Химический синапс - Chemical synapse

Художественная интерпретация основных элементов химической синаптической передачи. Электрохимическая волна называется потенциалом действия распространяется вдоль аксона в виде нейрона . Когда потенциал действия достигает пресинаптического конца, он вызывает высвобождение синаптического пузырька, секретируя его кванты молекул нейромедиатора . Нейромедиатор связывается с молекулами химического рецептора, расположенными в мембране другого нейрона, постсинаптического нейрона, на противоположной стороне синаптической щели.

Химические синапсы - это биологические соединения, через которые сигналы нейронов могут передаваться друг другу и ненейронным клеткам, например, в мышцах или железах . Химические синапсы позволяют нейронам образовывать цепи в центральной нервной системе . Они имеют решающее значение для биологических вычислений, лежащих в основе восприятия и мышления. Они позволяют нервной системе подключаться к другим системам тела и контролировать их.

В химическом синапсе один нейрон выпускает молекулы нейротрансмиттера в небольшое пространство ( синаптическую щель ), прилегающее к другому нейрону. Нейромедиаторы содержатся в небольших мешочках, называемых синаптическими пузырьками , и высвобождаются в синаптическую щель посредством экзоцитоза . Затем эти молекулы связываются с рецепторами нейромедиаторов на постсинаптической клетке. Наконец, нейротрансмиттеры выводятся из синапса посредством одного из нескольких потенциальных механизмов, включая ферментативную деградацию или повторное поглощение специфическими переносчиками либо на пресинаптической клетке, либо на какой-либо другой нейроглии, чтобы прекратить действие нейротрансмиттера.

По оценкам, мозг взрослого человека содержит от 10 14 до 5 × 10 14 (100–500 триллионов) синапсов. Каждый кубический миллиметр коры головного мозга содержит их примерно миллиард ( вкратце , то есть 10 9 ). Количество синапсов в коре головного мозга человека по отдельности оценивается в 0,15 квадриллиона (150 триллионов).

Слово «синапс» было введено сэром Чарльзом Скоттом Шеррингтоном в 1897 году. Химические синапсы - не единственный тип биологических синапсов: электрические и иммунологические синапсы также существуют. Однако без уточнения термин «синапс» обычно относится к химическому синапсу.

Состав

Структура типичного химического синапса
Различать до и после синапса
«Соединение, связывающее нейрон с нейроном, - это синапс. Сигнал течет
в одном направлении, от пресинаптического нейрона к постсинаптическому нейрону
через синапс, который действует как переменный аттенюатор». Вкратце,
направление потока сигнала определяет префикс задействованных
синапсов.

Синапсы - это функциональные связи между нейронами или между нейронами и другими типами клеток. Типичный нейрон дает начало нескольким тысячам синапсов, хотя есть некоторые типы, которые образуют гораздо меньше. Большинство синапсов соединяют аксоны с дендритами , но есть и другие типы соединений, включая аксон-к-телу, аксон-аксон и дендрит-дендрит . Синапсы, как правило, слишком малы, чтобы их можно было распознать с помощью светового микроскопа, за исключением точек, где мембраны двух клеток, кажется, соприкасаются, но их клеточные элементы можно четко визуализировать с помощью электронного микроскопа .

Химические синапсы направленно передают информацию от пресинаптической клетки к постсинаптической клетке и поэтому асимметричны по структуре и функциям. Пресинаптического аксона терминал или синаптическойбутон - это специализированная область в аксоне пресинаптической клетки, которая содержит нейротрансмиттеры, заключенные в небольшие мембраносвязанные сферы, называемые синаптическими пузырьками (а также ряд других поддерживающих структур и органелл, таких как митохондрии и эндоплазматический ретикулум ). Синаптические везикулы состыкованы с пресинаптической плазматической мембраной в областях, называемых активными зонами .

Сразу напротив находится область постсинаптической клетки, содержащая рецепторы нейротрансмиттеров ; для синапсов между двумя нейронами постсинаптическая область может находиться на дендритах или теле клетки. Сразу за постсинаптической мембраной находится сложный комплекс взаимосвязанных белков, называемый постсинаптической плотностью (PSD).

