Синаптическая передача

Источник:
Клиническая фармакология по Гудману и Гилману том 1.
Редактор: профессор А.Г. Гилман Изд.: Практика, 2006 год.

СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА В ВЕГЕТАТИВНОЙ И СОМАТИЧЕСКОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ

Первые прямые экспериментальные доказательства теории химической передачи нервного импульса были получены около ста лет назад (von Euler, 1981); в последующие годы эта теория бурно развивалась, и в настоящее время считается общепризнанной. Передача возбуждения в большинстве синапсов осуществляется с помощью химических веществ — медиаторов (нейромедиаторов, нейротрансмиттеров). Действие многих лекарственных средств, влияющих на гладкие мышцы, сердце и железы, обусловлено именно тем, что они воспроизводят или изменяют эффекты медиаторов на уровне вегетативных ганглиев либо исполнительных органов.

Многие закономерности медиаторной передачи в вегетативной нервной системе справедливы также для нервно-мышечных и центральных синапсов. Более того, именно исследования в области физиологии вегетативной нервной системы в значительной степени помогли понять, как происходит межнейронная передача в ЦНС (гл. 12). Как в центральных, так и в периферических синапсах действуют механизмы синтеза, запасания, высвобождения, инактивации и распознавания медиатора. Основными медиаторами вегетативной нервной системы служат ацетилхолин и норадреналин. Вспомогательное действие оказывают другие медиаторы, в том числе пептиды, пурины и N0.

Для понимания эффектов препаратов, действующих на уровне вегетативной нервной системы, — вегетотропных средств — необходимо ясно представлять себе анатомию и физиологию этой системы. Влияние подобных препаратов на внутренние органы часто можно предсказать, если знать, как реагируют эти органы на раздражение вегетативных нервов. В настоящей главе мы рассмотрим анатомию, биохимию и физиологию вегетативной и соматической нервной системы.

Этапы синаптической передачи

Знание этапов синаптической передачи чрезвычайно важно, так как многие препараты действуют на те или иные из них. Синаптическая передача включает распространение нервного импульса на пресинаптическое окончание и собственно передачу сигнала через синаптическую щель. Что касается первого этапа — распространения нервного импульса, — то на него, за исключением местных анестетиков, лекарственные средства почти не действуют, и поэтому мы разберем его лишь вкратце.

Распространение нервного импульса

Наши знания о механизмах возникновения и распространения нервного импульса в значительной степени базируются на основополагающих работах Ходжкина и Хаксли (1952).

В покое нервные клетки заряжены изнутри отрицательно, а снаружи — положительно; трансмембранная разность потенциалов в типичном аксоне при этом составляет около 70 мВ. Этот так называемый потенциал покоя представляет собой диффузионный потенциал. Концентрация К+ в аксоплазме в 40 раз выше, чем во внеклеточной среде, а мембрана для этого иона в покое высоко проницаема. Напротив, концентрации Na+ и СГ во внеклеточной среде выше, чем в аксоплазме, но мембрана в покое их почти не пропускает, и поэтому их вклад в потенциал покоя невелик. Эти концентрационные градиенты поддерживаются за счет системы активного транспорта (насоса), представляющей собой АТФазу, активируемую повышением внеклеточной концентрации Na+ и внутриклеточной — К+ (Hille, 1992; Hille et al., 1999a).

Если какой-либо участок мембраны деполяризовать до критического уровня, то в этом участке возникает потенциал действия. Он состоит из двух фаз. Первая — фаза деполяризации — обусловлена быстрым повышением натриевой проницаемости. Это повышение, в свою очередь, обусловлено тем, что в ответ на деполяризацию открываются потенциалзависимые натриевые каналы. В результате Na+ входит в клетку и деполяризует ее; на пике потенциала действия мембранный потенциал становится положительным (реверсия, или овершут). Затем следует фаза реполяризации, обусловленная инактивацией натриевых каналов и задержанным открыванием потенциалзависимых калиевых каналов; калий выходит из клетки, возвращая мембранный потенциал к уровню покоя. Видимо, инактивация натриевых каналов обусловлена потенциалзависимым изменением конформации некоего гидрофобного белка, который при этом перекрывает вход в канал со стороны цитоплазмы. В некоторых клетках (например, в сердце) в генерации потенциала действия участвует Са +. Вход этого иона в клетку продлевает деполяризацию, и кроме того, повышение внутриклеточной концентрации Са + служит сигналом, запускающим многие внутриклеточные процессы (Hille, 1992; Catterall, 2000). В генерации и проведении нервного импульса в аксонах Са2+ роли не играет.

