11104 (646882), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Сделаем небольшое отступление в сторону. Какую же роль сыграло в данном случае математическое моделирование синапса? Ситуация тут достаточно парадоксальная.

Если бы удалось найти параметры, соответствующие передаче тока в реальных синапсах, и модель удовлетворяла бы экспериментальным данным, то результат был бы не столь ценен. Он только означал бы, что ЭС может быть устроен так, как предполагалось в начале, но он мог быть устроен и иначе. Возможно, существуют десятки моделей, которые одинаково хорошо соответствуют эксперименту. Но отрицательный результат моделирования является абсолютным. Он строго говорит, что система не может быть устроена так, как мы предполагаем, и следует искать_, как же она устроена на самом деле.

Замечательно, что и второй результат исследования ЭС на математической модели, несмотря на свою кажущуюся несообразность, также нашел экспериментальное подтверждение. Оказалось, что природа действительно использует заполнение щели изолятором. У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень большой по диаметру ЭС, щель которого заполнена миелином, т.е. изолятором. Для такого большого синапса этот способ весьма эффективен, как и предсказывала модель. Таким образом, в природе действительно используются и заполнение синаптической щели изолятором, и неоднородные мембраны.

Химический синапс

В отличие от электрических синапсов, которые так или иначе служат для образования непрерывного пути для электрического сигнала, химические синапсы – это настоящие «разрывы»: электрическому сигналу «напрямую» через химический синапс не пройти.

Рассмотрим для примера работу нервно-мышечного синапса. Как вы знаете, мембрана мышечного волокна возбудима: если прикоснуться к ней электродом, мышца сократится. Оказывается, существует парадоксальное исключение: именно в том месте мембраны, через которое приходит сигнал от мотонейрона к сокращению, мышца не чувствительна к электрическому воздействию! Значит, мотонейрон воздействует на мышцу совершенно иным способом: в его терминали электрический сигнал преобразуется в химический.

Общую схему работы химического синапса мы уже описывали. Когда нервный импульс доходит до терминали мотонейрона под его воздействием в синаптическую щель выделяется особое вещество – медиатор. Для нервно-мышечного синапса позвоночных таким медиатором служит ацетилхолин. Вот к этому-то веществу и чувствительна постсинаптическая мембрана. Стоит только поднести к области синапса пипетку с раствором, содержащим ацетилхолин, и вывести немного ацетилхолина наружу, как в мышечном волокне возникает изменение потенциала, тем более сильное, чем больше ацетилхолина выведено из пипетки. Если эти изменения потенциала достигают порога возбуждения электровозбудимой мембраны, то в ней возникает ПД и мышечное волокно сокращается.

Выделение медиатора

В 1950 г. английские ученые Фетт и Катц, изучая работу нервно-мышечного синапса лягушки, обнаружили, что без всякого действия на нерв в мышце в области постсинаптической мембраны сами по себе через случайные промежутки времени возникают небольшие колебания потенциала, амплитудой примерно в 0,5 мВ, которые они назвали «миниатюрные потенциалы». Когда Фетт и Катц подействовали на синапс ядом, о котором было известно, что он блокирует выделение ацетилхолина из терминалей, миниатюрные потенциалы исчезли.

Получалось, что в химическом синапсе медиатор выделяется и в покое, но изредка и небольшими определенными порциями.

К тому времени электронная микроскопия уже достаточно много знала об устройстве синапсов. В частности, было известно, что в пресинаптических окончаниях имеются какие-то пузырьки диаметром примерно 500 нм. Иногда удавалось увидеть, что мембрана этих пузырьков сливается с мембраной терминали. Катц выдвинул гипотезу, что миниатюрные потенциалы возникают тогда, когда такой пузырек слипается с пресинаптической мембраной, разрывается и выбрасывает в синаптиче-скую щель свой запас ацетилхолина. Частично эту гипотезу удалось проверить цитологам: они сумели выделить везикулы и показать, что в них действительно содержится «цетилхолин.

Итак, в покое, когда мотонейрон не возбужден, в синапсе существует небольшой электрический шум: за счет случайного выброса ацетилхолина возникают миниатюрные потенциалы; средняя частота их – примерно один в секунду. Но амплитуда этих одиночных потенциалов слишком мала, и поэтому мышечное волокно не возбуждается. Когда же к терминали мотонейрона подходит ПД, то происходит массовое опорожнение везикул: за 0,1 мс лопаются примерно 100 пузырьков. И все они выбрасывают свой ацетилхолин в синаптическую щель. В результате в мышечном волокне возникает деполяризация в 30 – 50 мВ, что гораздо выше порогового значения.

Естественно было посмотреть, как влияет изменение МП терминали на частоту миниатюрных потенциалов, т.е. на частоту выброса ацетилхолина. Оказалось, что при деполяризации терминали частота выделения везикул возрастает экспоненциально. Это объясняет, почему под действием нервного импульса выделяется так много ацетилхолина.

