Межклеточные взаимодействия в нервной системе

Современное понимание процессов, лежащих в основе регуляции функций организма нервной системой, построено на мембранной теории, базирующейся, в свою очередь, на особенностях клеточного строения нервной ткани.

В представлениях современной молекулярной физиологии клетки, основные процессы в воспринимающих сигнал клетках связаны с фосфорилированием и дефосфорилированием белковых молекул, подавляющее число которых являются ферментами. Путем фосфорилирования молекуле сообщается определенное количество энергии, она повышает реакционную способность, переходит в активированное состояние или меняет свою конформацию, необходимую для выполнения специфических функций. Среди подвергаемых фосфорилированию и дефосфорилированию ферментов имеется набор протеинкиназ, осуществляющих регуляцию функций разнообразных белковых молекул. Обычно этому процессу подвергаются тирозиновые, либо сериновые/треониновые аминокислотные фрагменты в пептидных молекулах. Структурное подобие аминокислот серина и треонина не дифференцируется. Поэтому различают сериновые/треониновые протеинкиназы и тирозиновые протеинкиназы. Обратный процесс – дефосфолрилирование обеспечивается тирозиновыми или сериновыми фосфатазами, но с меньшей удельной специфичностью для вторых. Другой путь, который используется при передаче сигналов между клетками, связан с активацией процессов в клетке, вовлекающих гуанилатциклазу и белковые комплексы – G-белки. Те нередко взаимодействуют со вторыми (вторичными) посредниками (вестниками), среди которых хорошо изучены циклические нуклеотиды циклический АМФ и циклический ГМФ. Кроме них, в реакции нейронов на различные информационные сигналы вовлекаются диацилглицерол, инозитолтрифосфат, кальмодулин, монооксид азота. Кроме того, сигнальная роль в клетке принадлежит ионизированному кальцию.

Разнообразные рецепторы могут располагаться в синаптических областях нервных клеток, а также на участках мембраны, свободных от синаптических окончаний. В таком случае они открыты для экстраклеточного действия медиаторов и других сигнальных молекул. Так осуществляется объемная, или диффузная трансмиссия сигналов между клетками. Типичным примером ее может служить NO-ергическая трансляция сигнала, адресующегося внутриклеточной цитозольной растворимой гуанилатциклазе без локализации места вхождения молекул медиатора в воспринимающую сигнал клетку. С другой стороны, после классических экспериментов Отто Леви стало очевидным, а в последнее время и введенным в научный оборот как самостоятельное явление то, что нейромедиатор способен распространяться за пределы синапса. Это явление получило название «спилловер» и интенсивно исследуется в последние годы. Для такой расширенной диффузии медиатора доступны те рецепторы, которые локализованы экстрасинаптически.

Межнейронные и нейронно-эффекторные взаимодействия с использованием «классических» медиаторов построены преимущественно на использовании рецепторов, расположенных в областях синаптических контактов.

Синаптическая передача сигналов – это инициация процесса возбуждения или торможения в возбудимой клетке, вызванная электрическим или химическим сигналом, поступившим от рецептирующей или нервной клетки, с помощью специализированного межклеточного контакта, называемого синапсом.

Известны два принципиально различных способа передачи сигналов от клетки к клетке – электрический и химический.

По принципу осуществления передачи синапсы бывают электрические и химические, смешанные химически-электрические, химические с прямым и непрямым способом рецепции медиатора. При прямом способе рецепции медиатора ионотропные рецепторы, одновременно выступающими как ионные каналы и расположенные на постсинаптической мембране, прямо активируются медиатором. При непрямой синаптической передаче рецепторы, относящиеся к классу метаботропных, реагируют на медиатор через адресацию последнего к вторичным внутриклеточным посредникам или G-белкам. Только после этого активируются ионные каналы.

По принадлежности осуществляющих контакт клеток различают нервно-мышечные, нейро-нейрональные, нейро-секреторные синапсы. Аксо-аксональные, аксо-соматические, аксо-дендритные, дендро-дендритные (если у клетки не выраженного аксона) являются разновидностями нейро-нейрональных синапсов.

Синапсы могут классифицироваться и по используемому типу медиатора, в этом отношении бывают холинергические, адренергические (пептидергические, глутаматергические и т.д.) синапсы.

По характеру (или знаку действия) синапсы могут быть возбуждающими и тормозными.

Структура (ультраструктура, т.е. строение на уровне разрешения электронного микроскопа) синапсов сложна и менее всего напоминает простую модель, рассматриваемую в общем курсе физиологии. Однако в любом синапсе можно выделить пресинаптическую область, синаптическую щель и постсинаптическую область.

Как правило, электрические синапсы образуются между функционально однородными клетками (щелевые контакты) и служат для синхронизации их деятельности. Они найдены как у беспозвоночных, так и у позвоночных животных. Служат способом объединения кардиомиоцитов или гладких миоцитов в функциональный синцитий.

Рис. Ультраструктура аксо-дендритного химического синапса.

Свойства электрического синапса:

а) высокое быстродействие, высокая лабильность

б) слабость или отсутствие следовых процессов – деполяризации и гиперполяризации, слабое влияние на процессы интеграции воспринимающего нейрона

в) высокая надежность передачи

Химические синапсы. Для химического синапса [34,35, 38] характерны:

· Длительная синаптическая задержка, продолжительностью не менее 0,5 с.

