2 курс / Нормальная физиология / Физиология_человека_Семенович_А_А_,_Переверзев_В_А_

ваться не может. В участках, не покрытых миелином (перехва! тах Ранвье), мембрана (рис. 4.5) может генерировать потенци! ал действия, так как имеет многочисленные потенциалзависи! мые натриевые каналы и малое сопротивление электрическо! му току.

Локальные круговые токи, обеспечивающие проведение возбужде! ния в миелинизированных волокнах, текут между возбужденными и не! возбужденными перехватами Ранвье. Возникнув в первом (граничащем с рецептором) перехвате Ранвье, потенциал действия посредством локаль! ных круговых токов вызывает генерацию возбуждения в соседних пере! хватах и таким образом распространяется по нервному волокну, как бы перепрыгивая через миелинизированные участки. Поэтому проведение потенциала действия по миелинизированному нервному волокну называ! ют сальтаторным. Такое проведение увеличивает скорость передачи воз! буждения. Она пропорциональна толщине миелинизированного нерв! ного волокна и может достигать 120 м/с.

Транспортная функция нервных волокон. В число функций нервных волокон входит не только проведение воз! буждения, но и транспорт веществ. Длинные отростки нервной клетки (достигающие длины 1 м) затрудняют доставку веществ и органелл, синтезируемых в теле нейрона, к нервным оконча! ниям. Простая диффузия не может обеспечить достаточную скорость такого транспорта. Поэтому выработались специаль! ные механизмы аксонного транспорта веществ.

Аксонный транспорт подразделяют на быстрый и медленный.

Быстрый аксонный транспорт обеспечивает перемеще! ние медиаторов, некоторых внутриклеточных органелл, фер! ментов в направлении от тела нейрона к пресинаптическим терминалям аксона. Такой транспорт называют антеград1 ным. Его скорость 25–40 см/сут. Он осуществляется за счет использования энергии клеточного метаболизма с участием белка актина, ионов Са2+ и микротрубочек и микронитей, про! ходящих вдоль аксона.

Медленный аксонный транспорт осуществляется со скоростью 1–2 мм/сут в направлении от тела нейрона к нерв! ным окончаниям. Его скорость соответствует скорости роста аксона, когда он восстанавливает свою длину (регенерирует) после повреждения. Медленный антеградный транспорт пред! ставляет собой движение аксоплазмы вместе с содержащими!

101

ся в ней органеллами, РНК, белками и биологически активны! ми веществами от тела нейрона к его окончаниям.

Кроме того, существует так называемый ретроградный аксонный транспорт. Он идет в направлении от нервного окончания к телу нейрона со скоростью до 30 см/сут. С его помощью к телу нейрона транспортируются фермент ацетил! холинэстераза, фрагменты разрушенных органелл, некоторые биологические вещества, регулирующие синтез белка в ней! роне. Учет наличия ретроградного транспорта важен и потому, что таким способом в нервную систему проникают болезне! творные агенты: вирусы полиомиелита, герпеса, бешенства, столбнячный экзотоксин.

Аксонный транспорт необходим для поддержания нормаль! ной структуры и функции нервных волокон, доставки энерге! тических веществ, медиаторов и нейропептидов в пресинапти! ческие терминали. Он важен для оказания трофического вли! яния на иннервируемые ткани и восстановления поврежден! ных нервных волокон. Если периферический участок нервного волокна пересекается или лишается аксонного транспорта, то

он дегенерирует.

Законы проведения возбуждения по нервным волокнам.

1.Двустороннее проведение возбуждения. Если под воздействием электрического тока в средней части нервного волокна возникнет возбуждение, то оно проводится в обе сто! роны от места возникновения. В обычных условиях в афферен! тных волокнах возбуждение проводится от периферии к телу нейрона, так как возникает в начальном перехвате Ранвье в нервном окончании. В эфферентных и ассоциативных нейро! нах возбуждение возникает в начальном сегменте аксона в об! ласти аксонного холмика, который граничит с телом нейрона. Поэтому потенциал действия в таких нейронах передается от тела нервной клетки к ее окончанию.