Белки в PSD участвуют в закреплении и транспортировке рецепторов нейротрансмиттеров, а также в модуляции активности этих рецепторов. Рецепторы и PSD часто находятся в специализированных выступах от главного дендритного вала, называемых дендритными шипами .

Синапсы можно описать как симметричные или асимметричные. При исследовании под электронным микроскопом асимметричные синапсы характеризуются округлыми пузырьками в пресинаптической клетке и заметной постсинаптической плотностью. Асимметричные синапсы обычно возбуждающие. Симметричные синапсы, напротив, имеют уплощенные или удлиненные пузырьки и не содержат заметной постсинаптической плотности. Симметричные синапсы обычно тормозят.

Синаптическая щель -также называется синаптической щели - зазор между пре- и постсинаптических клеток , что составляет около 20 нм (0,02 мкм) в ширину. Небольшой объем щели позволяет быстро повышать и понижать концентрацию нейромедиаторов.

Autapse представляет собой химические (или электрические) синапсы образуются , когда аксон одного нейрона синапсов с его собственными дендритами.

Передача сигналов в химических синапсах

Обзор

Вот краткое изложение последовательности событий, которые происходят при синаптической передаче от пресинаптического нейрона к постсинаптической клетке. Ниже каждый шаг описан более подробно. Обратите внимание, что за исключением последнего шага, весь процесс может длиться всего несколько сотен микросекунд в самых быстрых синапсах.

  1. Процесс начинается с волны электрохимического возбуждения, называемой потенциалом действия, которая движется вдоль мембраны пресинаптической клетки, пока не достигает синапса.
  2. Электрическая деполяризация мембраны в синапсе вызывает открытие каналов, проницаемых для ионов кальция.
  3. Ионы кальция проходят через пресинаптическую мембрану, быстро увеличивая концентрацию кальция внутри.
  4. Высокая концентрация кальция активирует набор чувствительных к кальцию белков, прикрепленных к везикулам, которые содержат химический нейромедиатор .
  5. Эти белки изменяют форму, заставляя мембраны некоторых «пристыкованных» везикул сливаться с мембраной пресинаптической клетки, тем самым открывая везикулы и сбрасывая содержимое их нейромедиатора в синаптическую щель, узкое пространство между мембранами пре- и постсинаптической клетки. клетки.
  6. Нейромедиатор диффундирует в щель. Часть его ускользает, но часть связывается с химическими рецепторными молекулами, расположенными на мембране постсинаптической клетки.
  7. Связывание нейромедиатора заставляет молекулу рецептора каким-то образом активироваться . Возможны несколько типов активации, которые более подробно описаны ниже. В любом случае, это ключевой шаг, с помощью которого синаптический процесс влияет на поведение постсинаптической клетки.
  8. Из-за тепловой вибрации , движения атомов, колеблющихся относительно своего положения равновесия в кристаллическом твердом теле, молекулы нейротрансмиттеров в конечном итоге отрываются от рецепторов и уносятся прочь.
  9. Нейромедиатор либо реабсорбируется пресинаптической клеткой, а затем переупаковывается для будущего высвобождения, либо метаболически расщепляется.

Выпуск нейротрансмиттера

Высвобождение нейротрансмиттера происходит на конце аксональных ветвей.

Высвобождение нейротрансмиттера запускается приходом нервного импульса (или потенциала действия ) и происходит в результате необычно быстрого процесса клеточной секреции ( экзоцитоза ). Внутри пресинаптического нервного окончания везикулы, содержащие нейромедиатор, локализуются рядом с синаптической мембраной. Поступающий потенциал действия вызывает приток ионов кальция через зависимые от напряжения, селективные по отношению к кальцию ионные каналы при движении вниз потенциала действия (хвостовой ток). Затем ионы кальция связываются с белками синаптотагмина, обнаруженными в мембранах синаптических везикул, позволяя везикулам сливаться с пресинаптической мембраной. Слияние пузырьков - это случайный процесс, приводящий к частым сбоям синаптической передачи в очень маленьких синапсах, которые типичны для центральной нервной системы . С другой стороны, большие химические синапсы (например, нервно-мышечное соединение ) имеют вероятность синаптического высвобождения, равную 1. Слияние везикул управляется действием набора белков в пресинаптическом окончании, известных как SNAREs . В целом, белковый комплекс или структура, которая опосредует стыковку и слияние пресинаптических везикул, называется активной зоной. Мембрана, добавленная в процессе слияния, позже восстанавливается путем эндоцитоза и повторно используется для образования новых везикул, заполненных нейротрансмиттерами.

