Возбуждающие химические синапсы. Для химического синапса характерны пресинаптическая область, синаптическая щель и постсинаптическая область.
Синаптическая щель имеет у химических синапсов просвет от 20 до 50 нм. В пресинаптической области всегда имеются везикулы, содержащие медиатор (трансмиттер, нейротрансмиттер, нейромедиатор).
В рассматриваемом типе синапса из-за высокого сопротивления синаптических мембран и широкой синаптической щели электротонический потенциал и ПД не способны перейти к постсинаптической области, используя кабельные свойства мембраны. Коэффициент передачи в этом случае меньше тысячных долей, а внеклеточный шунт имеет низкое сопротивление и «уводит» заряд.
По пресинаптическому волокну механизмом аксонного транспорта (400 мм/сут) осуществляется передвижение ферментных систем и предшественников для синтеза медиаторов и везикул. В синаптическом окончании всегда имеется некоторый запас готового для секреции медиатора, упакованного в везикулы.
Синтез медиаторов осуществляется с помощью ферментов, например, ацетилхолин АХ синтезируется холинацетилтрансферазой, которая переносит ацетильную группу от ацетилкоэнзима А на холин. Примерно 85% готового медиатора хранится в везикулах. Процесс синтеза и распада АХ происходит постоянно.
Выход медиатора из окончания также происходит непрерывно, это так называемый неквантовый релизинг, его интенсивность может превышать действенный, квантовый в десятки раз, но электрогенных последствий он не имеет (оказывает трофическое действие на объект иннервации), и АХ разрушается без изменения проницаемости постсинаптической мемебраны.
Квантовый выход АХ имеет электрически значимые последствия. Инициация квантового релизинга задается приходом по аксону потенциала действия, который в потерявшем миелин пресинаптическом окончании деполяризует его мембрану, что приводит к открытию потенциалчувствительных Са++ каналов. Из-за высокого электрохимического и концентрационного градиента ионы Са++ входят в пресинаптическое окончание. Кальций необходим для того, чтобы везикулы с медиатором могли соединиться с внешней мембраной и выпустить порцию (квант) медиатора в синаптическую щель путем экзоцитоза. Одновременно в синапсе может опорожниться до сотен везикул. В кванте бывает от 102 до 105 молекул АХ.
Мишенью АХ в холинергическом синапсе является комплексная белковая молекула холинорецептор. Холинорецепторы, чувствительные к никотину, относят к типу Н-холинорецепторов, к мускарину – М-холинорецепторов (метаботропных). Н-холинорецепторы расположены (экспрессированы) на мембранах мышечных волокон скелетных мышц, нейронов ЦНС и симпатических ганглиев.
Н-холинорецептор, ионотропный, состоит из 5 (иногда 7) белковых субъединиц, одна из которых дублируется (αβαγδ). Общий размер (11×8,5 нм) молекулы вдвое больше толщины мембраны. Аминокислотная последовательность белков всех субъединиц установлена, она оказалась видоспецифичной, хотя различия у близких видов животных незначительны. Продублированные α–субъединицы обладают чувствительностью к лиганду. Холинорецептор можно рассматривать в качестве ионного канала, поскольку как интегральный мембранный белок он пронизывает клеточную мембрану и имеет центральную пору. Известны 2 состояния молекулы холинорецептора – закрытое и открытое. В открытом состоянии центральная пора холинорецепторы имеет размер около 0,7 нм, что достаточно для проникновения через нее одновалентных катионов, преимущественно Na+ и К+.
После связывания АХ с Н-холинорецептором и открытия поры через постсинаптическую мембрану течет ионный ток, обусловленный перемещением ионов Na+ и К+ по электрохимическим и концентрационным градиентам. Поскольку градиент для натрия направлен внутрь клетки, а для калия - наружу, при встречном их перемещении суммарный ток оказывается способным локально сместить мембранный потенциал до КУД в нервно-мышечном синапсе или вызвать значительную деполяризацию мембраны нейрона в нейро-нейрональном синапсе. Локальный ответ в виде деполяризации в данном случае носит название ПСП – постсинаптический потенциал, или ВПСП, возбуждающий постсинаптический потенциал. Прежде часто применялось название потенциал концевой пластинки (ПКП), для нервно-мышечного синапса.
