Проведение возбуждения через синапс
Рассмотрим далее, как проводится импульс возбуждения через синапс. Этим термином обозначают места контактов между нейронами, а также между клетками эффектора и нервными волокнами.
Различают три вида синапсов: электрические, химические и смешанные. Кроме того, в зависимости от локализации синапсы можно разделить на нервно-мышечные, нейро-нейрональные, нервно-железистые.
Все синапсы, независимо от их вида, состоят из трех частей: пресинаптической мембраны, принадлежащей нервному окончанию, синаптической щели и постсинаптической мембраны эффекторной клетки. Рассмотрение устройства и функции мы начнем с электрических синапсов, хотя у высших животных они встречаются довольно редко (рис. 6).
Рис. 6. Устройство электрического синапса. Описание см. в тексте
Электрические синапсы имеют предельно узкую синаптическую щель (5 нм), кроме того, между пре- и постсинаптическими мембранами находятся узкие (1 нм), соединяющие их каналы (коннексоны), построенные из белка. В результате образуется устройство, которое носит название вставочного диска, или нексуса.
Такая конструкция резко снижает сопротивление синапса для электрического тока, в связи с чем для проведения возбуждения остается только создать разность потенциалов между пре- и постсинаптической мембранами.
Эта разность потенциалов возникает благодаря деполяризации пресинаптической мембраны пришедшей волной возбуждения. Открывшиеся натриевые каналы позволяют натрию войти внутрь нервного окончания и перезарядить мембрану. Ее внутренняя поверхность делается положительной, а наружная – отрицательной. На постсинаптической мембране, еще не охваченной возбуждением, наоборот, наружная поверхность положительная, а внутренняя – отрицательная.
Рядом оказываются две разноименно заряженные клеточные мембраны, между которыми – среда с весьма низким сопротивлением. В результате возникает электрический ток вполне достаточного напряжения, чтобы возбудить постсинаптическую мембрану. Таким образом, возбуждение будет перенесено с нервного окончания на клетку эффектора.
Электрический синапс, подобно нервному волокну, обладает двусторонним проведением. Это означает, что возбуждение через него может распространяться как с нервного окончания на клетку эффектора, так и в обратном направлении. Однако некоторые электрические синапсы приобретают способность к одностороннему проведению, что достигается путем увеличения сопротивления обратному току посредством специальных внутрисинаптических устройств.
Электрические синапсы не нашли широкого распространения в организме высших животных, возможно в связи с их малой надежностью. Регуляторные механизмы высших животных и человека обеспечиваются химическими синапсами, которые надежнее и позволяют в более широких пределах управлять эффекторами.
Чрезвычайно интересна история изучения механизма химических синапсов, однако в связи с ограниченными рамками руководства мы вынуждены будем остановиться только на основных ее вехах.
История проблемы начинается с середины XIX века, когда в Европу был приведен экзотический яд южноамериканских индейцев, который они применяли для охоты. Яд представлял собой темно-коричневую смолу, обладающую удивительным действием. Попадая в кровь животного, он вызывал его обездвиживание и смерть от паралича дыхательных мышц. На языке индейцев этот яд назывался кураре, что в переводе означало стрельный яд. В Европе кураре попал в руки Клода Бернара, который привел классический по простоте и убедительности результатов опыт на двух нервно-мышечных препаратах лягушки. Препараты помещали в ванночку с раствором кураре таким образом, чтобы у одного в яд погружалась мышца, а у другого – нерв. Спустя некоторое время, измеряли возбудимость препаратов и обнаруживали, что первый препарат не отвечал на раздражение, а второй сохранял нормальную возбудимость. Раздражение мышцы вызывало сокращение, что свидетельствовало о нормальной возбудимости ее волокон, оставалось допустить, что отравлению подвергалось особое образование, расположенное между нервом и мышцей. Это гипотетическое образование получило название мионеврального соединения.
Теперь мы несколько нарушим последовательность изложения, так как дальнейшее изучение мионеврального соединения началось несколько позже, чем возникла идея о химической передаче возбуждения в местах контактов. Эта мысль была высказана Делом в начале нашего века и экспериментально подтверждена Леви в 1921 году в опытах на сердце лягушки при раздражении блуждающего нерва.
