Синаптическая передача. Специализированный контакт между нейронами или между нейронами и эффекторными клетками

1. Синаптическая передача

Введение
Синапс – это специализированный
контакт между нейронами или между
нейронами и эффекторными
клетками (мышечными,
железистыми), используемый для
передачи сигналов.
Понятие «синапс» было предложено
английским физиологом Чарльзом
Шеррингтоном в 1897 году.
В начале XX столетия существовало
две гипотезы, которые пытались
объяснить механизм передачи
сигнала через синапс – химическая и
электрическая.

2. Синаптическая передача

Электрическая гипотеза
Передача сигнала происходит благодаря
электрическому току, который протекает от мембраны
одного нейрона к мембране другого нейрона.
Существование электрических синапсов было
доказано в 1959 году физиологами из Гарвардского
университета – Фуршпаном и Поттером.

3. Синаптическая передача

Химическая гипотеза
Информация от одного нейрона к другому передается
с помощью нейротрансмиттеров (медиаторов).
Эта гипотеза была высказана и подтверждена
австрийским физиологом Отто Леви в 1921 году.
В нервной системе млекопитающих большая часть
контактов между нейронами имеет химическую
природу (Джон Экклз).

4. Синаптическая передача

1.
2.
3.
4.
5.
Рассмотрим следующие вопросы:
Какие бывают синапсы и как они устроены?
Каким образом синтезируются медиаторы?
Каким образом нервный импульс вызывает
высвобождение медиатора?
Каким образом медиатор действует на мембрану
другого нейрона?
Каким образом нейрон интегрирует информацию,
приходящую через тысячи синапсов, имеющихся на
его мембране?

5. Синаптическая передача

1. Классификация синапсов
По способу передачи сигналов
1.Электрические
2.Химические

6. Синаптическая передача

1. Электрические синапсы
Морфологическим субстратом
электрической связи являются
щелевые контакты.
Щелевые контакты образуются
коннексонами, которые дают
возможность протекания
электрического ионного тока между
нейронами.
Коннексоны образуются 6
специфическими белками –
коннексинами.
Два коннексона формируют один
канал - щелевой контакт.
Канал позволяет ионам напрямую
проходить из цитоплазмы одного
нейрона в цитоплазму другого
нейрона.

7. Синаптическая передача

Свойства щелевых
контактов:
1. Ионный ток через щелевые
контакты может проходить в
обоих направлениях.
2. Передача сигнала
происходит быстрее, чем в
химических синапсах.
3. Расстояние между
мембранами контактирующих
нейронов меньше, чем в
химических синапсах.

8. Синаптическая передача

Значение электрических контактов
1. Используются в тех областях мозга, где необходима
высокая синхронность в активности соседних нейронов.
2. Используются на ранних стадиях эмбрионального
развития для координации роста и созревания
близлежащих нейронов.
3. Используются для передачи возбуждения
между клетками в сердечной мышце,
между глиальными клетками,
между клетками печени
между некоторыми железистыми клетками.

9. Синаптическая передача

2. Химические синапсы
Свойства:
1. Синаптическая щель
примерно в 10 раз толще,
чем в электрическом
синапсе.
2. Передача сигнала
происходит медленнее, чем в
электрических синапсах.
3. Сигнал передается только в
одном направлении – от
пресинаптической мембраны
к постсинаптической
мембране.

10. Синаптическая передача

Механизм синаптической передачи в химических
синапсах
Передача сигнала в химических синапсах происходит
с помощью нейротрансмиттеров
Нейротрансмиттеры (медиаторы) – это
химические вещества, с помощью которых
передается сигнал через синапс.

11. Классификация медиаторов

Аминокислоты
Амины
Пептиды
Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)
Глутамат
Глицин
Ацетилхолин
Дофамин
Адреналин
Норадреналин
Серотонин
Гистамин
Энкефалины
Эндорфины
Вещество Р
Соматостатин

12. Синаптическая передача

1.
2.
Медиаторы аминокислоты и амины содержаться в
везикулах, а медиаторы пептиды – в секреторных
гранулах.
Очень часто в синаптических окончаниях находятся и
везикулы, и секреторные гранулы.
Разные нейроны используют разные медиаторы.
нейроны, расположенные в ЦНС, чаще всего используют
три медиатора – глутамат, ГАМК и глицин;
в нервно-мышечных синапсах используется
ацетилхолин.

