Х

Химический синапс

Структура химического синапса

Подавляющее большинство синапсов в нервной системе позвоночных является именно химическими. Для них характерно наличие нескольких общих черт, хотя, тем не менее, размеры и форма пре- и постсинаптических компонентов варьируют очень широко. Синапсы в коре головного мозга млекопитающих имеют претерминальной аксоны около 100 нанометров толщиной, и пресинаптические бутоны со средним диаметром около 1 микрометр.

Пресинаптический пузырек содержит многочисленные синаптические везикулы, в которых находится медиатор. Их одинаковый размер во всех исследованных синапсах (40-50 нанометров) сначала считали доказательством того, что каждая везикула является минимальным кластером, чье освобождение необходимо для выработки синаптической сигнала. Везикулы размещаются напротив пресинаптической мембраны, что обусловлено их функциональным назначением для высвобождения медиатора в синаптическую щель. Также в пресинаптическом пузырьки имеется большое количество митохондрий (производящие аденозинтрифосфат) и упорядоченные структуры протеиновых волокон.

Синаптическая щель — это пространство между пресинаптическим пузырьком и постсинаптической мембраной от 20 до 30 нанометров в ширину, содержащий связующие пре- и постсинапс структуры, построенные из протеогликана. Ширина синаптической щели в каждом отдельном случае обусловлена ​​тем, что освобожденный из пресинапса медиатор должен проходить в постсинапсу за время, есть уверенно меньше частоту нервных сигналов, характерных для нейронов, образующих синапс (время прохождения медиатора от пре- к постсинаптической мембраны — конечно около нескольких микросекунд).

Постсинаптическая мембрана принадлежит клетке, принимает нервные импульсы. Механизмом трансляции химического сигнала медиатора в электрический потенциал действия на этой клетке есть рецепторы — белковые макромолекулы, встроенные в постсинаптической мембране.

С помощью специальных ультрамикроскопичних методик в последние годы было получено достаточно большой объем информации по детальной структуры синапсов.

Так, было открыто упорядоченные струтуры кратероподобных углублений диаметром 10 нанометров, что является вдавленные внутрь и перфорируют пресинаптическую мембрану. Сначала их было названо синаптопорамы, но сейчас эти структуры называют местами присоединения везикул (МПО). МПВ собраны в упорядоченные группы численностью по шесть отдельных углублений вокруг так называемых уплотненных выступлений. Таким образом, уплотненные выступления формируют правильные треугольные структуры на внутренней стороне пресинаптической мембраны, а МПО — гексагональные и являются местами, где везикулы открываются и выбрасывают медиатор в синаптическую щель.

Механизм передачи нервного импульса

Поступления электрического импульса к пресинаптического пузырька включает процесс синаптической передачи, первым этапом которой является вхождение ионов Са 2+ извне к пресинапса через специализированные кальциевые каналы, локализованные у синаптической щели. Са 2+ с помощью неизвестного пока полностью механизма активирует везикулы, сукупчени у МПВ, а те высвобождают медиатор в синаптическую щель. Ионы Са 2+, после активации ими везикул с медиатором, мгновенно (за время порядка нескольких микросекунд) деактивируются благодаря депонированию в митохондриях и везикулах пресинапса.

Молекулы медиатора, высвобождаемых с пресинапса, связываются с рецепторами на постсинаптической мембране, в результате чего в рецепторных макромолекулах открываются ионные каналы (в случае канальных рецепторов, является наиболее распространенным их типом, при работе рецепторов других типов механизм передачи сигнала отличается). Ионы, начинают поступать внутрь постсинаптической клетки через открытые каналы, изменяют заряд ее мембраны, что приводит к частичной деполяризации мембраны и, как следствие, провоцирование генерации постсинаптической клетки потенциала действия (в случае воздействия на постсинаптическую клетку возбуждающих синапсов), или гиперполяризацию мембраны и, таким образом, блокирование генерации потенциала действия (в случае воздействия тормозных синапсов).

