Физиология синапсов

1. Физиология синапсов

Медицинский университет
«Реавиз»
Физиология синапсов
Дралина О.И., кандидат медицинских наук, доцент
кафедры медико-биологических дисциплин

2. План

• Определение синапса. Виды синапсов.
• Строение химического синапса.
• Механизм передачи возбуждения в
химическом синапсе.
• Основные возбуждающие и тормозные
медиаторы.
• Особенности работы ионотропных и
метаботропных рецепторов.

3. Структурной и функциональной единицей нервной ткани является нервная клетка – нейрон

4. Нейроны образуют различные функциональные объединения

ядра
нервные ганглии (узлы)
нервные центры
рефлекторные дуги
колонки в коре мозга

5. Нейроны спинного мозга, мозжечка, гиппокампа и коры мозга

6. Синапс

• это структурно-функциональное
образование между двумя
возбудимыми клетками,
обеспечивающее передачу
возбуждения или торможения с
окончания нервного волокна на
иннервирующую клетку.

7. Синапс – место контакта нейронов, через которое импульсы передаются только в одном направлении

8. Клетка Пуркинье – рекордсмен по числу синаптических контактов

9. Классификация синапсов

1. По расположению (локализации):
центральные – находятся в пределах ЦНС, образованы
двумя нейронами (аксосоматические; аксодендритные;
соматодендритные и т.д.)
периферические делятся на:
мионевральные – контакт аксона нейрона и мышечного
волокна (нервно-мышечные),
нейроэпителиальные – контакт аксона нейрона и
секреторной клетки (нейро-секреторные; рецепторнонейрональные).
2. Функционально: тормозные и возбуждающие.
3. По механизму передачи возбуждения: электрические и
химические.
4. По типу медиатора: адренэргические; холинэргические;
ГАМК-эргические и т.д.

10. Типы синапсов

Аксодендритный
Аксоаксональный
Аксосоматический

11.

Типы синапсов

12.

• Особенность химических
синапсов заключается в том,
что передача возбуждения
осуществляется при помощи
особой группы химических
веществ – медиаторов.

13. Виды химических синапсов

• холинэргические (медиатор ацетилхолин);
• адренэргические (медиаторы – норадреналин,
адреналин);
• дофаминэргические (медиатор дофамин);
• гистаминэргические (медиатор гистамин);
• ГАМК-эргические (в них происходит передача
возбуждения при помощи
гаммааминомасляной кислоты, т.е. развивается
процесс торможения).

14. Строение химического синапса

• в синапсе различают три основных части:
пресинаптическая мембрана, синаптическая
щель и постсинаптическая мембрана

15.

• Пресинаптическая мембрана – это электрогенная
мембрана терминали (окончания) аксона, которая
образует синапс на иннервируемой клетке.
В терминали аксона содержится большое количество
пузырьков (везикул) и митохондрии. В везикулах
содержится медиатор.
В синапсе кроме основного медиатора, могут
выделяться сомедиатор(ы), которые обеспечивают
модуляцию выделения основного медиатора.
Наиболее распространенным медиатором является
ацетилхолин.
Митохондрии обеспечивают выработку АТФ,
который необходим для синаптической передачи
возбуждения или торможения.

16.

• В ряде синапсов на пресинаптической мембране
обнаружены специализированные белки,
обеспечивающие обратный захват (re-uptake)
медиатора.
• Система обратного захвата обеспечивает удаление
медиатора из синаптической щели после передачи
возбуждения или торможения в синапсе.
• С помощью транспортных белков происходит захват
медиатора из синаптической щели и его транспорт
через пресинаптическую мембрану в терминаль
аксона.
• Обнаружены транспортные белки, которые
обеспечивают обратный захват таких медиаторов, как
допамин, норадреналин, серотонин, глицин и ГАМК.

17.