Локальный ответ в виде ВПСП подчиняется законам проведения потенциалов по мембране и может быть распространен на небольшое расстояние из-за ограничений, накладываемых емкостными и резистивными свойствами мембраны – постоянной времени и постоянной длины. Поскольку на мембране нейрона или мышечного волокна имеется множество синапсов, ответ клетки всегда складывается из активности отдельных синаптических входов.
Суммация ПКП приводит к состоянию, когда мембранный потенциал смещается деполяризацией до КУД, происходит генерация ПД. В клетку по потенциалзависимым кальциевым каналам входит кальций, он участвует в механизме мышечного сокращения.
После того, как АХ выполнил роль сигнальной молекулы и запустил конформацию холинорецептора из закрытого в открытое состояние, необходимо подготовить систему к приему следующего сигнала. Поэтому постсинаптическая мемебрана располагает механизмом инактивации медиатора. В холинергичесом синапсе инактивация АХ достигается его энзиматическим расщеплением с помощью ацетилхолинэстеразы. В других типах синапсов инактивация проходит по-другому, например, норадреналин в адренергическом синапсе подвергается обратному поступлению (захвату) в пресинаптическое окончание.
Ацетилхолинэстераза может быть заблокирована, в таком случае каналы холинорецептора постоянно находятся в открытом состоянии и управление мышцами нарушается. Инсектицидные препараты типа «Прима», «Диклофос» имеют такой принцип действия, поэтому опасны не только для бытовых насекомых-вредителей, но и для теплокровных животных.
Этапы функционирования химической синаптической передачи.
1.Синтез, хранение и транспорт медиатора в везикулах.
2.Секреция медиатора при деполяризации пресинаптической мембраны и входе ионов кальция в окончание.
3.Реакция постсинаптитческой мемебраны в виде связывания медиатора рецептором и изменении проницаемости постсинаптической мембраны для катионов.
4.Генерация постсинаптических потенциалов.
5.Инактивация медиатора.
Возбуждающие химические синапсы, образованные на нейронах, весьма многочисленны, перемежаются с тормозными, никогда не обеспечивают по одиночке достижение мембраной КУД. Нейрон способен интегрировать синаптические сигналы и выдавать на выходе, в наиболее возбудимой части клетки, например, если это мотонейрон, в аксонном холмике, ПД после проведенного анализа поступивших по синаптическим входам ПСП.
В нейро-нейрональных синапсах не только АХ может быть медиатором, чаще всего возбуждающие аминокислоты глутамат и аспартат, норадреналин, нейропептиды, АТФ и NO выполняют функции медиаторов.
Глутаматная возбуждающая синаптическая нейропередача наиболее распространена в ЦНС. Рецепция глутамата в синапсах осуществляется NMDA и AMPA (ионотропными) рецепторами, синаптические механизмы в них очень сложны и до конца не раскрыты.
Из-за того, что процессы выделения и разрушения медиатора в синапсах имеют длительное время реализции, существует синаптическая задержка при функционировании нейронных сетей. Поэтому говорят, что химический синапс работает как частотный фильтр и обладает низкой лабильностью.
Поскольку сигналы от отдельных синапсов могут суммироваться и определять суммарный заряд мембраны, возможны явления тетанического синаптического облегчения и депрессии.
Свойства химического синапса.
1.Медленная скорость передачи сигнала, большая синаптическая задержка.
2.Одностороннее проведение сигнала от пре- к постсинаптической мембране, но не наоборот.
3.Высокая надежность передачи при нормальных условиях функционирования.
4.Существование следовых процессов (следовой деполяризации и гиперполяризации, что увеличивает возможности интегрирования сигналов нейроном).
Синапсы тормозного действия.
Синаптическим торможением называется такое влияние пресинаптической нервной клетки на постсинаптическую которое сопровождается устранением или предотвращением процесса возбуждения. Тормозных синапсов на нейронах ЦНС больше, чем возбуждающих.
Тормозные синапсы могут быть электрическими. По таким межклеточным контактам возможна передача электротонического сигнала, вызывающего гиперполяризацию постсинаптической мемебраны.
Структура химического синапса тормозного типа в общем плане соответствует таковой возбуждающего, на электронномикроскопическом снимке отличить их по видимым структурным особенностям трудно. Основными медиаторами тормозных синапсов являются ГАМК, глицин, но могут использоваться АХ и другие, встречающиеся и в «возбуждающих» синапсах.
