Физиология лекция №5
Синаптическая передача в ЦНС. Понятие о синапсе. Строение электрического и химического синаптических контактов. События, происходящие в химическом синапсе. Медиаторы и принцип Дэйла. Ионотропные и метаботропные эффекты медиаторов. Модуляторы синаптической передачи. Сосуществование в одной аксонной терминале медиаторов и модуляторов. Критика принципа Дейла. Возбуждение и торможение нейрона (ВПСП, ТПСП)
В прошлой лекции мы доказали, что мозг имеет клеточное строение. Английский физиолог Ширингстон занимался рефлекторными дугами. Изучал, как отвечает скелетная мышца на разные стимулы (сильнее, слабее, через какое время). Он знал, что помимо эфферентного и афферентного нейрона есть промежуточные. Как происходит передача возбуждения по аксону было уже известно. Обнаружил, что скелетная мышца отвечает довольно не быстро, проходит какое-то время между возбуждением и ответом мышцы, большее чем необходимо для распространения по нервным волокнам. Поэтому он пришел к выводу, что между нервными клетками (афферентной и промежуточной, промежуточной и эфферентной) есть образования, которые он назвал касания. И этот же вопрос интересовал Рамона-и-Кохала, который называл их соприкосновение между отдельными нейронами. Как клетки могут взаимодействовать друг с другом?
Виды взаимодействия между клетками:
1.) Самое простое это паракринное взаимодействие. В одной клетке вырабатываются физиологически активные вещества, эти вещества передаются в другую клетку и вторая клетка меняет свое состояние. Примером такого взаимодействия является нейрональная индукция. В методерме выделяются вещества, которые превращают клетки эктодермы в нервные клетки.
2.) Есть взаимодействие эндокринное: железистая клетка выделяет гормоны, которые попадают в рядом лежащий сосуд. По кровотоку гормоны попадают в другую клетку, и изменяют ее состояние.
3.) Самое сложное взаимодействие – это нейроэндокринное. В нервной клетке вырабатывается биологически активное вещество – нейрогормон, он поступает в кровь. С кровью нейрогормон поступает в эндокринную железу, например гипофиз. А в гипофизе вырабатываются свои гормоны, которые влияют на другую железу, на другие органы и ткани. Схема: нервная клетка, затем идет одна эндокринная железа, затем идет другая эндокринная железа, которая через кровоток регулирует работу какого-то органа и ткани.
4.) Есть другое взаимодействие между нервными клетками еще более сложное, оно осуществляется с помощью синаптических контактов. От нервной клетки отходит аксон, который заканчивается утолщением, разветвлением - терминалью, где есть как бы набухание. Другая нервная клетка, тоже аксон и терминаль - набухание. Окончание одного аксона и дендриты или сома другого нейрона – эта область называется синаптический контакт.
Отто Леви и Генрих Дейл, которые стояли за химическую передачу, они считали и доказали, что из окончаний аксонной терминали выделяется химическое вещество, которое меняет работу той клетки, куда оно попадает. Значит здесь _________ должны происходить какие-то события с участием химического вещества. Но в тоже время как только окончательно доказали, что существуют синаптические контакты, это 1953-1956 годы, когда уже был усовершенствован электронный микроскоп, было доказано есть синаптический контакты, где происходит передача возбуждения, но не так как утверждали Леви и Дейл, а только с помощью электрического сигнала, без участия химического сигнала. В клетке возникает биопотенциал, он распространяется по аксону, подходит к окончанию и возбуждает следующий нейрон, т. е. не нужен химический сигнал. Такие синаптические контакты были обнаружены, и было доказано, что существуют синаптические контакты без участия химического сигнала.
Из каких элементов состоит синаптический контакт?
Рисуем крупно аксонную терминаль, и другую клетку, ее сому, между ними аксосоматический контакт. В аксонной терминале не всегда, но очень часто содержатся пузырьки, которые называются везикулы, в них содержится химическое вещество, которое передается от одной клетки к другой. Схема: предсинаптическая мембрана аксонной терминали, дальше идет синаптическая щель, дальше постсинаптическая мембрана другой нервной клетки. Если это химический синаптический контакт, то в везикулах должны быть химическое вещество – медиатор. А если есть медиаторы, чтобы химическое вещество подействовало, необходимы рецепторы в другой клетке, которые чувствительны к этому медиатору. Значит в постсинаптической мембране должны быть рецепторы. Это у нас химический синаптический контакт, в нем присутствуют визикулы с медиатором и рецепторы. Что касается электрического синаптического контакта там нет рецепторов и медиаторов, а в остальном структура таже.
Но есть еще отличия электрического синаптического контакта от химического.
1) Электрический сигнал не может преодолеть большое расстояние, поэтому в электрическом синаптическом контакте синаптическая щель = 2 нанометра, что в 10 раз меньше, чем в химическом = 20 нанометров.
2) Как распространяется возбуждение в химическом синаптическом контакте? - только там, где есть щель между веществом и рецепторами, т. е. в одном направлении. В электрическом синаптическом контакте возбуждение распространяется и в том и в другом направлении: от постсинапса к предсинапсу и наоборот. В химическом синаптическом контакте могут происходить интэгративные процессы, т. е. сигнал может быть усилен или ослаблен в зависимости от того сколько медиатора выделено. В электрическом какой был сигнал, такой и переходит на другую клетку.