2.Изолированное проведение возбуждения. В нервном стволе проходят многие тысячи миелиновых и безмиелиновых волокон, находящихся на микроскопически малых расстояни! ях друг от друга. Несмотря на это, возбуждение проводится по каждому волокну изолированно, не передаваясь на соседние волокна.

3.Закон физиологической непрерывности нервного волокна. Для обеспечения проведения возбуждения по нерв! ному волокну необходима не только его анатомическая цело!

102

стность, но и сохранение физиологических свойств. Например, если анатомически волокно остается целым, но в 5–6 после! довательно расположенных перехватах Ранвье нарушено функ! ционирование электроуправляемых натриевых каналов, то проведение возбуждения в этом волокне будет прервано. Именно путем выключения проводимости натриевых каналов достигается блокада проведения возбуждения при действии новокаина и других анестетиков (в случае проводниковой анестезии). Нарушение физиологических свойств и потеря проводимости нервных волокон происходит также при гипо! ксии (недостатке кислорода), охлаждении, длительном дей! ствии электрического тока и т.д.

В отличие от синапсов нервные волокна в нормальных го! меостатических условиях практически не утомляемы. Они мо!

гут часами проводить импульсацию.

Электрическая сигнализация и синапсы. Синапс (от греч. synapsis – соприкосновение, соединение) – специализиро! ванная структура, обеспечивающая передачу возбуждающих или тормозных влияний с одной возбудимой клетки на другую. Это может быть передача возбуждения или торможения с од! ной нервной клетки на другую, с нервной клетки на волокно скелетной или гладкой мышцы, а также с рецепторной клетки

на нервное волокно.

Виды синапсов. По механизму передачи возбуждения си! напсы подразделяют на электрические, химические и смешан! ные. В электрических синапсах возбуждение передается элек! тротонически, за счет локальных круговых токов между пре! и постсинаптическими мембранами. Эти мембраны находятся очень близко друг к другу (на расстоянии 1–2 нм), между ними существуют щелевые контакты, обладающие хорошей элект! ропроводностью. Однако абсолютное большинство синапсов в организме человека – химические. Ниже представлены их классификация, строение и свойства (см. рис. 4.6, 4.7).

Синапсы, располагающиеся в пределах центральной нерв! ной системы (ЦНС), называют центральными, а находящиеся вне ЦНС – периферическими. Периферические синапсы пе! редают сигнализацию с нервных волокон на эффекторные ор! ганы (мышцы, внутренние органы).

По признаку медиатора (вещества!посредника), выделяе! мого в синапсах, их подразделяют на: холинергические – аце! тилхолин, адренергические – адреналин и норадреналин, се!

103

ротонинергические – серотонин и др. Кроме названных ве! ществ медиаторами могут быть дофамин, аминокислоты глута! мин и аспарагин, выполняющие возбуждающую функцию в нервных центрах. Тормозные влияния передаются чаще всего нейромедиаторами глицином и гамма!аминомасляной кисло! той (ГАМК).

Кроме того, в передаче возбуждения в синапсах могут участ! вовать пептиды: вещество П, ВИП (вазоинтестинальный пеп! тид), соматостатин, эндорфины, энкефалины и др. Эти вещес! тва выделяются вместе с основным медиатором (ацетилхоли! ном, норадреналином, серотонином) и оказывают модулирую! щее действие на передачу возбуждения в синапсе. Аналогичное модулирующее действие могут также оказывать АТФ, гистамин и простагландины.

Важнейшими структурами любого синапса являются пре! синаптическая терминаль, синаптическая щель и постсинап! тическая мембрана. Структура нервно!мышечного синапса, передающего возбуждение с окончания мотонейрона на во! локно скелетной мышцы, представлена на рис. 4.6. В нервно! мышечном синапсе пресинаптическая терминаль формирует! ся тонкой веточкой аксона, которая, подходя к мышечному волокну, образует утолщение (пуговку, бляшку, бутон). В пресинаптической терминали находятся синаптические пу! зырьки (везикулы), содержащие запасы медиатора ацетилхо!

