Проведение возбуждения через синапс

Передача возбуждения с отростка одной нервной клетки на отросток или тело другой нервной клетки возможна двумя способами: электрическим и химическим. Электрический способ передачи возбуждения осуществляется с помощью щелевых контактов (нексусов) в том случае, если мембраны клеток отделены щелью размером примерно 2 нм.

Щелевые контакты распространены, например, в миокарде и гладких мышцах пищеварительного тракта и представляют собой межклеточные тубулярные белковые гидрофильные каналы, состоящие их шести молекул интегральных белков- коннексонов. Передача возбуждения электрическим способом осуществляется аналогично его проведению по нервным волокнам с помощью местных токов, возникающих между деполяризованным участком мембраны нервного волокна и поляризованным участком мембраны нервной клетки. Локальные токи деполяризуют мембрану нейрона до критического уровня, после чего возникает спонтанный процесс регенеративной деполяризации. Электрическая передача возбуждения осуществляется с высокой скоростью, близкой к скорости проведения возбуждения по нервным волокнам.
Основным способом передачи возбуждения между нейронами, а также между нервными и мышечными клетками является химический, который реализуется с помощью синапсов. Синапс — это специализированное по структуре и функции место контакта мембран между двумя возбудимыми клетками, которое обеспечивает передачу импульсов от одной возбудимой

клетки к другой с помощью молекул химических веществ, или медиаторов. Проведение возбуждения между нервом и мышцей осуществляется через нервно-мышечный синапс, который представляет собой место контакта окончания аксона нейрона с мембраной мышечного волокна. Функцией такого соединения является передача сигналов возбуждения от а-мотоней- ронов спинного мозга к скелетным мышечным волокнам, вызывающих сокращение мышцы. Проведение возбуждения через нервно-мышечный синапс

Нервно-мышечный синапс образован мембраной терминали аксона, или пресинаптического окончания мотонейрона спинного мозга, и мембраной мышечного волокна, или постсинаптической мембраной, между которыми имеется синаптическая щель (рис. 2.15). Постсинаптическая мембрана нервно-мышечного синапса называется концевой пластинкой, поскольку представляет собой специализированную часть мембраны мышечного волокна, имеющую складчатый вид, что существенно увеличивает площадь мембраны, контактирующей с аксолеммой нервной терминали. Кроме того, постсинаптическая мембрана содержит N-холинорецепторы и фермент ацетилхолинестеразу, которая разрушает медиатор ацетилхолин. Исходя из структурной организации нервно-мышечного синапса, передачу возбуждения с нерва на мышцу можно разделить на два физиологических механизма: пресинаптический и постсинаптический. Функция нервно-мышечного синапса заключена в передаче очень небольших по амплитуде потенциалов действия, достигающих двигательных нервных окончаний, на мышечные волокна и инициации, таким образом, сокращения во всей скелетной мышце.
Пресинапти ческий механизм
Пресинаптический механизм передачи возбуждения с нерва на мышцу осуществляется в двигательных нервных окончаниях и его функция заключается в трансформации числа нервных импульсов в количество выделяющегося из нервной терминали медиатора. Проведение возбуждения через нервно-мышечный синапс связано с функцией активных зон пресинапти- ческой мембраны, которые представляют собой комплекс рядами расположенных Са2+-каналов, синаптических везикул, специализированных белков экзоцитоза или выделения медиатора и элементов цитоскелета (акти- новые филаменты и микротрубочки), объединенные вокруг так называемых плотных тел синапса. Последние представляют собой участки утолщения пресинаптической мембраны, в области которых происходит секреция медиатора. В синаптическом окончании содержится примерно от 1 до 5 активных зон, которые имеют непосредственное отношение к выделению, или экзоцитозу, медиатора в синаптическую щель.
В синаптических пузырьках терминали аксона, иннервирующего мышцу, содержится медиатор ацетилхолин. Ацетил- холин синтезируется непосредственно в нервном окончании из холина и ацетил-Ко-А при участии фермента ацетил- трансферазы. Наряду с медиатором в везикулах содержатся различные ионы, АТФ, ферменты и другие вещества, участвующие в выделении медиатора в синаптическую щель. В каждом синаптическом пузырьке содержится примерно КГ4 молекул ацетилхолина. Количество ацетилхолина, высвобождаемое из одной везикулы, принято называть квантом медиатора. Без ресинтеза ацетилхолина в двигательном нервном окончании запаса его молекул в синаптических пузырьках достаточно для проведения примерно 10 000 импульсов. Везикулы пресинаптической терминали находятся в активной и депонированной формах. Активные везикулы непосредственно участвуют в передаче возбуждения через нервно-мышечное соединение, т. е. в выделении медиатора в синаптическую щель. Молекулы медиатора депонированной формы везикул постоянно пополняют