13. Синаптическая передача

Синтез и хранение медиаторов
Различные медиаторы синтезируются разными
способами.
Медиаторы аминокислоты и амины синтезируются в
аксонном окончании с помощью ферментов из
химических предшественников. Далее они
переносятся в везикулы с помощью белковпереносчиков, встроенных в мембрану везикул.
Медиаторы пептиды синтезируются в комплексе
Гольджи, который формирует секреторные гранулы.
Секреторные гранулы с пептидами транспортируются
по аксону к аксонному окончанию.

14.

15. Синаптическая передача

Высвобождение медиатора
Медиатор высвобождается в
синаптическую щель в результате
прихода ПД в аксонное окончание.
ПД деполяризует мембрану
аксонного окончания, в результате
чего на ней открываются Ca2+
специфические каналы.
Ионы Ca2+ по градиенту
концентрации поступают в аксонное
окончание,
Вход ионов Ca2+ запускает процесс
высвобождения медиатора в
синаптическую щель.

16. Синаптическая передача

Высвобождение медиатора
Везикулы высвобождают
медиаторы в синаптическую
щель с помощью экзоцитоза.
Мембрана везикулы
встраивается в
пресинаптическую мембрану и
высвобождает свое содержимое
в синаптическую щель.
Скорость экзоцитоза очень
высокая – менее 0,2 мсек.

17. Синаптическая передача

С помощью эндоцитоза из
пресинаптической мембраны
формируется новая везикула,
которая вновь заполнятся
медиатором.
Во время длительной работы
синапса для высвобождения
медиатора используются везикулы из
резервного фонда, которые
перемещаются к пресинаптической
мембране под воздействием входа
ионов Ca2+ в аксонное окончание.

18. Синаптическая передача

Особенности высвобождения
медиаторов пептидов:
1. также высвобождаются в
виде экзоцитоза,
2. скорость высвобождения
низкая (более 50 мсек),
3. начинают выделяться в
синаптическую щель в ответ
на приход в синаптическое
окончание не одного, а
большого количества ПД.

19. Синаптическая передача

Постсинаптические рецепторы
Медиаторы, высвободившиеся в
синаптическую щель, воздействуют
на специфические рецепторы,
которые встроены в
постсинаптическую мембрану.
Взаимодействие медиатора и
рецептора приводит к изменению
конфигурации последнего.
Существует более 100 видов
рецепторов, но их можно поделить
на два типа:
ионотропные рецепторы;
метаботропные рецепторы

20. Синаптическая передача

Ионотропные рецепторы
Ионотропные рецепторы –
это ионные каналы, которые
открываются в результате
воздействия на них медиаторов.
Медиатор присоединяется к
специфическому месту на
внешней стороне рецептора, что
вызывает изменение
конфигурации рецептора на
несколько миллисекунд, в
течение которого через ионный
канал могут течь ионы.

21. Синаптическая передача

Ионотропные рецепторы
различаются
1. по виду медиаторов, на
которые они реагируют
(например, ацетилхолиновые
рецепторы взаимодействуют
только с медиатором
ацетилхолином).
2. по проницаемости для разных
видов ионов (например, есть
рецепторы, которые
проницаемы только для ионов
Na+).

22. Синаптическая передача

Если ионотропные рецепторы проницаемы для ионов
Na+, то в ответ на их открытие на постсинаптической
мембране развивается деполяризация –
возбуждающий постсинаптический потенциал
(ВПСП).
Если ионотропные рецепторы проницаемы для ионов
Cl-, то в ответ на их открытие на постсинаптической
мембране развивается гиперполяризация –
тормозящий постсинаптический потенциал
(ТПСП).
Разные медиаторы вызывают различные эффекты.
Например, глутамат и ацетилхолин вызывают ВПСП,
а ГАМК и глицин вызывают ТПСП.