Рис. 4.6. Передача возбуждения в нервно!мышечном синапсе

104

лина. Число везикул может быть до нескольких тысяч. Их диаметр – около 40 нм и в каждой содержится несколько ты! сяч молекул медиатора. Когда синапс находится в неактивном состоянии, то большинство везикул с помощью белка синап! сина связаны с цитоскелетом и малоподвижны. В пресинап! тической терминали имеются также митохондрии, обеспечи! вающие выработку АТФ, белки цитоскелета, микротрубочки и микронити, по которым в терминаль из тела нейрона пере! мещаются медиаторы и ферменты.

На обращенной к мышечному волокну поверхности преси! наптической терминали находится пресинаптическая мем1 брана. Через нее при активации синапса в синаптическую щель выбрасывается содержащийся в пузырьках медиатор. Отличительной чертой нервно!мышечного синапса от цент! рального является большая протяженность пресинаптической мембраны и большое количество выбрасываемого медиатора. Этого количества медиатора достаточно для того, чтобы один потенциал действия, пришедший по нервному волокну, вызвал возбуждение мышечного волокна. Центральные же синапсы являются более миниатюрными образованиями.

Между пре! и постсинаптическими мембранами располага! ется синаптическая щель шириной около 50 нм. Она заполне! на межклеточным веществом и содержит тяжи плотного ве! щества из мукополисахаридов, с которыми связан ряд фермен! тов, в частности ацетилхолинэстераза, расщепляющих аце! тилхолин, выходящий в синаптическую щель, на холин и уксусную кислоту.

Постсинаптическую мембрану нервно!мышечного синапса называют также концевой пластинкой. На ней имеются много! численные выпячивания, которые увеличивают площадь этой мембраны, и в ней может расположиться до 20 миллионов ре! цепторных белковых молекул. Эти белки наряду с выполнени! ем рецепторной функции формируют каналы, через которые

могут проходить ионы калия и натрия.

Механизм передачи возбуждения в нервно мышеч ном синапсе. Потенциал действия, передающийся по нерв! ному волокну, приходит к пресинаптической терминали и вы! зывает деполяризацию ее мембраны (рис. 4.6). Деполяриза! ция приводит к открытию встроенных в мембрану кальциевых каналов и ионы Са2+ из межклеточной жидкости поступают внутрь пресинаптической терминали. Этот поток ионов Са2+

105

идет по градиенту концентрации, так как снаружи клетки содер! жание кальция в 10 000 раз большее, чем внутри. За счет входа ионов Са2+ его содержание в цитоплазме повышается (в 10–100 раз) и это приводит к изменению конформации молекул белка си! напсина, ослаблению его связей с цитоскелетом и синаптически! ми везикулами. Везикулы получают подвижность и некоторые из них сливаются с пресинаптической мембраной и выбрасывают порцию (квант) медиатора в синаптическую щель. Этот процесс по механизму подобен экзоцитозу и идет с участием белков синап! тобревина, синаптотагмина, синтаксина, синаптопорина. Под влиянием одного ПД в синаптическую щель выбрасывается аце! тилхолин из десятков синаптических пузырьков.

Молекулы ацетилхолина в течение 0,2 мс диффундируют к постсинаптической мембране и связываются с Н!холиноре! цепторами, которые выполняют роль ворот в ионных каналах, пропускающих Na+ и К+. При этом ворота открываются и че! рез ионные каналы внутрь мышечного волокна начинает вхо! дить Na+, а из волокна выходить К+. Поток входящего Na+ больше, чем поток выходящего К+, так как Na+ идет не только по градиенту концентрации, но и по градиенту заряда (на внут! ренней стороне мембраны отрицательный заряд до –90 мВ). Входящие положительно заряженные ионы Na+ снижают от! рицательный заряд внутренней стороны мембраны (на 40– 50 мВ), возникает ее деполяризация. Такую деполяризацию постсинаптической мембраны нервно!мышечного синапса на! зывают потенциалом концевой пластинки (ПКП). Деполя! ризация концевой пластинки приводит к возникновению локального кругового электрического тока между нею и обыч! ной, граничащей с синапсом, мембраной, на которой имеются электроуправляемые натриевые каналы. Эти каналы открыва! ются, и на граничащей с синапсом электровозбудимой мембране возникает потенциал действия (ПД). Он распро! страняется вдоль мышечного волокна по сарколемме и вглубь его по мембранам поперечных трубочек, пронизывающих волокно.

