Химические синапсы.

Для химического синапса характерны:

1. Синаптическая задержка, продолжительностью не менее 0,5 с;

2. Отсутствие электрического тока от пре- к постсинаптической мембране.

3. Постсинаптический потенциал как результат функционирования химического синапса. Постсинаптический потенциал (ПСП) является целью функционирования химического синапса и может быть возбуждающим (ВПСП) или тормозным (ТПСП). Термины ВПСП и ТПСП применяют чаще к синапсам, образованным нейронами на нейронах. В нервно-мышечном синапсе целью синаптической передачи является формирование потенциала действия, сопряженного с последующим мышечным сокращением.

4. Увеличение проводимости постсинаптической мембраны при реализации функций синапса (ПСП в виде ТПСП или ВПСП обусловлены перемещением ионов через ионные каналы в мембране).

5. Синаптические пузырьки, или везикулы, присутствующие в пресинаптических окончаниях, специфическое окрашивание характерное для постсинаптической мембраны.

6. Зависимость процесса высвобождения, или релизинга медиатора, от входа в пресинаптическое окончание ионов Са ++ .

Возбуждающие химические синапсы

Для химического синапса характерны пресинаптическая область, синаптическая щель и постсинаптическая область.

Синаптическая щель имеет у химических синапсов просвет от 20 до 50 нм. В пресинаптической области всегда имеются везикулы, содержащие медиатор (трансмиттер, нейротрансмиттер, нейромедиатор) .

В рассматриваемом типе синапса из-за высокого сопротивления синаптических мембран и широкой синаптической щели электротонический потенциал и ПД не способны перейти к постсинаптической области, используя кабельные свойства мембраны. Коэффициент передачи в этом случае меньше тысячных долей, а внеклеточный шунт имеет низкое сопротивление и «уводит» заряд. По пресинаптическому волокну механизмом аксонного транспорта (400 мм/сут) осуществляется передвижение ферментных систем и предшественников для синтеза медиаторов и везикул. В синаптическом окончании всегда имеется некоторый запас готового для секреции медиатора, упакованного в везикулы.

Синтез медиаторов осуществляется с помощью ферментов, например, ацетилхолин АХ синтезируется холинацетилтрансферазой, которая переносит ацетильную группу от ацетилкоэнзима А на холин. Примерно 85% готового медиатора хранится в везикулах. Процесс синтеза и распада АХ происходит постоянно.

Выход медиатора из окончания также происходит непрерывно, это так называемый неквантовый релизинг, его интенсивность может превышать действенный, квантовый в десятки раз, но электрогенных последствий он не имеет (оказывает трофическое действие на объект иннервации), и АХ разрушается без изменения проницаемости постсинаптической мемебраны.

Квантовый выход АХ имеет электрически значимые последствия. Инициация квантового релизинга задается приходом по аксону потенциала действия, который в потерявшем миелин пресинаптическом окончании деполяризует его мембрану, что приводит к открытию потенциалчувствительных Са ++ каналов. Из-за высокого электрохимического и концентрационного градиента ионы Са ++ входят в пресинаптическое окончание. Кальций необходим для того, чтобы везикулы с медиатором могли соединиться с внешней мембраной и выпустить порцию (квант) медиатора в синаптическую щель путем экзоцитоза. Одновременно в синапсе может опорожниться до сотен везикул. В кванте бывает от 10 2 до 10 5 молекул АХ.

Мишенью АХ в холинергическом синапсе является комплексная белковая молекула холинорецептор . Холинорецепторы, чувствительные к никотину , относят к типу Н-холинорецепторов, к мускарину - М-холинорецепторов (метаботропных). Н-холинорецепторы расположены (экспрессированы) на мембранах мышечных волокон скелетных мышц, нейронов ЦНС и симпатических ганглиев.

Н-холинорецептор, ионотропный , состоит из 5 (иногда 7) белковых субъединиц, одна из которых дублируется (бвбгд). Общий размер (11?8,5 нм) молекулы вдвое больше толщины мембраны. Аминокислотная последовательность белков всех субъединиц установлена, она оказалась видоспецифичной, хотя различия у близких видов животных незначительны. Продублированные б -субъединицы обладают чувствительностью к лиганду. Холинорецептор можно рассматривать в качестве ионного канала, поскольку как интегральный мембранный белок он пронизывает клеточную мембрану и имеет центральную пору. Известны 2 состояния молекулы холинорецептора - закрытое и открытое. В открытом состоянии центральная пора холинорецепторы имеет размер около 0,7 нм, что достаточно для проникновения через нее одновалентных катионов, преимущественно Na + и К + .

После связывания АХ с Н-холинорецептором и открытия поры через постсинаптическую мембрану течет ионный ток, обусловленный перемещением ионов Na + и К + по электрохимическим и концентрационным градиентам. Поскольку градиент для натрия направлен внутрь клетки, а для калия - наружу, при встречном их перемещении суммарный ток оказывается способным локально сместить мембранный потенциал до КУД в нервно-мышечном синапсе или вызвать значительную деполяризацию мембраны нейрона в нейро-нейрональном синапсе. Локальный ответ в виде деполяризации в данном случае носит название ПСП - постсинаптический потенциал, или ВПСП, возбуждающий постсинаптический потенциал. Прежде часто применялось название потенциал концевой пластинки (ПКП), для нервно-мышечного синапса.

Локальный ответ в виде ВПСП подчиняется законам проведения потенциалов по мембране и может быть распространен на небольшое расстояние из-за ограничений, накладываемых емкостными и резистивными свойствами мембраны - постоянной времени и постоянной длины. Поскольку на мембране нейрона или мышечного волокна имеется множество синапсов, ответ клетки всегда складывается из активности отдельных синаптических входов.

Суммация ПКП приводит к состоянию, когда мембранный потенциал смещается деполяризацией до КУД, происходит генерация ПД. В клетку по потенциалзависимым кальциевым каналам входит кальций, он участвует в механизме мышечного сокращения.

После того, как АХ выполнил роль сигнальной молекулы и запустил конформацию холинорецептора из закрытого в открытое состояние, необходимо подготовить систему к приему следующего сигнала. Поэтому постсинаптическая мемебрана располагает механизмом инактивации медиатора. В холинергичесом синапсе инактивация АХ достигается его энзиматическим расщеплением с помощью ацетилхолинэстеразы. В других типах синапсов инактивация проходит по-другому, например, норадреналин в адренергическом синапсе подвергается обратному поступлению (захвату) в пресинаптическое окончание.

Ацетилхолинэстераза может быть заблокирована, в таком случае каналы холинорецептора постоянно находятся в открытом состоянии и управление мышцами нарушается. Инсектицидные препараты типа «Прима», «Диклофос» имеют такой принцип действия, поэтому опасны не только для бытовых насекомых-вредителей, но и для теплокровных животных.

Этапы функционирования химической синаптической передачи

1. Синтез, хранение и транспорт медиатора в везикулах.

2. Секреция медиатора при деполяризации пресинаптической мембраны и входе ионов кальция в окончание.

3. Реакция постсинаптитческой мемебраны в виде связывания медиатора рецептором и изменении проницаемости постсинаптической мембраны для катионов.

4. Генерация постсинаптических потенциалов.

5. Инактивация медиатора.

Возбуждающие химические синапсы, образованные на нейронах, весьма многочисленны, перемежаются с тормозными, никогда не обеспечивают по одиночке достижение мембраной КУД. Нейрон способен интегрировать синаптические сигналы и выдавать на выходе, в наиболее возбудимой части клетки, например, если это мотонейрон, в аксонном холмике, ПД после проведенного анализа поступивших по синаптическим входам ПСП.

В нейро-нейрональных синапсах не только АХ может быть медиатором, чаще всего возбуждающие аминокислоты глутамат и аспартат, норадреналин, нейропептиды, АТФ и NO выполняют функции медиаторов.

Глутаматная возбуждающая синаптическая нейропередача наиболее распространена в ЦНС. Рецепция глутамата в синапсах осуществляется NMDA и AMPA (ионотропными) рецепторами, синаптические механизмы в них очень сложны и до конца не раскрыты.

Из-за того, что процессы выделения и разрушения медиатора в синапсах имеют длительное время реализции, существует синаптическая задержка при функционировании нейронных сетей. Поэтому говорят, что химический синапс работает как частотный фильтр и обладает низкой лабильностью.

Поскольку сигналы от отдельных синапсов могут суммироваться и определять суммарный заряд мембраны, возможны явления тетанического синаптического облегчения и депрессии.

Свойства химического синапса

1. Медленная скорость передачи сигнала, большая синаптическая задержка.

2. Одностороннее проведение сигнала от пре- к постсинаптической мембране, но не наоборот.

3. Высокая надежность передачи при нормальных условиях функционирования.

4. Существование следовых процессов (следовой деполяризации и гиперполяризации, что увеличивает возможности интегрирования сигналов нейроном).

Мышечную и железистую клетку передается посредством специального структурного образования — синапса.

Синапс — структура, обеспечивающая проведение сигнала от одной к другой. Термин был введен английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 г.

Строение синапса

Синапсы состоят из трех основных элементов: пресинаптической мембраны, постсинаптической мембраны и синаптической щели (рис. 1).

Рис. 1. Строение синапса: 1 — микротрубочки; 2 — митохондрии; 3 — синаптические пузырьки с медиатором; 4 — пресинаптическая мембрана; 5 — постсинаптическая мембрана; 6 — рецепторы; 7 -синаптическая щель

Некоторые элементы синапсов могут иметь и другие названия. Например, синаптическая бляшка — это синапс между , концевая пластинка — постсинаптическая мембрана , моторная бляшка — пресинаптическое окончание аксона на мышечном волокне.

Пресинаптическая мембрана покрывает расширенное нервное окончание, которое представляет собой нейросекреторный аппарат. В пресинаптической части находятся пузырьки и митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора. Медиаторы депонируются в гранулах (пузырьках).

Постсинаптическая мембрана - утолщенная часть мембраны клетки, с которой контактирует пресинаптическая мембрана. Она имеет ионные каналы и способна к генерации потенциала действия. Кроме того, на ней расположены специальные белковые структуры — рецепторы, воспринимающие действие медиаторов.

Синаптическая щель представляет собой пространство между пресинаптической и постсинаптической мембранами, заполненное жидкостью, близкой по составу к .

Рис. Строение синапса и процессы, осуществляемые в ходе синаптической передачи сигнала

Виды синапсов

Синапсы классифицируются по местоположению, характеру действия, способу передачи сигнала.

По месту положения выделяют нервно-мышечные синапсы, нервно-железистые и нейро-нейрональные; последние, в свою очередь, делятся на аксо-аксональные, аксо-дендритические, аксо-соматические, дендро-соматические, дендро-дендротические.

По характеру действия на воспринимающую структуру синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими.

По способу передачи сигнала синапсы делятся на электрические, химические, смешанные.

Таблица 1. Классификация и виды синапсов

Классификация синапсов и механизм передачи возбуждения

Синапсы классифицируют следующим образом:

• по местоположению — периферические и центральные;
• по характеру их действия — возбуждающие и тормозящие;
• по способу передачи сигналов — химические, электрические, смешанные;
• по медиатору, с помощью которого осуществляется передача, — холинергические, адренергические, серотонинергические и т.д.

В возбуждение передается с помощью медиаторов (посредников).

Медиаторы — молекулы химических веществ, которые обеспечивают передачу возбуждения в синапсах. Другими словами химические вещества, участвующие в передаче возбуждения или торможения от одной возбудимой клетки к другой.