Квантово-везикулярная гипотеза

Самая распространенная в последнее время в качестве объяснения механизма высвобождения медиатора с пресинапса гипотеза квантово-везикулярного экзоцитоза (КВЭ) подразумевает, что «пакет», или квант медиатора содержится в одной везикулы и высвобождается при Экзоцитоз (при этом мембрана везикулы сливается с клеточной пресинаптической мембраной ). Это долгое время было превалирующей гипотезой — несмотря на тот факт, что корреляция между уровнем высвобождения медиатора (или постсинаптическими потенциалами) и количеством везикул в пресинапса отсутствует. Кроме того, гипотеза КВЕ имеет и другие существенные недостатки.

Физиологическим основой именно квантованного высвобождение медиатора должно быть одинаковое количество этого медиатора в каждой везикул. Гипотеза КВЕ в классическом виде не приспособлена к описанию эффектов квантов разного размера (или разного количества медиатора) которые могут быть освобождены при одном акте экзоцитоза. При этом надо принять во внимание, что в одном и том же пресинаптическом бутоне могут наблюдаться везикулы различного размера; кроме того, не найдено корреляции между размером везикулы и количеством медиатора в ней (то есть его концентрация в везикулах тоже может быть разной). Более того, в денервированных нервно-мышечном соединении (или нервно-мышечном синапсе) шванновских клетки генерируют большее количество миниатюрных постсинаптических потенциалов, чем наблюдается в синапсе к денервации, несмотря на полное отсутствие пресинаптических везикул в этих клетках, локализованных в районе пресинаптического бутона.

Гипотеза пороцитозу

Существуют существенные экспериментальные подтверждения о том, что медиатор секретируется в синаптическую щель благодаря синхронной активации гексагональных групп МПО и присоединенных к ним везикул, стало основой для формулирования гипотезы пороцитозу. Эта гипотеза базируется на наблюдении, что присоединенные к МПВ везикулы при поступлении потенциала действия синхронно сокращаются и при этом секретируют в синаптическую щель каждый раз одинаковое количество медиатора, высвобождая только часть содержимого каждой из шести везикул. Сам по себе термин «пороцитоз» происходит от греческих слов poro (что означает поры) и cytosis (описывает перенос химических субстанций через плазматическую мембрану клетки).

Большинство экспериментальных данных по функционированию моносинаптических межклеточных соединений получено благодаря исследованиям изолированных нервно-мышечных контактов. Как и в межнейронных, в нервно-мышечных синапсах МПВ формируют упорядоченные гексагональные структуры (Harlow et al., 2001). Каждая из таких гексагональных структур может быть определена как «синаптомер» — то есть структура, которая является элементарной единицей в процессе секреции медиатора. Синаптомер содержит, кроме собственно поровых углублений, протеиновые нитчатые структуры, содержащие везикулы линейно упорядоченными; существование аналогичных структур доказано и для синапсов в центральной нервной системе (ЦНС).

Как было сказано выше, пороцитозний механизм генерирует квант нейромедиатора, но без того, чтобы мембрана индивидуальной везикулы полностью сливалась с пресинаптической мембраной. Малый коэффициент вариации (<3%) в величин постсинаптических потенциалов является индикатором того, что в единичном синапсе реализованы не более 200 синаптомерив (Kriebel & Keller, 1999), каждый из которых секретирует один квант медиатора в ответ на один потенциал действия (Quastel, 1997). 200 участков высвобождения (то есть синаптомерив, которые высвобождают медиатор), найденных на небольшом мышечном волокне позволяют рассчитать максимальный квантовый лимит, равный одной области высвобождения на микрометр длины синаптической контакта (Kriebel et al., 2000); это наблюдение исключает возможность существования квантов медиатора, обеспечивающих передачу нервного сигнала, в объеме одной везикулы.