Почему же потенциал действия возникает на прилежащей к синапсу мембране, а не на постсинаптической? Постсинаптическая мембрана не может генерировать ПД, так как на ней нет потенциалзависимых натри! евых каналов, которые обеспечивают быстрый вход Na+ и перезарядку мембраны. К тому же выходящий наружу ток К+ противодействует пере! зарядке мембраны концевой пластинки.

106

Вызванное выбросом ацетилхолина открытие лигандзави! симых каналов постсинаптической мембраны длится около 1 мс, затем они закрываются из!за разрушения ацетилхолина ферментом ацетилхолинэстеразой. Концевая пластинка вос! станавливает свой заряд (реполяризуется). После этого си! напс готов к передаче новой волны возбуждения. В устранении молекул ацетилхолина из синаптической щели также имеет значение обратный захват их пресинаптической мембраной, вымывание с током интерстициальной жидкости и диффузия в кровь. Время от момента прихода ПД к пресинаптической мембране до момента возникновения ПД на мембране мышеч! ного волокна называют синаптической задержкой. В нерв! но!мышечном синапсе она составляет около 1 мс.

Эффект от активации синапса и выхода медиатора в синап! тическую щель зависит не только от природы медиатора, но и от того, какие рецепторы имеются на постсинаптической (и пресинаптической) мембране.

В холинергических синапсах на постсинаптических мем! бранах могут быть N! и М!холинорецепторы (а также их под! виды М1, М2, М3). Название Н!холинорецепторы получили из!за того, что кроме ацетилхолина связываются с никотином. М!холинорецепторы наряду с ацетилхолином активируются также ядом мухомора – мускарином.

Механизмы передачи влияния медиатора на состояние постсинаптической мембраны могут различаться в зависимос! ти от вида синапса и рецепторов, встроенных в эту мембрану. Это различие послужило поводом для выделения синапсов с ионотропными и метаботропными каналами (рис. 4.7). На дан! ном рисунке показан синапс с ионотропными каналами, на постсинаптической мембране которого находятся N!холино! рецепторы, являющиеся частью ионных каналов. Соединение медиатора с таким рецептором непосредственно открывает ка! налы, проводящие Na+ и K+. Преобладает вход Na+, и возни! кает постсинаптический потенциал (ВПСП).

Примером синапсов с ионотропными каналами служат N!холинергические синапсы скелетных мышц. Примером си! напсов с метаботропными каналами могут быть М!холинер! гические синапсы во внутренных органах, а также синапсы между нейронами в ряде отделов центральной нервной систе! мы. Характерной чертой синапсов с метаботропными канала! ми является то, что выделяющийся в синаптическую щель ме! диатор воздействует на проницаемость и поляризацию пост! синаптической мембраны не непосредственно, а через ряд ве! ществ – вторичных посредников (G!белок, его субъединицы и т.д.) (рис. 4.7).

107

108

Рис. 4.7. Особенности передачи возбуждения в синапсах с ионотропными и метаботропными каналами

Всинапсе с метаботропными каналами М!холинорецептор после связи с медиатором передает активирующее влияние на мембранный G! белок. Активированный G!белок присоединяет молекулу ГТФ (гуанозин! трифосфат) и расщепляется на части (α! или βγ!единицы). Далее комп! лекс αГТФ присоединяется (с внутренней стороны мембраны) к белку, образующему мембранный ионный канал, и открывает его. Таким обра! зом, в М!холинергических синапсах гладких мышц открываются калие! вые каналы. Это приводит к выходу калия из клетки и гиперполяризации постсинаптической мембраны – образованию тормозного постсинапти!

ческого потенциала (ТПСП). В холинергических (типа М2) синапсах серд! ца калиевые каналы постсинаптической мембраны открываются путем воздействия субъединиц βγ, отщепляющихся от G!белка.