Свойства медиаторов

• Синтезируются в нейроне
• Накапливаются в окончании клетки
• Выделяются при появлении иона Са2+ в пресинаптическом окончании
• Оказывают специфическое действие на постсинаптическую мембрану

По химическому строению медиаторы можно подразделить на амины (норадреналин, дофамин, серотонин), аминокислоты (глицин, гамма-аминомасляная кислота) и полипептиды (эндорфины, энкефалины). Ацетилхолин известен в основном как возбуждающий медиатор и содержится в различных отделах ЦНС. Медиатор находится в пузырьках пресинаптического утолщения (синаптической бляшки). Медиатор синтезируется в клетках нейрона и может ресинтезироваться из метаболитов его расщепления в синаптической щели.

При возбуждении терминалей аксона происходит деполяризация мембраны синаптической бляшки, вызывающая поступление ионов кальция из внеклеточной среды внутрь нервного окончания через кальциевые каналы. Ионы кальция стимулируют перемещение синаптических пузырьков к пресинаптической мембране, их слияние с ней и последующий выход медиатора в синаптическую щель. После проникновения в щель медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, содержащей на своей поверхности рецепторы. Взаимодействие медиатора с рецепторами вызывает открытие натриевых каналов, что способствует деполяризации постсинаптической мембраны и возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала. В нервно-мышечном синапсе этот потенциал называется потенциалом концевой пластинки. Между деполяризованной постсинаптической мембраной и соседними с ней поляризованными участками этой же мембраны возникают местные токи, которые деполяризуют мембрану до критического уровня с последующей генерацией потенциала действия. Потенциал действия распространяется по всем мембранам, например, мышечного волокна и вызывает его сокращение.

Выделившийся в синаптическую щель медиатор связывается с рецепторами постсинаптической мембраны и подвергается расщеплению соответствующим ферментом. Так, холинэстераза разрушает медиатор ацетилхолин. После этого некоторое количество продуктов расщепления медиатора поступает в синаптическую бляшку, где из них снова ресинтезируется ацетилхолин.

В организме имеются не только возбуждающие, но и тормозные синапсы. По механизму передачи возбуждения они сходны с синапсами возбуждающего действия. В тормозных синапсах медиатор (например, гамма-аминомасляная кислота) связывается с рецепторами постсинаптической мембраны и способствует открытию в ней . При этом активизируется проникновение этих ионов внутрь клетки и развивается гиперполяризация постсинаптической мембраны, обусловливающая возникновение тормозного постсинаптического потенциала.

В настоящее время выяснено, что один медиатор может связываться с несколькими различными рецепторами и индуцировать различные реакции.

Химические синапсы

Физиологические свойства химических синапсов

Синапсы с химической передачей возбуждения обладают определенными свойствами:

• возбуждение проводится в одном направлении, так как медиатор выделяется только из синаптической бляшки и взаимодействует с рецепторами на постсинаптической мембраны;
• распространение возбуждения через синапсы происходит медленнее, чем по нервному волокну (синаптическая задержка);
• передача возбуждения осуществляется с помощью специфических медиаторов;
• в синапсах изменяется ритм возбуждения;
• синапсы способны утомляться;
• синапсы обладают высокой чувствительностью к различным химическим веществам и гипоксии.

Одностороннее проведение сигнала. Сигнал передается только от пресинаптической мембраны к постсинаптической. Это вытекает из особенностей строения и свойств синаптических структур.

Замедленная передача сигнала. Обусловлена синаптической задержкой в передаче сигнала с одной клетки на другую. Задержка вызывается временными затратами на процессы выброса медиатора, его диффузии к постсинаптической мембране, связывания с рецепторами постсинаптической мембраны, деполяризации и преобразования постсинаптического потенциала в ПД (потенциал действия). Длительность синаптической задержки колеблется от 0,5 до 2 мс.

Способность к суммации эффекта от приходящих к синапсу сигналов. Такая суммация проявляется, если последующий сигнал приходит к синапсу через короткое время (1- 10 мс) после предыдущего. В таких случаях амплитуда ВПСП возрастает и на постсинаптическом нейроне может генерироваться большая частота ПД.

Трансформация ритма возбуждении. Частота нервных импульсов, приходящих к пресинаптической мембране, обычно не соответствует частоте ПД, генерируемых постсинаптическим нейроном. Исключение составляют синапсы, передающие возбуждение с нервного волокна на скелетную мышцу.

Низкая лабильность и высокая утомляемость синапсов. Синапсы могут проводить 50-100 нервных импульсов в секунду. Это в 5-10 раз меньше, чем максимальная частота ПД, которую могут воспроизводить нервные волокна при их электростимуляции. Если нервные волокна считаются практически неутомляемыми, то в синапсах утомление развивается весьма быстро. Это происходит из-за истощения запасов медиатора, энергетических ресурсов, развития стойкой деполяризации постсинаптической мембраны и т.д.

Высокая чувствительность синапсов к действию биологически активных веществ, лекарственных препаратов и ядов. Например, яд стрихнин блокирует функцию тормозных синапсов ЦНС, связываясь с рецепторами, чувствительными к медиатору глицину. Столбнячный токсин блокирует тормозные синапсы, нарушая выделение медиатора из пресинаптической терминали. В обоих случаях развиваются опасные для жизни организма явления. Примеры действия биологически активных веществ и ядов на передачу сигналов в нервно-мышечных синапсах рассмотрены выше.

Свойства облегчения и депрессии синоптической передачи. Облегчение синаптической передачи имеет место, когда нервные импульсы поступают к синапсу через короткое время (10-50 мс) друг за другом, т.е. достаточно часто. При этом в течение некоторого промежутка времени каждый последующий ПД, приходящий к пресинаптической мембране, вызывает увеличение содержания медиатора в синаптической щели, возрастание амплитуды ВПСП и увеличение эффективности синаптической передачи.

Одним из механизмов облегчения является накопление ионов Са 2 в пресинаптической терминали. Для удаления кальциевым насосом порции кальция, вошедшей в синаптическую терминаль при поступлении ПД, необходимо несколько десятков миллисекунд. Если в это время приходит новый потенциал действия, то новая порция кальция входит в терминаль и ее эффект на высвобождение нейромедиатора складывается с остаточным количеством кальция, которое кальциевый насос не успел удалить из нейроплазмы терминали.

Имеются и другие механизмы развития облегчения. Этот феномен в классических руководствах по физиологии называют также посттетанической потенциацией. Облегчение синаптической передачи имеет значение в функционировании механизмов памяти, для образования условных рефлексов и обучения. Облегчение передачи сигналов лежит в основе развития пластичности синапсов и улучшения их функций при частой активации.

Депрессия (угнетение) передачи сигналов в синапсах развивается при поступлении очень частых (для нервно-мышечного синапса более 100 Гц) нервных импульсов к пресинаптической мембране. В механизмах развития явления депрессии имеют значение истощение запасов медиатора в пресинаптической терминали, снижение чувствительности рецепторов постсинаптической мембраны к медиатору, развитие стойкой деполяризации постсинаптической мембраны, затрудняющих генерацию ПД на мембране постсинаптической клетки.

Электрические синапсы

Кроме синапсов с химической передачей возбуждения в организме есть синапсы с электрической передачей. Эти синапсы имеют очень узкую синаптическую щель и пониженное электрическое сопротивление между двумя мембранами. Благодаря наличию поперечных каналов между мембранами и низкому сопротивлению, электрический импульс легко проходит через мембраны. Электрические синапсы обычно характерны для однотипных клеток.

В результате воздействия раздражителя пресинаптический потенциал действия раздражает постсинаптическую мембрану, где возникает распространяющийся потенциал действия.

Характеризуются большей скоростью проведения возбуждения по сравнению с химическими синапсами и низкой чувствительностью к воздействию химических веществ.

Электрические синапсы бывают с одно- и двусторонней передачей возбуждения.

В организме встречаются и электрические тормозные синапсы. Тормозное влияние развивается за счет действия тока, который вызывает гиперполяризацию постсинаптической мембраны.

В смешанных синапсах может происходить передача возбуждения с помощью как электрических импульсов, так и медиаторов.

Понятие синапса. Виды синапсов

Термин синапс (от греческого sy"napsys - соединение, связь) ввел И. Шеррингтон в 1897 году. В настоящее время синапсами называют специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками (нервными, мышечными, секреторными), служащие для передачи и преобразования нервных импульсов. По характеру контактирующих поверхностей различают: аксо-аксональные, аксо-дендритические, аксо-соматические, нервно-мышечные, нейро-капиллярные синапсы. Электронно-микроскопические исследования выявили, что синапсы имеют три основных элемента: пресинаптическую мембрану, постсинаптическую мембрану и синаптическую щель (рис. 37).

Рис. 37. Основные элементы синапса.

Передача информации через синапс может осуществляться химическим или электрическим путем. Смешанные синапсы сочетают химические и электрические механизмы передачи. В литературе на основании способа передачи информации принято выделять три группы синапсов - химические, электрические и смешанные.

Строение химических синапсов

Передача информации в химических синапсах осуществляется через синаптическую щель - область внеклеточного пространства шириной 10-50 нм, разделяющую мембраны пре- и постсинаптических клеток. В пресинаптическом окончании содержатся синаптические везикулы (рис. 38) - мембранные пузырьки диаметром около 50 нм., в каждом из которых заключено 1х104 - 5х104 молекул медиатора. Общее количество таких пузырьков в пресинаптических окончаниях составляет несколько тысяч. Цитоплазма синаптической бляшки содержит митохондрии, гладкий эндоплазматический ретикулум, микрофиламенты (рис. 39).

Рис. 38. Строение химического синапса

Рис. 39. Схема нервно-мышечного синапса

Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, "склеивающим" пре- и постсинаптическую мембраны.

Постсинаптическая мембрана содержит крупные белковые молекулы, выполняющие функции рецепторов, чувствительных к медиатору, а также многочисленные каналы и поры, через которые в постсинаптический нейрон могут поступать ионы.

Передача информации в химических синапсах

При поступлении потенциала действия к пресинаптическому окончанию происходит деполяризация пресинаптической мембраны и повышается ее проницаемость для ионов Ca 2+ (рис. 40). Повышение концентрации ионов Ca 2+ в цитоплазме синаптической бляшки инициирует экзоцитоз везикул наполненных медиатором (рис. 41).

Содержимое везикул высвобождается в синаптическую щель, и часть молекул медиатора диффундирует, связываясь с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. В среднем каждая везикула содержит около 3000 молекул медиатора, а диффузия медиатора до постсинаптической мембраны занимает около 0,5 мс.

Рис. 40. Последовательность событий, происходящих в химическом синапсе от момента возбуждения пресинаптического окончания до возникновения ПД в постсинаптической мембране.

Рис. 41. Экзоцитоз синаптических пузырьков с медиатором. Пузырьки сливаются с плазматической мембраной и выбрасывают свое содержимое в синаптическую щель. Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране и связывается с расположенными на ней рецепторами. (Экклз, 1965).

