Химическият синапс е
Химическият синапсе специален тип междуклетъчен контакт между неврон и целева клетка. В този тип синапс ролята на медиатор (медиатор) на предаването се изпълнява от химическо вещество.
Състои се от три основни части: нервно окончание спресинаптична мембрана,постсинаптична мембранана целевата клетка исинаптична междинамежду тях.
Съдържание
Структура на химичен синапс
По-голямата част от синапсите в нервната система на животинското царство са химически синапси. Те се характеризират с наличието на няколко общи черти, въпреки че размерът и формата на пре- и постсинаптичните компоненти варират много широко. Синапсите в мозъчната кора на бозайниците имат претерминални аксони с дебелина около 100 нанометра и пресинаптични пъпки със среден диаметър около 1 микрометър.
Пресинаптичната везикуласъдържа множество синаптични везикули, съдържащи невротрансмитера. Техният еднакъв размер във всички изследвани синапси (40-50 нанометра) първо се счита за доказателство, че всяка везикула е минималният клъстер, чието освобождаване е необходимо за получаване на синаптичен сигнал. Везикулите са разположени срещу пресинаптичната мембрана, което се дължи на тяхната функционална цел за освобождаване на медиатора в синаптичната цепнатина. Също така пресинаптичната везикула има голям брой митохондрии (произвеждащи аденозин трифосфат) и подредени структури от протеинови влакна.
Синаптичната цепнатинае пространство с ширина от 20 до 30 нанометра между пресинаптичната везикула и постсинаптичната мембрана, което съдържа пре- и постсинапсни свързващи структури, изградени от протеогликан. Ширината на синаптичната цепнатина във всякаВ отделен случай това се дължи на факта, че медиаторът, извлечен от пресинапса, трябва да премине към постсинапса за време, което е значително по-малко от честотата на нервните сигнали, характерни за невроните, образуващи синапс (времето, необходимо на медиатора да премине от пресинаптичната мембрана към постсинаптичната мембрана е от порядъка на няколко микросекунди).
Постсинаптичната мембранапринадлежи към клетката, която получава нервните импулси. Механизмът за преобразуване на химическия сигнал на медиатора в електрически потенциал на действие върху тази клетка са рецептори - протеинови макромолекули, вградени в постсинаптичната мембрана.
С помощта на специални ултрамикроскопични техники през последните години беше получено доста голямо количество информация за подробната структура на синапсите.
Така беше открита подредена структура от кратеровидни вдлъбнатини с диаметър 10 нанометра, притиснати навътре, които перфорират пресинаптичната мембрана. Първоначално те се наричаха синаптопори, но сега тези структури се наричат места за прикрепване на везикули (VSP). Съдовете са подредени в подредени групи от шест отделни вдлъбнатини около така наречените уплътнени издатини. По този начин уплътнените изпъкналости образуват правилни триъгълни структури от вътрешната страна на пресинаптичната мембрана, докато SSV са шестоъгълни и са местата, където везикулите се отварят и изхвърлят невротрансмитера в синаптичната цепнатина.
Механизъм на предаване на нервните импулси
Пристигането на електрически импулс към пресинаптичната везикула задейства процеса на синаптично предаване, чийто първи етап е навлизането на Ca 2+ йони отвън към пресинапса през специализирани калциеви канали, разположени близо до синаптичната цепнатина. Ca 2+ активира претъпкани везикули по напълно неизвестен механизъм.в MPV и освобождават невротрансмитера в синаптичната цепнатина. Ca 2+ йони, след като активират везикулите с медиатор, незабавно (от порядъка на няколко микросекунди) се деактивират поради отлагане в митохондриите и пресинапсните везикули.
Освободените от пресинапса медиаторни молекули се свързват с рецепторите на постсинаптичната мембрана, в резултат на което се отварят йонни канали в рецепторните макромолекули (при каналните рецептори, които са най-често срещаният тип; когато работят други видове рецептори, механизмът на предаване на сигнала е различен). Йоните, които започват да навлизат в постсинаптичната клетка през отворени канали, променят заряда на нейната мембрана, което води до частична деполяризация на мембраната и в резултат на това провокира генерирането на постсинаптичната клетка на потенциала за действие (в случай на излагане на постсинаптичната клетка на възбудителни синапси) или до хиперполяризация на мембраната и по този начин блокира генерирането на потенциал за действие (в случай на излагане на инхибиторни синапси).
Квантово-везикуларна хипотеза
Популярна доскоро като обяснение за механизма на освобождаване на невротрансмитер от пресинапса, хипотезата за квантово-везикуларна екзоцитоза (QVE) предполага, че "пакет" или квант от медиатора се съдържа в една везикула и се освобождава по време на екзоцитоза (в този случай мембраната на везикула се слива с клетъчната пресинаптична мембрана). Тази теория е преобладаващата хипотеза за дълго време - въпреки факта, че няма връзка между нивото на освобождаване на невротрансмитери (или постсинаптичните потенциали) и броя на везикулите в пресинапса [1] . В допълнение, CBE хипотезата има и други съществени недостатъци.
Физиологичната основа на точно квантуваното освобождаване на медиаторатрябва да има еднакво количество от този медиатор във всяка везикула. Хипотезата за TBE в нейната класическа форма не е подходяща за описание на ефектите на кванти с различни размери (или различни количества медиатор), които могат да бъдат освободени по време на един акт на екзоцитоза. В този случай трябва да се има предвид, че в една и съща пресинаптична пъпка могат да се наблюдават везикули с различни размери; освен това не е открита връзка между размера на везикулата и количеството на медиатора в нея (т.е. концентрацията му във везикулите също може да бъде различна). Освен това, в денервираната нервно-мускулна връзка (или нервно-мускулния синапс), Швановите клетки генерират повече миниатюрни постсинаптични потенциали, отколкото се наблюдават в синапса преди денервацията, въпреки пълната липса на пресинаптични везикули в тези клетки, локализирани в областта на пресинаптичния бутон [2] .
