15.8B: Синапси

Координація клітинної діяльності у тварин зазвичай вважається залученням ендокринної системи (де відповідь на гормони: хімічні речовини, що виділяються в кров ендокринними залозами і переносяться кров'ю до відповідної клітини) та нервової системи (відповідь на електричні імпульси, що проходять від центральної нервової системи до м'язів і залоз). Однак насправді координація з боку нервової системи також хімічна. Більшість нейронів досягають свого ефекту, вивільняючи хімічні речовини, нейромедіатори, на приймальну клітину: інший нейрон («постсинаптичний» нейрон), м'язову клітину і клітинку залози. Отже, справжня відмінність між нервовою та ендокринною координацією полягає в тому, що нервова координація відбувається швидше і локалізовано. Нейромедіатори - це хімічні речовини, які діють паракринно.

З'єднання між аксонними терміналами нейрона і приймальною клітиною називається синапсом. Синапси у м'язових волокон також називаються нервово-м'язовими з'єднаннями або міоневральними переходами.

Малюнок 15.8.2.1: Синапси Нейрон, синаптична передача та нейромедіатори. У R.M. Julien, грунтовка дії наркотиків: всебічне керівництво по діям, застосуванню та побічним ефектам психоактивних препаратів (стор. 60-88). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: Worth Publishers. (CC-BY-SA-3.0; чистий).

• Потенціали дії рухаються вниз по аксону нейрона до його кінця (ів), терміналу (ів) аксона.
• Кожен термінал аксона роздутий, утворюючи синаптичну ручку.
• Синаптична ручка заповнена мембранно закритими бульбашками, що містять нейромедіатор.
• Надходження потенціалу дії на синаптичну ручку відкриває канали Ca ²⁺ в плазматичній мембрані.
• Приплив Са ²⁺ запускає екзоцитоз деяких бульбашок.
• Їх нейромедіатор вивільняється в синаптичну щілину.
• Молекули нейромедіатора зв'язуються з рецепторами на постсинаптичної мембрані.
• Ці рецептори являють собою ліганд-іонні канали.

Збуджуючі синапси

Нейромедіатор при збудливих синапсах деполяризує постсинаптичну мембрану (нейрона на цій діаграмі). Приклад: ацетилхолін (AH)

• Зв'язування ацетилхоліну з його рецепторами на постсинаптичної клітці відкриває ліганд-горовані натрієві канали.
• Вони дозволяють приплив іонів Na ⁺, знижуючи мембранний потенціал.
• Цей знижений мембранний потенціал називається збудливим постсинаптичним потенціалом або EPSP.
• Якщо деполяризація постсинаптичної мембрани досягає порогу, в постсинаптичної клітці генерується потенціал дії.

інгібуючі синапси

Нейромедіатор при інгібуючих синапсах гіперполяризує постсинаптичну мембрану. Приклад: гамма-аміномасляна кислота (ГАМК) при певних синапсах головного мозку.

Рецептор ГАМК _А - це ліганд-гований хлоридний канал. Зв'язування ГАМК з рецепторами збільшує приплив іонів хлориду (Cl ⁻) в постсинаптичну клітину, підвищуючи її мембранний потенціал і тим самим пригнічуючи його. (Нейромедіатор гліцин діє таким же чином на синапси спинного мозку та основи головного мозку.) Це швидка реакція - займає всього близько 1 мілісекунди. Зв'язування ГАМК з рецепторами ГАМК _В активує внутрішній білок G і «другий месенджер», що призводить до відкриття прилеглих калієвих (K ⁺) каналів. Як і слід було очікувати, це більш повільна реакція, яка займає до 1 секунди.

В обох випадках утворюється полегшена дифузія іонів (хлорид IN; калій OUT) збільшує мембранний потенціал (до цілих −80 мВ). Цей підвищений мембранний потенціал називається інгібуючим постсинаптичним потенціалом (IPSP), оскільки він протидіє будь-яким збуджуючим сигналам, які можуть надходити до цього нейрона. Здається, гіперполяризований нейрон має підвищений поріг. Власне, порогова напруга (близько −50 мВ) не змінилася. Це просто питання про те, чи може деполяризація, вироблена збудливими синапсами на клітці за вирахуванням гіперполяризуючого ефекту інгібіторних синапсів досягти цього значення чи ні.

Нейромедіатори

Ацетилхолін (AH)

Широко застосовується при синапсах в периферичній нервовій системі. Випускається на терміналах

• всі рухові нейрони активізують скелетні м'язи.
• всі прегангліонові нейрони вегетативної нервової системи.
• постгангліонові нейрони парасимпатичної гілки вегетативної нервової системи.