При связывании молекул медиатора с рецептором его конфигурация изменяется, что приводит к открытию ионных каналов (рис. 42) и поступлению через постсинаптическую мембрану в клетку ионов, вызывающих развитие потенциала концевой пластинки (ПКП). ПКП есть результат местного изменения проницаемости постсинаптической мембраны для ионов Na + и К + . Но ПКП не активирует другие хемовозбудимые каналы постсинаптической мембраны и его величина зависит от концентрации медиатора, действующего на мембрану: чем больше концентрация медиатора, тем выше (до определенного предела) ПКП. Таким образом, ПКП в отличие от потенциала действия градуален. В этом отношении он схож с локальным ответом, хотя механизм его возникновения иной. При достижении ПКП некоторой пороговой величины возникают местные токи между участком деполяризованной постсинаптической мембраны и соседними с ней участками электровозбудимой мембраны, что вызывает генерацию потенциала действия.

Рис. 42. Строение и работа хемовозбудимого ионного канала. Канал образован макромолекулой белка, погруженной в липидный би слой мембраны. До взаимодействия молекулы медиатора с рецептором ворота закрыты (А). Они открываются при связывании медиатора с рецептором (Б). (По Ходорову Б.И.).

Таким образом, процесс передачи возбуждения через химический синапс может быть схематически представлен в виде следующей цепи явлений: потенциал действия на пресинаптической мембране поступление ионов Ca 2+ внутрь нервного окончания освобождение медиатора диффузия медиатора через синаптическую щель к постсинаптической мембране взаимодействие медиатора с рецептором активация хемовозбудимых каналов постсинаптической мембраны возникновение потенциала концевой пластинки критическая деполяризация постсинаптической электровозбудимой мембраны генерация потенциала действия.

Химические синапсы имеют два общих свойства:

1. Возбуждение через химический синапс передается только в одном направлении - от пресинаптической мембраны к постсинаптической мембране (одностороннее проведение).

2. Возбуждение проводится через синапс значительно медленнее, чем по нервному волокну синаптическая задержка.

Односторонность проведения обусловлена высвобождением медиатора из пресинаптической мембраны и локализацией рецепторов на постсинаптической мембране. Замедление проведения через синапс (синаптическая задержка) возникает вследствие того, что проведение является многоэтапным процессом (секреция медиатора, диффузия медиатора к постсинаптической мембране, активация хеморецепторов, рост ПКП до пороговой величины) и для протекания каждого из перечисленных этапов требуется время. Кроме этого, наличие относительно широкой синаптической щели препятствует проведению импульса с помощью локальных токов.

Химические медиаторы

Медиаторы (от латинского - mediator - проводник) - биологически активные вещества, посредством которых осуществляются межклеточные взаимодействия в синапсах.

В основном химическими медиаторами являются низкомолекулярные вещества. Однако некоторые высокомолекулярные соединения, такие как полипептиды, могут также выполнить роль химических посредников. В настоящее время известен ряд веществ, играющих роль медиаторов в ЦНС млекопитающих. К ним относятся ацетилхолин, биогенные амины: адреналин, норадреналин, дофамин, серотонин, кислые аминокислоты: глицины, гамма-аминомаслянная кислота (ГАМК), полипептиды: вещество Р, энкефалин, соматостатин и др. (Рис. 43).

Рис. 43. Структурные формулы некоторых медиаторов.

Функцию медиаторов могут выполнять и такие соединения как АТФ, гистамин, простагландины. В 1935 году Г.Дейлом было сформулированно правило (принцип Дейла), согласно которому каждая нервная клетка выделяет только один определенный медиатор. Поэтому принято обозначать нейроны по типу медиатора, который выделяется в их окончаниях. Так, нейроны, освобождающие ацетилхолин, называется холинергическими, норадреналин - адренергическими, серотонин - серотонинергическими, амины - аминергическими и т.д.

Квантовое выделение медиаторов

Изучая механизмы нервно-мышечной передачи, Пол Фетт и Бернард Катц в 1952 году зарегистрировали миниатюрные постсинаптические потенциалы (МПСП). МПСП можно зарегистрировать в области постсинаптической мембраны. По мере удаления внутриклеточного регистрирующего электрода от постсинаптической мембраны МПСП постепенно уменьшается. Амплитуда МПСП составляет менее 1 мв. (Рис. 44).

Рис. 44. Миниатюрные постсинаптические потенциалы, записанные в области концевой пластинки волокна скелетной мышцы. Видно, что амплитуда МПСП невелика и постоянна. (По Р.Эккерт).

Катц и его сотрудники исследовали, как связаны МПСП с обычными ПКП, возникающими при возбуждении двигательных нервов. Было высказано предложение, что МПСП есть результат выделения "кванта" медиатора, а ПКП складывается в результате суммации многих МПСП. В настоящее время известно, что "квант" медиатора представляет собой "пакет" молекул медиатора в синаптическом пузырьке пресинаптической мембраны. По расчетам, каждый МПСП соответствует выбросу кванта медиатора, состоящего из 10000 - 40000 молекул медиатора, что приводит к активации около 2000 постсинаптическтих ионных каналов. Для возникновения потенциала концевой пластинки (ПКП) или возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) необходимо выделение 200-300 квантов медиатора.

Генерация потенциала действия

Миниатюрный постсинаптический потенциал, потенциал концевой пластинки и возбуждающий постсинаптический потенциал являются локальными процессами. Они не могут распространяться и, следовательно, не могут обеспечивать передачу информации между клетками. Участком генерации потенциалов действия в мотонейроне служит начальный сегмент аксона, расположенный непосредственно за аксонным холмиком (рис. 45). Этот участок наиболее чувствителен к деполяризации и обладает более низким критическим уровнем деполяризации, чем тело и дендриты нейрона. Поэтому именно в области аксонного холмика возникают потенциалы действия. Для того, чтобы вызвать возбуждение, ПКП (или ВПСП) должны достигнуть в области аксонного холмика некоторого порогового уровня (рис. 46). Рис. 46. Пространственное затухание ВПСП и генерация потенциала действия. Возбуждающие синаптические потенциалы, возникающие в дендрите, по мере распространения по нейрону затухают. Порог генерации ПД (критический уровень деполяризации) зависит от плотности натриевых каналов (черные точки). Хотя синаптический потенциал (он изображен в верхней части рисунка) и затухает по мере распространения от дендрита к аксону, ПД все же возникает в области аксонного холмика. Именно здесь плотность натриевых каналов наиболее высока, а пороговый уровень деполяризации наиболее низок. (Р. Эккерт).

Важное значение для возникновения потенциала действия в нервной клетке имеет суммация возбуждающих синаптических влияний, так как деполяризации, создаваемой одним синапсом, часто бывает недостаточно для достижения порогового уровня и генерации потенциала действия. Так, если происходит увеличение ВПСП за счет сложения потенциалов, возникающих благодаря работе разных синапсов, то имеет место пространственная суммация (рис. 48). Критический уровень деполяризации может быть достигнут и благодаря временной суммации (рис. 47). Рис. 47. Схема сомото-дентритных синапсов, обеспечивающих суммацию возбуждения. Так, если после одного постсинаптического потенциала возникает другой, то второй потенциал "накладывается" на первый, в результате чего образуется суммарный потенциал с большей амплитудой (рис. 49.).

Чем короче при этом будет интервал между двумя последовательными синаптическими потенциалами, тем выше будет амплитуда суммарного потенциала. В естественных условиях обычно одновременно происходит как пространственная, так и временная суммации. Таким образом, за период между выделением медиатора в синаптическую щель и возникновением потенциала действия на постсинаптической структуре (нейроне, мышце, железе) осуществляется ряд биоэлектрических явлений, последовательность и специфические особенности которых представлены в (табл. 1) и (рис. 51.).

Рис. 48. Пространственная суммация в мотонейроне Рис 49. Временная суммация. При высокой частоте следования раздражителей возможно «наложение» одного постсинаптического потенциала на другой, в результате чего образуется суммарный потенциал с большей амплитудой.

1. Возбуждающие постсинаптические потенциалы, возникающие в двух разных синапсах (А и Б).

2. Потенциалы, возникающие на мембране в зоне генерации импульса при раздражении волокна А или Б либо обоих этих волокон одновременно (А+Б).

3. Для того чтобы потенциал в области аксонного холмика превышал пороговый уровень, необходима пространственная суммация ВСПС, возникающих в нескольких синапсах. (Р. Эккерт).

Кроме возбуждающих синапсов, через которые передается возбуждение, имеются тормозные синапсы, в которых медиаторы (в частности, ГАМК) вызывают торможение на постсинаптической мембране (рис. 50). В таких синапсах возбуждение пресинаптической мембраны приводит к выделению тормозного медиатора, который действуя на постсинаптическую мембрану, обусловливает развитие ТПСП (тормозного постсинаптического потенциала). Механизм его возникновения связан с увеличением проницаемости постсинаптической мембраны для К + и Cl - , в результате чего происходит ее гиперполяризация. Подробнее механизм торможения будет изложен в следующей лекции.

Рис. 50. Схема пространственной суммации при наличии возбуждающих и тормозящих синапсов.

ТАБЛИЦА № 1. Виды Потенциалов Место возникновения Характер процесса Тип электри - ческих потенциалов Амплитуда Миниатюрный постсинапти - ческий потенциал (МПСП) Нервно-мышечные и межнейронные синапсы Миниатюрная локальная деполяриза - ция Градуальный Потенциал концевой пластинки (ПКП) Нервно-мышечный синапс Локальная деполяризация Градуальный Возбуждающий постсинапти - ческий потенциал (ВПСП) Межнейронные синапсы Локальная деполяризация Градуальный Потенциал действия (ПД) Нервные, мышечные, секреторные клетки Распростра - няющийся процесс Импульсный (в соответствии с законом "все или ничего")

Рис. 51. Последовательность биоэлектрических явлений в химическом синапсе происходящих за время между выделением медиатора и возникновением ПД на постсинаптической структуре.

Метаболизм медиаторов

Ацетилхолин, выделяемый окончаниями холинергических нейронов, гидролизуется до холина и ацетата ферментом ацетилхолинэстеразой. Продукты гидролиза на постсинаптическую мембрану не действуют. Образующийся холин активно поглощается пресинаптической мембраной и взаимодействуя с ацетилкоферментом А, образует новую молекулу ацетилхолина. (Рис. 52.).

Рис. 52. Метаболизм ацетилхолина (АцХ) в холинэнергическом синапсе. АцХ, поступающий из пресинаптического окончания, гидролизуется в синаптической щели ферментом ацетилхолинестеразой (АцХЭ). Холин поступает в пресинаптическое волокно и используется для синтеза молекул ацетилхолина (Mountcastle, Baldessarini, 1968)

Аналогичный процесс происходит и с другими медиаторами. Другой хорошо изученный медиатор - норадреналин выделяется постганглионарными синаптическими клетками и хромаффинными клетками мозгового слоя надпочечников. Биохимические превращения, которые претерпевает норадреналин в адренергических синапсах, схематично представлен на рисунке 53.

Рис. 53. Биохимические превращения медиатора в адренергическом синапсе. Норадреналин (НА) синтезируется из аминокислоты фенилаланина с образованием промежуточного продукта - тирозина. Образующийся НА запасается в синаптических пузырьках. После высвобождения из синапса часть НА обратно захватывается пресинаптическим волокном, а другая часть инактивируется путем метилирования и удаляется с кровотоком. НА, попавший в цитоплазму пресинаптического окончания, либо захватывается в синаптические пузырьки, либо разрушается моноаминоксидазой (МАО). (Mountcastle, Baldessarini, 1968).

Синаптическая модуляция

Биохимические процессы, осуществляющиеся в синапсе, в значительной степени подвержены влиянию различных факторов - в первую очередь, химических. Так, ацетилхолинэстераза может быть инактивирована некоторыми нервно-паралитическими веществами и инсектицидами. В этом случае ацетилхолин накапливается в синапсах. Это приводит к нарушению реполяризации постсинаптической мембраны и инактивированию холинорецепторов (рис. 54.). В результате нарушается деятельность межнейронных и нервно-мышечных синапсов и быстро наступает гибель организма. Однако в нервной системе образуется большое количество веществ, играющих роль синаптических модуляторов - веществ, влияющих на синаптическое проведение.

Рис. 54. Влияние ингибитора холинэстеразы (неостигмина) на длительность постсинаптического потенциала одиночного мышечного волокна.а - до применения неостигмина; б - после применения неостигмина.(По Б.И. Ходорову).

По химической природе эти вещества - пептиды, однако часто их называют нейропептидами, хотя далеко не все из них образуются в нервной системе. Так, ряд веществ синтезируется в эндокринных клетках кишечника, а некоторые нейропептиды первоначально были обнаружены во внутренних органах. Наиболее известными веществами такого рода являются гормоны желудочно-кишечного тракта - глюкагон, гастрин, холецистокинин, вещество Р, желудочный ингибирующий пептид (ЖИП).

Значительный интерес исследователей вызывают две группы нейропептидов - эндорфины и энкефалины. Эти вещества обладают анальгетическими (уменьшающими боль), галюциногенными, а также некоторыми другими свойствами (вызывают ощущение удовлетворения и эйфории, их активация учащает пульс и повышает температуру тела). Обезболивающий эффект этих соединений может быть связан с тем, что эти нейропептиды препятствуют выделению медиаторов из некоторых нервных окончаний. С такой точкой зрения хорошо согласуется тот факт, что энкефалины и эндорфины присутствуют в задних рогах спинного мозга, т.е. в той области, где в спинной мозг входят чувствительные пути. Болевые ощущения могут уменьшаться в результате выделения нейропептидов, нарушающих синаптическое проведение в эфферентных путях, передающи болевые сигналы. Содержание эндорфинов и энкефалинов непостоянно: например, во время приема пищи, болевых воздействиях, прослушивания приятной музыки их выделение увеличивается. Тем самым организм оберегает себя от чрезмерных болевых ощущений и одаривает за биологически полезные действия.Благодаря таким свойствам, а также тому, что эти нейропептиды связываются в нервной системе с теми же рецепторами, что и опиаты (опий и его производные), они называются эндогенными опиоидами. В настоящее время известно, что на поверхности мембраны некоторых нейронов имеются опиоидные рецепторы с которыми в естественных условиях и связываются вырабатываемые нервной системой, энкефалины и эндорфины. Но при употреблении наркотических опиатов - алкалоидных веществ, выделяемых из растений, опиаты связываются с опиоидными рецепторами, вызывая их неестественно мощную стимуляцию. Это вызывает чрезвычайно приятные субъективные ощущения. При неоднократном применении опиоидов возникают компенсаторные изменения метаболизма нервных клеток, и тогда после их отмены состояние нервной системы становится таким, что больной без введения очередной дозы наркотика испытывает чрезвычайный дискомфорт (абстинентный синдром). Подобная метаболическая зависимость называется пристрастием.

При изучении опиоидных рецепторов весьма полезным оказалось вещество налоксон - конкурентный блокатор этих рецепторов. Поскольку налоксон препятствует связыванию опиатов с клетками-мишенями, с его помощью можно определить, вызвана ли та или иная реакция возбуждением таких рецепторов. Было обнаружено, например, что налоксон в значительной степени снимает анальгетический эффект плацебо (нейтрального вещества, которое дают больным, уверяя их, что оно снимет у них боль). Вероятно, вера в лекарство (или другое средство лечения), которое должно снять боль, приводит к выбросу опиоидных пептидов; возможно, в этом и состоит фармакологический механизм действия плацебо. Налоксон снимает также обезболивающий эффект иглоукалывания. Отсюда был сделан вывод, что при иглоукалывании из ЦНС выбрасываются естественные опиоидные пептиды.

Таким образом, эффективность синаптической передачи может быть существенно изменена под влиянием веществ (модуляторов), не участвующих непосредственно в передаче информации.

Особенности строения и функционирования электрических синапсов

Электрические синапсы широко распространены в нервной системе беспозвоночных, а у млекопитающих встречаются крайне редко. Вместе с тем электрические синапсы у высших животных широко распространены в сердечной мышце, гладкой мускулатуре внутренних органов печени, эпителиальной и железистых тканях.

Ширина синаптической щели в электрических синапсах составляет всего 2-4 нм, что значительно меньше чем в химических синапсах. Важной особенностью электрических синапсов является наличие между пресинаптической и постсинаптической мембранах своеобразных мостиков, образованных белковыми молекулами. Они представляют собой каналы шириной 1-2 нм (рис. 55.).

Рис. 55. Структура электрического синапса. Характерные особенности: узкая (2-4 нм) синаптическая щель и наличие каналов, образованных белковыми молекулами.

Благодаря наличию каналов, размеры которых позволяют переходить из клетки в клетку неорганическим ионам и даже небольшим молекулам, электрическое сопротивление такого синапса, получившего название щелевого или высокопроницаемого контакта оказывается очень низким. Такие условия позволяют пресинаптическому току распространятся на постсинаптическую клетку практически без угасания. Электрический ток течет от возбужденной области к невозбужденной и там вытекает наружу, вызывая ее деполяризацию (рис. 56.).

Рис. 56. Схема передачи возбуждения в химическом (А) и электрическом синапсе (Б). Стрелками показано распространение электрического тока через мембрану пресинаптического окончания и постсинаптическую мембрану на нейрон. (По Б.И. Ходорову).

Электрические синапсы обладают рядом специфических функциональных свойств: Синаптическая задержка практически отсутствует, т.е. интервал между приходом импульса в пресинаптическое окончание и началом постсинаптического потенциала, отсутствует. В электрических синапсах двустороннее проведение, хотя геометрические особенности синапса делают проведение в одном направлении более эффективным. Электрические синапсы в отличие от химических могут обеспечить передачу только одного процесс - возбуждения. Электрические синапсы менее подвержены воздействию различных факторов (фармакологических, термических и т.д.)

Наряду с химическими и электрическими синапсами между некоторыми нейронами имеются так называемые смешанные синапсы. Их главная особенность заключается в том, что электрическая и химическая передача осуществляется параллельно, поскольку щель между пре- и постсинаптической мембранами имеет участки со структурой химического и электрического синапсов (рис. 57.).

Рис. 57. Структура смешанного синапса. А - участок химической передачи. Б - участок электрической передачи. 1. Пресинаптическая мембрана. 2. Постсинаптическая мембрана. 3. Синаптическая щель.

Основные функции синапсов

Значение механизмов функционирования клеток становится понятным при выяснении процессов их взаимодействия, необходимых для обмена информацией. Обмен информацией происходит с помощью нервной системы и в ней самой. Места контактов между нервными клетками (синапсы) играют большую роль при переносе информации. Информация в виде серии потенциалов действия поступает от первого (пресинаптического ) нейрона на второй ( постсинаптический ). Это возможно непосредственно путем формирования локального тока между соседними клетками либо, что гораздо чаще, опосредованно путем химических веществ-переносчиков.

Не вызывает сомнения важность функций клеток для успешной работы всего организма. Однако чтобы организм мог функционировать как единое целое, между его клетками должна осуществляться взаимосвязь - перенос разнообразных химических веществ и информации. В передаче информации участвуют, например, гормоны , доставляемые к клеткам кровью. Но, прежде всего, передача информации осуществляется в нервной системе в виде нервных импульсов. Так, органы чувств получают информацию из окружающего мира, например, в форме звука, света, запаха, и передают ее дальше по соответствующим нервам в мозг. Центральная нервная система , со своей стороны, должна переработать эту информацию и в качестве результата вновь выдать некую информацию на периферию, что образно можно представить в виде определенных приказов на периферические эффекторные органы, такие, например, как мышцы, железы, органы чувств. Это и будет ответом на внешние раздражения.

Проведение информации, например, от рецепторов органа слуха к мозгу включает и ее переработку в ЦНС. Для этого миллионы нервных клеток должны взаимодействовать между собой. Только на основе этой переработки получаемой информации возможно формирование конечного ответа, например, направленные действия или прекращения этих действий, бегство или наступление. Эти два примера свидетельствуют о том, что переработка информации в ЦНС может привести к реакциям, включающим или процессы возбуждения, или процессы торможения. В передаче информации и формировании ответной реакции ЦНС принимают участие и контактные зоны между нервными клетками - синапсы. Помимо синаптических контактов между интернейронами в ЦНС эти процессы осуществляются синаптическими контактами, лежащими на пути передачи эфферентной информации, синапсами междуаксоном и исполнительным нейроном и вне пределов ЦНС (на периферии) между исполнительным нейроном и эффекторным органом. Понятие "синапс" ввел в 1897 г. английский физиолог Ф.Шеррингтон (F.Cherrington). Синапс между аксоном мотонейрона и волокном скелетной мышцы называетсямионевральным синапсом .

Было показано, что при возбуждении нейрон генерирует потенциал действия. Серии потенциалов действия - это носители информации. Задачей синапса является передача этих сигналов от одного нейрона на другой или на эффекторные клетки. Как правило, результатом перекодировки является возникновение потенциалов действия, которые при этом могут подавляться под влиянием других синаптических контактов. В конечном итоге синаптическое проведение вновь приводит к электрическим явлениям. Здесь есть две возможности. Быстрая передача сигналов осуществляется электрическими синапсами , более медленная - химическими , в которых химическое вещество-переносчик берет на себя роль передачи сигнала. Однако и в этом случае имеются две принципиальные возможности. В одном случае химическое вещество-переносчик может вызвать непосредственно электрические явления на мембране соседней клетки, при этом эффект оказывается относительно быстрым. В других случаях это вещество вызывает только цепь дальнейших химических процессов, которые, со своей стороны, ведут к электрическим явлениям на мембране последующего нейрона, что связано с большими временными затратами.

Обычно принята следующая терминология. Если клетка, от которой осуществляется направленное проведение информации, располагается перед синапсом, то она пресинаптическая . Клетка, лежащая после синапса, называется постсинаптической .

Синапс представляет собой место контакта двух клеток. Информация в виде потенциалов действия поступает от первой клетки, называемой пресинаптической, ко второй, называемой постсинаптической.

Сигнал через синапс передается электрическим путем посредством возникновения локальных токов между двумя клетками (электрические синапсы), химическим путем, при котором электрический сигнал передается опосредованно при помощи трансмиттера (химические синапсы), и при помощи этих обоих механизмов одновременно (смешанные синапсы).

Синапс электрический

Рис. 8.2. Схема никотинового холинэргического синапса . Пресинаптическое нервное окончание содержит компоненты для синтеза нейромедиатора (здесь ацетилхолина). После синтеза (I) нейромедиатор упаковывается в пузырьки (везикулы) (II). Эти синаптические везикулы сливаются (возможно, вре.мен-но) с пресинаптической мембраной (1П), и нейромедиатор высвобождается таким путем в синаптическую щель . Он диффундирует к постсинаптической мембране и связывается там со специфическим рецептором (IV). В результате образования нейромедиатор-рецепторного комплекса постсинаптическая мембрана становится проницаемой для катионов (V), т. е. деполяризуется. (Если деполяризация достаточно высока, то появляется потенциал действия , т. е.химический сигнал снова превращается в электрический нервный импульс .) Наконец, медиатор инактивируется, т. е. либо расщепляется ферментом (VI), либо удаляется из синаптической щели посредством особого механизма поглощения . В приведенной схеме только один продукт расщепления медиатора- холин - поглощаетсянервным окончанием (VII) и используется вновь.Базальная мембрана - диффузная структура, идентифицируемая методом электронной микроскопии в синаптической щели (рис. 8.3,а), здесь не показана.

<="" img="" style="border: none; display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;">

Электрические и химические синапсы      Свойства электрического синапса 

Передача сигналов от клетки к клетке. может осуществляться либо путем прямого прохождения потенциалов действия (электрические синапсы), либо с помощью специальных молекул - нейромедиаторов (химические синапсы ). В зависимости от своих специфических функций синапсы имеют очень разные структуры. Вхимических синапсах расстояние между клетками составляет - 20-40 нмсинаптическая щель между клетками - это часть межклеточного пространства она содержит жидкость с низким электрическим сопротивлением , так чтоэлектрический сигнал рассеивается прежде, чем он достигнет следующей клетки.Электрическая передача , напротив, осуществляется только в специализированных структурах - щелевых контактах , где клетки находятся на расстоянии 2 нм и соединяются проводящими канала.ми. В действительности здесь имеется нечто сходное с постулированным ранее синцитием, или многоклеточным цитоплазматическим континуумом. По иронии истории нау-      Системы пассивного транспорта, называемые далее каналами, не являются единой группой функциональных элементов в мембране. В состоянии покоя каналы закрыты и переходят в проводящее состояние только после их открытия. Открывание, или воротный механизм , запускается электрическим путем , т. е. при изменении мембранного потенциала , или химическим путем - при взаимодействии со специфической молекулой. Химическая природа воротного механизма в тесной связи с биохимией синапса рассмотрена в гл. 8 и 9. Хотелось бы лишь отметить, что воротный механизм также отличается от других транспортных систем по своей фармакологии, ионной селективности и кинетике.      Среди многочисленных примеров, указывающих на значение коммуникативных связей , можно привести явление электрического сопряжения клеток. Обычно мембраны клеток обладают очень высоким электрическим сопротивлением , однако в мембранах соприкасающихся клеток имеются участки с низким сопротивлением - по-видимому, области щелевых контактов . Одна из наиболее совершенных форм коммуникативной связи -это синапс, специализированный контакт между нейронами. Нервный импульс , проходящий по мембране одного нейрона, стимулирует выделение кванта химического вещества (медиатора), который проходит через щель синапса и инициируетвозникновение нервного импульса во втором нейроне.      Нервное волокно представляет собой сильно вытянутую трубку из студневидного вещества, заполненную солевым раствором одного состава и омываемую солевым раствором другого состава. Эти растворы содержатэлектрически заряженные ионы, по отношению к которым напоминающаямембрану оболочка нерва обладает избирательной проницаемостью . Из-за различия в скоростях диффузии отрицательно и положительно заряженных ионов между внутренней и наружной поверхностью нервного волокна имеется некоторая разность потенциалов. Если ее мгновенно снизить, то есть вызвать местную деполяризацию, эта деполяризация распространится на соседние участки мембраны, в результате чего по волокну побежит ее волна. Это и есть так называемый спайк-потенциал, или нервный импульс . Мембрана не может быть разряжена частично она деполяризуется полностью на всем пути или не деполяризуется совсем. Кроме того, после прохождения импульса требуется некоторое время для восстановления первоначального потенциала мембраны , причем, до тех пор пока потенциал мембраны не восстановится, нервное волокно не сможет пропустить следующего импульса. Природу возникновения нервного импульса (по закону все или ничего) и следующего за прохождением импульса рефрактерного периода (или периода возвращения волокна в первоначальное состояние) мы рассмотрим подробнее в последней главе книги. Если возбуждение получено где-то посредине волокна, импульс должен был бы распространяться в обе стороны. Но этого обычно не происходит, так как нервная ткань сконструирована таким образом , чтобы сигнал в любой данный момент шел в каком-то определенном направлении . Для этогонервные волокна соединены между собой в нерве специальными образованиями, синапсами, пропускающими сигналы только в одном направлении.      Каналы пассивного транспорта ионов , проходящих через возбудимые мембраны , содержат два функциональных компонента воротный механизм иселективный фильтр . Воротный механизм , способный открывать или закрывать канал, может быть активирован электрически путем изменения мембранного потенциала или химически, например в синапсе, связыванием с молекулой нейромедиатора . Селективный фильтр имеет такие размеры и такое строение , которые позволяют пропускать ли-      Синапсы -это места коммуникации нервных клеток. Химические и электрические синапсы различаются по механизму передачи информации.      В гл. 1 уже говорилось о то.м, что практически все функции нейронов в большей или меньшей степени обусловлены свойствами мембран . В частности, мембранную природу имеют такие явления как распространение нервных импульсов , их электрическая или химическая передача от клетки к клетке,активный транспорт ионов , клеточное узнавание и развитие синапса, взаимодействие с нейромодуляторами, нейрофармакологическими веществами и нейротоксинами. Такой, несколько односторонний взгляд уточняется в настоящей главе рассмотрением цитоплазмы нейронов. Хотя в основном она сходна с цитоплазмой других клеток - в ней обнаружены те же органеллы (а также синаптические везикулы) и ферменты (и, кроме того, участвующие в метаболизме медиаторы ), однако нейрональная цитоплазма адаптирована специфическим образом именно к функциям нейронов.      ОТ образования микротрубочек или от присутствия медиатора нли Са2+синаптический контакт не обусловлен наличием медиатора, электрической активностью или образованием функциональных рецепторов. Ни одно из исследований, сделанных до сих пор, полностью не отвечает на вопрос о механизме образования , специфичности и стабилизации синапсов и не решает проблемы этапного образования нейронной сети , ответственной за высшие функции нервной системы. В начале этой главы мы осветили этот вопрос как один изнаиболее важных в нейробиологии, однако подробнее рассмотрим его немного позже.      Физостигмин сыграл важную роль в истории науки . Он ингибирует фермент холинэстеразу, расщепляющую ацетилхолин (см. разд, 6,2). Благодаря этому последний, как нейромедиатор, долго сохраняется в нервных окончаниях . Это позволило выделить его из них, определить его функцию и вообще развить теорию химической передачи электрического импульса через синапсы нервной системы.      Основу нервной системы образуют нервные клетки - нейроны, которые связаны между собой синапсами. Благодаря такому строению нервная система способна передавать нервные импульсы . Нервный импульс - это электрический сигнал , который двигается по клетке пока не достигнет нервного окончания , где под действием электрического сигнала высвобождаются молекулы, называемые нейромедиаторами. Они и переносят сигнал (информацию) через синапс, достигая другой нервной клетки.      Биохимических исследований структуры и механизма действия электрических синапсов до сих пор не проводилось. Однако щелевыми контактами связаны не только нервные клетки , но также и клетки печени , эпителия, мышц имногих других тканей. Из них удалось выделить и охарактеризоватьбиохимическими методами и электронной микроскопией мембранные фрагменты, которые определенно сохраняли зоны межклеточных контактов .Электронные микрофотографии показывают упорядоченные структуры частиц, которые Гудинаф назвал коннексонами и которые образуют каналы между клетками , отстоящими друг от друга на 2 нм. Из этих мембран были выделены два полипептида с М 25 000 и 35 000, названные коннексинами. Возможно, что два коннексона соседних клеток посредством дпме-ризации могут образовать канал (рис. 8.1). Показано, что этот канал пропускает не только ионы щелочных металлов , но п молекулы с М 1000-2000. Таким образом , коннексоны, кромеэлектрического сопряжения , обеспечивают для клеток возможность обмена метаболитами. Проницаемость таких каналов могут регулировать ионы кальция.      Нейроны представляют собой клетки с длинными отростками, способные про-водить электрические сигналы. Обычно сигналы воспринимаются дендритами ителом клетки , а затем передаются по аксону в виде потенциалов действия. Связь с другими нейронами осуществляется в синапсах, где сигналы передаются с помощью химического вещества -нейромедиатора. Помимо нейронов нервная ткань всегда содержит различные глиальные клетки , которые выполняют поддерживающую функцию.      Рпс. 19-4. Схема типичного синапса. Электрический сигнал , приходящий в окопчапие аксона клетки , приводит к высвобождению в синаптическую щель химического посредпика (нейромедиатора), который вызывает электрическое изменение в мембране дендрита клетки В      В нейрохимическом плане лучше других синапсов изучен электромоторный синапс электрического органа рыб, где нейромедиатором служит АХ. В начале 70-х годов в лаборатории В.Уит-такера в ФРГ впервые удалось выделить изолированную фракцию синаптических пузырьков из электрического органа ската Torpedo marmorata. Именно на этом объекте с помощью биохимических , иммуноцитохимических методов и ядерного магнит-      Нейроны характеризуются необыкновенно высоким уровнем обмена веществ, значительная часть которого направлена на обеспечение работы натриевого насоса в мембранах и поддержание состояния возбуждения . Химические основыпередачи нервного импульса по аксону уже обсуждались в гл. 5, разд. Б, 3. Последовательное раскрытие сначала натриевых и затем калиевых каналов можно считать твердо установленным . Менее ясным остается вопрос, сопряжено лиизменение ионной проницаемости , необходимое для распространения потенциала действия , с какими-либо особыми ферментативными процессами . Нахманзон указывает, что ацетилхолинэстераза присутствует в высокой концентрации на всем протяжении мембраны нейрона , а не только в синапсах . Он предполагает, что увеличение проницаемости к ионам натрия обусловлено кооперативным связыванием нескольких молекул ацетилхолина смембранными рецепторами , которые либо сами составляют натриевые каналы, либо регулируют степень их открытия. При этом ацетилхолин высвобождается из участков накопления, расположенных на мембране, в результате деполяризации. Собственно, последовательность событий должна быть такова, что изменение электрического поля в мембране индуцирует изменение конформации белков , а это уже приводит к высвобождению ацетилхолина. Под действием аце-тилхолинэстеразы последний быстро распадается , и проницаемость мембраны для ионов натрия возвращается к исходному уровню. В целом приведенное описание отличается от описанной ранее схемы синаптической передачи только в одном отношении в нейронах ацетилхолин накапливается в связанной с белками форме , тогда как в синапсах - в специальных пузырьках. Существует мнение, что работа калиевых каналов регулируется ионами кальция. Чувствительный к изменению электрического поля Са-связывающий белок высвобождает Са +, который в свою очередь активирует каналы для К" , последнее происходит с некоторым запозданием относительно времени открытия натриевых каналов, что обусловлено различием вконстантах скоростей этих двух процессов . Закрытие калиевых каналов обеспечивается энергией гидролиза АТР. Имеются и другие предположения омеханизмах нервной проводимости . Некоторые из них исходят из того, что нервная проводимость целиком обеспечивается работой натриевого насоса.      Расстояние между пресинаптической и посГсинаптической мембранами-синаптическая щель - может достигать 15-20 нм. В мионевральном соединении разрыв еще больше- до 50-100 нм. В то же время существуют синапсы с сильно сближенными и даже сливающимися пресинаптической и постсинаптической мембранами. Соответственно реализуются два типа передачи . При больших щелях передача является химической, при тесном контакте возможно прямое электрическое взаимодействие. Здесь мы рассмотрим химическую передачу.      Выяснив электрические свойства клетки в состоянии покоя, рассмотрим процессы, связанные с возбуждением мембраны . Состояние возбуждения можно определить как временное отклонение мембранного потенциала от потенциала покоя, вызванное внешним стимулом. Этот электрический или химический стимул возбуждает мембрану, изменяя ее ионную проводимость , т. е. сопротивление в контуре снижается (рис. 5.4). Возбуждение распространяется от стимулированного участка к близлежащим областям мембраны , в которыхнаблюдается изменение проводимости, а следовательно, и потенциала. Такое распространение (генерация) возбуждения называется импульсом. Различаются два типа импульсов потенциал действия , когда сигнал распространяется неизмененным от участка возбуждения к нервному окончанию , и локальный потенциал ,. быстро уменьшающийся по мере удаления от участка возбуждения. Локальные потенциалы обнаружены в синапсах воз-буждающие постсинаптические потенциалы (е. р. з. р.) и ингибиторные постсинаптические потенциалы (. р.з.р.)) и в сенсорных нервных окончаниях рецепторные или генераторные потенциалы). Локальные потенциалы могут суммироваться, т. е. они могут увеличиваться при последующих возбуждениях, тогда как потенциалы действия не обладают такой способностью-и возникают по принципу все или ничего.      Рис. 6. . а - схема нервного волокна с синапсом. Показаны системы транспорта (АТРаза) и три различные системы пассивного транспорта . Справа - хемовозбудимая транспортная система , регулируемая молекулой непроме-диатора, например канал в постсинаптической мембране мышечной концевой пластинки , пропускающий ионы калия и натрия слева - отдельно К а+- и К+-каналы в мембране аксона, управляемые электрическим полем и открываемые при деполяризации бив - проводимость натрия gNг (б) и калня ё к, (в), а также входящий натриевый /ка и выходящий калиевый /к токи после деполяризации (60 мВ). Четко дифференцированная кинетика двух процессов N3 и к подразумевает существование индивидуальных молекулярных структур для пассивного натриевого и калиевого транспорта.      КИ открытие электрического синапса Фершпаном и Поттером произошло в 1959 г., когда нейронная теория окончательно вытеснила ретикулярную.      Электрические синапсы сравнительно редки, и их роль в центральной нервной системе высших организмов пока неясна. Фершпан и Поттер открыли их в брюшном нерве краба, а позднее их обнаружили в многочисленных организмах моллюсках, членистоногих и млекопитающих. В противоположность химическому синапсу , гдепрохождение импульса несколько задерживается из-за высвобождения и диффузии медиатора, сигнал через электрический синапс передается быстро. Физиологическая важность таких синапсов может, следовательно, быть связана с необходимостью быстрого сопряжения специфических клеток.      Заслуживает внимания еще особенно полезная клеточная-линия - линия клеток РС 12, клонированная из феохромоцитомы - опухоли хромаффинной ткани надпочечника. Клетки РС 12 аналогичны хромаффинным клеткам по их способности синтезировать, запасать и высвобождать катехоламины. Подобно ненейрональным клеткам, они размножаются, но под действием N0 они перестают делиться, участвуют в нейритных процессах и становятся очень похожими насимпатические нейроны . Они приобретают электрическую возбудимость, отвечают на ацетилхолин и даже образуют функциональные холинэргические синапсы . Клетки РС 12 используются в качестве модельных систем для изучениядифференциации нейронов , действия гормональных и трофических факторов , функции и метаболизма гормонального рецептора (см. с. 325).      Основу каждой НС составляют относительно простые, в большинстве случаев - однотипные элементы (ячейки). Далее под нейроном будет подразумеватьсяискусственный нейрон , то есть ячейка НС (рис. 19.1). Каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием по аналогии с нервными клеткамиголовного мозга , которые могут быть возбуждены или заторможены. Он обладает группой синапсов - однонаправленных входных связей, соединенных с выходами других нейронов, а также имеет аксон - выходную связь данного нейрона, с которой сигнал (возбуждения или торможения) поступает на синапсы следующих нейронов. Каждый синапс характеризуется величиной синаптической связи или ее весом и, который по физическому смыслу эквивалентен электрической проводимости.      Сигналы, проводимые нейронами, передаются от одной клетки к другой в особыхместах контакта , называемых синапсами (рис. 18-3). Обычно эта передача осуществляется, как это ни странно на первый взгляд, непрямым путем. Клетки электрически изолированы друг от друга пресииаптическая клетка отделена от постсинаптической промежутком-синаптической щелью . Изменение электрического потенциала в пресинаптической клетке приводит квысвобождению вещества , называемого ненромедиатором (или нейротрансмиттером), которое диффундирует через синаптическую щель ивызывает изменение электрофизиологического состояния постсинаптической клетки. Та- 

Рис. 18-3. Схема типичного синапса. Элеггричесжий сигнал, приходящий в окончание аксона клетки А, приводит к высвобождению в синаптическую щель химическое го посредника (иейромеднатораХ который вызывает электрическое изменение в мембране деидрита клетки В. Широкая стрелка указывает направление передачи сигнала , Аксон одного нейрона, такого как изображенный на рис. 18-2, образует иногда тысячи выходных синаптических соединений с другими клетками . И наоборот, нейрон может принимать сигналы через тысячи входных синаптических соединений, находящихся на его дендритах и теле.

<="" img="" style="border: none; display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;">

Самый простой способ передачи сигнала от нейрона к нейрону-это прямое электрическое взаимодействие через щелевые контакты . Такие электрпескк сшишсы между нейронами встречаются в некоторых участках нервной системы у многих животных, в том числе и у позвоночных. Главное преимущество электрических синапсов состоит в том, что сигнал передается без задержки. С другой стороны, эти синапсы не приспособлены к выполнению некоторых функций и не могут так тонко регулироваться, как химические синапсы , через которые осуществляется большинство связей между нейронами. Электрическая связь через щелевые контакты была рассмотрена в главе      Скелетные мышечные волокна позвоночных , подобно нервным клеткам , способны возбуждаться под действием электрического тока , и нервно-мышечное соедшенае (рис. 18-24) может служить хорошей моделью химического синапса вообще. На рис. 18-25 сравнивается тонкая структура этого синапса с типичным синапсом между двумя нейронами головного мозга . Двигательный нерв и иннервируемую им мышцу можно отделить от окрузкаюшей ткани и поддерживать вфункционирующем состоянии в среде определенного состава. Возбуждая нерв через наружные электроды, можно с помошью внутриклеточного микроэлектрода регистрировать ответ одиночной мышечной клетки (рис. 18-26). Микроэлектрод сравнительно легко ввести в волокно скелетной мышцы, так как это очень крупная клетка (порядка 100 мкм в диаметре).      Два простых наблюдения показывают, что для синаптической передачи необходим приток нонов Са в окончание аксона . Во-первых, если во внеклеточной среде Са отсутствует, медиатор не высвобождается и передачи сигнала не происходит. Во-вторлх, если искусственно ввести Са в цитоплазму нервного окончания при помощи микропипетки, выход нейромедиатора происходит даже без электрической стимуляции аксона, рто трудно осуществить на нервно-мышечном соединении из-за малых размеров окончани аксона поэтому такой эксперимент был проведен на синапсе между гигантскими нейронами кальмара .) Эти наблюдения позволили воссоздать последо вательность событий, происходящих вокончании аксона , которая описана ниже. 

По́стсинапти́ческий потенциа́л (ПСП) - это вре́менное изменение потенциала постсинаптической мембраны в ответ на сигнал, поступивший с пресинаптического нейрона. Различают:

возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), обеспечивающий деполяризацию постсинаптической мембраны, и

тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП), обеспечивающий гиперполяризацию постсинаптической мембраны.

ВПСП приближает потенциал клетки к пороговому значению и облегчает возникновение потенциала действия, тогда как ТПСП, напротив, затрудняет возникновение потенциала действия. Условно вероятность запуска потенциала действия можно описать как потенциал покоя + сумма всех возбуждающих постсинаптических потенциалов - сумма всех тормозных постсинаптических потенциалов > порог запуска потенциала действия .

Отдельные ПСП обычно невелики по амплитуде и не вызывают потенциалов действия в постсинаптической клетке, однако в отличие от потенциалов действия они градуальны и могут суммироваться. Выделяют два варианта суммации :

временная - объединение пришедших по одному каналу сигналов (при поступлении нового импульса до затухания предшествующего)

пространственная - наложение ВПСП соседних синапсов

Структура синапса

Типичный синапс - аксо-дендритический химический. Такой синапс состоит из двух частей: пресинаптической , образованной булавовидным расширением окончанием аксона передающей клетки и постсинаптической , представленной контактирующим участком цитолеммы воспринимающей клетки (в данном случае - участком дендрита). Синапс представляет собой пространство, разделяющее мембраны контактирующих клеток, к которым подходят нервные окончания. Передача импульсов осуществляется химическим путём с помощью медиаторов или электрическим путём посредством прохождения ионов из одной клетки в другую.

Между обеими частями имеется синаптическая щель - промежуток шириной 10-50 нм между постсинаптической и пресинаптической мембранами, края которой укреплены межклеточными контактами.

Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной . Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположной стороны, называется постсинаптической мембраной , в химических синапсах она рельефна и содержит многочисленные рецепторы.

В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, так называемые синаптические пузырьки , содержащие либо медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения), либо фермент, разрушающий этот медиатор. На постсинаптической, а часто и на пресинаптической мембранах присутствуют рецепторы к тому или иному медиатору.

Классификации синапсов

В зависимости от механизма передачи нервного импульса различают

• химические;
• электрические - клетки соединяются высокопроницаемыми контактами с помощью особых коннексонов (каждый коннексон состоит из шести белковых субъединиц). Расстояние между мембранами клетки в электрическом синапсе - 3,5 нм (обычное межклеточное - 20 нм)

Так как сопротивление внеклеточной жидкости мало(в данном случае), импульсы проходят не задерживаясь через синапс. Электрические синапсы обычно бывают возбуждающими.

Для нервной системы млекопитающих электрические синапсы менее характерны, чем химические.

• смешанные синапсы: Пресинаптический потенциал действия создает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану типичного химического синапса, где пре- и постсинаптические мембраны не плотно прилегают друг к другу. Таким образом, в этих синапсах химическая передача служит необходимым усиливающим механизмом.

Наиболее распространены химические синапсы.

Химические синапсы можно классифицировать по их местоположению и принадлежности соответствующим структурам:

• периферические
• нервно-мышечные
• нейросекреторные (аксо-вазальные)
• рецепторно-нейрональные
• центральные
• аксо-дендритические - с дендритами, в т. ч.
• аксо-шипиковые - с дендритными шипиками, выростами на дендритах;
• аксо-соматические - с телами нейронов;
• аксо-аксональные - между аксонами;
• дендро-дендритические - между дендритами;

В зависимости от медиатора синапсы разделяются на

• аминергические, содержащие биогенные амины (например, серотонин, дофамин;)
• в том числе адренергические, содержащие адреналин или норадреналин;
• холинергические, содержащие ацетилхолин;
• пуринергические, содержащие пурины;
• пептидергические, содержащие пептиды.

При этом в синапсе не всегда вырабатывается только один медиатор. Обычно основной медиатор выбрасывается вместе с другим, играющим роль модулятора.

По знаку действия:

• возбуждающие
• тормозные .