Исключение из общей тенденции высвобождения нейромедиаторов с помощью везикулярного слияния обнаруживается в рецепторных клетках типа II вкусовых рецепторов млекопитающих . Здесь нейромедиатор АТФ высвобождается непосредственно из цитоплазмы в синаптическую щель через каналы, управляемые напряжением.

Связывание рецептора

Рецепторы на противоположной стороне синаптической щели связывают молекулы нейротрансмиттеров. Рецепторы могут реагировать двумя способами. Во-первых, рецепторы могут напрямую открывать управляемые лигандами ионные каналы в постсинаптической клеточной мембране, заставляя ионы входить или выходить из клетки и изменяя локальный трансмембранный потенциал . Результирующее изменение напряжения называется постсинаптическим потенциалом . Обычно результат является возбуждающим в случае деполяризующих токов и тормозящим в случае гиперполяризующих токов. Является ли синапс возбуждающим или тормозящим, зависит от того, какие типы ионных каналов проводят постсинаптические токи, которые, в свою очередь, зависят от типа рецепторов и нейротрансмиттеров, используемых в синапсе. Второй способ, которым рецептор может влиять на мембранный потенциал, - это регулирование выработки химических мессенджеров внутри постсинаптического нейрона. Эти вторичные посланники могут затем усилить тормозную или возбуждающую реакцию на нейротрансмиттеры.

Прекращение

После того, как молекула нейротрансмиттера связывается с молекулой рецептора, она должна быть удалена, чтобы позволить постсинаптической мембране продолжать ретранслировать последующие EPSP и / или IPSP . Это удаление может происходить с помощью одного или нескольких процессов:

  • Нейромедиатор может диффундировать из-за термически индуцированных колебаний как его, так и рецептора, делая его доступным для метаболического расщепления вне нейрона или для реабсорбции.
  • Ферменты внутри субсинаптической мембраны могут инактивировать / метаболизировать нейромедиатор.
  • Насосы обратного захвата могут активно перекачивать нейротрансмиттер обратно в окончание пресинаптического аксона для повторной обработки и повторного высвобождения после более позднего потенциала действия.

Синаптическая сила

Сэр Бернард Кац определил силу синапса как произведение (пресинаптической) вероятности высвобождения pr , квантового размера q (постсинаптический ответ на высвобождение одного везикулы нейромедиатора, «кванта») и n , числа сайтов релизов. «Унитарная связь» обычно относится к неизвестному количеству отдельных синапсов, соединяющих пресинаптический нейрон с постсинаптическим нейроном. Амплитуда постсинаптических потенциалов (PSP) может быть от 0,4 мВ до 20 мВ. Амплитуда PSP может модулироваться нейромодуляторами или может изменяться в результате предыдущей активности. Изменения в силе синапсов могут быть кратковременными, продолжительностью от нескольких секунд до минут, или долгосрочными ( долгосрочное потенцирование , или ДП), продолжительностью несколько часов. Считается, что обучение и память являются результатом долгосрочных изменений синаптической силы через механизм, известный как синаптическая пластичность .

Десенсибилизация рецепторов

Десенсибилизация постсинаптических рецепторов - это снижение реакции на один и тот же стимул нейромедиатора. Это означает, что сила синапса может фактически уменьшиться по мере того, как последовательность потенциалов действия прибывает в быстрой последовательности - феномен, который приводит к так называемой частотной зависимости синапсов. Нервная система использует это свойство в вычислительных целях и может настраивать свои синапсы с помощью таких средств, как фосфорилирование вовлеченных белков.

