного импульса до развития постсинаптичес­кого ответа в химическом синапсе проходит определенное время, которое составляет 0,2-0,5 мс, которое получило название синап­тической задержки, при этом основная часть этого времени тра­тится на процесс секреции медиатора и определяется главным об­разом временем, необходимым для вхождения кальция внутрь пресинаптического окончания.

При ритмической передаче импульсов возникает ряд интерес­ных феноменов.

Если интервал между последовательными потенциалами дейст­вия невелик, то каждый последующий потенциал вызывает вызывает освобождение большего числа квантов медиатора, что проявляется увеличением амплитуды постсинаптических потенциалов. Это явление временного облегчения или потенциации связывают с накопле­нием кальция в пресинаптическом окончании.

Если продолжается стимуляция, то в результате истощения медиатора наступает депрессия (ослабление) передачи, т.е. па­дение амплитуды постсинаптических потенциалов от передачи к передаче, однако не падает до нуля, поскольку истощение запаса квантов медиатора каким-то образом мобилизует восполнение запаса. В итоге достигается равновесие траты и воспроизведения медиатора.

Еще одно явление - это пространственная суммация. Возбуждающий постсинаптический ток (ВПСТ) в течение короткого времеи входит в нейрон, вызывая местный сдвиг потенциала (ВПСП) постсинаптической мембраны. Часть его выходит из клетки на некотром расстоянии от синапса, например, в аксонном холмике. При этом величина одиночного ВПСП элетротонически снижается при удалении от синапса. Однако, если нейрон имеет два или более синапсов, которые активированы одновременно, то токи, генерируемые в этих синапсах, суммируясь, вместе дают более высокий ВПСП. Поскольку в этом случае происходит суммация результатов одновременной активации пространственно разделенных синапсов, говорят о пространственной суммации возбуждения.

Многообразие медиаторов и модуляторов, а также рецепторов к ним, неизбежно ставит вопрос о разнообразии медиаторов и модуляторов, посредством которых в данном синапсе осуществляется передача сигнала. Еще совсем недавно казался незыбемым принцип Дейла (по имени английского нейрофизиолога, работавшего в 30-50-х годах нынешнего столетия), который гласил “Один нейрон - один медиатор”, т.е. каждый нейрон выделяет один и тотже медиатор из всех своих, порой далеко удаленных окончаний. Однако в дальнейшем оказалось, что один нейрон способен использовать несколько медиаторов (например, ацетилхолин+АТФ, ацетилхолин+пептид, норадреналин+неропептид Y и т.п.) Однако сочетание медиаторов или медиатора и модулятора, видимо, всегда одинаково. Динамический анализ позволил выделить быстрый эффект основного медиатора и, как правило, медленный - модулятора или комедиатора. Теперь модифицированный принцип Дейла звучит - “Один нейрон - один быстрый медиатор.” Хотя и такая формулировка принципа Дейла ставится под сомнение тем фактом, что тормозных синапсах спинного мозга одновременно из одного нейрона выделяется две тормозных аминокислоты - ГАМК и глицин. Более того из одного нейрона могут выделяться как быстрый тормозный медиатор - ГАМК, так и быстрый возбуждающий медиатор - АТФ.

В заключение укажем основные отличия электрической и химической передачи сигнала:

1. В электрическом синапсе источник постсинаптического тока - мембрана пресинаптической клетки. Здесь нет химического медиатора, и все факторы, влияющие на его высвобождение и действие (в частности, снижение внутриклеточной концентрации Са²⁺ или устранение разрушающих медиатор ферментов), на передаче возбуждения не сказываются.

2. В химическом синапсе постсинаптический ток генерируется за счет открытия каналов в постсинаптической мембране и обусловлен ионными градиентами постсинаптической клетки.