Когда в каком-либо участке нервного волокна возникает потенциал действия, то между этим и соседними участками начинают протекать местные токи. В результате эти соседние участки деполяризуются до критического уровня, и в них тоже развивается потенциал действия (предыдущий участок в это время находится в состоянии рефрактерности). Именно таким образом нервный импульс и распространяется без затухания по аксону. В миелиновых волокнах потенциал действия возникает только в перехватах Ранвье, и поэтому он распространяется по таким волокнам скачкообразно (так называемое сальтаторное распространение) с высокой скоростью. Яд иглобрюха тетродотоксин и близкий к нему яд некоторых моллюсков сакситоксин избирательно подавляют возникновение и проведение потенциала действия, блокируя быстрые натриевые каналы. Напротив, батрахотоксин — чрезвычайно мощный стероидный алкалоид, содержащийся в яде некоторых видов короткоголовых лягушек из рода листолазов (Phyllobates), — увеличивает проницаемость быстрых натриевых каналов; в результате развивается постоянная деполяризация, и возникновение потенциала действия подавляется. Яды скорпионов также вызывают стойкую деполяризацию, но другим путем — они устраняют инактивацию натриевых каналов (Catterall, 2000). Подробнее натриевые и кальциевые каналы рассматриваются в гл. 15, 32 и 3S.

Синаптическая передача

Поступление потенциала действия в пресинаптическое окончание запускает последовательность событий, приводящих к передаче сигнала через синапс (рис. 6.2).

1. Хранение и высвобождение медиатора. Непептидные (низкомолекулярные) медиаторы синтезируются преимущественно в пресинаптическом окончании и здесь же хранятся в синаптических пузырьках. Пептидные медиаторы (или их предшественники) синтезируются в теле нейрона и затем в крупных электроноплотных пузырьках переносятся по аксону в окончания. В покое из пресинаптических окончаний постоянно выделяются отдельные кванты медиатора (соответствующие содержимому отдельных синаптических пузырьков). В постсинаптической мембране скелетной мышцы это вызывает возникновение так называемых миниатюрных потенциалов концевой пластинки. Полагают, что благодаря таким потенциалам поддерживается функциональная готовность эффекторных органов (Katz, 1969); это особенно важно для скелетных мышц, не обладающих спонтанным миоген-ным тонусом. В ответ на поступление потенциала действия из пресинаптического окончания выбрасывается несколько сотен квантов медиатора. Этот выброс запускается деполяризацией пресинаптического окончания; в большинстве окончаний (но не во всех) связующим звеном между деполяризацией и выходом медиатора служит поступление в аксоплазму Са2+, вызывающее слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной (Meiret al., 1999; Hille et al., 1999a). После слияния с мембраной пузырьки посредством экзоцитоза высвобождают свое содержимое (медиатор, ферменты, другие белки) в синаптическую щель. Возможно как полное слияние пузырьков с мембраной с последующим обратным процессом (эндоцитозом), так и образование временной поры, через которую выходит медиатор (Murthy and Stevens, 1998).

Пресинаптическое окончание можно рассматривать как самостоятельную структуру, содержащую все необходимое для образования пузырьков, их экзоцитоза и эндоцитоза, синтеза и обратного захвата медиатора (Femandez-Chacon and Sudhof, 1999; Lin and Scheller, 1997).

Синаптические пузырьки располагаются в особых участках у пресинаптической мембраны, называемых активными зонами. Эти участки часто бывают расположены напротив субсинаптических складок. В пузырьках обнаружено 20—40 различных белков, отвечающих за перенос веществ через мембрану пузырьков и за экзоцитоз последних. Транспорт медиаторов в пузырьки осуществляется за счет электрохимического градиента, создаваемого Н+-АТФазой (протонным насосом).

Рисунок 6.2. Этапы передачи сигнала в возбуждающем и тормозном синапсах. 1. Потенциал действия — это распространяющееся колебание мембранного потенциала, при котором заряд внутренней поверхности мембраны временно меняется с отрицательного на положительный. Эти изменения обусловлены входом Na* с последующим выходом К . Когда потенциал действия приходит в пресинаптическое окончание, он вызывает высвобождение возбуждающего или тормозного медиатора. Механизм этого высвобождения следующий: деполяризация пресинаптического окончания приводит к входу в него Са2 , вызывающего сначала прикрепление, а затем слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной. 2. Соединение возбуждающего медиатора с постсинаптическими рецепторами приводит к местной деполяризации — ВПСП. Она обусловлена открыванием катионных, и особенно натриевых, каналов. Тормозный медиатор вызывает открывание каналов для К и СП, что сопровождается местной гиперполяризацией — ТПСП. 3. Поддействием ВПСП в постсинаптиче-ском нейроне возникает распространяющийся потенциал действия; ТПСП этому препятствует. Выделившийся медиатор инактивируется путем ферментативного распада, захвата пресинаптическим окончанием или соседними клетками глии или диффузии из синаптической щели. МП — мембранный потенциал, ПД — потенциал действия. Eccles, 1964,1973; Katz, 1966; Catterall, 1992; Jann and Sudhof, 1994.