Леви обнаружил, что раздражение блуждающего нерва изолированного, перфузируемого физиологическим раствором сердца лягушки вызывает появление в перфузате вещества, которое оказывает на другое сердце тормозящее действие.
Это вещество получило название вагусного, а опыты Леви позволили ему выдвинуть гипотезу о механизме действия блуждающего нерва на сердце. Согласно схеме этого механизма раздражение n. Vagus (блуждающего нерва) вызывает выделение его окончаниями вагусного вещества, которое воспроизводит эффект раздражения нерва. При проведении этих опытов было замечено, что хороший результат можно получить только на отмытом от крови сердце. Это наблюдение позволило сделать вывод о том, что в крови содержится фермент, разрушающий вагусное вещество.
Теперь мы можем вернуться к механизму проведения возбуждения в нервно-мышечной пластинке. После опытов Леви многие исследователи полагали, что схема описанного им механизма является частным случаем, свойственным только действию блуждающего нерва. Поэтому очень важно было выяснить, как переносится возбуждения с нерва на мышцу. Если бы и здесь существовал химический механизм, то гипотеза Леви превращалась бы в общебиологическую закономерность.
Большое значение для выяснения этого вопроса имело исследование казанского физиолога Самойлова. Для доказательства химической природы проведения возбуждения в нервно-мышечной пластинке им было использовано правило Q10, согласно которому скорость реакции при нагревании системы меняется по-разному – в зависимости от того, имеет ли она химическую или физическую природу.
Если при нагревании системы (например нервно-мышечного препарата) на 10о С скорость проведения возбуждения увеличивается менее чем в 2 раза, значит, главным, определяющим звеном механизма является физическая реакция, если более чем в 2 раза – химическая.
Измеряя скорость проведения возбуждения в различных частях препарата (в нерве, мышце, нервно-мышечном синапсе), Самойлов установил, что в нерве при нагревании на 10о С скорость проведения увеличивается менее чем в 2 раза, а в мионевральном синапсе – почти в 3 раза. Эти опыты были поставлены в 1925 г. Самойлов, конечно, не мог в то время знать, какие вещества участвуют в химической реакции и как она протекает, тем не менее, полученные им данные позволили установить самое главное – химическую природу реакции и высказать предположение об участии в проведении возбуждения химического посредника.
После исследования Самойлова данные, полученные в опытах Леви, нельзя было уже считать частным механизмом, они приобрели общефизиологическое значение и настоятельно требовали дальнейшего изучения, и в частности поиска гуморального посредника.
В отношении мионеврального синапса эта задача оказалась чрезвычайно трудной. К тому времени уже было известно, что в опытах Леви посредником в действии n. Vagus на сердце является ацетилхолин. По аналогии предположили, что и в мионевральной передаче он является главным переносчиком возбуждения. Однако подтвердить это предположение экспериментально не удавалось долгое время. Дело в том, что простая аппликация растворов ацетилхолина на мышцу вызывала вместо нормального сокращения стойкое ее укорочение – контрактура, которая была совсем не похожа на нормальное мышечное сокращение. Кроме того, только мышца хладнокровных животных и птиц реагировала на ацетилхолин, мышца же теплокровных животных вообще не отвечала на аппликацию.
Проблему удалось решить с помощью методики быстрого введения ацетилхолина в мышечную артерию. При этом реакция не отличалась от сокращения, вызванного раздражением нерва, и проявлялась на мышцах как хладнокровных, так и теплокровных животных. Оказалось, что мионевральное соединение мало доступно для веществ, введенных в общий кровоток или нанесенных просто на мышцу, поскольку в этих случаях ацетилхолин фактически не проникал к постсинаптической мембране. В настоящее время никто уже не сомневается в участии этого медиатора при проведении возбуждения в мионевральном синапсе.
Теперь, после экскурсии в историю проблемы, мы можем перейти к ее современному рассмотрению. В качестве примера возьмем холинэргический синапс, то есть такой, в котором посредником является ацетилхолин, и прежде всего, познакомимся с самим посредником.