• Синаптическая щель – это пространство
между пре- и постсинаптической мембраной
синапса.
• В различных синапсах ширина щели
колеблется от 20 до 50 мкм.
• Щелевидное пространство заполнено
жидкостью, которая по составу сходна с
плазмой крови. Через эту жидкость медиатор
диффундирует с пресинаптической мембраны
на постсинаптическую.

18.

• Постсинаптическая мембрана представляет собой
мембрану иннервируемой клетки, где образован
синапс. Имеет складчатое строение для увеличения
площади ее поверхности, что повышает надежность
передачи возбуждения или торможения.
• На постсинаптической мембране находится два вида
белков: рецепторы и ферменты.
• Рецепторы связаны с ионными каналами. При
взаимодействии рецептора с медиатором происходит
открытие каналов для определенных ионов, что
приводит к изменению заряда постсинаптической
мембраны.
• Ферменты на постсинаптической мембране
обеспечивают расщепление медиатора.

19. Механизм передачи возбуждения или торможения в синапсе

• Для синапса, находящегося в
состоянии относительного
физиологического покоя,
характерна фоновая
биоэлектрическая активность,
т.к. за счет хаотичного движения
везикул в терминали аксона,
случайно 1-2- везикулы в 1 мсек
подходят к пресинаптической
мембране, взаимодействуют с
ней, и их содержимое в виде
кванта медиатора (содержимое
одной везикулы – 1 квант
медиатора) поступает в
синаптическую щель.

20.

• Медиатор поступает на постсинаптическую
мембрану и взаимодействует с рецепторами.
• Происходит открытие небольшого числа ионных
каналов, повышение проницаемости
постсинаптической мембраны для ионов и
изменение ее заряда (миниатюрный потенциал).
• Величина миниатюрных потенциалов не достигает
критического уровня деполяризации, возбуждение
в синапсе не передаётся, но создаётся фоновая
активность.
• Это поддерживает готовность синапса к передаче
нервного импульса.

21.

• В возбуждающих синапсах потенциал действия на
пресинаптической мембране (нервный импульс)
вызывает открытие кальциевых каналов и поступление
ионов Са2+ в терминаль аксона.
• Поступление ионов Са2+ вызывает упорядоченное
движение везикул к пресинаптической мембране.
• Большое число
везикул сливается с
пресинаптической
мембраной,
освобождая
возбуждающий
медиатор в
синаптическую щель.

22.

• Возбуждающий медиатор диффундирует через
синаптическую щель на постсинаптическую мембрану, где
связывается с рецепторами.
• Связывание возбуждающего медиатора с рецепторами
приводит к открытию ионных каналов для ионов Na+,
которые поступают внутрь иннервируемой клетки, вызывая
деполяризацию постсинаптической мембраны –
формируется возбуждающий постсинаптический
потенциал (ВПСП).
• Когда величина ВПСП достигает критического уровня
деполяризации на мембране иннервируемой клетки,
возникает потенциал действия.
• Медиатор разрушается ферментами постсинаптической
мембраны или подвергается обратному захвату в
терминаль аксона, что приводит к освобождению
рецепторов, и синапс снова может проводить возбуждение.

23. Структура и механизм действия синапса

24.

• В тормозных синапсах потенциал действия на
пресинаптической мембране (нервный импульс)
вызывает открытие кальциевых каналов и
поступление ионов Са2+ в терминаль аксона.
• Поступление ионов Са2+ вызывает упорядоченное
движение везикул к пресинаптической мембране.
• Большое число везикул сливается с
пресинаптической мембраной, освобождая
тормозный медиатор в синаптическую щель.
• Тормозный медиатор диффундирует через
синаптическую щель на постсинаптическую
мембрану, где связывается с рецепторами.

25.

• Связывание тормозного медиатора с рецепторами
приводит к открытию ионных каналов для ионов K+
и/или Cl-, которые поступают внутрь иннервируемой
клетки, вызывая гиперполяризацию
постсинаптической мембраны – формируется
тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП).
• ТПСП затрудняет возникновение потенциала
действия в иннервируемой клетке.
• Медиатор разрушается ферментами
постсинаптической мембраны или подвергается
обратному захвату в терминаль аксона, что приводит
к освобождению рецепторов, и синапс снова может
вызывать торможение.

