Нервно-мышечный синапс: его строение, возбуждение, принцип работы

Очевидно, что если бы все люди одновременно перестали и понимать, и говорить, то умолкли бы заводы и фабрики, встали поезда, распались государства, исчезла цивилизация. Но ведь любой человек — тоже своего рода государство, густо заселенное гражданами-клетками. Каждая из них — индивидуальность, каждая дышит, работает, ест. Но жить отдельно — как это делают, например, инфузории — наши клетки уже не могут. Они непрерывно передают друг другу и другим клеткам свои сообщения. Но как? При помощи так званных синаптических рецепторов.

Определение

По-видимому, тут нужно объяснять каждое слово. «Синапсом» называется контакт между нервными клетками или между нервным окончанием и мышечным волокном. «Рецепторами» в биологии обычно называют чувствительные образования глаза, уха, носа. Но тут речь идет о другом значении этого слова. Молекулярные рецепторы — белковые молекулы, которые улавливают специальные вещества-передатчики (их называют медиаторами), выделяющиеся из нервных окончаний.

Как и другие клетки, нервные клетки в лабораторных условиях живут в солевом растворе, напоминающем по своему составу морскую воду: в нем много ионов натрия, хлора и мало калия. Наружный раствор отделен клеточной мембраной от внутренней части клетки — протоплазмы, в которой, наоборот, много ионов калия и мало — натрия и хлора. Мембрана нейронов обладает замечательной способностью пропускать через себя одни ионы и не пропускать другие. Когда нейрон находится в покое, его мембрана избирательно проницаема для ионов калия. Когда проницаемость изменяется, и притом определенным образом, нейрон генерирует нервный импульс-сигнал, который он передает другой клетке по нервному волокну.

Окончания нервных волокон подходят к нейронам и мышечным волокнам очень близко, но не вплотную. Этот контакт двух клеток и есть синапс.

Виды

Синапсы бывают двух типов: химические и электрические. В синапсе между мембранами двух клеток остается щель шириной в несколько тысячных долей миллиметра. Нервный импульс не может через нее «перескочить» и, чтобы преодолеть эту «преграду», нейрон, передающий сигнал, вырабатывает специальное вещество-медиатор, которое воздействует на мембрану следующей клетки и меняет ее проницаемость для ионов. В результате следующая клетка начинает генерировать нервный импульс.

Передача возбуждения

Механизм действия медиатора был изучен в серии работ английского ученого, лауреата Нобелевской премии Б. Катца и его сотрудников, которые в 1953 году обнаружили, что медиатор выделяется из нервных окончаний порциями. Каждая такая порция вызывает на мембране «отвечающей» клетки слабое изменение потенциала, которое обычно называют «миниатюрным потенциалом». Позднее с помощью электронного микроскопа, разделив предварительно синаптические нервные окончания на части, удалось выяснить, что медиатор в нервном окончании плотно упакован в маленькие синаптические пузырьки.

Множество таких пузырьков плавает внутри окончания. Когда пузырек прилипает к наружной мембране нервного окончания, содержимое такого пузырька — «квант» возбуждения — выделяется в синаптическую щель. Так возникает один миниатюрный потенциал. Кванты выделяются и в покое, но Катц показал, что нервный импульс в тысячи раз увеличивает среднюю их частоту, не меняя величину отдельной порции.

Но почему приходящий нервный импульс учащает слипание синаптических пузырьков с наружной мембраной нервного волокна? Сначала казалось, что причина очевидна. Нервный импульс, приходя к мембране, уменьшает на ней разность потенциалов. А еще раньше было известно, что в солевом растворе всевозможные воздействия, уменьшающие эту разность потенциалов, увеличивают частоту миниатюрных потенциалов. Но были поставлены другие опыты, в которых из наружного раствора удаляли ионы кальция, и тогда никакого увеличения частоты не наблюдалось, несмотря на приход нервного импульса. И наоборот, резко увеличить частоту выделения квантов можно безо всякого импульса — надо лишь поднять концентрации в наружном растворе любых непроникающих ионов или нейтральных молекул, например сахарозы.

Эта запутанная ситуация поставила в тупик английских исследователей. Распутать ее удалось авторам «кальциевой гипотезы» ученым Е. А. Либерману и его сотрудникам. Они исходили из простой физической идеи: для слипания пузырьков с наружной мембраной надо уменьшить поверхностный электрический заряд мембран — а это делают ионы кальция, которые входят в нервное окончание из-за того, что приходит нервный импульс. Поэтому-то в растворе, лишенном кальция, нет синаптической передачи.