Ацетилхолин является эфиром спирта холина и уксусной кислоты. Его синтез осуществляется в пресинаптическом нервном окончании с помощью фермента холинацетилазы. Уксусная кислота активируется коферментом А (КоА) и вступает в реакцию с холином. Синтезированные молекулы ацетилхолина заключаются в мембрану и образуют везикулу, содержащую у разных животных различное количество молекул медиатора. Например, у лягушки от 1000 до 10000, у крысы – от 4000 до 20000 молекул. Везикулы, накапливающиеся в нервном окончании, принято называть квантами, и этот термин не следует путать с физическим понятием кванта энергии.
В нервных окончаниях молекулы ацетилхолина разделены на три фракции: частично связанную с пресинаптической мембраной, доступную для выделения, более значительную по объему – резервную и меньшую, стационарную, которая никогда не используется (рис. 7).
Рис. 7. Структура химического синапса: 1 – аксон, 2 – синаптическое окончание, 3 – пресинаптическая мембрана, 4 – постсинаптическая мембрана, 5- рецепторы постсинаптической мембраны, 6 – везикулы с медиатором, 7 – медиатор в синаптической щели, 8 – кальций, связывающий белок, Na+ - ионы натрия, входящие в клетки и деполяризующие пре- и постсинаптическую мембраны, Са+ - ионы кальция, входящие в пресинаптическое окончание и способствующие секреции медиатора
В покоящемся синапсе наблюдается постоянное выделении в синаптическую щель единичных квантов медиатора. Достигая постсинаптической мембраны, они вызывают на ней слабые приступы деполяризации в пределах 5 – 10 мВ, которые не способны вызвать возбуждение клетки эффектора. Эти изменения называют миниатюрными потенциалами, их назначение не ясно. По мнению одних, они держат постсинаптическую мембрану в состоянии повышенной возбудимости, по мнению других, способствуют трофическому влиянию нервного волокна на клетку эффектора.
Картина существенно меняется, когда пресинаптическая мембрана деполяризуется под влиянием пришедшего импульса возбуждения. Возникший при этом ток действия имеет значительную величину, обусловлен вхождением в нервное окончание не только натрия, но и кальция (последнее абсолютно необходимо и протекает в течение весьма короткого времени 1 мкс). Однако этого вполне достаточно, чтобы проницаемость мембраны возросла в несколько сот раз и около 200 везикул оказались выделенными в синаптическую щель.
Механизм выделения пока неясен, высказывается предположение об экзоцитозной природе реакции. Полагают, что везикулы, прилипшие к внутренней поверхности мембраны, имеют оболочку, которая способна сокращаться под влиянием поступившего в пресинаптическое окончание кальция. Существует также концепция, согласно которой везикулы являются лишь контейнерами, депонирующими медиатор.
Молекулы ацетилхолина, находящиеся в контейнерах, связываются с особыми участками мембраны – операторами (возможно, белками типа кальмодулина) и под влиянием кальция, путем сокращения или конформации операторного белка. Секретируются в синаптическую щель.
На один импульс возбуждения выделяется 1 – 2 миллиона молекул ацетилхолина, каждая из которых имеет размер 2 нм. На том конце молекулы, где расположен азот и 3 метильные группы, образуется положительный заряд, эту ее часть называют катионной головкой. С ее помощью ацетилхолин, связываясь с холинорецептором на постсинаптической мембране, выполняя функцию медиатора.
«Облако» из молекул ацетилхолина направляется через синаптическую щель к постсинаптической мембране, на которой расположены холинорецепторы (рис. 8). Они функционируют по принципу ионных каналов и представляют собой белковые молекулы, состоящие из 5 субъединиц, расположенных вокруг находящейся в середине поры.
Рис. 8. Схематическая модель холинорецептора: центральная стрелка – направление движения ионов калия и натрия; буквами α, β, γ, δ обозначены субъединицы белка, буквой α - субъединицы, вступающие в соединение с ацетилхолином и активирующие канал; агонист (медиатор)
Белок относится к типу интегральных и проходит через всю толщу мембраны.