Если первые способствуют возникновению возбуждения в постсинаптической клетке (в них в результате поступления импульса происходит деполяризация мембраны, которая может вызвать потенциал действия при определённых условиях.), то вторые, напротив, прекращают или предотвращают его появление, препятствуют дальнейшему распространению импульса. Обычно тормозными являются глицинергические (медиатор - глицин) и ГАМК-ергические синапсы (медиатор - гамма-аминомасляная кислота).

Тормозные синапсы бывают двух видов: 1) синапс, в пресинаптических окончаниях которого выделяется медиатор, гиперполяризующий постсинаптическую мембрану и вызывающий возникновение тормозного постсинаптического потенциала; 2) аксо-аксональный синапс, обеспечивающий пресинаптическое торможение. Синапс холинергический (s. cholinergica) - синапс, медиатором в котором является ацетилхолин.

В некоторых синапсах присутствует постсинаптическое уплотнение - электронно-плотная зона, состоящая из белков. По её наличию или отсутствию выделяют синапсы асимметричные и симметричные . Известно, что все глутаматергические синапсы асимметричны, а ГАМКергические - симметричны.

В случаях, когда с постсинаптической мембраной контактирует несколько синаптических расширений, образуются множественные синапсы .

К специальным формам синапсов относятся шипиковые аппараты , в которых с синаптическим расширением контактируют короткие одиночные или множественные выпячивания постсинаптической мембраны дендрита. Шипиковые аппараты значительно увеличивают количество синаптических контактов на нейроне и, следовательно, количество перерабатываемой информации. «Не-шипиковые» синапсы называются «сидячими». Например, сидячими являются все ГАМК-ергические синапсы.

Механизм функционирования химического синапса

При деполяризации пресинаптической терминали открываются потенциал-чувствительные кальциевые каналы, ионы кальция входят в пресинаптическую терминаль и запускают механизм слияния синаптических пузырьков с мембраной. В результате медиатор выходит в синаптическую щель и присоединяется к белкам-рецепторам постсинаптической мембраны, которые делятся на метаботропные и ионотропные. Первые связаны с G-белком и запускают каскад реакций внутриклеточной передачи сигнала. Вторые связаны с ионными каналами, которые открываются при связывании с ними нейромедиатора, что приводит к изменению мембранного потенциала. Медиатор действует в течение очень короткого времени, после чего разрушается специфическим ферментом. Например, в холинэргических синапсах фермент, разрушающий медиатор в синаптической щели - ацетилхолинэстераза. Одновременно часть медиатора может перемещаться с помощью белков-переносчиков через постсинаптическую мембрану (прямой захват) и в обратном направлении через пресинаптическую мембрану (обратный захват). В ряде случаев медиатор также поглощается соседними клетками нейроглии.

Открыты два механизма высвобождения: с полным слиянием везикулы с плазмалеммой и так называемый «поцеловал и убежал» (англ. kiss-and-run ), когда везикула соединяется с мембраной, и из неё в синаптическую щель выходят небольшие молекулы, а крупные остаются в везикуле. Второй механизм, предположительно, быстрее первого, с помощью него происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке.

Следствием такой структуры синапса является одностороннее проведение нервного импульса. Существует так называемая синаптическая задержка - время, нужное для передачи нервного импульса. Её длительность составляет около - 0,5 мс.

Так называемый «принцип Дейла» (один нейрон - один медиатор) признан ошибочным. Или, как иногда считают, он уточнён: из одного окончания клетки может выделяться не один, а несколько медиаторов, причём их набор постоянен для данной клетки.

История открытия

• В 1897 году Шеррингтон сформулировал представление о синапсах.
• За исследования нервной системы, в том числе синаптической передачи, в 1906 году Нобелевскую премию получили Гольджи и Рамон-и-Кахаль.
• В 1921 австрийский учёный О. Лёви (О. Loewi) установил химическую природу передачи возбуждения через синапсы и роль в ней ацетилхолина. Получил Нобелевскую премию в 1936 г. совместно с Г. Дейлом (Н. Dale).
• В 1933 советский учёный А. В. Кибяков установил роль адреналина в синаптической передаче.
• 1970 - Б. Кац (В. Katz, Великобритания), У. фон Эйлер (U. v. Euler, Швеция) и Дж. Аксельрод (J. Axelrod, США) получили Нобелевскую премию за открытие роли норадреналина в синаптической передаче.

1.Понятие синапса.

2.Структура синапса.

3.Классификации синапсов.

4.Механизм функционирования химического синапса.

5.История открытия синапса.

Казанский (Приволжский) Федеральный Университет

Институт механики и математики

по возрастной анатомии

Выполнила:

студентка І курса, гр.1101

Валитова Юлия.

Проверила:

Русинова С.И.

Московский Психолого-социальный Институт (МПСИ)

Реферат по Анатомии ЦНС на тему:

СИНАПСЫ (строение, структура, функции).

Студент 1 курса Психологического факультета,

группа 21/1-01 Логачёв А.Ю.

Преподаватель:

Холодова Марина Владимировна.

2001 год.

План работы:

1.Пролог.

2.Физиология нейрона и его строение.

3.Структура и функции синапса.

4.Химический синапс.

5.Выделение медиатора.

6.Химические медиаторы и их виды.

7.Эпилог.

8.Список литературы.

ПРОЛОГ:

Наше тело — один большой часовой механизм.

Он состоит из огромнейшего количества мельчайших частиц, которые расположены в строгом порядке и каждая из них выполняет определённые функции, и имеет свои неповторимые свойства. Этот механизм — тело, состоит из клеток, соединяющих их тканей и систем: все это в целом представляет собой единую цепочку, сверхсистему организма.

Величайшее множество клеточных элементов не могли бы работать как единое целое, если бы в организме не существовал утонченный механизм регуляции. Особую роль в регуляции играет нервная система. Вся сложная работа нервной системы — регулирование работы внутренних органов, управление движениями, будь то простые и неосознаваемые движения (например, дыхание) или сложные, движения рук человека — все это, в сущности, основано на взаимодействии клеток между собой.

Все это, в сущности, основано на передаче сигнала от одной клетке к другой. Причем, каждая клетка выполняет свою работу, а иногда имеет несколько функций. Разнообразие функций обеспечивается двумя факторами: тем, как клетки соединены между собой, и тем, как устроены эти соединения.

ФИЗИОЛОГИЯ НЕЙРОНА И ЕГО СТРОЕНИЕ:

Простейшая реакция нервной системы на внешний раздражитель — это рефлекс.

Прежде всего, рассмотрим строение и физиологию структурной элементарной единицы нервной ткани животных и человека — нейрона. Функциональные и основные свойства нейрона определяются его способностью к возбуждению и самовозбуждению.

Передача возбуждения осуществляется по отросткам нейрона — аксонам и дендритам.

Аксоны — более длинные и широкие отростки. Они обладают рядом специфических свойств: изолированным проведением возбуждения и двусторонней проводимостью.

Нервные клетки способны не только воспринимать и перерабатывать внешнее возбуждение, но и самопроизвольно выдавать импульсы, не вызванные внешним раздражением (самовозбуждение).

В ответ на раздражение, нейрон отвечает импульсом активности — потенциалом действия, частота генерации которых колеблется от 50-60 импульсов в секунду (для мотонейронов), до 600-800 импульсов в секунду (для вставочных нейронов головного мозга). Аксон заканчивается множеством тоненьких веточек, которые называются терминалями.

С терминалей импульс переходит на другие клетки, непосредственно на их тела или чаще на их отростки дендриты. Количество терминалей у аксона, может достигать до одной тысячи, которые оканчиваются в разных клетках. С другой стороны, типичный нейрон позвоночного имеет от 1000 до 10000 терминалей от других клеток.

Дендриты — более короткие и многочисленные отростки нейронов. Они воспринимают возбуждение от соседних нейронов и проводят его к телу клетки.

Различают мякотные и безмякотные нервные клетки и волокна.

Мякотные волокна — входят в состав чувствительных и двигательных нервов скелетной мускулатуры и органов чувств Они покрыты липидной миелиновой оболочкой.

Мякотные волокна более «быстродействующие»: в таких волокнах диаметром 1-3,5 микромиллиметра, возбуждение распространяется со скоростью 3-18 м/с. Это объясняется тем, что проведение импульсов по миелинизированному нерву происходит скачкообразно.

При этом потенциал действия «перескакивает» через участок нерва, покрытый миелином и в месте перехвата Ранвье (оголенный участок нерва), переходит на оболочку осевого цилиндра нервного волокна. Миелиновая оболочка является хорошим изолятором и исключает передачу возбуждения на соединение, параллельно идущие нервные волокна.

Безмякотные волокна — составляют основную часть симпатических нервов.

Они не имеют миелиновой оболочки и отделены друг от друга клетками нейроглии.

В безмякотных волокнах роль изоляторов выполняют клетки нейроглии (нервной опорной ткани). Швановские клетки — одна из разновидностей глиальных клеток. Помимо внутренних нейронов, воспринимающих и преобразующих импульсы, поступающие от других нейронов, существуют нейроны, воспринимающие воздействия непосредственно из окружающей среды — это рецепторы, а так же нейроны, непосредственно воздействующие на исполнительные органы — эффекторы, например, на мышцы или железы.

Если нейрон воздействует на мышцу, его называют моторным нейроном или мотонейроном. Среди нейрорецепторов различают 5 типов клеток, в зависимости от вида возбудителя:

— фоторецепторы, которые возбуждаются под воздействием света и обеспечивают работу органов зрения,

— механорецепторы, те рецепторы, которые реагируют на механические воздействия.

Они располагаются в органах слуха, равновесия. Осязательные клетки также являются механорецепторами. Некоторые механорецепторы располагаются в мышцах и измеряют степень их растяжения.

— хеморецепторы — избирательно реагируют на присутствие или изменение концентрации различных химических веществ, на них основана работа органов обоняния и вкуса,

— терморецепторы, реагируют на изменение температуры либо на ее уровень — холодовые и тепловые рецепторы,

— электрорецепторы реагируют на токовые импульсы, и имеются у некоторых рыб, амфибий и млекопитающих, например, у утконоса.

Исходя из выше сказанного, хотелось бы отметить, что долгое время среди биологов, изучавших нервную систему, существовало мнение, что нервные клетки образуют длинные сложные сети, непрерывно переходящие одна в другую.

Однако в 1875 году, итальянский ученый, профессор гистологии университета в Павии, придумал новый способ окраски клеток — серебрение. При серебрении одной из тысяч лежащих рядом клеток окрашивается только она — единственная, но зато полностью, со всеми своими отростками.

Метод Гольджи сильно помог изучению строения нервных клеток. Его использование показало, что, не смотря на то, что клетки в головном мозгу расположены чрезвычайно близко друг к другу, и их отростки перепутаны, все же каждая клетка четко отделяется. То есть мозг, как и другие ткани, состоит из отдельных, не объединенных в общую сеть клеток. Этот вывод был сделан испанским гистологом С.

Рамон-и-Кахалем, который тем самым распространил клеточную теорию на нервную систему. Отказ от представления об объединенной сети, означал, что в нервной системе импульс переходит с клетки на клетку не через прямой электрический контакт, а через разрыв.

Когда в биологии стал использоваться электронный микроскоп, который был изобретен в 1931 году М. Кноллем и Э. Руска, эти представления о наличии разрыва получили прямое подтверждение.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ СИНАПСА:

Каждый многоклеточный организм, каждая ткань, состоящая из клеток, нуждается в механизмах, обеспечивающих межклеточные взаимодействия.