Но решение одного вопроса, как всегда, порождает новые: почему деполяризация приводит к тому, что везикулы начинают чаще «прилипать» к мембране?

Целым рядом экспериментов было выяснено, что «виновником» возрастания частоты выделения медиатора являются ионы кальция. Оказалось, что в пресинаптической терминали имеются потенциалзависимые кальциевые каналы, которые открываются при деполяризации терминали, и кальций входит в терминаль.

Этот процесс был очень красиво показан Ллинасом и др. в 1972 г. на крупном синапсе кальмара, где имеется возможность вводить разные вещества в терминаль. Есть такое вещество – экворин. При соприкосновении с ионами кальция он дает световую вспышку. Ллинас и его сотрудники ввели 'экворин в пресинаптическую терминаль. Когда к синапсу приходил нервный импульс, пресинаптическое окончание вспыхивало, показывая, что внутрь него вошли ионы кальция. Но ученые не ограничились этой красивой иллюстрацией уже известных к тому моменту фактов и поставили новый опыт, который дал важный результат. Они ввели через микроэлектрод внутрь окончания ионы кальция, и тут же без всякой деполяризации началось выделение медиатора.

Итак, оказывается, что причиной выделения медиатора является не деполяризация сама по себе, а то, что деполяризация открывает дорогу кальцию внутрь терминали. И если убрать из наружной среды кальций, то как показали эксперименты, химический синапс не сработает ни при какой деполяризации и даже миниатюрные потенциалы исчезнут.

Но есть еще один очень важный вопрос' почему после попадания кальция внутрь терминали медиатор выделяется только очень короткое время, а потом его выделение прекращается? Кальциевые каналы терминали открываются лишь на очень короткое время, но за это время концентрация кальция в терминали повышается в тысячи раз. Куда же девается этот кальций? Оказывается, он быстро выкачивается наружу кальциевым насосом и поглощается митохондриями, которые всегда присутствуют в синаптических окончаниях.

После этих работ был выяснен механизм действия некоторых ядов. Например, из яда паука каракурта был выделен белок – латротоксин, который по существу представляет собой незакрывающиеся кальциевые каналы. Он встраивается в пресинаптическую мембрану и начинает пропускать в терминаль кальций. В результате запасы ацетилхолина в терминали полностью истощаются и нервная система не может вызвать сокращения мышц.

Но что же делает кальций, попав внутрь терминали? На этот вопрос пока нет однозначного ответа. Возможно, кальций просто экранирует отрицательные заряды мембраны везикул и мембраны терминали, что позволяет им слиться; возможно, кальций вызывает сокращение «внутриклеточных мышц», которые подтягивают пузырек к мембране; а может быть, механизм действия кальция окажется совсем иным и неожиданным.

Работа постсинаптической мембраны

Что же делает ацетилхолин с постсинаптической мембраной, к которой он диффундирует? В покое удельное сопротивление постсинаптической мембраны равно примерно 3 ООО Ом-см², но при действии ацетилхолина оно снижается до 1 Ом-см². Это сразу наводит на мысль, что ацетилхолин открывает какие-то каналы в постсинаптической мембране. И это предположение верно.

В постсинаптической мембране находятся каналы, «ворота» которых управляются не МП, а ацетилхолином, И канал, и ворота являются частями особой сложно устроенной белковой молекулы. Конец такой молекулы, торчащий из мембраны наружу, «узнает» молекулы ацетилхолина. Если с ним связываются две молекулы – ацетилхолина, то открывается канал, через который могут проходить ионы К⁺ и Ка⁺. Иными словами, в мембране открывается «электрическая дырка» со всеми вытекающими последствиями, а именно деполяризацией мембраны. Таким образом, постсинаптическая мембрана преобразует химический сигнал вновь в электрический сигнал – деполяризацию мембраны.

Возникает естественный вопрос: почему эта деполяризация исчезает? Ведь действие химического синапса обычно кратковременно. Значит, ацетилхолин, открывающий каналы в постсинаптической мембране, куда-то девается. Оказывается, медиатор связывается с холинорецептором очень непрочно: открыв ворота канала, он отрывается и вновь уходит в синаптическую щель. А в щели имеется особый фермент, который его разрушает. Так что медиатор – вещество очень «скромное»: сделав свое дело, он тут же уходит. Именно это его свойство обеспечивает кратковременность действия химического синапса.

Есть и другие вещества, которые тоже могут связываться с холинорецептором, но делают это лучше, чем ацетилхолин. Например, растительный яд кураре, которым индейцы смазывали свои стрелы, попав в организм, прочно связывается с холинорецепторами мышцы и занимает «посадочные площадки», предназначенные для ацетилхолина. В результате ацетилхолин не может открыть ворота каналов и любые движения становятся невозможными. На этом же основано и действие некоторых змеиных ядов; так, в частности, действуют яды змей семейства аспидовых. Интересно, что и у растений, и у змей в ходе эволюции вырабатывались яды со сходным механизмом действия. Вещества, сходные с кураре, релаксанты, сейчас используются в медицине во время операций: они расслабляют мышцы.