23. Синаптическая передача

Метаботропные рецепторы
Метаботропные рецепторы непосредственно не связаны с
ионными каналами.
Они приводят к открытию ионных каналов опосредовано.

24.

Процесс работы метаботропных рецепторов включает три этапа:
1. медиатор соединяется с метаботропным рецептором,
встроенным в постсинаптическую мембрану;
2. метаботропный рецептор активирует G-белок, который
начинает перемещаться по внутренней стороне мембраны;
3. G-белок активирует «эффекторный белок» (например,
ионный канал).

25.

Эффекторный белок может быть двух типов:
1. ионный канал, который открывается на несколько миллисекунд в
ответ на действие G-белка;
2. фермент, который синтезирует молекулу – вторичный
посредник, который может запустить процесс изменения
свойств мембраны (в частности ионных каналов) или
воздействовать на метаболизм клетки.

26. Синаптическая передача

Свойства метаботропных рецепторов:
1. медленная скорость ответа,
2. более длительное действие на клетку,
3. более разнообразные эффекты.

27. Синаптическая передача

Зависимость эффекта действия медиатора от свойств
постсинаптической мембраны
Один и тот же медиатор может вызывать разные эффекты на
постсинаптической мембране. Это зависит от свойств рецепторов
на мембране.
Например, ацетилхолин вызывает возбуждение скелетной
мускулатуры и, наоборот, торможение сердечной мышцы.
Объяснение:
Мембрана мышечных клеток сердца содержит метаботропные
рецепторы, которые в ответ на действие ацетилхолина открывают
калиевые ионные каналы, что вызывает эффект гиперполяризации
мембраны (ТПСП).
Мембрана клеток скелетной мускулатуры содержит ионотропные
рецепторы, которые в ответ на действие ацетилхолина начинают
пропускать ионы Na+, что вызывает эффект деполяризации
мембраны (ВПСП).

28. Синаптическая передача

Восстановление и разрушение медиаторов
После взаимодействия с рецепторами мембраны происходит
процесс удаления медиатора с поверхности рецепторов и
восстановление ее начальных свойств.
Есть несколько путей удаления медиатора:
1. освобождения медиатора и выход его из синаптической щели в
межклеточную жидкость;
2. обратная диффузия медиатора в синаптическое окончание (с
помощью специфических переносчиков) или в глиальные
клетки;
3. разрушение медиатора с помощью специфических ферментов
(например, ацетилхолин разрушается с помощью фермента
ацетилхолинэстеразы).

29. Синаптическая передача

Действие ядов на синапсы
Разнообразные яды и наркотики могут нарушать различные
этапы синаптической передачи.
Ботулизм вызывается бактериями Clostridium botulinium,
которые вырабатывают вещество, которое блокирует выброс
медиатора в синаптическую щель.
Яд паука черная вдова также нарушает выброс медиатора в
синаптическую щель.
Яд кураре, а также яд кобры содержит молекулы, которые
присоединяются к ацетилхолиновым рецепторам (в течение
примерно 24 часов), предотвращая их активацию с помощью
ацетилхолина.
Также есть вещества, которые имитируют действие медиаторов.
Например, никотин активирует ацетилхолиновые рецепторы в
мышечных клетках.

30. Синаптическая передача

Принципы синаптической интеграции
Синаптическая интеграция – это процесс
суммации большого количества
синаптических потенциалов в пределах
одного постсинаптического нейрона.

31. Синаптическая передача

Суммация ВПСП
Отдельные ВПСП могут суммироваться.
Суммация ВПСП является самой простой формой
синаптической интеграции в ЦНС.
Существует пространственная и временная
суммация.

32.

Пространственная
суммация – это
суммирование
нескольких ВПСП,
одновременно
возникающих в
различных синапсах
на дендрите
нейрона.
Временная
суммация –
суммирование
нескольких ВПСП,
возникающих в
одном синапсе, если
они следуют друг за
другом с малыми
интервалами
времени (от 1 до 15
мсек).