26.

Na+/K+
Ca2+
каналы
Cl –
каналы
Возбуждающий постсинаптический ток = ВПСТ
K+
каналы
Сl –
каналы
Тормозный постсинаптический ток = ТПСТ

27. Механизм химической передачи импульсов в межнейронном синапсе

28. Физиологические свойства химических синапсов

• Клапанное свойство синапсов – одностороннее
проведение возбуждения: синапс способен проводить
возбуждение только с пресинаптической мембраны
на постсинаптическую.
• Свойство синаптической задержки – проведение
возбуждения в синапсе требует времени, которое
необходимо на выделение и диффузию медиатора.
• Свойство потенциации (облегчения) – при действии
серии импульсов, каждое последующее возбуждение
передается в синапсе быстрее. Это свойство
обусловлено накоплением медиатора в
синаптической щели.

29.

• Свойство суммации возбуждения – при действии серии
подпороговых раздражителей происходит постепенное
накопление медиатора в синаптической щели, что приводит к
возбуждению постсинаптической мембраны.
• Низкая лабильность синапса – вследствие синаптической
задержки синапсы способны передавать небольшое
количество импульсов в единицу времени (100-150 имульсов
в секунду).
• Высокая утомляемость – процесс передачи возбуждения
сопровождается большими затратами энергии, поэтому при
действии частых раздражителей запасы АДФ истощаются и
развивается утомление.
• Свойство десенситизации – при действии сильных и частых
раздражителей медиатор накапливается в синаптической
щели, что приводит к снижению чувствительности к нему
рецепторов и синапс временно теряет способность
передавать возбуждение.

30. Пресинаптический компонент большинства синапсов является аксональным

31. Синапсы (1897, Чарльз Шеррингтон)

Электрические синапсы
Химические синапсы
Имеют узкую синаптическую щель
Имеют широкую синаптическую щель
Синаптическая задержка очень мала
(0,1 мс), что обеспечивает быстрое
проведение возбуждения
Большая синаптическая задержка (0,5
мс), что объясняет низкую скорость
проведения возбуждения
Проведение возбуждения в обе
стороны
Одностороннее проведение
возбуждения
Падение амплитуды сигнала
(отсутствие механизма усиления)
Усиление амплитуды сигнала
Отсутствие везикул
Наличие везикул с медиатором
(посредником, трансмиттером)
Возможность передачи небольших
молекул
Возможность коррекции с помощью
фармакологических препаратов

32.

Химические синапсы
В головном мозге человека
преобладают химические
синапсы.
Электрические синапсы

33.

34.

• Особенность электрических синапсов
заключается в том, что передача
возбуждения осуществляется при помощи
электрического тока.
• Электрическими
синапсами
называют
коннексусы или
щелевидные
контакты.
• Таких синапсов в
организме
обнаружено мало.

35. Медиатор

• это группа химических веществ,
которая принимает участие в
передаче возбуждения или
торможения в химических
синапсах с пресинаптической на
постсинаптическую мембрану.

36. Критерии, по которым вещество относят к группе медиаторов

• вещество должно выделяться на
пресинаптической мембране, терминали аксона;
• в структурах синапса должны существовать
ферменты, которые способствуют синтезу и
распаду медиатора, а также должны быть
рецепторы на постсинаптической мембране,
которые взаимодействуют с медиатором;
• вещество должно при очень низкой своей
концентрации передавать возбуждение с
пресинаптической мембраны на
постсинаптическую мембрану.

37. Классификация медиаторов

• химическая, основанная на
структуре медиатора;
• функциональная, основанная на
функции медиатора.

38. Химическая классификация

1. Сложные эфиры – ацетилхолин (АХ).
2. Биогенные амины:
– катехоламины (дофамин, норадреналин (НА),
адреналин (А));
– серотонин;
– гистамин.
3. Аминокислоты:
– гаммааминомасляная кислота (ГАМК);
– глютаминовая кислота;
– глицин;
– аргинин.