Сравнение гипотез пороцитозу и квантово-везикулярной

Сравнение недавно общепринятой гипотезы КВЕ с гипотезой пороцитозу может быть осуществлено посредством сравнения теоретического коэффициента вариации с опытным, рассчитанный для амплитуд постсинаптических электрических потенциалов, генерируемых в ответ на каждый отдельный выброс медиатора с пресинапса. Если принять, что процесс экзоцитоза проходит в небольшом синапсе, где содержится около 5000 везикул (50 на каждый микрон длины синапса), постсинаптические потенциалы должны быть генерируемыми 50-ю случайно выбранными везикулами, дает теоретический коэффициент вариации 14%. Эта величина примерно в 5 раз больше, чем коэффициент вариации постсинаптических потенциалов, получают в опытах; таким образом, можно утверждать, что процесс экзоцитоза в синапсе не случайно (не совпадает с распределением Пуассона) — невозможно, если объяснять его в рамках гипотезы КВЕ, но вполне соответствует гипотезе пороцитозу. Дело в том, что гипотеза пороцитозу предполагает, что все связанные с пресинаптической мембраной везикулы выбрасывают медиатор одновременно; при этом стало количество медиатора, выбрасываемого в синаптическую щель в ответ на каждый потенциал действия (об устойчивости свидетельствует малый коэффициент вариации постсинаптических ответов) вполне может быть объяснена высвобождением малого объема медиатору большим количеством везикул — при этом, чем больше везикул участвуют в процессе, тем меньше становится коэффициент корреляции, хоть это и выглядит, с точки зрения математической статистики, несколько парадоксально.

Виды химических синапсов

На современном этапе изучения синапсов все еще не стало возможным выработки общей классификации этих структур на структурно-функциональном основе. Анатомически синапсы могут находиться на дендритных стволах, на конечных дендритных ответвлениях, на теле нейрона, или даже на аксональная терминалах других синапсов — в таком случае в процесс передачи сигнала привлекаются рецепторы и на пресинаптической мембране другого синапса. Четкая локализация тормозных и возбуждающих синапсов на разных частях нейрона прослеживается в некоторых случаях. Например, в спинном мозге пирамидальные нейроны образуют ингибиторные (тормозные) синапсы на теле клетки, а возбуждающие — на конечных ответвлением дендритов. Аналогичное анатомическое упорядочения характерно для клеток Пуркинье в мозжечке. Но, в общем, всеобъемлющая закономерностей расположения синапсов на нейроне пока не сформулировано.

Благодаря окраске ионами тяжелых металлов синапсы были разделены на два типа, часто называются Gray-1 и Gray-2. Для типа 1 характерно наличие интенсивного постсинаптического уплотнения и синаптическая щель шириной 30 нанометров; уплотнения распространенное практически на всю постсинаптическую мембрану. Тип 2 демонстрирует гораздо менее выраженное окрашенное уплотнения и ширину синаптической щели, равной 20 нанометров. Как показано в опытах на гиппокампе и головном мозге, локализованные там синапсы типа 1 является возбуждающими, а типа 2 — тормозными. По некоторым данным, эта корреляция наблюдается также в коре и в других частях головного мозга млекопитающих, но в спинном мозге почти не наблюдается.

В дальнейшем было показано, что начальная альдегидная фиксация препаратов мозга оказывает (по неизвестным до сих пор причинам) синаптическим везикулы сплюснутой формы, но только в синапсах типа 2; радиолигандного мечения показало, что в таких синапсах с сплющенными везикулами в качестве медиатора (а, следовательно, содержимого везикул) используется гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) или глицин — то есть ингибиторные (тормозные) нейромедиаторы. Таким образом было установлено дополнительное структурно-функциональная связь для части синапсов.

Кроме того, синапсы могут быть класификованины за медиатором, который они используют ГАМК, ацетилхолин, норадреналин, опиаты и т. Д.

Видео по теме

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть