Курсовая работа: Синаптическая передача. Медиаторы

Синаптическая передача. Медиаторы

Введение

Ч. Шеррингтон обосновал представление об отсутствии межклеточной непрерывности в нервной системе и ввел понятие синапс для обозначения структуры, которая опосредует передачу сигнала от окончаний аксона к эффекторной клетке – нейрон), мышечному волокну, секреторной клетке железы. Синапс состоит из пресинаптического окончания и постсинаптической мембраны, разделенных синоптической щелью, которая заполнена рыхлым коллагеноподобным веществом.

Существуют два способа синаптической передачи – электрический и химический.

Возможно и сочетание обоих механизмов, электрического и химического, в одном смешанном синапсе, однако в нервной системе млекопитающих преобладают чисто химические синапсы.

В электрических синапсах, количество которых в нервной системе относительно невелико, потенциал действия пресинаптических окончаний обеспечивает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану. Морфологическую основу электрической передачи составляет щелевой контакт, для которого характерны тесное прилегание пре- и постсинаптической мембран, большая площадь контакта этих мембран, наличие ультраструктур, снижающих электрическое сопротивление в области контакта, – своего рода каналов, организованных в ввде правильной сети между пре- и постсинаптической мембраной.

Электрофизиологическими критериями электрической синаптической передачи являются: 1) отсутствие синаптической задержки; 2) проведение возбуждения в обоих направлениях; 3) независимость от потенциала пресинаптической мембраны; 4) устойчивость к изменениям концентрации ионов кальция и магния в среде, к асфиксии, низкой температуре, некоторым фармакологическим воздействиям.

Функциональная роль электрических синапсов состоит в осуществлении срочной передачи сигналов, обеспечивающей синхронизацию электрической активности группы нейронов, например группы мотонейронов во время прыжковых движений лягушки или плавательных движений рыбы. Электрические синапсы обнаруживаются между нервными клетками, однотипными по структуре и функциям.

Эволюция нервной системы сопровождается уменьшением числа электрических синапсов в пользу другого способа передачи – химического. В химическом синапсе нервный импульс вызывает освобождение из пресинаптических окончаний химического посредника – нейромедиатора, который диффундирует через синоптическую щель и вступает во взаимодействие с белками-рецепторами постсинаптической мембраны, В результате происходит генерация постсинаптического потенциала.

Химический механизм синаптической передачи по сравнению с электрическим более эффективно обеспечивает основные функции синапса: 1) одностороннее проведение сигнала; 2) усиление сигнала; 3) конвергенцию многих сигналов на одной постсинаптической клетке, пластичность передачи сигналов.

Химические синапсы передают два вида сигналов – возбуждающий и тормозной. В возбуждающих синапсах нейромедиа-тор, освобождаемый из пресинаптических нервных окончаний, вызывает в постсинаптической мембране возбуждающий пост-синаптический потенциал – локальную деполяризацию, а в тормозных синапсах – тормозной постсинаптический потенциал, как правило, – гиперполяризацию. Снижение сопротивления мембраны, происходящее во время тормозного постсинаптического потенциала, ведет к короткому замыканию возбуждающего постсинаптического тока, тем самым ослабляя или блокируя передачу возбуждения.

В настоящей работе рассмотрены организация пресинаптического окончания, механизмы экзоцитозо. Ейромедиаторов, химическая природа и функциональные особенности медиаторов.

1. Морфофункциональная организация химического синапса. Квантовая теория освобождения нейромедиатора

Одним из самых детально изученных химических синапсов считается нервно-мышечное соединение скелетных мышц, в котором нейромедиатором служит ацетилхолин. Относительная доступность этого синапса и удобство для изучения позволили нобелевскому лауреату Б. Катцу в 50‑е годы провести мик-роэлектрофизиологические исследования, которые вместе с данными электронной микроскопии составили основу квантовой теории синаптической передачи, справедливой для самых разных химических синапсов.

Согласно этой теории процесс освобождения нейромедиатора складывается из отдельных элементарных реакций, каждая из которых представляет собой выход одного кванта нейромедиатора. Когда потенциал пресинаптической мембраны находится на уровне покоя, т.е. к пресинаптическим окончаниям не поступают нервные импульсы, кванты нейромедиатора тоже освобождаются, но спонтанно и с низкой скоростью. Ответом постсинаптической мембраны на отдельные кванты является возникновение миниатюрных постсинаптических потенциалов, в случае нервно-мышечного синапса они называются миниатюрными потенциалами концевой пластинки. Деполяризация пресинаптической мембраны во время нервного импульса ведет к практически синхронному освобождению большого количества квантов – до нескольких сотен. В результате возникает вызванный постсинаптический потенциалов нервно-мышечном синапсе он называется потенциалом концевой пластинки), который, в случае достижения пороговой амплитуды, ведет к генерации потенциала действия в постсинаптической клетке.

Освобождение индивидуальных квантов представляет собой статистический процесс: нервное окончание содержит п элементарных единиц, каждая из которых имеет независимую от других единиц вероятность ответа на нервный импульс. Если средняя вероятность ответа равна Ру то среднее число квантов, освобожденных в ответ на нервный импульс, определяется уравнением т=пР.

Повышение вероятности освобождения квантов при деполяризации пресинаптической мембраны связано с открыванием потенциал-зависимых Са+-каналов мембраны и входом Са в соответствии с их электрохимическим градиентом в пресинаптичское окончание. Таким образом, ионы Са участвуют в процессе электросекреторного сопряжения.

Квантовый характер синаптической передачи обусловлен тем, что нейромедиатор хранится в синаптических пузырьках. Присутствие везикул диаметром 40–200 нм, окруженных относительно плотной для электронов мембраной толщиной 4–5 нм, является характерной морфологической особенностью химических синапсов. Объем синаптического пузырька в двигательных нервных окончаниях диафрагмы крысы составляет 5,2–10 нм. Такой пузырек может содержать порядка АЛ О молекул АХ, что вполне соответствует результатам оценки молекулярного состава кванта АХ – -10 молекул.

Синаптические пузырьки в аксоплазме нервного окончания сосредоточены в области, приближенной к пресинаптической мембране, около синаптической щели, причем пузырьки распределяются неравномерно, группируясь у периодически выступающих в аксоплазму утолщений пресинаптической мембраны – активных зон. По-видимому, в активных зонах находятся скопления потенциал-зависимых Са+-каналов, обеспечивающих вход Са+ в пресинаптическое окончание во время потенциала действия. В активных зонах обнаружены регулярно расположенные розеткообразные мембранные частицы диаметром около 15,0 нм, количество которых возрастает во время деполяризации пресинаптической мембраны. Можно предполагать, что эти частицы представляют собой точки слияния синаптических пузырьков с активной зоной, т.е. участки экзоци-тоза нейромедиатора в синаптическую щель.

При физиологических значениях частоты и длительности стимуляции нерва не удается выявить изменения количества синаптических пузырьков, несмотря на наблюдаемые изменения количества освобождаемого медиатора. Только при воздействиях, вызывающих истощение пресинаптических запасов медиатора, отмечается некоторый параллелизм изменений постсинаптических потенциалов и морфологических характеристик пресинаптических окончаний.

В период начального бурного освобождения медиатора, когда резко повышается частота спонтанных миниатюрных постсинаптических потенциалов, в области активных зон появляются многочисленные омегаподобные впячивания пресинаптической мембраны, которые соответствуют слипанию мембраны пузырька с участком освобождения. В фазу снижения квантового состава вызванных постсинаптических потенциалов наблюдается уменьшение количества синаптических пузырьков и увеличение площади поверхности пресинаптического окончания за счет встраивания мембран синаптических пузырьков в пресинаптическую мембрану. В дальнейшем идет процесс рециклизации синаптических пузырьков: от пресинаптической мембраны в нервное окончание отпочковываются мембранные структуры, которые сливаются, образуя окруженные мембраной цистерны; затем от цистерн отделяются синаптические пузырьки, вновь заполняемые медиатором, синтезированном в цитоплазме.

Процесс рециклизации синаптических пузырьков прослежен с помошью пероксидазы хрена. При добавлении этого маркера в среду инкубации электрическое раздражение нерва сопровождается усиленным захватом маркера синаптическими пузырьками и цистернами. Если после этого перенести препарат в среду, не содержащую пероксидазу хрена, и вновь подвергнуть его стимуляции, то пероксидаза освобождается в среду при экзоцитозе содержимого синаптических пузырьков.

Оценку динамики изменений запасов медиатора в пресинаптическом окончании во время ритмического раздражения нерва можно производить электрофизиологически путем измерения амплитуды и расчета квантового состава постсинаптических потенциалов. Классическими объектами для таких исследований стали нервно-мышечный синапс и симпатический ганглий. Структуры центральной нервной системы, где на теле или дендрите одного нейрона конвергируют много взаимодействующих синапсов, непригодны для таких оценок. Ритмическое раздражение двигательного нерва скелетной мышцы млекопитающего сопровождается быстрым снижением количества освобождаемого в ответ на каждый импульс медиатора, вплоть до некоторого относительно постоянного уровня. Это явление, называемое депрессией, показывает, что запас медиатора, способного к освобождению, ограничен и пополняется медленнее, чем расходуется. Депо АХ в нервно-мышечном синапсе оценивают примерной цифрой 210 квантов. Быстрая депрессия потенциалов концевой пластинки отражает расходование небольшой части депо АХ – так называемой фракции доступного медиатора, которая составляет примерно 10 квантов для нервно-мышечного синапса лягушки.

Интересной особенностью метаболизма пресинаптических окончаний является предпочтительная секреция вновь синтезированного в цитоплазме медиатора. После инкубации нервно-мышечного препарата или симпатического ганглия в среде с меченым предшественником АХ-холином ритмическое раздражение нерва приводило к секреции – АХ. Очевидно, существует фракция расположенных у активных зон синаптических пузырьков, которые после экзоцитоза их содержимого сразу же подвергаются рециклизации, заполняются только что синтезированным в цитоплазме медиатором и вновь готовы к экзоцитозу.

Следует отметить, что наряду с зависимой от ионов Са квантовой секрецией медиатора, которая обеспечивает передачу сигнала через синапс к постсинаптической клетке, а также происходит спонтанно, в отсутствие нервных импульсов, существует постоянная неквантовая утечка молекул медиатора из нервного окончания. В нервно-мышечном синапсе лягушки и млекопитающих неквантовая утечка создает концентрацию АХ в синаптической щели порядка 10~-10~М. Общее количество АХ, секретируемого неквантовым способом, превышает выход АХ, обусловленный спонтанной квантовой секрецией. Предполагается, что неквантовая секреция медиатора играет трофическую роль.

Нервно-мышечный синапс является экспериментальным объектом, удобным для исследования электрофизиологическими методами. Однако изоляция нервных окончаний и синаптических пузырьков для биохимического исследования крайне затруднена вследствие того, что двигательные нервные окончания составляют слишком малую долю от объема ткани скелетной мышцы. Гораздо более адекватным препаратом для изучения экзоцитоза нейромедиаторов являются синаптосомы – пресинаптические окончания, выделяемые из нервной ткани, как правило, вместе с веществом, заполняющим синаптическую щель, и участком постсинаптической мембраны. Деполяризация синаптосом физиологическим раствором с высокой концентрацией К+ вызывает зависимую от Са»^ секрецию нейромедиаторов.

2. Экзоцитоз нейромедиаторов

В нейрохимическом плане лучше других синапсов изучен электромоторный синапс электрического органа рыб, где нейро-медиатором 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 магнитного резонанса получены фундаментальные сведения о структуре и функциях синаптических пузырьков и разработана схема их жизненного цикла.

В аппарате Гольджи сомы нейрона формируются мембранные образования в виде пузырьков, не заполненных медиатором. Эти пузырьки направляются в пресинаптическое окончание с помощью системы быстрого аксонного транспорта. В пресинаптическом окончании пузырьки заполняются медиаторами посредством АТФ-зависимого протонного насоса. Молекулы протонной АТФазы входят в состав мембраны синаптических пузырьков и поддерживают определенный уровень мембранного потенциала. Мембрана синаптического пузырька содержит также стимулируемую кальмодулином Са+-АТФазу, которая обеспечивает поглощение пузырьками ионов Са. Популяция зрелых пузырьков. Циклы экзоцитоз – эндоцитоз повторяются.

Эта схема согласуется с электрофизиологическими данными о квантовом характере секреции нейромедиатора и о численности квантов разных размеров в одном и том же пресинаптическом окончании, а также с радиохимическими сведениями о предпочтительном освобождении вновь синтезированного медиатора. Таким образом, пресинаптическос окончание можно рассматривать как систему, в определенной мере автономную по отношению к телу нейрона.

Синаптические пузырьки диаметром 50–60 нм, так называемые малые прозрачные синаптические пузырьки, аналогичные холинергическим синаптическим пузырькам из электрического организма ската, выделены из разных отделов нервной системы представителей практически всех таксономических групп животных. Эти пузырьки отличаются низкой электронной плотностью содержимого. Они заполнены низкомолекулярными нейромедиаторами в отличие от больших электронно-плотных пузырьков, заполненных медиаторами пептидной природы.

Ключевую проблему в изучении экзоцитоза нейромедиаторов представляет вопрос о механизмах сближения синаптического пузырька с активной зоной пресинаптической мембраны и взаимодействия мембраны пузырька с активной зоной. Имеются данные о том, что эти процессы зависят. от Са+ – универсального внутриклеточного посредника, участие которого в секреторных процессах может быть обусловлено активацией актомиозино-вых филаментов цитоскелета, мембранной фосфолипазы А2, аде-нилатциклазы, Са+/кальмодулин-зависимых протеинкиназ и ряда других Са+-связывающих белков.

Известно, что связывание Са+ с кальмодулином индуцирует фосфорилирование ряда белков синаптосом. Ингибиторы кальмодулина и кальмодулинкиназы блокируют освобождение нейромедиаторов, вызываемое деполяризацией синаптосом. При воздействии различных факторов, влияющих на количество освобождаемого медиатора и на фосфорилирование белков, выявлена корреляция между изменениями секреции нейромедиаторов и фосфорилированием белков синаптосом.

Независимо от того, из какого отдела нервной системы они получены и какой нейромедиатор содержат, малые синаптические пузырьки характеризуются специфическим набором интегральных мембранных белков, к которым относятся синапсины – фосфопротеины, фосфорилируемые цАМФ- и Са+-зависимыми протеинкиназами, синаптофизин гликопротеин, пронизывающий мембрану; синаптобревин – негликозилированный белок, находящийся на цитоплазматической поверхности пузырьков; белок SNAP‑25; синтаксин, синаптогамин, синаптопорин и др.

Особая роль в сближении синаптического пузырька с активной зоной отводится синапсину. Этот белок, который состоит из двух полипептидов с молекулярной массой 86 и 80 кД, ассоциирован с цитоплазматической поверхностью мембраны синаптического пузырька. При микроинъекции фосфорилированной формы синапсинов в пресинаптическое окончание гигантского аксона кальмара наблюдается повышение амплитуды и скорости нарастания постсинаптического потенциала, что свидетельствует об увеличении секреции медиатора; дефосфорилированные формы синапсиноз не вызывали такого эффекта.

Аналогичное увеличение секреции медиатора происходит при микроинъекции Са+/кальмодулина. Показана способность очищенных синапсинов взаимодействовать в зависимости от состояния фосфорилирования с белками мембраны синаптического пузырька и с F‑актином цитоскелета пресинаптического окончания. Предложена следующая схема участия синапсинов в экзоцитозе. В отсутствии деполяризации пресинаптического окончания, когда концентрация Са+ в цитоплазме низка, дефосфорилированный синапсин, связанный с цитоплазматической поверхностью пузырька, взаимодействует с цитоскелетом, обеспечивая резервирование и иммобилизацию пузырька. При деполяризации пресинаптической мембраны происходит вход Са+ в пресинаптическое окончание - активация Са+/кальмодулинкиназы -> фосфорилирование синапсина I -» ослабление связи между синапсином и пузырьком, а также синапсином и F‑актином. В результате синаптический пузырек перемещается вдоль микротрубочек на стратегическую позицию v активной зоны.

Далее наступает цепь реакций, обеспечивающих контакт пузырька с пресинаптической мембраной и его плавление. Здесь опять-таки процесс инициируется Са+, который связывается с другим белком пузырька синаптогамином Именно Са+-синаптогамин взаимодействует с фосфолипидами и с комплексом других белков, регулирующих плавление везикулы, – синаптобревином, синтаксыном и синаптофизином. В заключение происходит активация белка синаптопорина, формирующего пору, какал, через который изливается содержимое везикулы.

В поисках молекулярных механизмов слияния мембраны синаптического пузырька с пресинаптической мембраной выявлено, что ботулинический и столбнячный токсины, блокирующий экзоцитоз нейромедиаторов из синаптических пузырьков, повреждают именно указанную выше триаду белков пузырька – синаптобревин, синтаксин и SNAP‑25.

Ряд других деталей конечного этапа экзоцитоза пока не выяснен. Существует предположение, что выброс нейромедиаторов происходит при активном сокращении стенок пузырька с участием актомиозинподобных белков, активируемых ионами Са.

Синаптическая пластичность означает способность синапсов к функциональным и морфологическим перестройкам в процессе синаптической активности. Свойство пластичности синапсов составляет основу таких явлений, как обучение, память.

Изменение эффективности синапса после активации определяется увеличением или уменьшением амплитуды постсинаптических потенциалов, которые в свою очередь связаны с изменением количества нейромедиатора, высвобождаемого из пресинаптических окончаний.

Существует несколько основных фаз постактивационных изменений синаптической эффективности.

1. Облегчение повышение амплитуды постсинаптического потенциала в начальный период ритмической серии пресинаптических импульсов.

2. Кратковременная посттетаническая потенциация – повышение амплитуды постсинаптического потенциала при ритмической активации нервного окончания в течение десятков секунд.

3. Постактивационная депрессия постсинаптических потенциалов, которая развивается параллельно и взаимодействует с процессом потенциации.

4. Длительная потенциация постсинаптических потенциалов, которая медленно развивается вслед за кратковременной потенциацией и продолжается в течение часов и даже дней.

Эти явления связаны с изменением концентрации Са+ в пресинаптических окончаниях во время ритмической активности. Длительные модификации синаптической эффективности ассоциируются с изменениями фосфорилирования синаптических белков.

Следует упомянуть, что наряду с пресинаптическими механизмами существуют и постсинаптические механизмы, основанные на изменениях чувствительности рецепторов нейромедиаторов.

3. Медиаторы

Развитие представлений о химической медиации нервных импульсов началось в начале века в результате открытий О. Лёви, Дж. Эллиота, ПДейла, которые показали, что передача сигнала в нейроэффекторных соединениях опосредуется высвобождением АХ или норадреналина из нервных окончаний.

До 50‑х годов к медиаторам относили две группы низкомолекулярных соединений, которые сейчас называются «классическими», «традиционными» медиаторами, – амины и аминокислоты. В 60‑е годы Дж. Бэрнсток открыл третью группу медиаторов – пуриновые нуклеотиды. В 1953 г. Ф-Лембек вьщвинул предположение о медиаторной роли пептида – вещества Р, обнаруженного еще в 30‑е годы в мозге и в стенках кишечника в виде вещества, которое усиливало сокращения изолированной кишки и вызывало временную гипотензию. Свое название вещество Р получило от слова «powder», поскольку его первооткрыватели работали с высушенными в виде порошка экстрактами тканей. Разработка иммуноцитохи-мических и радиоиммунологических методов позволила в 70 – 80‑е годы выявить в разных отделах нервной системы позвоночных и безпозвоночных множество пептидов, участвующих в синаптической передаче. Нейропептиды составляют четвертую, самую многочисленную группу медиаторов и, кроме того, выступают как модуляторы действия других медиаторов.

3.1. Принцип Дейла

В 30‑е годы Г. Дейл пришел к выводу, что идентификация медиатора в периферических окончаниях сенсорного нейрона позволяет судить о природе химической передачи в центральном синапсе этого нейрона. Со временем принцип Дейла стал толковаться как постулат, согласно которому каждый нейрон содержит единственное медиаторное вещество, которое высвобождается во всех окончаниях этого нейрона. В таком понимании принцип Дейла, безусловно, не соответствует действительности.

С современных позиций принцип Дейла соответствует, по-видимому, формулировать как положение о метаболической за-еисимости аксона и его окончаний от тела клетки. Известный нейробиолог Дж. Экклс считает, что именно такой смысл вкладывал в свой вывод и сам Г. Дейл.

3.2. Многообразие синаптических медиаторных функций

В настоящее время представление о химическом кодировании сигналов в нервной системе основываются на принципе множественности химических сигналов: в индивидуальном нейроне синтезируется более одного медиатора; каждое пресинаптическое окончание способно высвобождать несколько медиаторов, сочетание которых может не быть одинаковым для разных синапсов одного и того же нейрона.

Ставшее привычным понятие «эргичности» нейрона и синапса можно принимать лишь как условное. Термины «холинергический», «пуринергический», «пептидергический» и т.д. целесообразно употреблять только в случае присутствия в данном нейроне и высвобождении в синапсе конкретного медиатора, не исключая при этом существования други