Синаптическая пластичность

Синаптическая передача может быть изменена предыдущей деятельностью. Эти изменения называются синаптической пластичностью и могут привести либо к снижению эффективности синапса, называемой депрессией, либо к повышению эффективности, называемой потенцированием. Эти изменения могут быть долгосрочными или краткосрочными. Формы краткосрочной пластичности включают синаптическую усталость или депрессию и синаптическое увеличение . Формы долговременной пластичности включают длительную депрессию и длительную потенциацию . Синаптическая пластичность может быть либо гомосинаптической (происходящей в одном синапсе), либо гетеросинаптической (происходящей в нескольких синапсах).

Гомосинаптическая пластичность

Гомосинаптическая пластичность (или также гомотропная модуляция) - это изменение синаптической силы, которое является результатом истории активности в конкретном синапсе. Это может быть результатом изменений пресинаптического кальция, а также обратной связи с пресинаптическими рецепторами, то есть формой аутокринной передачи сигналов . Гомосинаптическая пластичность может влиять на количество и скорость пополнения везикул или может влиять на соотношение между высвобождением кальция и везикул. Гомосинаптическая пластичность также может иметь постсинаптическую природу. Это может привести как к увеличению, так и к снижению синаптической силы.

Одним из примеров являются нейроны симпатической нервной системы (СНС), которые выделяют норадреналин , который, помимо воздействия на постсинаптические рецепторы, также влияет на пресинаптические α2-адренорецепторы , подавляя дальнейшее высвобождение норадреналина. Этот эффект используется с клонидином для оказания ингибирующего воздействия на СНС.

Гетеросинаптическая пластичность

Гетеросинаптическая пластичность (или также гетеротропная модуляция) - это изменение синаптической силы, которое возникает в результате активности других нейронов. Опять же, пластичность может изменять количество везикул или скорость их пополнения, или соотношение между высвобождением кальция и везикул. Кроме того, это может напрямую влиять на приток кальция. Гетеросинаптическая пластичность также может иметь постсинаптическую природу, влияя на чувствительность рецепторов.

Одним из примеров снова являются нейроны симпатической нервной системы , которые выделяют норадреналин , который, кроме того, оказывает тормозящее действие на пресинаптические окончания нейронов парасимпатической нервной системы .

Интеграция синаптических входов

В общем, если возбуждающий синапс достаточно силен, потенциал действия в пресинаптическом нейроне запускает потенциал действия в постсинаптической клетке. Во многих случаях возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) не достигает порога для выявления потенциала действия. Когда потенциалы действия от нескольких пресинаптических нейронов срабатывают одновременно или если один пресинаптический нейрон срабатывает с достаточно высокой частотой, ВПСП могут перекрываться и суммироваться. Если достаточное количество ВПСП перекрывается, суммарный ВПСП может достичь порога для инициирования потенциала действия. Этот процесс известен как суммирование и может служить фильтром верхних частот для нейронов.

С другой стороны, пресинаптический нейрон, высвобождающий тормозящий нейротрансмиттер, такой как ГАМК , может вызывать тормозной постсинаптический потенциал (IPSP) в постсинаптическом нейроне, отодвигая мембранный потенциал дальше от порогового значения, снижая его возбудимость и затрудняя его развитие. нейрон, чтобы инициировать потенциал действия. Если IPSP перекрывается с EPSP, IPSP во многих случаях может предотвратить запуск нейроном потенциала действия. Таким образом, выходной сигнал нейрона может зависеть от входа множества разных нейронов, каждый из которых может иметь разную степень влияния, в зависимости от силы и типа синапса с этим нейроном. Джон Кэрью Эклс провел несколько важных ранних экспериментов по синаптической интеграции, за которые он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году.

Объемная передача

Когда нейротрансмиттер высвобождается в синапсе, он достигает своей максимальной концентрации в узком пространстве синаптической щели, но некоторая его часть обязательно диффундирует, прежде чем реабсорбируется или разрушается. Если он диффундирует прочь, он может активировать рецепторы, расположенные либо в других синапсах, либо на мембране вдали от любого синапса. Внесинаптическая активность нейромедиатора известна как объемная передача . Хорошо известно, что такие эффекты в некоторой степени случаются, но их функциональное значение долгое время оставалось предметом споров.