Хипотезата за пороцитоза
Има значителни експериментални доказателства, че невротрансмитерът се секретира в синаптичната цепнатина поради синхронно активиране на хексагонални MPV групи (виж по-горе) и везикули, прикрепени към тях [3], което стана основа за формулиране на хипотезата запороцитоза(англ.porocytosis). Тази хипотеза се основава на наблюдението, че везикулите, прикрепени към SSV, се свиват синхронно при получаване на потенциал за действие и в същото време отделят същото количество от медиатора в синаптичната цепнатина всеки път, освобождавайки само част от съдържанието на всяка от шестте везикули. Самият термин пороцитоза идва от гръцките думиporo(което означава пори) иcytosis(описва транспорта на химически вещества през плазмената мембрана на клетката).
Повечето от експерименталните данни за функционирането на моносинаптичните междуклетъчни връзкиполучени от изследвания на изолирани невромускулни връзки. Както в междуневронните синапси, в нервно-мускулните синапси на MPV се образуват подредени шестоъгълни структури [4] . Всяка от тези шестоъгълни структури може да се определи като "синаптомер" - тоест структура, която е елементарната единица в процеса на секреция на невротрансмитери. Синаптомерът съдържа, в допълнение към действителните вдлъбнатини на порите, протеинови нишковидни структури, съдържащи линейно подредени везикули; съществуването на подобни структури е доказано и за синапсите в централната нервна система (ЦНС).
Както бе споменато по-горе, пороцитният механизъм генерира квант на невротрансмитер, но без мембраната на отделната везикула да се слее напълно с пресинаптичната мембрана. Малкият коефициент на вариация ( [5] , всеки от които секретира един трансмитер квант в отговор на един потенциал на действие [6] . 200 места на освобождаване (т.е. синаптомерите, които освобождават медиатора), открити върху малко мускулно влакно, ни позволява да изчислим максималната квантова граница, равна на една освобождаваща област на микрометър дължина на синаптичния контакт [7] , това наблюдение изключва възможността за съществуване на невротрансмитерни кванти, осигуряващи повече предаване на сигнал в обема на един везикул ly.
Сравнение на пороцитозата и квантово-везикуларната хипотеза
Сравнението на наскоро приетата хипотеза за TBE с хипотезата за пороцитоза може да се извърши чрез сравняване на теоретичния коефициент на вариация с експерименталния, изчислен за амплитудите на постсинаптичните електрически потенциали, генерирани в отговор на всяко отделно освобождаване на невротрансмитер от пресинапса. Ако приемем, че процесът на екзоцитоза протича в малък синапс, който съдържа около 5000 везикули (50 за всеки микрон дължинасинапс), постсинаптичните потенциали трябва да бъдат генерирани от 50 произволно избрани везикули, което дава теоретичен коефициент на вариация от 14%. Тази стойност е приблизително 5 пъти по-голяма от коефициента на вариация на постсинаптичните потенциали, получени в експерименти, по този начин може да се твърди, че процесът на екзоцитоза в синапса не е случаен (не съвпада с разпределението на Поасон) - което е невъзможно, ако се обясни в рамките на хипотезата за TBE, но е напълно в съответствие с хипотезата за пороцитозата. Факт е, че хипотезата за пороцитоза предполага, че всички везикули, свързани с пресинаптичната мембрана, изхвърлят медиатора едновременно; в същото време постоянното количество медиатор, освободено в синаптичната цепнатина в отговор на всеки потенциал на действие (стабилността се доказва от малкия коефициент на вариация на постсинаптичните отговори), може да се обясни с освобождаването на малък обем медиатор от голям брой везикули - освен това, колкото повече везикули участват в процеса, толкова по-нисък става коефициентът на корелация, въпреки че това изглежда донякъде парадоксално от гледна точка на математическа статистика.
Класификация
Химическите синапси могат да бъдат класифицирани според тяхното местоположение и принадлежност към съответните структури:
- периферен
- нервно-мускулна
- невросекреторна (аксовазална)
- рецепторно-невронен
В зависимост от медиатора синапсите се делят на
- аминергични, съдържащи биогенни амини (например серотонин, допамин);
- включително адренергични, съдържащи адреналин или норепинефрин;
В същото време в синапса не винаги се произвежда само един медиатор. Обикновено основният медиатор се изхвърля заедно с друг, който играе ролята на модулатор.
По знак за действие:
Ако първите допринасят за появата на възбуждане в постсинаптичната клетка, тогава вторите, напротив, спират или предотвратяват появата му. Обикновено инхибиторни са глицинергични (медиатор - глицин) и GABAergic синапси (медиатор - гама-аминомаслена киселина).
Някои синапси имат постсинаптично уплътняване, зона с електронна плътност, съставена от протеини. Според наличието или липсата му се разграничават асиметрични и симетрични синапси. Известно е, че всички глутаматергични синапси са асиметрични, докато GABAergic синапси са симетрични.
В случаите, когато няколко синаптични разширения влизат в контакт с постсинаптичната мембрана, се образуват множество синапси.
Бодловидни апарати, в които къси единични или множество издатини на постсинаптичната мембрана на дендрита са в контакт със синаптичното разширение, са специални форми на синапси. Бодливият апарат значително увеличава броя на синаптичните контакти на неврона и, следователно, количеството обработена информация. „Нешиповидните“ синапси се наричат „сесилни“. Например, всички GABAergic синапси са сесилни.