Також опосередковує передачу при деяких синапсах у мозку. До них відносяться синапси, що беруть участь в придбанні короткочасної пам'яті. Препарати, що підвищують рівень АЦГ - інгібітори ацетилхолінестерази - зараз використовуються у літніх пацієнтів з недостатньою пам'яттю (наприклад, у пацієнтів з хворобою Альцгеймера).

Нікотинові проти мускаринових ацетилхолінових рецепторів

АЧ діє на два різних типи рецепторів:

• Нікотинові рецептори
  • виявлені на нервово-м'язовому з'єднанні скелетних (тільки) м'язів
  • на постгангліоні нейрони парасимпатичної нервової системи
  • на багатьох нейронів мозку (наприклад, нейрони в гіпоталамусі, активація яких нікотином пригнічує апетит)
  • Нікотин - агоніст (звідси і назва)
  • Кураре - антагоніст (звідси і його здатність паралізувати скелетні м'язи)
• Мускаринові рецептори
  • Виявляється на нервово-м'язових з'єднаннях серцевих і гладких м'язів, а також на залозах і на постгангліонових нейронів симпатичної нервової системи.
  • Мускарин (токсин, що виробляється певними грибами) є агоністом.
  • Атропін є антагоністом (звідси його застосування при отруєнні ацетилхолінестеразою).

Амінокислоти

• Глутамінова кислота (Glu); використовується при збудливих синапсах центральної нервової системи (ЦНС). Необхідний для довгострокового потенціювання (LTP), форма пам'яті.
  Як і ГАМК, Glu діє на два типи синапсів ЦНС:
  • FAST (~1 мсек) з відкриттям Glu лігандних каналів Na ⁺;
  • SLOW (~ 1 сек) з Glu зв'язуванням з рецепторами рецепторів, пов'язаних з G-білком, які включають «другий месенджер» каскад біохімічних змін, які відкривають канали, що дозволяють Na ⁺ в клітину.
• Гамма-аміномасляна кислота (ГАМК); використовується при інгібуючих синапсах в ЦНС.
• Гліцин (Глі). Також застосовується при інгібуючих синапсах в ЦНС. Насправді, і ГАМК, і гліцин вивільняються разом при деяких інгібуючих синапсах.

катехоламіни

Синтезується з тирозину (Тир).

• Норадреналін (його ще називають норадреналіном). Вивільняється постгангліоническими нейронами симпатичної гілки вегетативної нервової системи. Також використовується при певних синапсах в ЦНС.
• Дофамін. Використовується при певних синапсах в ЦНС.

Інші моноаміни

• Серотонін (також відомий як 5-гідрокситриптамін або 5HT). Синтезується з триптофану (Trp).
• Гістамін

Обидва ці нейромедіатори обмежені синапсами в мозку. Однак серотонін також виділяється з дванадцятипалої кишки, де він діє паракринним чином, стимулюючи перистальтику кишечника, і як циркулюючий гормон, де він засвоюється тромбоцитами, а також пригнічує утворення кісток.

Пептиди

Вибір з 9 з 40 або більше пептидів, які, як підозрюється, служать нейромедіаторами в мозку. Перші шість також служать гормонами.

• вазопресин
• Окситоцин
• Соматостатин
• Гонадотропін-рилізинг гормон (ГнРГ)
• Ангіотензин II
• Холецистокінін (ССК)
• Речовина P
• Два енкефаліни
  • Мет-енкефалін (Тир-Глі-Глі-Фе-Мет)
  • Лей-енкефалін (Тир-Глі-Глі-Фе)

АТП

АТФ - ймовірно, разом з іншим нейромедіатором вивільняється при деяких синапсах в головному мозку.

синаптична пластичність

Більшість нейронів вивільняють один нейромедіатор на синапсах на своїх аксонових терміналах. Однак деякі винятки були знайдені.

• нейрони, які вивільняють один передавач на деяких своїх терміналах, інший на інших
• нейрони, які переходять з одного нейромедіатора на інший, коли стимул, що досягає їх, змінюється. Приклад: інтернейрони в гіпоталамусі щура, які вивільняють дофамін, коли щури піддаються короткоденним фотоперіодам (які подобаються цим нічним тваринам), але переходять на вивільнення соматостатину, коли щури піддаються тривалим дням (що їм не подобається).