Недавние исследования показывают, что объемная передача может быть преобладающим способом взаимодействия для некоторых специальных типов нейронов. В коре головного мозга млекопитающих класс нейронов, называемых нейроглиаформными клетками, может подавлять другие близлежащие нейроны коры, высвобождая нейромедиатор ГАМК во внеклеточное пространство. По тому же принципу ГАМК, высвобождаемая из нейроглиаформных клеток во внеклеточное пространство, также действует на окружающие астроциты , определяя роль объемной передачи в контроле гомеостаза ионов и нейротрансмиттеров. Примерно 78% бутонов нейроглиаформных клеток не образуют классических синапсов. Это может быть первым убедительным примером химического взаимодействия нейронов там, где нет классических синапсов.

Связь с электрическими синапсами

Электрический синапс представляет собой электрический проводящая связь между двумя примыкающими нейронами , которая образуются при узком зазоре между пре- и постсинаптическими клетками , известными как щелевые контактами . В щелевых соединениях клетки приближаются друг к другу на расстояние примерно 3,5  нм , а не на расстояние от 20 до 40 нм, которое разделяет клетки в химических синапсах. В отличие от химических синапсов, постсинаптический потенциал в электрических синапсах вызывается не открытием ионных каналов химическими передатчиками, а скорее прямым электрическим взаимодействием между обоими нейронами. Электрические синапсы быстрее химических. Электрические синапсы обнаруживаются по всей нервной системе, в том числе в сетчатке , ретикулярном ядре таламуса , неокортексе и в гиппокампе . В то время как химические синапсы обнаруживаются между возбуждающими и тормозящими нейронами, электрические синапсы чаще всего встречаются между меньшими локальными тормозящими нейронами. Электрические синапсы могут существовать между двумя аксонами, двумя дендритами или между аксоном и дендритом. У некоторых рыб и земноводных электрические синапсы можно найти в том же конце химического синапса, что и в клетках Маутнера .

Действие лекарств

Одна из наиболее важных особенностей химических синапсов заключается в том, что они являются местом действия большинства психоактивных веществ . На синапсы влияют наркотики, такие как кураре, стрихнин, кокаин, морфин, алкоголь, ЛСД и многие другие. Эти препараты по-разному влияют на синаптическую функцию и часто ограничиваются синапсами, в которых используется конкретный нейромедиатор. Например, кураре - это яд, не позволяющий ацетилхолину деполяризовать постсинаптическую мембрану, вызывая паралич . Стрихнин блокирует тормозящие эффекты нейромедиатора глицина , который заставляет организм улавливать и реагировать на более слабые и ранее игнорируемые раздражители, что приводит к неконтролируемым мышечным спазмам . Морфин действует на синапсы, в которых используются нейромедиаторы эндорфина , а алкоголь усиливает тормозящие эффекты нейромедиатора ГАМК . ЛСД влияет на синапсы, которые используют нейромедиатор серотонин . Кокаин блокирует обратный захват дофамина и, следовательно, усиливает его действие.

История и этимология

В 1950-е годы Бернард Кац и Пол Фатт наблюдали спонтанные миниатюрные синаптические токи в нервно-мышечном соединении лягушки . Основываясь на этих наблюдениях, они разработали «квантовую гипотезу», которая лежит в основе нашего нынешнего понимания высвобождения нейромедиаторов как экзоцитоза и за которую Кац получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1970 году. В конце 1960-х годов выдвинули Рикардо Миледи и Кац. гипотеза о том, что приток ионов кальция, вызванный деполяризацией, запускает экзоцитоз .

Сэр Чарльз Скотт Шеррингтонин придумал слово «синапс», и история этого слова была изложена Шеррингтоном в письме, которое он написал Джону Фултону:

«Я почувствовал потребность в каком-то имени, чтобы назвать соединение между нервной клеткой и нервной клеткой ... Я предложил использовать" синдесм "... Он [ сэр Майкл Фостер ] посоветовался об этом со своим другом Тринити Верроллом , еврипидовым ученым. , а Верралл предложил «синапс» (от греческого «застежка») »- Чарльз Скотт Шеррингтон

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

Послушайте эту статью ( 7 минут )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 19 июня 2005 г. и не отражает последующих правок. ( 2005-06-19 )