пул активной формы медиатора по мере их использования в синаптической передаче. Число везикул является постоянной величиной пресинап- тической терминали и обусловливает функциональную лабильность синапса (рис. 2.16).
После того как нервный импульс достигает пресинаптического окончания в фазу деполяризации потенциала действия, в мембране окончания открываются потенциалзависимые кальциевые ионные каналы, и ионы Са2+ пассивно по градиенту концентрации поступают внутрь нервного окончания из внеклеточной среды. Движение ионов Са2+ обусловлено тем, что в покое их концентрация в цитоплазме нервного окончания составляет порядка 1(Г7 М, а на внешней поверхности его мембраны, благодаря активности Са2+-АТФазы, поддерживается более высокая концентрация ионов кальция, чем внутри. В момент открытия кальциевых ионных каналов в активных зонах пресинапти- ческой мембраны формируются микродомены (рис. 2.17). Микродомен представляет собой область высокой концентрации ионов Са2+ вблизи устья кальциевого ионного канала. В момент появления микродомена белки мембраны везикулы способны связывать везикулярную мембрану с активной зоной пресинаптического окончания. При этом образуется специфический белковый комплекс, состоящий из везикулы и элементов активной зоны пресинаптической мембраны, которые связаны между собой специализированными белками экзоцитоза. Этот комплекс называется сек- ретосомой. Формирование секретосомы является основным процессом, обеспечивающим экзоцитоз ацетилхолина в нервном окончании.