Поскольку диаметр нервного окончания обычно меньше микрона, ввести туда ионы кальция для прямой проверки гипотезы нельзя. Но исследователи воспользовались тем, что кальций в нервных окончаниях всегда запасен в больших количествах внутри митохондрий, где его держит электрическое поле этих внутриклеточных «электростанций». Это позволило им, выбрасывая кальций из митохондрий различными агентами, снимающими электрическое поле, «ввести» кальций внутрь нервного окончания. Оказалось, что все вещества, снимающие электрическое поле на мембране митохондрий, резко повышают частоту выделения квантов ацетилхолина.

В дальнейшем эстафета вновь перешла к англичанам — им удалось поставить прямые опыты на гигантских синапсах кальмаров, в которых толщина нервного волокна достигает миллиметра. Так была подтверждена гипотеза Е. А. Либермана о роли кальция в синаптической передаче. (Однако каким образом пузырек раскрывается, чтобы излить свое содержимое в синаптическую щель, как его мембрана становится частью поверхностной мембраны нервного волокна — эти вопросы до сих пор не имеют ответа.).

После того как медиатор отработал, его нужно убрать. Для этого существуют разные механизмы. Один из них — ферменты-разрушители, молекулы, которые сидят в синаптической щели и разрезают медиатор на куски. Другой — клетка бережно собирает медиатор, чтобы использовать его вновь. Она втягивает внутрь себя часть мембраны, получившийся пузырек «отшнуровывается» и захватывает наружный раствор со всем его содержимым. Такой механизм удобен не только для клетки, но и для ученых, его изучающих. Используют его так: из обычного хрена выделяют фермент-разрушитель пироксидазу и вводят его в район синапса. Нервное окончание заглатывает пироксидазу вместе с медиатором. Нейроны, пославшие свои отростки в место, куда была введена пироксидаза, теперь легко обнаружить по специальной окраске, которая возникает из-за того, что пироксидаза, работая, расщепляет перекись водорода и выделяет молекулярный кислород. Так составляют карту связей между нейронами и разбирают принцип работы синапса.

Строение

Синапс состоит из трех основных элементов:

• Пресинаптической мембраны, которая покрывает расширенное нервное окончание, представляющее собой нейросекреторный аппарат. В пресинаптической части находятся пузырьки и митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора. Медиаторы депонируются в гранулах (пузырьках).
• Постсинаптической мембраны – это утолщенная часть мембраны клетки, с которой контактирует пресинаптическая мембрана. Она имеет ионные каналы и способна к генерации потенциала действия. Кроме того, на ней расположены специальные белковые структуры — рецепторы, воспринимающие действие медиаторов.
• Синаптической щели, она представляет собой пространство между пресинаптической и постсинаптической мембранами, заполненное жидкостью, близкой по составу к плазме крови.

Вот так строение синапса выглядит на рисунке.

Медиаторы

Медиаторов сейчас известно много, и число их постоянно растет. Обычно это сравнительно простые химические вещества — серотонин, допамин, норадреналин, но медиаторами являются и многие отдельные аминокислоты, а также соединения, состоящие из нескольких аминокислот,— полипептиды. Также медиатором служит еще и молекула всем известной АТФ. Поистине удивительно многообразна роль этого соединения! Оно и основной энергетический резерв клетки, и служит для синтеза РНК, и принимает участие в синтезе белков и в мышечном сокращении, и используется для фосфориллирования разных белков и участвует в ионном транспорте. А вот теперь оказывается, что АТФ — еще и медиатор, то есть выделяется из нервного окончания, сигнализируя: пришел нервный импульс.

Трудно доказать, что такое «многостороннее» вещество, как АТФ, является медиатором. Все необходимые в этом случае проверки необыкновенно усложняются. Прежде всего, чтобы увериться, что данное вещество есть медиатор в данном синапсе, нужно показать, что оно выделяется из нервных окончаний в ответ на нервный импульс. Однако вездесущая АТФ может выделяться не только из изучаемых нервных окончаний, но и из находящихся рядом чувствительных нервных волокон и даже из мышечных волокон!

Другая обязательная процедура — разделить синапс на части и попытаться обнаружить медиатор в синаптических пузырьках. Но АТФ есть во всех частях клетки! Наконец, третье необходимое доказательство — показать действие на постсинаптическую мембрану. Но и здесь АТФ может играть другую роль: служить источником энергии.

Бернштоку и его сотрудникам потребовалось поставить множество тонких и трудоемких экспериментов, чтобы получить серьезные доводы в пользу своей гипотезы. Среди прочих медиаторов особое место у ацетилхолина. Дело не в том, что он был открыт первым и на нем были получены основные сведения о механизмах синаптической передачи. Просто «дедушка медиаторов» — это пока единственный, для которого выделены и хорошо очищены белковые рецепторы — вещества, безошибочно его улавливающие.

Тут ученым крупно повезло: природа создала для них электрического ската.

