Количество каналов, акивируемых квантом
Если квант ацетилхолина (АХ) состоит из 7000 молекул, то можно ожидать, что лишь несколько тысяч свяжутся с постсинаптическими рецепторами в нервно-мышечном соединении, а остальные будут потеряны в результате диффузии из синаптической щели или гидролиза холинэстеразой . Количество рецепторов, активируемых одним квантом, можно определить сравнением проводимости , активируемой во время миниатюрного потенциала, с проводимостью одиночного ионного канала, активируемого АХ. Регистрация миниатюрных токов концевой пластинки в мышце лягушки в условиях фиксации потенциала выявила, что проводимость, активируемая на пике ответа, составляет около 40 пС . Одиночный АХ-рецептор имеет проводимость около 30 пС. Следовательно, миниатюрный потенциал концевой пластинки является результатом открывания около 1300 каналов. (Это соответствует 2600 молекул АХ, поскольку для открывания канала требуется две молекулы АХ, см. главу 9 и главу 13 ). Схожие результаты были получены Катцем и Миледи, оценивших вклад одиночных каналов в потенциал концевой пластинки на основании анализа шума . Близкое значение количества каналов, открываемых квантом медиатора, было получено в глицинэргических тормозных синапсах продолговатого мозга миноги . В других синапсах были получены меньшие значения. Например, в синапсах нейронов гиппокампа квантовый ответ соответствует открыванию от 15 до 65 каналов.
Почему между синапсами существуют такие различия? Очевидно, что количество постсинатических рецепторов, активируемых квантом медиатора, высвобождаемого из одного пресинаптического бутона , должно соответствовать размерам клетки. В больших клетках с низким входным сопротивлением, как, например, скелетные мышечные волокна или мюллеровские клетки миноги , значительный эффект одного кванта будет наблюдаться при активации большого количества рецептopoв. Активация такого же количества рецепторов в очень маленькой клетке приведет к
- перенасыщению и шунтированию всех других проводимостей и
- деполяризации клетки к потенциалу около 0, если синапс является возбуждающим ; или же к
- фиксированию мембранного потенциала на уровне равновесного потенциала ионов хлора , если синапс является тормозным .
Каким образом достигается соответствие между размером клетки и количеством рецепторов, активируемых квантом медиатора? Уменьшается ли при этом количество молекул в кванте, или же снижается количество постсинаптических рецепторов? Точное значение количества молекул медиатора в синаптических везикулах в ЦНС пока неизвестно. Количество молекул медиатора в глутамат-содержащих везикулах было оценено в 4000, т.е. того же порядка что и количество молекул АХ в везикулах в нервно-мышечном соединении . С другой стороны, анализ квантовых флуктуаций в возбуждающих синапсах и тормозных синапсах на клетках гиппокампа предполагает, что количество доступных постсинаптических рецепторов намного меньше, чем в нервно-мышечном соединении . Квантовые события в синапсах гиппокампа активируют лишь около 15-65 каналов. Амплитуда этих квантовых событий имеет очень малый разброс, что указывает на то, что количество молекул, высвобождаемых одним квантом, всегда более чем достаточно для активации всех доступных рецепторов. В противоположность этому, увеличение количества молекул медиатора в кванте в нервно-мышечном соединении приводит к увеличению квантовых событий.
Различие в количестве доступных постсинаптических рецепторов, рассчитанном по квантовым флуктуациям согласуется с различием в морфологии синапсов ( рис. 11.12 ):
- в синапсе нервно-мышечного соединения рецепторы плотно упакованы (около 10000/кв.мкм) на больших площадях постсинаптической мембраны, обеспечивая практически безграничное количество рецепторов для каждого кванта медиатора ( глава 13 );
- в типичном синапсе гиппокампа плотность постсинаптических рецепторов ниже (около 2800/кв.мкм), и площадь, занимаемая постсинаптической мембраной, очень мала (0,04 кв. мкм); следовательно, на ней присутствует менее 100 постсинаптических рецепторов.
