нений концентраций Са2+).

206

Часть II

Функциональная биохимия нервной системы

Глава 7

Синаптическая передача. Медиаторы М.А.Каменская

В конце прошлого века Ч.Шерринггон обосновал представление об отсутствии межклеточной непрерывности в нервной системе и ввел понятие синапс для обозначения структуры, которая опосредует передану сигнала от окончаний аксона к эффек-торной клетке — нейрон)', мышечному волокну, секреторной клетке железы. Синапс состоит из пресинаптического окончания и постсинаптической мембраны, разделенных синаптической 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 пресинап-тических окончаний обеспечивает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану. Морфологическую основу электрической передачи составляет щелевой контакт, для которого характерны тесное прилегание пре- и постсинаптической мембран (ширина синаптической щели всего лишь 2 нм), большая площадь контакта этих мембран, наличие ультраструктур, снижающих электрическое сопротивление в области контакта, — своего рода каналов, организованных в виде правильной сети между пре- и постсинаптической мембраной.

Электрофизиологическими критериями электрической синаптической передачи являются: 1) отсутствие синаптической задержки; 2) проведение возбуждения в обоих направлениях (хотя некоторые электрические синапсы обладают выпрямляющими свойствами, т.е. коэффициент связи от пресинаптической мембраны к постсинаптическому нейрону больше, чем в обратном

207

направлении); 3) независимость от потенциала пресинаптиче-ской 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 (без синаптической задержки), 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 (имеющую ширину Ш-50 нм) 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 (обучение, память и т.д.).

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 главе рассмотрены орпг~ зация пресинаптиче-ского окончания, механизмы экзоцитозо. ейромедиаторов, химическая природа и функциональные особенности медиаторов. Процессы, протекающие в постсинаптических мембранах, а также биохимия рецепторов, изложены в 8-й главе.

208

7.1. 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 (АХ). 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 нейромедиа-тора 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 постсинаггтических 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 (порций нейромедиатора), 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 (квантовый состав постсинаптического потенциала), определяется уравнением т=пР.

Повышение вероятности освобождения квантов при деполяризации пресинаптической мембраны связано с открыванием потенциал-зависимых Са2+-каналов мембраны и входом Са в соответствии с их электрохимическим градиентом в преси-

209

наптич^ское окончание. Таким образом, ионы Са участвуют в процессе электросекреторного сопряжения.

Квантовый характер синаптической передачи обусловлен тем, что нейромедиатор хранится в синоптических 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 5,2-104 нм3. Такой пузырек может содержать порядка АЛ О3 молекул АХ, что вполне соответствует результатам оценки молекулярного состава кванта АХ — (2-3)-103 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 Са2+-каналов, обеспечивающих вход Са2+ 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 си-наптических 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 си-наптических пузырьков, несмотря на наблюдаемые изменения количества освобождаемого медиатора. Только при воздействиях, вызывающих истощение пресинаптических запасов медиатора (длительное электрическое раздражение нерва, интенсивная деполяризация пресинаптических окончаний ионами К, действие токсина каракурта), 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 кванто-

210

вого состава вызванных постсинаптических потенциалов наблюдается уменьшение количества синаптических пузырьков и увеличение площади поверхности пресинаптического окончания за счет встраивания мембран синаптических пузырьков в пре-синаптическую мембрану. В дальнейшем идет процесс рецик-лизации 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 преси-наптическом окончании во время ритмического раздражения нерва можно производить электрофизиологически путем измерения амплитуд