Рассмотрим, как осуществляются межнейронные взаимодействия. По нервной клетке информация распространяется в виде потенциалов действия. Передача возбуждения с аксонных терминалей на иннервируемый орган или другую нервную клетку происходит через межклеточные структурные образования — синапы (от греч.

«Synapsis» -соединение, связь). Понятие синапс было введено английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 году, для обозначения функционального контакта между нейронами. Следует отметить, что еще в 60-х годах прошлого столетия И.М.

Сеченов подчеркивал, что вне межклеточной связи нельзя объяснить способы происхождения даже самого нервного элементарного процесса. Чем сложнее устроена нервная система, и чем больше число составляющих нервных мозговых элементов, тем важнее становится значение синаптических контактов.

Различные синаптические контакты отличаются друг от друга.

Однако при всем многообразии синапсов существуют определенные общие свойства их структуры и функции. Поэтому сначала опишем общие принципы их функционирования.

Синапс — представляет собой сложное структурное образование, состоящее из пресинаптической мембраны (чаще всего это концевое разветвление аксона), постсинаптической мембраны (чаще всего это участок мембраны тела или дендрита другого нейрона), а так же синаптической щели.

Механизм передачи через синапс долгое время оставался невыясненным, хотя было очевидно, что передача сигналов в синаптической области резко отличается от процесса проведения потенциала действия по аксону.

Однако в начале XX века была сформулирована гипотеза, что синаптическая передача осуществляется или электрическим или химическим путем. Электрическая теория синаптической передачи в ЦНС пользовалась признанием до начала 50-х годов, однако она значительно сдала свои позиции после того, как химический синапс был продемонстрирован в ряде периферических синапсов. Так, например, А.В. Кибяков, проведя опыт на нервном ганглии, а также использование микроэлектродной техники для внутриклеточной регистрации синаптических потенциалов

нейронов ЦНС позволили сделать вывод о химической природе передачи в межнейрональных синапсах спинного мозга.

Микроэлектродные исследования последних лет показали, что в определенных межнейронных синапсах существует электрический механизм передачи.

В настоящее время стало очевидным, что есть синапсы, как с химическим механизмом передачи, так и с электрическим. Более того, в некоторых синаптических структурах вместе функционируют и электрический и химический механизмы передачи — это так называемые смешанные синапсы.

Синапс: строение, функции

Синапс (греч. synapsis - объединение) обеспечивает однонаправленную передачу нервных импульсов. Синапсы являются участками функционального контакта между нейронами или между нейронами и другими эффекторными клетками (например, мышечными и железистыми).

Функция синапса состоит в превращении электрического сигнала (импульса), передаваемого пресинаптической клеткой, в химический сигнал, который воздействует на другую клетку, известную как постсинаптическая клетка.

Большинство синапсов передают информацию, выделяя нейромедиаторы в ходе процесса распространения сигнала.

Нейромедиаторы - это химические соединения, которые, связываясь с рецепторным белком, открывают или закрывают ионные каналы либо запускают каскады второго посредника. Нейромодуляторы представляют собой химические посредники, которые напрямую не действуют на синапсы, но изменяют (модифицируют) чувствительность нейрона к синаптической стимуляции или к синаптическому торможению.

Некоторые нейромодуляторы являются нейропептидами или стероидами и вырабатываются в нервной ткани, другие- циркулирующими в крови стероидами. В состав самого синапса входят терминаль аксона (пресинаптическая терминаль), приносящая сигнал, участок на поверхности другой клетки, в котором генерируется новый сигнал (постсинаптическая терминаль), и узкое межклеточное пространство - сина птическая щель.

Если аксон оканчивается на клеточном теле , это - аксосоматический синапс, если он оканчивается на дендрите, то такой синапс известен как аксодендритический, и если он образует синапс на аксоне - это аксоаксональный синапс.

Большая часть синапсов - химические синапсы, поскольку в них используются химические посредники, однако отдельные синапсы передают ионные сигналы через щелевые соединения, которые пронизывают пре- и постсинаптическую мембраны, тем самым обеспечивая прямое проведение нейронных сигналов.

Такие контакты известны как электрические синапсы.
Пресинаптическая терминаль всегда содержит синаптические пузырьки с нейромедиаторами и многочисленные митохондрии.

Нейромедиаторы обычно синтезируются в клеточном теле; далее они запасаются в пузырьках в пресинаптической части синапса. В ходе передачи нервного импульса они выделяются в синаптическую щель посредством процесса, известного как экзоцитоз.

5. Механизм передачи информации в синапсах

Эндоцитоз способствует возвращению избыточной мембраны, которая накапливается в пресинаптической части в результате экзоцитоза синаптических пузырьков.

Возвращенная мембрана сливается с агранулярной эндоплазматической сетью (аЭПС) пресинаптического компартмента и повторно используется для образования новых синаптических пузырьков.

Некоторые нейромедиаторы синтезируются в пресинаптическом компартменте при использовании ферментов и предшественников, которые доставляются механизмом аксонального транспорта.

Первыми описанными нейромедиаторами были ацетилхолин и норадреналин. Аксонная терминаль, выделяющая норадреналин, показана на рисунке.

Большая часть нейромедиаторов являются аминами, аминокислотами или мелкими пептидами (нейропептиды). Действием нейромедиаторов могут обладать и некоторые неорганические вещества, такие, как оксид азота. Отдельные пептиды, играющие роль нейромедиаторов, используются в других участках организма, например в качестве гормонов в пищеварительном тракте.

Нейропептиды очень важны в регуляции ощущений и побуждений, таких, как боль, удовольствие, голод, жажда и половое влечение.

Последовательность явлений при передаче сигнала в химическом синапсе

Явления, происходящие во время передачи сигнала в химическом синапсе, проиллюстрированы на рисунке.

Нервные импульсы, быстро (в течение миллисекунд) пробегающие по клеточной мембране, вызывают взрывообразную электрическую активность (деполяризацию), которая распространяется по мембране клетки.

Такие импульсы на короткое время открывают кальциевые каналы в пресинаптической области, обеспечивая приток кальция, который запускает экзоцитоз синаптических пузырьков.

В участках экзопитоза выделяются нейромедиаторы , которые реагируют с рецепторами, расположенными на постсинаптическом участке, вызывая транзиторную электрическую активность (деполяризацию) постсинаптической мембраны.

Такие синапсы известны как возбуждающие, поскольку их активность способствует возникновению импульсов в постсинаптической клеточной мембране. В некоторых синапсах взаимодействие нейромедиатор - рецептор дает противоположный эффект - возникает гиперполяризация, причем передача нервного импульса отсутствует. Эти синапсы известны как тормозные. Таким образом, синапсы могут либо усиливать, либо угнетать передачу импульсов, тем самым они способны регулировать нервную активность.

После использования нейромедиаторы быстро удаляются вследствие ферментного разрушения, диффузии или эндоцитоза, опосредованного специфическими рецепторами на пресинаптической мембране. Такое удаление нейромедиаторов имеет важное функциональное значение, поскольку оно предотвращает нежелательную продолжительную стимуляцию постсинаптического нейрона.

Учебное видео — строение синапса

1. Тело нервной клетки — нейрона: строение, гистология
2. Дендриты нервных клеток: строение, гистология
3. Аксоны нервных клеток: строение, гистология
4. Мембранные потенциалы нервных клеток.

   Физиология

5. Синапс: строение, функции
6. Глиальные клетки: олигодендроциты, шванновские клетки, астроциты, клетки эпендимы
7. Микроглия: строение, гистология
8. Центральная нервная система (ЦНС): строение, гистология
9. Гистология мозговых оболочек. Строение
10. Гематоэнцефалический барьер: строение, гистология

Строение синапса Рассмотрим строение синапса на примере аксо- соматического. Синапс состоит из трех частей: преси- наптического окончания, синаптической щели и пост- синаптической мембраны (рис. 9). Пресинаптическое окончание (синаптическая бляшка) представляет собой расширенную часть тер- минали аксона. Синаптическая щель - это пространство между двумя контактирующими нейронами. Диаметр синаптической щели составляет 10 - 20 нм. Мембрана пресинаптического окончания, обращенная к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной. Третья часть синапса - постсинаптичес- кая мембрана, которая расположена напротив пресинаптической мембраны. Пресинаптическое окончание заполнено пузырьками (везикулами) и митохондриями. В везикулах находятся биологически активные вещества - медиаторы. Медиаторы синтезируются в соме и по микротрубочкам транспортируются в пресинаптическое окончание. Наиболее часто в качестве медиатора выступают адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин и другие. Обычно синапс содержит один из медиаторов в большем количестве по сравнению с другими медиаторами. По типу медиатора принято обозначать синапсы: адреноэргические, холинэргические, серото- нинэргические и др. В состав постсинаптической мембраны входят особые белковые молекулы - рецепторы, которые могут присоединять молекулы медиаторов. Синаптическая щель заполнена межклеточной жидкостью, в которой находятся ферменты, способствующие разрушению медиаторов. На одном постсинаптическом нейроне может находиться до 20000 синапсов, часть которых являются возбудительными, а часть - тормозными. Помимо химических синапсов, в которых при взаимодействии нейронов участвуют медиаторы, в нервной системе встречаются электрические синапсы. В электрических синапсах взаимодействие двух нейронов осуществляется посредством биотоков. Химический синапс ПД нервного волокна (ПД - потенциал действия) кая мембрана рецепторы Рис. 9. Схема строения синапса. ральной нервной системе преобладают химические синапсы. В некоторых межнейронных синапсах электрическая и химическая передача осуществляется одновременно - это смешанный тип синапсов. Влияние возбудительных и тормозных синапсов на возбудимость постсинаптического нейрона суммируется, и эффект зависит от места расположения синапса. Чем ближе синапсы расположены к аксональному холмику, тем они эффективнее. Напротив, чем дальше расположены синапсы от аксонального холмика (например, на окончании дендритов), тем они менее эффективны. Таким образом, синапсы, расположенные на соме и аксональном холмике, оказывают влияние на возбудимость нейрона быстро и эффективно, а влияние удаленных синапсов медленно и плавно. Ампмщ iipinl системы Нейронные сети Благодаря синаптическим связям нейроны объединены в функциональные единицы - нейронные сети. Нейронные сети могут быть образованы нейронами, расположенными на небольшом расстоянии. Такую нейронную сеть называют локальной. Кроме того, в сеть могут быть объединены нейроны, удаленные друг от друга, из разных областей мозга. Самый высокий уровень организации связей нейронов отражает соединение нескольких областей центральной нервной системы. Такую нервную сеть называют путем, или системой. Различают нисходящие и восходящие пути. По восходящим путям информация передается от нижележащих областей мозга к вышележащим (например, от спинного мозга к коре полушарий большого мозга). Нисходящие пути связывают кору больших полушарий мозга со спинным мозгом. Самые сложные сети называются распределительными системами. Они образуются нейронами разных отделов мозга, управляющих поведением, в которых участвует организм как единое целое. Некоторые нервные сети обеспечивают конвергенцию (схождение) импульсов на ограниченном количестве нейронов. Нервные сети могут быть построены также по типу дивергенции (расхождение). Такие сети обусловливают передачу информации на значительные расстояния. Кроме того, нервные сети обеспечивают интеграцию (суммирование или обобщение) различного рода информации (рис. 10).