· Отсутствие электрического тока от пре- к постсинаптической мембране.

· Постсинаптический потенциал как результат функционирования химического синапса. Постсинаптический потенциал (ПСП) является целью функционирования химического синапса и может быть возбуждающим (ВПСП) или тормозным (ТПСП). Термины ВПСП и ТПСП применяют чаще к синапсам, образованным нейронами на нейронах. В нервно-мышечном синапсе целью синаптической передачи является формирование потенциала действия, сопряженного с последующим мышечным сокращением.

· Увеличение проводимости постсинаптической мембраны при реализации функций синапса (ПСП в виде ТПСП или ВПСП обусловлены перемещением ионов через ионные каналы в мембране).

· Синаптические пузырьки, или везикулы, присутствующие в пресинаптических окончаниях, специфическое окрашивание характерное для постсинаптической мембраны.

· Зависимость процесса высвобождения, или релизинга медиатора, от входа в пресинаптическое окончание ионов Са^++.

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). На электронных микрофотографиях области синапса часто можно видеть, что диаметр синаптической везикулы совпадает по диаметру с шириной синаптической щели.

Синтез медиаторов происходит 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 мембраны.

Квантовый выход АХ имеет электрически значимые последствия. Инициация квантового релизинга задается приходом по аксону потенциала действия, который в безмиелиновом 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. Обе 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 холинорецептора 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 мембрана 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 кроме разрушения моноаминооксидазой и катехоламин-О-метилтрансферазой 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. Некоторые инсектицидные препараты имеют принцип действия, основанный на ингибировании ацетилхолинэстеразы, поэтому опасны не только для бытовых насекомых-вредителей, но и для теплокровных животных.

Суммарно этапы функционирования химической синаптической передачи сигнала можно свести к следующим стадиям.

1.Синтез, хранение и транспорт медиатора в везикулах.

2.Секреция медиатора при деполяризации пресинаптической мембраны и входе ионов кальция в окончание.

3.Реакция постсинаптической мембраны 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, импульс, после проведенного «анализа» поступивших по синаптическим входам всех постсинаптических потенциалов.

В нейро-нейрональных синапсах не только АХ может быть медиатором, чаще всего возбуждающие аминокислоты глутамат и аспартат, норадреналин, нейропептиды, АТФ и NO, а также «тормозные» аминокислоты ГАМК и глицин выполняют функции медиаторов.

Как выяснилось в последнее десятилетие, «глутаматная» возбуждающая синаптическая нейропередача сигналов 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 реализации, 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.

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 трансмиттера.

Медиаторы, идентифицированные в настоящее время, чаще всего в химическом отношении являются аминокислотами или их производными (тирозина, глицина, др.), 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 ученые – 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 нейротрансмиттеров в ЦНС широк и разнообразен. Постоянно исследователи предлагают все новые молекулы в качестве кандидатов в медиаторы. Не всегда их посредническая роль подтверждается, поэтому предложены критерии, которым должен удовлетворять предполагаемый нейропередатчик сигнала [38,39,42].

1.Должна быть установлена способность малых (мкмоли) количеств предполагаемого кандидата в медиаторы воспроизводить эффект стимуляции пресинаптического нервного волокна.

2.Гистохимическими и биохимическими методами должно быть локализовано наличие медиатора и его метаболических предшественников, а равно и ферментов синтеза в пресинаптическом нейроне.

3.Необходимо идентифицировать выделение медиатора в перфузат или интерстиций при раздражении пресинаптического нерва в соответствующем эксперименте.

4.Следует установить механизм инактивации предполагаемого нейротрансмиттера, или в виде соответствующего фермента, или процесса удаления из активной зоны синапса.

5.Требуется идентифицировать ряд специальных фармакологических препаратов, способных усиливать или ингибировать реакции, как на введение предполагаемого медиатора, так и на стимуляцию пресинаптического нервного волокна.

Следует помнить, что не бывает только «возбуждающих» и только «тормозных» медиаторов. Есть возбуждающие и тормозящие синапсы. Нейромедиатор АХ при передаче парасимпатических влияний на сердце выступает как тормозящий. Он же при выделении из вагусных окончаний в кишечнике стимулирует моторику. Для NMDA-рецептора в ЦНС характерны сайты связывания глутамата и глицина, только обе эти аминокислоты обеспечивают функционирование синапса. Но глицин используется в спинном мозге и как медиатор для синаптического торможения.

Кроме синаптического способа межклеточного обмена сигналами, в настоящее время активно исследуется диффузная трансмиссия сигналов, учитывающая влияние медиаторных молекул на рецепторы, локализованные вне синаптической щели. Экстрасинаптические рецепторы обладают большей чувствительностью и аффинностью к связыванию специфических лигандов. Имеются доказательства того, что внесинаптическим рецепторам принадлежит главная роль в рецепции сигнальных молекул в мозге, распространяющихся с током внеклеточной жидкости. В частности, никотиновые холинорецепторы, как установлено [101,102] в центральной нервной системе расположены преимущественно вне синапсов и связывают холиномиметики в чрезвычайно низких концентрациях последних, что имеет значение при некоторых состояниях у человека, например, при привыкании к курению табака.

Кроме нейротрансмиттеров, к физиологически активным молекулам, используемым клетками для коммуникационных взаимодействий, относятся нейромодуляторы.