33. Синаптическая передача

Суммация ВПСП
1.
2.
3.
Генерация ПД в аксоном холмике зависит от
нескольких факторов:
число одновременно возбужденных синапсов на
дендрите;
расстояние от синапса до аксонного холмика;
свойства мембраны дендрита (наличие
потенциалзависимых каналов и их количества).

34. Синаптическая передача

Торможение (ингибирование)
Кроме возбуждающих синапсов в нервной
системе существуют тормозные синапсы.
В тормозных синапсах используются в
основном два медиатора – ГАМК и глицин.
Взаимодействие этих медиаторов с
постсинаптическими рецепторами приводит к
открытию хлорных специфических каналов.
Вход ионов Cl- в нейрон приводит к
гиперполяризации постсинаптической
мембраны.

35.

Если на дендрите одновременно начинают активироваться и
возбуждающий, и тормозной синапс, то происходит блокирование
передачи возбуждения с дендрита на аксонный холмик.

36. Синаптическая передача

Тормозные синапсы могут находиться не
только на мембране дендритов, но и на теле
нейрона, в частности, вблизи аксонного
холмика, где их тормозной (блокирующий)
эффект проявляется особенно сильно.
Вывод: таким образом, тормозные синапсы
вносят специфический вклад в
синаптическую интеграцию. Возбуждение
тормозных синапсов уменьшает эффект
действия возбуждающих синапсов, приводя к
уменьшению вероятности генерации ПД в
аксонном холмике нейрона.

37. Синаптическая передача

Модуляция
Кроме классических синапсов существуют
модулирующие синапсы.
В модулирующих синапсах активация
постсинаптических рецепторов не приводит к
появлению ТПСП или ВПСП, но может изменять
эффективность работы классических синапсов.
Такой тип синаптической передачи называется
модулирующей.
В модулирующих синапсах на постсинаптической
мембране находятся метаботропные рецепторы,
которые в ответ на действие медиатора запускают
каскад биохимических реакций в нейроне.

38. Синаптическая передача

Дивергенция и конвергенция в нейротрансмиттерных
системах
Медиатор может иметь множественные эффекты.
Например, глутамат может воздействовать на разные глутаматрецепторы на постсинаптической мембране, которые вызывают
разные эффекты.
Дивергенция – это способность медиатора активировать разные
типы рецепторов и вызывать разные типы постсинаптических ответов.
Все известные медиаторы удовлетворяют принципу дивергенции.
Рецептор 1
медиатор
Медиатор
Рецептор 2
Рецептор 3
Эффектор 1
Эффектор 2
Эффектор 3

39. Синаптическая передача

Дивергенция и конвергенция в нейротрансмиттерных
системах
Один медиатор может воздействовать на различные нейроны (или даже
на различные части одного нейрона) разными способами, в зависимости
от того, какие рецепторы находятся на постсинаптической мембране.
Дивергенция может наблюдаться не только на уровне рецепторов, но и
на уровне эффекторов. Рецептор может активировать разные G-белки,
что приводит к разным эффектам.
Рецептор 1
медиатор
Медиатор
Рецептор 2
Рецептор 3
Эффектор 1
Эффектор 2
Эффектор 3

40. Синаптическая передача

На уровне медиаторов также наблюдается
эффект конвергенции.
Различные медиаторы, активируя свои
собственные типы рецепторов, могут
вызывать один и тот же эффект в нейроне.
Медиатор 1
Рецептор 1
Медиатор 2
Рецептор 2
Медиатор 3
Рецептор 3
Эффектор

41. Синаптическая передача

Нейроны интегрируют дивергентные и конвергентные
системы, в результате чего возникает сложная схема
химических эффектов.
Эффектор 1
Медиатор 1
Рецептор 1
Эффектор 2
Рецептор 2
Эффектор 3
Эффектор 4
Медиатор 2
Рецептор 3
Эффектор 5