ГАМК, гамма-аминомасляная кислота, наиболее характерна для тормозных синапсов головного мозга, в спинном мозге чаще используется глицин.
После синтеза ГАМК содержится в везикулах, для высвобождения ее из пресинаптического окончания необходим Cа++. Рецепторы, чувствительные к ГАМК, связаны с открытием не катионных, а анионных каналов, проводящих ионы Cl-. Если хлор поступает в клетку по хлорным каналам, общая электроотрицательность цитоплазмы возрастает, что означает гиперполяризационное «отодвигание» мембранного потенциала от КУД. Кратковременный локальный ответ в виде гиперполяризации обозначается ТПСП –тормозной постснаптический потенциал.
Таким образом, ТПСП «уводит» мембранный потенциал от КУД, интерферирует с ВПСП, блокируя («шунтируя») его действие на мембрану клетки. В генерации одного ТПСП участвует 100-200 квантов медиатора.
Рассмотренный случай является примером постсинаптического торможения.
В организме при рефлекторной деятельности бывает весьма выгодно реализовать пресинаптическое торможение. Проще предотвратить возбуждение нейрона, чем потом тормозить уже начавшееся развитие возбуждения. Такой механизм реализован в спинальном торможении болевых сигналов, и он связан с деполяризацией первичных афферентов. Деполяризация приводит к уменьшению входа кальция в пресинаптическое окончание, что сопровождается уменьшением порции выделяющегося медиатора.
Общая характеристика медиаторов.
Медиаторы, идентифицированные в настоящее время, чаще всего в химическом отношении являются аминокислотами или их производными, нейропептидами с малой молекулярной массой, или даже простыми соединениями, например, NO и CO –монооксиды азота и углерода. Как правило, это полярные молекулы. АХ был исторически первым медиатором, доказанным в качестве такового для нервно-мышечного синапса. Было время, когда энтузиасты отрицали даже возможность существования других медиаторов (милостиво разрешив норадреналину тоже быть медиатором), в том числе для синапсов на нейронах ЦНС. Сейчас, в современных представлениях, значение холинергической передачи не выше, чем остальных, поскольку в организме не может быть приоритетов ни для какой формы активности, тем более для молекулы. Наиболее распространенным медиатором, как оказалось, является глутамат. Декарбоксилированный глутамат (от молекулы отнимается один фрагмент CO2) – это уже ГАМК, наиболее распространенный медиатор тормозных синапсов. Природа весьма экономна и целесообразна!
Репертуар медиаторов в ЦНС широк и разнообразен.
Нет только «возбуждающих» и только «тормозных» медиаторов! Есть возбуждающие и тормозящие синапсы! АХ в передаче парасимпатических влияний на сердце выступает как тормозящий! АХ при стимуляции моторики кишечника вагусом возбуждает! Для NMDA рецептора ЦНС характерны сайты связывания глутамата и глицина, только обе эти аминокислоты обеспечивают функционирование синапса! Но глицин используется в спинном мозге как тормозной медиатор…
Лекция 6. Физиология мышц.
Классификация мышц.
Скорость передвижения животных, возможность сохранять позу, осуществлять гомеостатическое регулирование кровообращения, дыхания и других процессов зависит от мышечной системы.
Все мышцы организма являются эффекторами и служат объектом иннервации.
Все мышцы делят на скелетные, (поперечнополосатые, исчерченные) и гладкие.
Поперечнополосатые мышцы формируют двигательные аппараты скелета, глазодвигательный, жевательный и др. аппараты. К этой же группе относится сердечная мышца. Скелетные мышцы подвержены волевому контролю, управление их происходит соматической нервной системой. Сердечная мышца управляется автономной нервной системой, иннервирована симпатическими и парасимпатическими нервными волокнами, и не подлежит произвольному контролю.
Гладкие мышцы внутренних органов желудка, кишечника, сосудов, обладают автоматизмом в работе, иннервированы автономной нервной системой и не могут управляться произвольно.
Поперечнополосатые мышцы скелета позвоночных животных состоят из множества отдельных волокон, которые расположены в общей соединительнотканной оболочке и крепятся к сухожилиям, связанным со скелетом. Имеются мышцы параллельно-волокнистого и перистого типа строения. Сила мышцы пропорциональна площади физиологического поперечного сечения.