Роль белков, ответственных за экзоцитоз, менее изучена. Известно, что белок пузырьков синаптобревин (он же VAMP — vesicle-associated membrane protein, везикулярный мембранный белок) соединяется с белками пресинаптической мембраны SNAP-25 (synaptosomal-associated protein of 25 kDa — синаптосомный белок с молекулярной массой 25 ООО) и синтаксином-1, образуя комплекс, запускающий или направляющий процесс слияния пузырьков с мембраной. Синаптобревин, SNAP-25 и синтаксин-1 называют белками SNARE (SNAP receptor — рецепторы SNAP, или soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment protein receptor — растворимые, чувствительные к N-этилмалеимиду рецепторы стыковочных белков). Вызванный Са2+ экзоцитоз пузырьков, протекающий за доли миллисекунды, видимо, обеспечивается отдельным семейством белков — синаптотагминами.

ГТФ-связывающие белки подсемейства Rab-З регулируют слияние и повторное образование пузырьков. Функция этих белков связана с гидролизом ГТФ. Определенную роль в слиянии пузырьков с мембраной и экзоцитозе играют и другие, менее изученные регуляторные белки — синапсин, синаптофизин, синаптогирин и обнаруженные в активных зонах белки RIM (Rab3-interacting molecules — молекулы, реагирующие с Rab-З) и нейрексины. Многие из этих белков гомологичны тем, что отвечают за везикулярный транспорт в дрожжевых грибах.

За последние 30 лет было обнаружено множество пресинаптических рецепторов, от активации которых зависит выброс медиатора и, следовательно, синаптическая передача (Langer, 1997; MacDermott et al., 1999; von Kugelgen et al., 1999). Эти рецепторы оказались почти столь же многочисленными, как и постсинаптические рецепторы, и они также могут быть облегчающими или тормозными. Они могут активироваться как медиаторами других нейронов, так и медиатором того же самого нейрона после его выброса в синаптическую щель. В последнем случае они называются ауторецепторами. Так, норадреналин может взаимодействовать с пресинаптическими а2-адренорецепторами, подавляя тем самым собственное дальнейшее высвобождение. Активация таких же рецепторов приводит к снижению выброса ацетилхолина из холинергических окончаний. Активация пресинаптических М-холинорецепторов также угнетает высвобождение ацетилхолина (Wessler, 1992) и влияет на выброс норадреналина из симпатических окончаний в сердце и сосудах. Активация пресинаптических N-холинорецепторов усиливает выделение медиатора из окончаний мотонейронов (Bowman et al., 1990) и ряда других центральных и периферических нейронов (MacDermott et al., 1999).

На высвобождение медиатора в разных нейронах влияют также аденозин, дофамин, глутамат, ГАМК, простагландины и энкефалины. Этот модулирующий эффект частично обусловлен тем, что активация соответствующих рецепторов меняет проницаемость пресинаптических каналов (Tsien et al., 1988; Miller, 1998). Действительно, некоторые такие каналы непосредственно регулируют выброс медиатора из пресинаптических окончаний (Meir etal., 1999).

2. Соединение медиатора с рецептором и возникновение постсинаптического потенциала. После высвобождения в синаптическую щель медиатор диффундирует через нее и соединяется со специализированным рецептором на постсинаптической мембране. Это часто приводит к местному изменению ионных проницаемостей. За редкими исключениями (см. ниже), эти изменения бывают следующих трех типов: 1) повышение проницаемости для всех катионов (в основном для Na+, но также для Са2+). Это приводит 1 местной деполяризации, называемой ВПСП, 2) избирательное повышение проницаемости для анионов (обычно для СГ). В результате происходит стабилизация мембранного потенциала либо гиперполяризация — ТПСП, 3) повышение проницаемости для К+.

При этом также наблюдаются стабилизация мембранного потенциала и гиперполяризация (ТПСП).

Важно подчеркнуть, что постсинаптические потенциалы обусловлены пассивным током ионов в направлении их электрохимических градиентов. Эти токи возникают потому, что в результате соединения медиаторов с соответствующими рецепторами меняются проницаемости ионных каналов (см. ниже и гл. 12). Рецепторы могут либо располагаться в области специализированной постсинаптической мембраны (как, например, в нервно-мышечном и других четко оформленных синапсах), либо быть диффузно разбросанными по мембране (как в случае гладких мышц).