Сейчас известно довольно много деталей об устройстве и работе «молекулярной машины» – холинорецептора. Холинорецептор состоит из пяти субъединиц – участков. Изучение аминокислотных последовательностей этих единиц показало, что все они произошли в результате модификации одного и того же гена. Соединяясь между собой, эти субъединицы образуют в центре канал. Этот канал имеет примерно квадратное сечение со стороной квадрата 0,65 нм. Он не различает ионов К⁺ и Ка⁺, но не пропускает анионы. Ворота канала открываются на случайные промежутки времени. Проводимость такого канала равна примерно 3-Ю» ¹¹ С. Длина холинорецептора в 5–6 раз превышает толщину мембраны, так что белок сильно торчит из нее наружу и внутрь клетки. Ацетилхолин, выброшенный одним пузырьком, открывает около 2 ООО каналов,

Какие синапсы лучше – электрические или химические?

Из нашего рассказа вы поняли, что электрические синапсы устроены просто, химические – несложней, тем более, что мы до сих пор разобрали только один из многих видов ХС – нервно-мышечный. Как же осуществляется разделение труда между этими двумя видами синапсов? Обычно в организме они используются в таких нервных цепях, где их свойства оказываются наиболее полезными.

Например, отличительной особенностью ЭС является быстродействие. Естественно, что ЭС находятся в тех цепях, которые обслуживают срочные реакции организма: отдергивание тела, отпрыгивание, убегание.

Например, у дождевых червей вдоль всего тела проходят гигантские «аксоны». Как видите, они не такие гигантские, как у кальмара, да и устроены они иначе. На самом деле это не аксон, т.е. не отросток одной клетки. Этот «аксон» состоит из множества цилиндрических кусочков. В каждом сегменте тела есть нервная клетка, которая отращивает такой кусочек; затем торцевые мембраны этих цилиндров соединяются коннексонами, так что получается кабель с перегородками, пронизанными каналами коннексонов. В результате импульс бежит по этому составному аксону как по обычному толстому нервному волокну. Эти волокна вызывают быстрое сокращение тела червя, обеспечивая реакции отдергивания от раздражителя или быстрого втягивания в норку. При химических синапсах эта реакция занимала бы несколько десятых долей секунды: ведь задержка между сегментами в ХС холоднокровного составляет несколько миллисекунд, а сегментов может быть несколько десятков и даже сотня; задержка на Э что отбрасывает рака назад, подальше от опасности. ЭС имеются в системах спасения бегством у некоторых медуз, моллюсков, рыб и других животных.

Вторая характерная особенность ЭС состоит в том, что они пропускают сигнал в обе стороны – они симметричны). Это может способствовать синхронизации, т.е., одновременности возбуждения нейронов* связанных ЭС. Такие синхронизирующие системы довольно распространены в живой природе. В простейшем случае они состоят всего из двух клеток; связь этих клеток через ЭС приводит к тому, что при возбуждении одного из нейронов практически одновременно возникает импульс и во втором. Например, у электрического сома такая система из двух нейронов обеспечивает одновременность разряда электрических органов обоих сторон тела. У другой рыбы, которая умеет, сокращая плавательный пузырь, издавать звуки, напоминающие кваканье все клетки, управляющие мышцами плавательного пузыря, связаны ЭС, что позволяет возбуждаться практически одновременно.

Электрические синапсы довольно «модны» у беспозвоночных и низших позвоночных. У высших позвоночных большинство синапсов – химические. Использование в организмах ХС связано с их характерной особенностью – преобразованием электрического сигнала в химический и обратно. В них одинаковые электрические импульсы могут вызывать выделение самых разных веществ-медиаторов; например, у кольчатых червей в нервно-мышечных синапсах используется тот же ацетилхолин, что и у позвоночных, а у членистоногих, которые произошли в ходе эволюции от кольчатых червей* используется в таких синапсах совсем другой медиатор – глутамат. С другой стороны, в ХС один и тот же медиатор, действуя на разные клетки-мишени, может открывать совершенно разные каналы. Например, ацетилхолин в одних случаях открывает чисто калиевые или чисто натриевые каналы в других – каналы, пропускающие и калий, и натрий, в третьих – каналы, пропускающие только хлор, и т.д. Поэтому ХС может выполнять более сложные функции, чем ЭС. Так, одно из самых важных явлений в нейрофизиологии – явление торможения – практически всегда осуществляется ХС),.

Химический синапс и торможение

Характеристики

Список файлов реферата