Освобождение нейротрансмиттеров
В пресинаптическом нервном окончании в синаптических везикулах аккумулируются трансмиттеры. Потенциал действия, достигая нервного окончания, деполяризует его мембрану . При этом, наряду с множеством произошедших изменений, возникает входящий ток ионов Са2+. Ионы Са2+ вызывают процесс слияния везикул с пресинаптической мембраной. Тогда они открываются и выбрасывают свое содержимое в синаптическую щель.
Серия потенциалов действия "пробегает" вдоль аксона , достигает нервного окончания и деполяризует пресинаптическую зону ( рис. 21.1 ). Во время этой деполяризации в нервном окончании возникает не только входящий ток Na+, как это происходит в мембране по всей длине аксона. Мембрана окончания аксона имеет и потенциалуправляемыс Са2+-каналы, через которые во время деполяризации, вызванной пришедшим потенциалом действия, ионы Са2+ проникают в синаптическое окончание. Там исходно очень низкая в состоянии покоя концентрация Са2+ (приблизительно одна десятимиллионная М) повышается на несколько порядков. Одновременно ионы Са2+ дополнительно выходят из эндоплазматического ретикулума . В каждом случае требуется некоторое время (приблизительно 0,2 мс), прежде чем цитоплазматический уровень свободного Са2+ достигнет необходимых действенных концентраций.
В синаптическом окончании в зоне пресинаптической мембраны имеется большое число так называемых синаптических пузырьков (везикул) ( рис. 21.2 ). Их мембраны, подобно клеточным, состоят из фосфолипидного бислоя и белков. Эти везикулы заполнены жидкостью, содержащей химическое вещество - трансмиттер, благодаря которому осуществляется синаптическая передача. Трансмиттер "переносит" возбуждение от пресинаптической мембраны на постсинаптическую.
Функции трансмиттеров выполняют много различных веществ. Одним из них является ацетилхолин (см. формулы на рис. 21.8 ).
Для детального описания процесса синаптической передачи в химическом синапсе рассмотрим синапс, в котором в качестве трансмиттера из везикул выбрасывается ацетилхолин (ACh) . Такой синапс называется холинергическим . Примером холинергического синапса является нервно-мышечный синапс . Изложенные механизмы аналогичны также для других синапсов и химических трансмиттеров.
Синаптические везикулы фиксируются большей частью на цитоскелете посредством протеина синапсина (synapsin) , локализованного на цитоплазматической поверхности каждой везикулы, к протеину спектрину (spectrin) , расположенному на волокнах F-актина цитоскелета, и образуют тем самым трансмиттерный резервуар. Меньшая часть везикул связана специфическими протеинами с внутренней стороной пресинаптической мембраны ( рис. 21.1 ). Это взаимодействие осуществляется посредством белка мембраны везикулы синаптобревина (synaptobrevin) и белка пресинаптической мембраны синтаксина (syntaxin) . Именно эти везикулы непосредственно поставляют трансмиттер для очередного выброса.
Если потенциал действия достиг пресинаптической области и в пресинаптическом окончании концентрация Са2+ поднялась до необходимого уровня, то происходят два процесса. Во-первых, на уже связанных с пресинаптической мембраной везикулах, которые, по существу, лежат на ней, Са2+ связывается с протеином, входящим в состав их мембраны, - синаптотагмином (synaptotagmin) . Это приводит к тому, что мембрана везикулы раскрывается. Одновременно комплекс полипептида синаптофизина (synaptophysin) сливается с неидентифицированными протеинами пресинаптической мембраны. При этом возникает пора, через которую осуществляется регулируемый экзоцитоз, т.е. секреция трансмиттера в синаптическую щель, причем еще один протеин везикулы, rab3A , регулирует этот процесс ( рис. 21.1 ; рис. 21.3 ). В одной везикуле сосредоточено примерно 6000-8000 молекул трансмиттера; это наименьшее количество трансмиттера, освобожденного в синаптическую щель, которое называется "один квант трансмиттера ".
В совокупности локальная концентрация трансмиттера в синаптической щели после его освобождения относительно высока и находится в миллимолярном диапазоне.
Повышенный уровень ионов Са2+ в пресинаптическом окончании активирует Са2+-кальмодулинзависимую протеинкиназу II. В пресинаптическом окончании этот фермент фосфорилирует синапсин. После этого нагруженные трансмиттером везикулы освобождаются от цитоскелета и перемещаются на пресинаптическую мембрану для осуществления дальнейшего цикла.
Таким образом, главную роль для процесса выброса трансмиттера по типу экзоцитоза играет не деполяризация окончания, а именно входящий ток ионов Са2+. Ионы Са2+ служат при этом не для дополнительной деполяризации, а в качестве вещества-посредника (вторичного мессенджера), которое запускает механизм слияния везикул. Повышение концентрации экстрацеллюлярного Са2+ повышает входящий ток ионов Са2+ и, тем самым, увеличивает освобождение трансмиттера. Наоборот, искусственное повышение концентрации экстрацеллюлярного Mg2+ посредством замещения им ионов Са2+ ведет к снижению входящего тока Са2+ и, тем самым, уменьшению освобождения трансмиттера. Небольшие G-белки , вероятно, также участвуют в управлении везикулярным экзоцитозом.
После прекращения пресинаптического потенциала действия ионы Са2+ удаляются из пресинаптической области посредством активного ионного транспорта с участием Са2+-АТФазы и 3Na+/Ca2+-обменника.
Таким образом, работа синапса регулируется путем влияния на входящий ток ионов Са2+ или изменения концентрации ионов Са2+ в пресинаптическом окончании. Многоразовое сильное возбуждение пресинаптического нейрона ведет к минутному увеличению концентрации ионов Са2+ и, тем самым, к повышенному освобождению трансмиттера. В данном случае это простейшая форма памяти . Этот процесс называется синаптическим или посттетаническим потенциированием (после тетанического раздражения). При этом повышение уровня Са2+ в пресинаптическом окончании очень эффективно. Экзоцитоз везикул повышается с концентрацией Са2+. Однако очевидно, что и другие механизмы участвуют в посттетаническом потенциировании.
Описанные механизмы повышают эффективность работы синапса. С другой стороны, входящим током ионов Са2+ можно управлять также посредством влияния на Са2+-каналы. Они могут быть более или менее частыми, закрытыми или открытыми. Очевидна возможность фармакологического воздействия. Например, конотоксин (conotoxine) - яд улитки - блокирует каналы Са2+. Кроме того, ионы Mg2+, вытесняя ионы Са2+, уменьшают освобождение трансмиттера. Опорожнение везикул также может блокироваться посредством ядов. Например, ботулинический токсин при мясном отравлении действует на пресинаптическую мембрану, препятствуя скоплению везикул на ней за счет уменьшения необходимого для этого процесса протеина. При подобном механизме уменьшается освобождение ацетилхолина (ACh) . Подобным же образом влияет тетанус-токсин (tetanustoxin) , который в переднем роге спинного мозга прекращает торможение мотонейрона клеткой Реншоу , что приводит к судорогам .
Пресинаптические и постсинаптические мембраны разделены друг от друга щелью в 20-50 нм. В нее и выбрасываются молекулы трансмиттера. Они диффундируют к лежащей напротив постсинаптической мембране, и этот процесс занимает около 0,1 мс.