Всердечной мышце на постсинаптических мембранах преобладают

М2!холинорецепторы. Их активация сопровождается снижением сокра! тимости и возбудимости сердечной мышцы. Холинергические синапсы в сердце и других внутренних органах формируются окончаниями парасим! патических постганглионарных волокон. Симпатический же отдел веге! тативной нервной системы влияет на гладкомышечные структуры и внут! ренние органы посредством медиатора норадреналина.

В адренергических синапсах на постсинаптической мем! бране могут быть α! и β!адренорецепторы. Если на мембранах гладкомышечного волокна преобладают α!адренорецепторы (это имеет место в сосудах кожи и органов брюшной полости), то при действии норадреналина и адреналина эти волокна со! кращаются, диаметр сосудов и кровоток в них уменьшаются. Если же в гладких мышцах (бронхах) преобладают β!адрено! рецепторы, то под влиянием адреналина и норадреналина эти мышцы расслабляются. Бронхи при этом расширяются, их проходимость для воздуха увеличивается.

Адренорецепторы подразделяют соответственно на подвиды α1, α2, α3 и β1, β2, β3. Каждый из этих рецепторов имеет свои особенности влияния на течение физиологических процессов. И это приходится учитывать во врачебной практике, в частности при назначении лекарственных препаратов.

Например, больным с инфарктом миокарда показано назначение ле! карств – β!адреноблокаторов. Они защищают сердце от действия адре! налина и норадреналина и тем самым снижают рабочую нагрузку и по! требность сердца в кислороде. Если такому больному дать препарат ши! рокого спектра действия, блокирующий и β1! и β2!адренорецепторы, по! является опасность ухудшения состояния больного из!за сокращения

109

бронхиальных мышц (так как выключается расслабляющее действие с β2!адренорецепторов на мышцы бронхов) и развития одышки. Особенно опасно давать такие препараты пациентам с явлениями бронхиальной астмы. Если же дать препарат, избирательно блокирующий только β1! рецепторы (в сердце преобладают β1!рецепторы), то в большинстве слу! чаев можно избежать неблагоприятной побочной реакции.

Передачу возбуждения в нервно!мышечном синапсе могут нарушать многие факторы. Она прекращается как при блокаде выброса ацетилхо! лина в синаптическую щель, так и при избытке его содержания в зоне постсинаптической мембраны.

Многочисленные яды и лекарственные вещества влияют на выход, захват, связывание с рецептором и разрушение медиатора. Например, яды кураре, кобротоксин, бунгаротоксин необратимо связываются с хо! линорецепторами постсинаптической мембраны и блокируют передачу возбуждения в нервно!мышечных синапсах. Организм погибает из!за остановки сокращений дыхательных мышц и развития удушья.

Микробный токсин ботулинус блокирует передачу возбуждения

всинапсах, разрушая белок синтаксин в пресинаптических терминалях и нарушая тем самым управляемый выход ацетилхолина в синаптиче! скую щель.

Ряд боевых отравляющих веществ (зарин, зоман), инсектицидов, фармакологических препаратов (прозерин, неостигмин) блокируют про! ведение возбуждения в нервно!мышечных синапсах путем инактивации ацетилхолинэстеразы – фермента, разрушающего ацетилхолин. При этом происходит накопление ацетилхолина в зоне постсинаптической мембраны, снижение ее чувствительности к медиатору, а также выход из постсинаптической мембраны и погружение в цитозоль рецепторных белков. Действие ацетилхолина становится неэффективным и синапс оказывается заблокированным.

Вусловиях нормы в покое из пресинаптической терминали

всинаптическую щель имеется переход небольшого количест!

ва молекул ацетилхолина путем диффузии. Кроме того, с периодичностью около 1 с выбрасывается содержимое (квант медиатора) одиночного пузырька. Такой выход медиатора спо! собен вызвать лишь очень малую (0,1–0,2мВ) деполяризацию постсинаптической мембраны – миниатюрные потенциалы концевой пластинки. Считается, что такой небольшой спон! танный выход медиатора оказывает трофическое влияние на иннервируемую структуру: стимулирует синтез рецепторных белков, регулирует свойства ионных каналов, обменные про!

110