39.

4. Пептиды:
– опиоидные пептиды:
метэнкефалин; энкефалины; лейэнкефалины;
– вещество «P»;
– вазоактивный интестинальный пептид;
– соматостатин.
5. Пуриновые соединения: АТФ.
6. Вещества с минимальной молекулярной
массой:
– NO;
– CO.

40. Функциональная классификация

1. Возбуждающие медиаторы, вызывающие
деполяризацию постсинаптической мембраны
и образование возбуждающего
постсинаптического потенциала:
• – АХ;
• – глютаминовая кислота;
• – аспарагиновая кислота.
2. Тормозящие медиаторы

41.

2. Тормозящие медиаторы, вызывающие
гиперполяризацию постсинаптической
мембраны, после чего возникает тормозной
постсинаптический потенциал, который
генерирует процесс торможения:
– ГАМК;
– глицин;
– вещество «P»;
– дофамин;
– серотонин;
– АТФ.

42.

• Норадреналин,
изонорадреналин, адреналин,
гистамин являются как
тормозными, так и
возбуждающими медиаторами.

43. Ацетилхолин – первый открытый медиатор нервной системы

• 1914 г. - Дейл Г. (Англия)
опубликовал обзор по действию
ацетилхолина
• 1920 г. - Леви О. (Австрия)
показывает тормозное влияние
ацетилхолина на деятельность
сердца
• 1929 г. Дейл получает
ацетилхолин из селезенки и
показывает, что он выделяется
из кончиков нервов и в нервномышечных препаратах
• 1936 г. Дейл Г. и Леви О. –
Нобелевская премия за
открытие механизма
синаптической передачи

44. Рецепторы

• Ионотропные
Имеют сложный
субъединичный состав,
выполняют рецепторную и
каналообразующую
функции. При их
активации происходит
быстрое изменение
активности нейронов.
Примеры: глутаматные
рецепторы (NMDAрецепторы, AMPAрецепторы); ГАМК арецепторы; Нхолинорецепторы
• Метаботропные
Их функционирование
сопряжено с G-белками
мембраны. При их активации
включается каскад
биохимических механизмов с
участием вторичных
мессенджеров. Происходит
модуляция деятельности
различных белков (ионных
каналов, ферментативных).
Примеры: глутаматные
рецепторы (mGlu-R1,5; mGluR2,3); ГАМК β-рецепторы; Мхолинорецепторы;
дофаминовые, серотониновые
рецепторы

45. Схема работы ионного канала ионотропного рецептора

• СЛЕВА: ионный канал в закрытом состоянии до
принятия нейромедиатора.
• СПРАВА: ионный канал в закрытом состоянии после
принятия нейромедиатора.

46.

Типы ионных каналов

47. Вторичные посредники и протеинкиназный каскад

• Адреналин связывается с рецептором, который активирует
гетеротримерный G-белок. G-белок активирует
аденилатциклазу, которая превращает ATФ в цAMФ,
выполняющую роль вторичного посредника

48. Экзоцитоз в синапсе: передача сигнала от нейрона А к нейрону B

1. Митохондрия
2. Синаптическая везикула с
нейромедиатором
3. Ауторецептор
4. Синапс с выделенным
нейромедиатором.
5. Постсинаптический рецептор,
активируемый нейромедиатором
6. Кальциевый канал
7. Экзоцитоз везикулы
8. Рециркуляция нейромедиатора.

49. Белки экзоцитоза

синаптобревин
синаптотагмин
синапсин
синтаксин
SNAP
NSF
цитоскелет

50.

51. Метод patch clamp

• Метод локальной фиксации
потенциала, patch-clamp (англ.
Patch – фрагмент, clamp здесь –
фиксация) –
электрофизиологическая
методика для изучения свойств
ионных каналов.

52. Метод patch clamp

53. Благодарю за внимание !