8 Синапсы. Функция и структура ацетилхолиннового синапса. Механизм передачи информации в ацетилхолинновом синапсе.

Синапс состоит из пресинаптической мембраны одной клетки («пресинапса», или «концевой пластинки аксона»), постсинаптической мембраны второй клетки и находящейся между ними синаптической шели.

Химическая передача в синапсах основана на экзоцитозе из т.н. «концевой пластинки» аксона («пресинапса») во внеклеточное пространство - в «синаптическую щель» химического вещества – нейромедиатора (посредника), которое затем воздействует на постсинаптическую мембрану другой клетки. Т.о., синапс состоит из: пре- и постсинаптической мембраны и находящейся между ними синаптической шели.

В синаптической щели нейромедиатор проходит путем диффузии расстояние в долю микрометра.

Существуют клетки гормонов (нейросекреторные клетки гипоталамуса), которые выбрасывают в качестве медиатора гормоны не в синаптическую щель, а в кровь. Прибытие нервного импульса в пресинаптическое окончание должно приводить к высвобождению нейромедиатора, а связывание нейромедиатора с рецепторами на поверхности постсинаптической клетки, в конечном счете, - к изменению потенциалов на ее мембране.

В зависимости от типа рецептора, к которому они присоединяются, нейромедиаторы могут вызвать либо быстрый, но кратковременный эффект, либо замедленный, но более продолжительный.

В первом случае такой эффект опосредуется рецепторами, которые ведут себя как ионные каналы с воротами, связывание нейромедиатора тотчас приводит к появлению тока ионов через мембрану постинаптической клетки – это типичный синаптический ответ. Некоторые нейромедиаторы действуют скорее как гормоны или локальные медиаторы. Они присоединяются к сопряженным с ферментами рецепторам и вызывают более продолжительные изменения в постсинаптической клетке, изменяя концентрацию определенных ионов. Т.о., синапсы могут действовать в различных масштабах времени: обеспечивать быструю передачу сигналов или оставлять стойкие следы на продолжительное время. Такие следы лежат в основе кратковременной памяти.

В результате возбуждения нервной клетки возникает потенциал действия, который движется по аксону, пока не достигнет его окончания – синапса – места контакта с мышечной клеткой. Здесь он открывает потенциалзависимые Са⁺-ионные каналы, через которые ионы Са⁺ входят в аксон. При этом путем экзоцитоза из пресинапса в синаптическую щель выходит медиатор ацетилхолин.

Экспериментально установлено, что в случае отсутствия Са⁺ во внеклеточной среде, медиатор не высвобождается и передача сигнала не происходит. Если ввести ионы Са⁺в цитоплазму нервного окончания, происходит выход нейромедиатора в отсутствии потенциала действия.

Са⁺-ионные каналы, также как Na⁺- каналы, открываются при деполяризации мембраны, однако у них есть свои особенности: - они проницаемы только для Са⁺, но не пропускают Na⁺-ионы; - Са⁺-ионные каналы активизируется не так быстро, как Na⁺-каналы и остаются активными в течение всего периода деполяризации

В большинстве случаев Са⁺- каналы имеются только в области синапса и их очень немного. Поэтому ток через мембрану за счет Ca⁺- ионов сравнительно мал.

Концентрация Са⁺ во внеклеточной жидкости обычно достигает 10^-4 моль, а внутри клетки – 10^-7 моль. При такой разности концентраций и значительной разности электрических потенциалов (электрический градиент достигает 100000 В/мкм, концентрационный градиент – 10³ моль/мкм) достаточно совсем малое количество Са⁺-каналов, чтобы концентрация Са⁺ в пресинаптической области аксонавозросла в 10 – 100 раз и начался выход нейромедиатора.

Концентрация перешедших в окончание аксона Са⁺-ионов возрастает лишь на короткое время, так как связывающие их белки, изолирующие пузырьки и митохондрии быстро их поглощают. Нейромедиатор ацетилхолин (АХ) хранится в мелких секреторных пузырьках, называемых синаптическими пузырьками, находящимися у пресинаптической мембраны. При возрастании концентрации Са⁺ пузырьки сливаются с синаптической мембраной, и их содержимое выбрасывается в синаптическую щель.

Количество разгружающихся пузырьков возрастает с увеличением концентрации ионов Са⁺, поступивших в пресинаптическое окончание. Скорость освобождения медиатора растет пропорционально четвертой степени от изменения их концентрации. Повышение концентрации на 20% удваивает выделение медиатора АХ. Это делает синаптическую передачу чрезвычайно чувствительной к длительности потенциала действия в аксоне, на протяжении которого Са⁺-каналы остаются открытыми, и к величине ионного тока через них.

Диаметр синаптического пузырька с ацетилхолином составляет 40 нм. В типичном нервно-мышечном окончании содержатся многие тысячи таких пузырьков. Под действием нервного импульса в синаптическую щель опорожняются только сотни из них. Каждый пузырек, выбрасывающий АХ в щель изменяет величину мембранного потенциала примерно на 1 мВ, что намного ниже порогового значения. Эти потенциалы – миниатюрные синаптические потенциалы – являются результатом выброса одного пузырька, который содержит примерно 10 тысяч молекул ацетилхолина – один квант выделяемого нейромедиатора.

Приход потенциала действия в синапс повышает выход пузырьков до нескольких сотен квантов за долю миллисекунды. Этот процесс носит вероятностный характер: при стимуляции нерва может освобождаться не ровно 300 квантов медиатора, а больше или меньше.Процесс преобразования химического сигнала снова в электрический происходит с помощью лигандзависимых каналов. Постсинаптическая мембрана мышечной клетки ведет себя как преобразователь, который превращает химический сигнал, т.е. определенную концентрацию нейромедиатора в электрический сигнал. Связывание нейромедиатора с этими каналами с наружной стороны мембраны приводит к их конформации – каналы открываются, пропуская через мембрану ионы и тем самым, изменяя мембранный потенциал клетки.

В отличие от потенциал-зависимых каналов, лиганд-зависимые каналы относительно нечувствительны к изменениям мембранного потенциала, поэтому на постсинаптической мембране отсутствует самоусиливающееся возбуждение. Вместо этого лиганд-зависимые каналы формируют сигнал, зависящий от продолжительности и интенсивности химического сигнала, т.е. от того, сколько медиатора вносится в синаптическую щель, и как долго он там остается. Это свойство лиганд-зависимых каналов очень важно для обработки информации в синапсах. Постсинаптические лиганд-зависимые каналы обладают еще двумя важными свойствами: специфичны по отношению к определенным лигандам и потому отвечают на воздействие только одного НМ – того, который высвобождается из пресинапса. На другие медиаторы он не реагирует. Для каналов разного типа характерна ионная избирательность