С помощью микроэлектродов, плотно присасывающихся к мембране, стало возможным регистрировать токи через одиночные каналы, в том числе связанные с рецепторами медиаторов (Hille, 1992). В присутствии медиатора канал периодически быстро открывается, остается в открытом состоянии примерно 1 мс и затем вновь закрывается. При этом регистрируется короткий П-образный импульс тока. В результате суммации этих токов одиночных каналов и возникает постсинаптический потенциал. Рост постсинаптического потенциала при повышении концентрации медиатора обычно обусловлен не большей степенью открывания канала и не большей длительностью его пребывания в открытом состоянии, а увеличением частоты актов открывания. Обычно такие каналы, непосредственно связанные с рецепторами (хемочувствительные каналы, рецепторы-каналы, ионотропные рецепторы), пропускают Na+ и СГ, реже — К+ и Са2+. Эти каналы принадлежат к обширному суперсемейству ионотропных рецепторных белков, включающему N-холинорецепторы, глутаматные рецепторы, некоторые 5-НТ3-ре-цепторы и пуриновые рецепторы (все они связаны с натриевыми каналами, и их активация приводит к деполяризации, то есть к ВПСП), а также рецепторы ГАМК и глициновые рецепторы (связаны с хлорными каналами; активация приводит к гиперполяризации, то есть к ТПСП). N-холинорецепторы, 5-НТ3-рецепторы, рецепторы ГАМК и глициновые рецепторы (но не глутаматные и пуриновые рецепторы) по своему строению во многом сходны (Karlin and Akabas, 1995). Некоторые рецепторы опосредованно связаны с калиевыми и кальциевыми каналами; в таких случаях рецептор и канал — это разные белки, а сигнал к каналу от рецептора передается через G-белок (гл. 2). Наконец, существуют рецепторы, связанные с внутриклеточными системами вторых посредников. Их активация может и не сопровождаться изменениями мембранного потенциала. Наиболее известные примеры — это рецепторы, активация которых приводит к усилению или подавлению активности аденилатциклазы либо к образованию ИФ3 и, как следствие, к повышению концентрации Са2+ в цитоплазме (гл. 2).

3. Дальнейшие постсинаптические процессы. Если ВПСП превышает критический уровень, то в ближайших к постсинаптической мембране участках возбудимой мембраны открываются потенциалзависимые каналы и возникает распространяющийся потенциал действия. Так происходит в посгсинаптических нейронах и скелетных мышцах. В некоторых гладких мышцах, где распространяются даже низкоамплитудные потенциалы, ВПСП может увеличивать частоту спонтанных потенциалов действия и тем самым повышать мышечный тонус. В железах ВПСП запускает секрецию за счет повышения концентрации Са2+ в цитоплазме. ТПСП, препятствующий эффектам ВПСП, возникает в нейронах и в гладких мышцах, но не в скелетных мышцах. Конечная реакция эффекторной клетки (например, возникновение потенциала действия) зависит от результатов суммации всех постсинаптических потенциалов.

4. Инактивация медиатора. Импульсы могут проводиться через синапсы с частотой до нескольких сотен в секунду. Отсюда ясно, что должны существовать механиамы быстрого удаления медиатора из синаптической щели. В холинергических синапсах, где передача происходит особенно быстро, это удаление обеспечивается присутствием в синаптической щели фермента АХЭ в высокой концентрации. Если активность АХЭ подавить ингибиторами, то инактивация ацетилхолина будет осуществляться только за счет его диффузии из синаптической щели и его действие будет более сильным и длительным.

Норадреналин инактивируется путем диффузии из синаптической щели и обратного захвата адренергическим окончанием (Iversen, 1975). Инактивация аминокислотных медиаторов обеспечивается их активным захватом нейронами и глией. Пептидные медиаторы гидролизуются пептидазами и диффундируют из синаптической щели; механизмов обратного захвата для этих медиаторов не обнаружено.

5. Трофическое действие медиаторов. Как уже говорилось, в синапсе происходит постоянное выделение квантов медиатора. Этого количества недостаточно для того, чтобы вызвать явный ответ постсинаптической клетки, но, видимо, оно играет важную роль в обеспечении готовности синапса к передаче сигнала. Возможно, это так называемое трофическое действие медиатора (или неких других трофических факторов, выделяемых нервными окончаниями) поддерживает активность и обновление ферментов синтеза медиатора, плотность пре- и постсинаптических рецепторов и другие важные для синаптической передачи процессы (Reichardt and Farinas, 1997; Sanes and Lichtman, 1999).