Килограмм ткани его электрического органа содержит до ста миллиграммов рецепторного белка, что в тысячу раз больше, чем в мышцах животных. Очищенные рецепторы ацетилхолина из электрического органа ската были встроены в искусственные биомолекулярные мембраны. Эти мембраны под действием ацетилхолина меняли проницаемость для ионов натрия. Эксперимент грубо можно трактовать так. Молекула-рецептор содержит в себе канал, ворота которого обычно закрыты. Медиатор меняет форму белка-рецептора и открывает ворота для ионов — через открытый канал в клетку идет натрий.

Ионный канал в мембране — непростое устройство. В водном растворе ионы окружены диполями воды. Чтобы пройти мембрану, нужно сбросить водную оболочку, но энергетические затраты на это очень велики. А канал умело подменяет собой диполи воды. Ион раздевается «без затруднений» и, пройдя канал, аккуратно надевает новую водяную шубу. В результате ионы могут проходить сквозь мембрану за счет одной лишь энергии теплового движения.

Искусственная система, состоящая из мембран с встроенными белковыми рецепторами, была детально описана ученым из Франции Ж. Л. Попо. К сожалению, искусственная система пока по непонятным причинам плохо моделирует нервно-мышечный синапс: препараты, которые на живых объектах четко блокируют действие ацетилхолина, в искусственных системах вызывают прямо противоположный эффект.

Природа создала много медиаторов. Но этого ей показалось мало, и она сделала так, что один и тот же медиатор вызывает вдобавок у разных нейронов разные ответы.

Француженка Жак Сю Кехое нашла целых три типа ответов на ацетилхолин у морского моллюска аплизии. Это небольшое животное стало классическим объектом нейрофизиологии. Дело в том, что для регистрации ответов нейронов нужно, проткнув мембрану, войти внутрь нейрона микроэлектродом — маленькой стеклянной пипеткой, заполненной раствором электролита. Кончик ее не более микрона в диаметре, но беда в том, что размеры обычных нейронов не превышают 30—50 микрон, и потому для клетки введение электрода — то же, что для человека удар шпагой. А современная постановка опыта требует вводить в клетку два и даже три электрода. Кроме того, нервные клетки у большинства животных спрятаны в глубине нервной ткани, искать нужный нейрон и вводить в него электрод приходится вслепую.

Молюск аплизия.

Аплизия же лишена всех этих недостатков: диаметр ее нейронов — сотни микрон, а нервная система устроена так, что клетки лежат на поверхности и так отчетливо видны, что ученые узнают многие из них «в лицо»: нейроны обладают характерной окраской, размерами, положением среди других клеток, типом активности. Трудно описать удовольствие, получаемое при работе с нейроном, который одновременно можно видеть.

Возможно, что когда-нибудь аплизии, как и павловским собакам, поставят памятник. Если удастся сохранить в нем натуральные цвета этого моллюска, то сооружение получится не только впечатляющим, но и красивым.

Итак, именно у аплизии Кехое исследовала реакцию нейронов на ацетилхолин. Внутрь нейрона она вводила два электрода: один для регистрации, другой для пропускания тока через мембрану. Кроме того снаружи к клетке подводили специальный электрод, заполненный раствором ацетилхолина. Этот электрод играл роль нервного окончания: из него определенными порциями можно было выпускать положительно заряженные молекулы медиатора. Кехое получила ответы на ацетилхолин, которые отличались и по величине, и по длительности, и по скорости возникновения. Кроме того, разные ответы исчезали под действием разных ядов. Удалось установить, что разные типы ответов были связаны с изменениями проницаемости мембраны для разных ионов.

Физиологи нашли, что еще большее разнообразие ответов вызывает другой медиатор — серотонин. Эти работы были сделаны как на аплизии, так и на нейронах виноградной улитки.

Группа нейронов улитки может со временем менять свои рецепторы серотонина и, вследствие этого, характер своего ответа на серотонин. А тип ответа зависит от того, проснулась ли улитка после зимней спячки или еще «дремлет».

Итак, нейроны друг с другом связаны, нейроны друг с другом «говорят». Исследователи наблюдают за их общением и пытаются понять его механизмы. Известно довольно много: как клетки «шевелят губами», как «открывают рот», как «издают звуки»… Мы знаем: сейчас эта клетка отвечает другой. Но поймем ли мы когда-нибудь, о чем они говорят?

Автор: С. Минина.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Савельев А. В. Методология синаптической самоорганизации и проблема дистальных синапсов нейронов // Журнал проблем эволюции открытых систем. — Казахстан, Алматы, 2006. — Т. 8, № 2. — С. 96—104.
• Экклз Д. К. Физиология синапсов. — М.: Мир, 1966. — 397 с.
• French R.D. Some problems and sources in the foundation of modern physiology in Great Britain // Hist. Sci.. — 1971. — № 10. — С. 28-29.