Каждое волокно скелетной мышцы – это многоядерное клеточное образование, симпласт, сложенный объединением нескольких миобластов. Диаметр симпластного мышечного волокна не превышает 100 мкм, длина составляет 2-3 см.
Основной структурный элемент мышечного волокна – миофибриллы. Миофибриллы образуют структуру с чередованием светлых и темных дисков, пространственно совпадающих у многих волокон в мышце, что и дало основание для термина исчерченные.
В соответствии со схемой Хаксли, а также биохимическими исследованиями, миофибриллы содержат сократительные белки. Толстые и тонкие нити миозина и актина вдвигаются в промежутки между собой за счет скольжения в присутствии АТФ и ионов Са++.
Миозин - сократительный белок, массой 490000, имеет две фракции, легкого и тяжелого миозина, 2 альфа-спирали. Длина молекулы до 1400 ангстрем. По массе составляет 54% от массы мышцы.
Актин, белок с массой 46000, образует одну закрученную цепь, состоящую из двух спиралей. Различают G-актин, глобулярный, и F-актин, составленный из отдельных глобул. По массе занимает 21% мышцы.
Тропомиозин (нить) и тропонин (глобула), выполняют регуляторную роль, без кальция препятствуют сокращению, составляют 15% массы мышцы.
Миозиновые и актиновые нити составляют основу сократительного механизма. Кроме нитей, в мышечном волокне имеется тубулярная система, или система канальцев. Образована впячиваниями наружной мембраны (Т-канальцы) и саркоплазматическим ретикулумом – сетью продольно ориентированных каналов и цистерн между миофибриллами.
Поперечнополосатые мышцы способны сокращаться в двух режимах – изотоническом (постоянная тяга) и изометрическом (постоянная длина), хотя эти понятия по механизму перекрываются. Ауксотонический режим более часто встречается, при сокращении меняется и тяга, и геометрия мышцы.
Исчерченные мышцы обладают широким диапазоном скоростей сокращения, поэтому их можно делить на быстрые (фазические) и медленные (тонические).
Быстрые :
Крикотиреоидная мышца летучей мыши, 200 сокр/с, сгибатели крыльев колибри 45 сокр/с, у зяблика 25 сокр/с. Глазодвигательные мышцы человека при саккадах сокращаются за 5-6 мс. Мышцы кузнечиков способны давать 500 сокр/с.
Скорость сокращения мышц зависит от их биохимических свойств и иннервации. У позвоночных мышцы бывают богатыми миоглобином (депо кислорода) и белыми. Красные миоглобиновые мышцы сокращаются медленно и не так скоро утомляются. По набору ферментов белые мышцы приспособлены к анаэробному гликолизу, а красные к окислительному фосфорилированию. Для красных мышц характерен запас липидов, много крупных митохондрий, высокая активность фосфорилазы, цитохромоксидазы, сукцинатдегидрогеназы. Для белых быстрых мышц характерно малое число митохондрий, много гликогена, высокая активность мышечной лактатдегидрогеназы. Сердечная мышца относится к красному типу, содержит мало гликогена, но много ферментов аэробного обмена.
В любых мышцах имеются быстрые и медленные волокна.
Как правило, быстрые мышечные волокна иннервированы более толстыми нервными волокнами, они имеют более высокий потенциал покоя. У медленных мышечных волокон обнаруживается большая емкость, и высокое удельное сопротивление мембраны, что дает большую постоянную времени. Тонические медленные мышцы получают много двигательных нервных пресинаптических окончаний, поэтому возбуждение обеспечивается нервным механизмом.
Медленные волокна сокращаются градуально, продолжительно м с меньшим утомлением. Нервный импульс и последующее высвобождение АХ в синапсе запускает процесс сокращения, ПКП совсем не обязательно приводит к ПД.
Быстрые мышцы сокращаются чаще после генерации ПД в мышечной мембране.
Иннервация поперечнополосатых мышц осуществляется мотонейронами, локализованными в вентральных рогах спинного мозга. Один нейрон коллатералями своего аксона иннервирует несколько мышечных волокон. Комплекс, включающий один мотонейрон и иннервируемые им мышечные волокна, носит название моторной или двигательной единицы. В одну мышцу объединены многие двигательные единицы. Плотность иннервации отражает количество нервных волокон, приходящихся на одно мышечное волокно. Плотность иннервации велика в мышцах пальцев, языка, глаз, в тех мышцах, которые выполняют «тонкие» движения.