Вимкнення синапсів

Після того, як його робота буде виконана, нейромедіатор потрібно видалити з синаптичної щілини, щоб підготувати синапс до приходу наступного потенціалу дії. Використовується два способи:

• Повторне захоплення. Нейромедіатор приймається назад в синаптичну ручку пресинаптичного нейрона активним транспортом. Всі нейромедіатори, крім ацетилхоліну, використовують цей метод.
• Ацетилхолін видаляється з синапсу шляхом ферментативного розпаду на неактивні фрагменти. Використовуваний фермент - ацетилхолінестераза.

  Нервові гази, що використовуються у війні (наприклад, зарин) та фосфорорганічні інсектициди (наприклад, паратіон), досягають свого ефекту шляхом інгібування ацетилхолінестерази, таким чином, дозволяючи ACH залишатися активним. Атропін використовується як протиотрута, оскільки він блокує мускаринові рецептори ACH.

Препарати і синапси

Багато препаратів, які змінюють психічний стан, досягають принаймні деяких своїх ефектів, діючи при синапсах.

ГАМК-рецептори

Рецептор ГАМК _А - це ліганд-гований хлоридний канал. Активація рецепторів збільшує приплив іонів хлориду (Cl ⁻) в постсинаптичну клітину, підвищуючи її мембранний потенціал і тим самим пригнічуючи його. Ряд препаратів зв'язується з рецептором _{ГАМК А}. Вони зв'язуються на ділянках, відмінних від місця, де GABA сам зв'язується, але збільшують міцність прив'язки ГАМК до свого сайту. Таким чином вони підсилюють інгібуючий ефект ГАМК в ЦНС. Ці препарати включають седативні засоби, такі як фенобарбітал і протитривожні препарати, такі як Valium, Librium, Halcion (всі члени групи під назвою бензодіазепіни). Зважаючи на їх спільну дію, не дивно, що вони діють адитивно; разом ці препарати можуть спричинити небезпечні передозування. Рекреаційний (і незаконний) препарат γ-гідроксибутират зв'язується з рецептором ГАМК _В.

катехоламінові синапси

Багато антидепресанти (так звані трициклічні антидепресанти, такі як амітриптилін ["Елавіл"]) перешкоджають зворотному захопленню норадреналіну та серотоніну зі своїх синапсів і тим самим посилюють їх дію при синапсі. Популярний антидепресант флуоксетин («Прозак»), схоже, блокує лише зворотне захоплення серотоніну.

Дофамінові синапси

Один клас дофамінових рецепторів пов'язаний такими препаратами, як хлорпромазин і галоперидол. Зв'язування цих препаратів призводить до посилення синтезу дофаміну при синапсі і полегшує деякі симптоми шизофренії.

Синапси, що блокують больові сигнали

Два енкефаліни вивільняються в синапсах на нейрони, що беруть участь у передачі больових сигналів назад в мозок. Енкефаліни гіперполяризують постсинаптичну мембрану, тим самим гальмуючи її від передачі цих больових сигналів. Здатність сприймати біль життєво необхідна. Однак, зіткнувшись з масивної, хронічної, трудноизлечимой болем, має сенс мати систему, яка знижує власну чутливість. Синапси енкефаліну забезпечують цю внутрішню знеболюючу систему.

Опіати, такі як героїн, морфін, кодеїн та метадон, пов'язують ці самі рецептори. Це робить їх відмінними знеболюючими. Однак вони також викликають сильну звикання.

• Зв'язуючись з рецепторами енкефаліну, вони підсилюють знеболюючі ефекти енкефалінів.
• Гомеостатичне зниження чутливості цих синапсів компенсує тривале вплив опіатів.
• Це виробляє толерантність, необхідність більш високих доз для досягнення попереднього ефекту.
• Якщо застосування препарату припиняється, то тепер відносно нечутливі синапси менш добре реагують на заспокійливу дію енкефалінів, і виробляються хворобливі симптоми відміни.

Електричні синапси

Електричні синапси є рідкісним винятком із загального правила, згідно з яким нейрони сигналізують іншим нейронам шляхом вивільнення хімічних нейромедіаторів. Деякі властивості електричних синапсів:

• Два нейрони з'єднані розривними переходами, простір між ними набагато менший (~ 2 нм), ніж у хімічних синапсів (~20 нм).
• У багатьох випадках передача потенціалів дії може проходити в будь-якому напрямку.
• Передача між нейронами відбувається в десять разів швидше, ніж в хімічних синапсах.
• Таким чином, електричні синапси можуть опосередковувати, наприклад, дуже швидку реакцію втечі раків, які стикаються з загрозою.
• Електричні синапси в ЦНС дозволяють групам інтернейронів стріляти разом.
• Вони містяться у хребетних (наприклад, у гіпокампі мозку), а також у безхребетних, таких як раки.