Активация канала происходит в результате присоединения положительной головки медиатора к отрицательным центрам канала-рецептора. При этом канал открывается и начинает пропускать ионы натрия и калия. Для дальнейших рассуждений нам будет полезно запомнить одно упрощенное правило. Согласно этому правилу, если положительные ионы выходят из клетки – мембрана гиперполяризуется, если входят в клетку – деполяризуется.
При активации канала ионы калия и натрия начинают проходить через него соответственно своим электрохимическим градиентам. Движение калия наружу вызывает гиперполяризацию, а движение натрия внутрь клетки – деполяризацию. Если бы ионы двигались с одинаковой скоростью, разность потенциалов на мембране стала бы равной нулю. Однако этого не происходит, так как ионы натрия поступают внутрь клетки быстрее, чем ионы калия выходят наружу. Дело в том, что ионы натрия поступают в клетку под воздействием как концентрационного, так и электрического градиента. Ионы же калия выходят из клетки только под влиянием концентрационного градиента и против электрического градиента. В результате мембрана деполяризуется не до 0, а до – 30 мВ.
Тщательный анализ работы каналов показал, что открытым отдельный канал бывает 1 мс, причем активация и инактивация проходят так стремительно, что запись тока одного канала имеет прямоугольную форму. Однако, поскольку активация каналов происходит не одновременно, ток концевой пластинки (ТКП) имеет крутую восходящую фазу и более пологую нисходящую. Общая продолжительность ТКП составляет 25 мс.
Итак, на постсинаптической мембране нейрона или мышечной клетки в течение 20–25 мин возникают два участка с различным потенциалом, окруженные солевым раствором, хорошо проводящим электрический ток. Очевидно, что далее события будут развиваться примерно по той же схеме, как и в безмякотном нервном волокне. Между участками с разностью потенциалов потечет электрический ток, входящий в районе постсинаптической мембраны и выходящий за пределами синапса. Если этот ток будет надпороговым, произойдет возбуждение соседних участков мембраны и распространение возбуждения по всему нейрону или мышечному волокну.
Многие годы считалось, что постсинаптическая мембрана электрически не возбудима, поскольку думали, что она имеет только химически возбудимые ионные каналы. Однако в последнее время было установлено наличие наряду с химическими электрически возбудимых каналов. Когда ток покоя снижается до – 50 мВ, эти каналы открываются, натрий устремляется внутрь клетки и вносит свой вклад в деполяризацию мембраны. Не исключено, что часть этих каналов работает подобно обычным быстродействующим натриевым каналам и генерирует классический распространяющийся по мембране ток действия.
После выполнения функции посредника молекулы ацетилхолина быстро разрушаются путем гидролиза, образуя неактивные соединения – спирт холин и уксусную кислоту. Продукты гидролиза поступают в пресинаптическое нервное окончание, где вновь используются в синтезе медиатора. Гидролиз осуществляется весьма активным ферментом ацетилхолинэстеразой (АХЭ). Фермент содержится также внутри клетки эффектора, являясь, видимо, резервом.
По своей химической природе ацетилхолинэстераза представляет собой белковую молекулу, снабженную двумя активными центрами, отстоящими друг от друга на расстоянии 0,25 нм. Один из них, анионный центр, имея отрицательный заряд, выполняет функцию захвата молекулы ацетилхолина за катионную головку. При этом она ориентируется таким образом, что эфирная связь совпадает со вторым, эстеразным центром, который и осуществляет гидролиз. Активность фермента колоссальна. Один его активный центр способен расщепить около миллиона молекул ацетилхолина. На расщепление одной молекулы, следовательно, затрачивается 60 – 70 мкс.
Итак, мы познакомились с механизмом проведения возбуждения через электрические и химические синапсы.
В смешанных синапсах передатчиками возбуждения являются электрический ток и химические вещества. В этих синапсах расстояние между мембранами неодинаковое. Там, где передатчиком является электрический ток, мембраны сближены, и синапс по своему устройству напоминает электрический. Там же, где передача осуществляется с помощью химического посредника, синаптическая щель шире и имеются все детали механизма, свойственного химическому синапсу.