Одиночный тип иннервации мышечных волокон бывает в быстрых мышцах, аксон следует от крупного мотонейрона. Множественный тип иннервации мышечных волокон характерен для медленных, тонических мышц. На одном мышечном волокне расположены синапсы, образованные несколькими малыми мотонейронами. ПКП от разных синапсов суммируются и обеспечивают градуальную деполяризацию.
Мембранный потенциал покоя мышечного волокна определяется двумя ионами, находящимися в определенных соотношениях, ионами K+ и Cl-. Мембрана мышечной клетки проницаема для этих двух ионов в состоянии покоя. Мембранный потенциал определяется суммой концентраций электрогенных катионов и анионов, но зависит от K+ и Cl- в большей степени, чем от других. Градиенты калия и хлора (калия больше в саркоплазме, хлора в интерстиции) выравнены таким образом, что пока не произойдет изменение концентрации одного из них относительно другого, мембранный потенциал сдвинуться не может (правило Доннана). Например, рост концентрации К+ во внеклеточной среде не снижает мембранный потенциал немедленно, сначала в волокно должен поступить хлор, чтобы выровнять градиент концентраций анионов и катионов по обе стороны клеточной мембраны.
Но механизм генерации потенциала концевой пластинки и потенциала действия сходен с тем, который реализуется и в других возбудимых клетках. Большая емкость мембраны обусловливает большую амплитуду ПД, большую его длительность и большой рефрактерный период. Большие токи, генерируемые мышцами, дают возможность регистрировать миограмму с поверхности тела.
Электромеханическое сопряжение. Для чего нужен потенциал концевой пластинки или ПД в мышце? Для осуществления сокращения. Необходимым условием сокращения мышцы, то есть условием перемещения актиновых и миозиновых нитей относительно друг друга, является повышение в саркоплазме концентрации ионов Са++.
В состоянии покоя концентрация кальция в цитоплазме мышечного волокна мала, весь кальций с помощью кальциевых ионных насосов «закачан» в цистерны саркоплазматического ретикулума. Пройти в саркоплазму ионы кальция могут только по потенциалзависимым кальциевым ионным каналам. Т-система и предназначена для передачи потенциала, открывающего эти ионные каналы. Инициация процесса обусловлена приходом ПКП или ПД.
Итак, ПД запускает деполяризацию мембран Т-системы, из полостей саркоплазматического ретикулума по каналам кальций подходит к актиновым и миозиновым нитям. Актиновые и миозиновые нити скользят, тратится АТФ. Перемещение (протягивание) актиновых и миозиновых нитей происходит за счет «гребковых» движений головок миозина, несущих заряд и периодически прикрепляющихся к тонким нитям. Амплитуда одного гребка 20 нм, частота до 50 событий в секунду.
В покое головка миозинового «мостика» фосфориллирована, но не может прикрепится к актину из-за помехи в виде нити тропомиозина и глобулы тропонина. Для устранения этой помехи нужен кальций. Са++ входит в пространство, окружающее миофибриллы, и в присутствии АТФ тропонин отодвигает нить тропомиозина. Миозиновая головка соединяется с актином. В этот момент мостик сгибается из-за конформации белка, осуществляется сдвиг на 1 шаг. Далее происходит отрыв мостика, снова идет фосфориллирование, и процесс повторяется. АТФ фосфориллирует миозин, тропонин блокирует актин. Все это описание отражает наиболее вероятный механизм мышечного сокращения, но он до конца не доказан. Доказана только роль АТФ и ионов кальция, а также факт скольжения нитей.
Считается, что на 1 шаг перемещения сократительных белков тратится энергия 1 молекулы АТФ, роль АТФ-азы играет актомиозин, т.е. комплекс актина и миозина. Необходимо присутствие Са++ и Mg++. АТФ тратится и на расслабление мышцы, для работы кальциевых ионных насосов, перекачивающих кальций во внутриклеточные депо. Механизм расслабления мышц изучен слабее, чем механизм сокращения. Есть мнение, что мышцы расслабляются из-за действия внешних сил (активность мышц-антагонистов) и пластификации.