Белки экзоцитоза локализованы как на мембране везикул (синапсин, синаптотагмин, синаптобревин), так и на пресинаптической мембране (синтаксин, синапсоассоциированный белок). Белок синаптотагмин является кальциевым рецептором. После связывания ионов Са2+ с синаптотаг- мином и последующего взаимодействия синаптобревина с синаптосомас- социированным белком и синтаксином пресинаптической мембраны происходит связывание везикулы с активной зоной пресинаптической мембраны. Экзоцитоз медиатора обеспечивается за счет АТФазной активности специфического цитозольного белка. При высвобождении ацетилхолина в синаптическую щель мембрана везикулы полностью сливается с пресинаптической мембраной и медиатор выходит в синаптическую щель через так называемую пору. Белки экзоцитоза в синапсах периферической нервной системы являются мишенями для токсинов при их действии на организм
человека и животных. Например, ботулиновый, столбнячный и другие токсины способны нарушать процессы формирования секретосомы, что обусловливает появление специфического симптомокомплекса при отравлении. Диффузия ацетилхолина через синаптическую щель нервно-мышечного синапса
Синаптическая щель нервно-мышечного синапса заполнена аморфной сетью соединительной ткани, в которой находится фермент ацетилхолин- эстераза. Молекулы этого фермента синтезируются в мышечной клетке и фиксируются к ее сарколемме со стороны синаптической щели.
Ацетилхолин путем экзоцитоза поступает в синаптическую щель и затем диффундирует к постсинаптической мембране в течение 1 мс. Во время диффузии ацетилхолина через синаптическую щель примерно '/3 от выделившегося количества медиатора разрушается ферментом ацетилхолин- эстеразой на ацетат и холин, а 2/з молекул ацетилхолина достигает постсинаптической мембраны и связывается с N-холинорецепторами. Ацетилхолин после отделения от рецептора расщепляется ацетилхолинестеразой на холин и ацетат. Синтез, хранение и высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении показаны на рис. 2.16. Активность ацетилхоли- нэстеразы столь высока, что период полураспада молекул ацетилхолина не превышает 1 мс. Инактивация ацетилхолина в синаптической щели исключает многократное связывание одних и тех же молекул медиатора с хо- линорецепторами постсинаптической мембраны, что предотвращает возможность непрерывного сокращения мышц или так называемой мышечной тетании. Постсинаптический механизм
Постсинаптический механизм передачи возбуждения через нервно-мышечный синапс представляет собой трансформацию количества выделившегося ацетилхолина в число потенциалов действия, которые генерирует сарколемма мышечного волокна. В постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения расположены ионотропные N-холинорецепторы (чувствительны к никотину). Плотность этих рецепторов выше, чем в постсинаптической мембране любого синапса нервной системы (1 • 104 на 1 мкм2). Молекулы ацетилхолина кратковременно (не более 2 мс) взаимодействуют с N-холинорецепторами, в результате в постсинаптической мембране открываются натриевые и калиевые ионные каналы. Ионы Na+ по электрохимическому градиенту перемещаются из синаптической щели внутрь мышечного волокна, а ионы К+ — в обратном направлении. Трансмембранный ток для этих ионов рассчитываются по закону Ома:
4 = Як (Em - Ек); /№ = gNa(Em - ?Na),
где 1К и INa — трансмембранный ток ионов калия и натрия, gK и gNa — проницаемость постсинаптической мембраны соответственно для ионов калия и натрия, Ет — потенциал покоя постсинаптической мембраны, Ек и ENa — равновесный калиевый и натриевый потенциалы.
Поскольку gNa = gK, а электродвижущая сила (Em — ENa) для натрия больше (равновесный потенциал для натрия +60 мВ, а для калия — 90 мВ), входящий ток ионов натрия преобладает над выходящим калиевым током, в результате происходит деполяризация постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса, которая называется потенциалом концевой пластинки. Продолжительность потенциала очень мала — не более 1—2 мс, а его амплитуда варьирует в зависимости от количества высвобождающегося ацетилхолина. При этом между амплитудой потенциала концевой пластинки и количеством высвобождающегося ацетилхолина имеется прямая зависимость.
Потенциал концевой пластинки электротонически распространяется вдоль мышечного волокна. При этом, если потенциал концевой пластинки достигает по величине порога возбуждения мышечной мембраны (—15— 20 мВ), то он вызывает в ней генерацию распространяющихся потенциалов действия. В результате возбуждение с нервного окончания передается на мышечную клетку. Если пресинаптического окончания достигает один потенциал действия, то в синаптическую щель нервно-мышечного синапса высвобождается в среднем 100 квантов ацетилхолина. В этом случае возникает потенциал концевой пластинки, величина которого достаточна для того, чтобы вызвать генерацию потенциалов действия в мышечной мембране, прилегающей к концевой пластинке. Даже при снижении амплитуды потенциала концевой пластинки на 75 % он способен вызывать возбуждение в мышечном волокне, что является фактором высокой надежности процесса передачи возбуждения в нервно-мышечном синапсе. Надежность функции нервно-мышечного синапса обусловлена также значительным количеством высвобождаемого из нервного окончания ацетилхолина и высокой плотностью N-холинорецепторов на концевой пластинке.
Как только потенциалы действия, распространяясь по мембране мышечного волокна, достигают t-системы, а ионы Са2+ высвобождаются из саркоплазматического ретикулума, в мышце начинается сокращение. Восстановительные процессы структуры мембраны и функции нервно-мышечного синапса после передачи возбуждения
После завершения синаптической передачи в нервно-мышечном синапсе ионы Са2+ с помощью Са2+-АТФ-азы первично активным транспортом выводятся из цитоплазмы нервного окончания во внеклеточную среду. Процесс восстановления исходного градиента концентрации ионов Са2+ между аксоплазмой нервной терминали и внеклеточной средой осуществляется с помощью вторично активного транспорта при участии белка Na+/Ca2+ обменника. Молекулярная структура пресинаптической мембраны восстанавливается в результате эндоцитоза везикул, участвовавших в синаптической передаче возбуждения. В нервном окончании образовавшиеся везикулы заполняются вновь синтезированными молекулами ацетилхолина. На постсинаптической мембране, благодаря работе №+/К2+-АТФазы, восстанавливаются ионные градиенты Na+ и К+, в результате возбудимость постсинаптической мембраны возвращается к исходному уровню.

Еще по теме Проведение возбуждения через синапс:

1. Проведение возбуждения через аксосоматический синапс
2. Проведение возбуждения в основных типах синапсов центральной нервной системы
3. § 3. Феномен научения через наблюдение, через подражание
4. Нервно-мышечный синапс гладкой мышцы
5. § 2. Поводы и основания к возбуждению уголовного дела
6. §1. Возбуждение уголовного дела
7. § 4. Порядок возбуждения уголовного дела
8. § 1. Понятие и значение возбуждения уголовного дела
9. § 5. Процессуальный порядок возбуждения уголовного дела
10. 4.2.2. Двигательное возбуждение и напряженность
11. Статья 99. Отказ в возбуждении исполнительного производства