3) Химический синаптический контакт больше зависит от метаболизма в нервной системе, чем электрический синаптический контакт.
Рисуем аксонную терминаль. Что такое везикулы? Они образуют два сообщества:
- одно отстраненное от предсинаптической мембраны (там много везикул)
- 10-50 везикул, готовых к тому, что вещество выйдет в синаптическую щель.
Как это происходит? Это происходит только в том случае если сюда по аксону приходит потенциал действия, чтобы медиатор выделился из везикул в синаптическую щель. Если сюда пришел потенциал действия, то в первую очередь (здесь ___ в основном кальциевые каналы) открываются каналы для кальция, и кальций входит в аксонную терминаль – это обязательная ступень, если кальций убрать, то дальше потенциала ничего не будет. А внутри аксонной терминали содержится белок, который называется кальмодулин, и как только кальций прошел он взаимодействует с кальмодулином. Дальше происходит цепочка биохимических процессов, каждый из которых изучен … (лучше послушать лекцию или почитать литературу, но надо запомнить, что) в результате которых возникает фосфоремирование, которое приводит к слипанию мембраны везикулы с предсинаптической мембраной. При этом медиатор выделяется в синаптическую щель методом экзоцитозом. Конечная задача медиатора – это взаимодействие с рецептором постсинаптической мембраны. Когда везикулы первого пула уходят, на их место приходят везикулы второго пула. Если везикулы содержат одинаковое вещество (медиатор), то они могут иметь одинаковую форму и размеры. Шеперд и Палей – физиологи занимались изучением формы везикул и веществом, которое находится в них. Плей: «Везикулы в аксонной терминале мне напоминают шоколадные конфеты, каждая в своей обертке и со своей начинкой» Шеперд говорил, что это вещь в себе.
Везикулы могут быть:
1.) овальной формы, величиной 30-60 нанометров, в них содержатся тормозные медиаторы;
2.) округлые, прозрачные величиной от 40 до 60 нанометров, в них содержится ацетилхолин;
3.) электронноплотные, непрозрачные, от 40 до100 нанометров, в них содержится катехоламины;
4.) самые крупные, электронноплотные от 100 до 160 нанометров, содержатся нейропептиды, выполняющие роль медиаторов.
Требования к медиаторам:
1) Они накапливаются в аксонной терминале;
2) Они выделяются из аксонной терминали, если аксон возбуждается;
3) Здесь же должен находиться фермент, который участвует в синтезе этого медиатора;
4) Необходим фермент, который разрушает этот медиатор, медиатор должен оказать свое влияние и разрушиться;
5) Необходим рецептор для этого медиатора;
6) Однозначность эффектов при раздражении аксонной терминали и при действии медиатора, который там находится.
Например: Если мы раздражаем симпатический нерв и сердце учащает свою работу, так как в окончании симпатического нерва выделяется адреналин. Потом мы просто берем и капаем адреналин на сердце, при этом получаем такой же эффект.
Медиаторами являются:
Группа называется амины, в их состав входят:
1) катехоламины:
–дофамин
- норадреналин
-адреналин
Все они образуются из аминокислоты - тирозина, очень сходны по действию, но в тоже время их эффекты специфичны, например все они могут повышать кровяное давление, но имеют свои дополнительные эффекты.
2) серотонин не является катехоламином. Образуется из аминокислоты триктофана.
Серотонин и адреналин во многих своих проявлениях оказываются антагонистами. Наиболее распространенным медиатором в нервной системе является ацетилхолин – это особый медиатор. Оказалось, что ко всем этим медиаторам есть свои рецепторы. Ацетилхолин синтезируется в окончании мотонейрона. Не только в ЦНС передача происходит с участием медиаторов, но и на периферии. Ацетилхолин взаимодействует с Н (никотиновые)-холинорецептором. Заблокируем холинорецептор (подобрав специальное вещество), тогда ацетилхолину не с чем будет взаимодействовать. Таким веществом оказался яд кураре. Если мы возьмем сердечную мышцу, она иннервируется тоже с помощью ацетилхолина, но здесь ацетилхолин взаимодействует с другим рецептором –
М (мусколиновые) - халинорецептором, блокатором для которого является атропин. В ЦНС есть Н, и М – холинорецепторы. У дофамина есть Д-1, Д-2, Д-3, Д-4 рецепторы. Рецепторы увеличивают возможности одного и того же медиатора, оказывая разные влияния. Все указанные медиаторы в зависимости от того, с каким они взаимодействуют медиатором, оказывают либо тормозное, либо возбуждающее влияние.
В ЦНС есть два тормозных медиатора, которые оказывают только тормозное влияние:
Глицын и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Недостаток тормозных медиаторов может привести к эпилепсии.
Только возбуждение вызывает глутамат.
Что происходит в результате взаимодействия медиаторов с рецепторами постсинаптической мембраной. События могут происходить по двум типам:
1) метабо-тропный процесс – это изменение метаболизма в клетке в результате взаимодействия медиатора Аденилат-циклаза (АД – это фермент, который усиливает, ускоряет процессы метаболизма в следующей клетке) с рецептором постсинаптической мембраны. Это взаимодействие может закончиться изменением генома клетки, т. е. изменения функций ядра;
2) ионо-тропный, т. е. меняется проницаемость мембраны второго нейрона для ионов натрия, или калия, или хлора; и в зависимости от того для какого иона меняется проницаемость в ту или иную сторону меняется состояние мембраны.