Мышцы способны сокращаться в нескольких режимах, в зависимости от частоты прихода управляющих стимулов. При 15 Гц регистрируется зубчатый тетанус, при частоте, превышающей 25 Гц – гладкий. Одиночные сокращения происходят при частотах, близких к 1 Гц. Для каждой из мышц имеется оптимум и пессимум частоты, при оптимальной частоте стимуляции она укорачивается на 20% первоначальной длины и развивает максимальное усилие. При этом часть волокон может сокращаться по гладкому тетанусу, часть - по зубчатому.
Сила и работа мышц.
Работа мышцы, как и всякого физического тела, определяется способностью поднять определенный груз (Р) на известную высоту h:
А=Р×h
Одиночное волокно может развивать тягу 100-200 мг, вся мышца- несколько кг.
Основной источник энергии для совершения работы мышцей – АТФ. Запаса АТФ хватает для десятка сокращений, затем необходим его ресинтез. Используется перенос фосфатной группы от креатинфосфата, гликолиз и аэробное окисление. Окислению подвергается глюкоза и жирные кислоты. Механический КПД мышц не очень велик, 20-30%, но тепло, образующееся при их работе, не тратится «впустую», но используется в общей теплопродукции организма. Дрожательный термогенез – важная составляющая системы выработки тепла.
Из курса биохимии известно, что 1 моль АТФ дает 48 кДж энергии, для его ресинтеза нужно 3 моля кислорода. При тяжелой физической работе запасов О2 в мышцах мало для немедленного и достаточного ресинтеза АТФ. Поэтому начинается мобилизация анаэробного распада креатинфосфата и гликолиза, недоокисленные продукты (прежде всего молочная кислота) накапливаются. Создается кислородная задолженность, которая погашается системными реакциями – увеличением кровотока, учащением сердцебиений и ростом частоты дыхания. При тренировке возможна компенсация за счет правильного дыхания и кровообращения. Но чаще развивается утомление, прежде всего нервных центров, а затем и мышц. Утомление – в значительной степени результат кислородного дефицита.
Особенности гладких мышц.
Стенки желудка, кишечника, бронхов, мочеточников, кровеносных и лимфатических сосудов построены из гладких мышц. Это веретенообразные по форме, вытянуты, одноядерные мышечные клетки. Диаметр 2-10 мкм, длина от 50 до 400 мкм. Для гладких мышц не характерна оптическая исчерченность, хотя принципиальных различий в составе сократительных белков и структуре миофибрилл между ними и скелетными нет. Отсутствует только регулярность в расположении миофибрилл и актомиозиновых нитей, характерная для поперечнополосатых мышц. Отсутствует Т-система. Для миоцитов гладких мышц характерны электрические контакты – нексусы, с помощью которых электротонические потенциалы и ПД могут проходить по многим из них. Хотя гладкие мышцы многих органов иннервированы двигательными волокнами парасимпатической и симпатической нервной системой, все внутренние органы имеют и собственную, интрамуральную нервную систему. Среди популяций гладких миоцитов имеются единицы, обладающие пейсмекерной активностью. Мембранный потенциал таких клеток может спонтанно флуктуировать, причем весьма закономерно, путем управления кальциевыми каналами. Чередование деполяризации и реполяризации, порожденное в водителе ритма, распространяется на сотни клеток и обеспечивает миогенный механизм спонтанной сократительной акьтивности. Для генерации потенциала действия необходимо поступление в саркоплазму ионов Na+ и Ca++ , поэтому мембрана гладких миоцитов имеет соответствующие ионные каналы для этого. ПД возникает одновременно с сокращением гладкомышечных клеток. Электромеханическое сопряжение происходит с участием Ca++, поступающим из интерстиция. Ca++ действует на молекулы миозина через посредство кальмодулина, вторичного белкового посредника, который активирует киназы легких цепей миозина. Затем происходит перенос фосфатной группы от АТФ к миозину и срабатывание «мостиков». Удаление кальция кальциевой помпой дефосфориллирует миозин, и он может включится в цикл снова.
Сила сокращений гладких мышц в пересчете на площадь физиологического поперечного сечения сопоставима с силой скелетных. Скорость сокращения и расслабления может быть на 2 порядка меньше.
|