|
Лекция по физиологии Центральной нервной деятельности (ЦНС
- 4) |
|
|
Лекции, шпаргалки Физиология ЦНС – 1 Физиология ЦНС – 2 Физиология ЦНС – 3 Физиология ЦНС – 4 Физиология ЦНС – 5 Физиология ЦНС – 6 |
Синаптическая передача в ЦНС.
Понятие о синапсе. Строение электрического и химического синаптических
контактов. События, происходящие в
химическом синапсе. Медиаторы и принцип Дэйла. Ионотропные и метаботропные эффекты медиаторов.
Модуляторы синаптической передачи. Сосуществование в одной аксонной терминале
медиаторов и модуляторов. Критика принципа Дейла. Возбуждение и торможение
нейрона (ВПСП, ТПСП) В прошлой лекции мы доказали, что мозг имеет клеточное строение. Английский физиолог Ширингстон занимался рефлекторными дугами. Изучал, как отвечает скелетная мышца на разные стимулы (сильнее, слабее, через какое время). Он знал, что помимо эфферентного и афферентного нейрона есть промежуточные. Как происходит передача возбуждения по аксону было уже известно. Обнаружил, что скелетная мышца отвечает довольно не быстро, проходит какое-то время между возбуждением и ответом мышцы, большее чем необходимо для распространения по нервным волокнам. Поэтому он пришел к выводу, что между нервными клетками (афферентной и промежуточной, промежуточной и эфферентной) есть образования, которые он назвал касания. И этот же вопрос интересовал Рамона-и-Кохала, который называл их соприкосновение между отдельными нейронами. Как клетки могут взаимодействовать друг с другом? Виды взаимодействия между клетками: 1.) Самое простое это паракринное взаимодействие. В одной клетке вырабатываются физиологически активные вещества, эти вещества передаются в другую клетку и вторая клетка меняет свое состояние. Примером такого взаимодействия является нейрональная индукция. В методерме выделяются вещества, которые превращают клетки эктодермы в нервные клетки. 2.) Есть взаимодействие эндокринное: железистая клетка выделяет гормоны, которые попадают в рядом лежащий сосуд. По кровотоку гормоны попадают в другую клетку, и изменяют ее состояние. 3.) Самое сложное взаимодействие – это нейроэндокринное. В нервной клетке вырабатывается биологически активное вещество – нейрогормон, он поступает в кровь. С кровью нейрогормон поступает в эндокринную железу, например гипофиз. А в гипофизе вырабатываются свои гормоны, которые влияют на другую железу, на другие органы и ткани. Схема: нервная клетка, затем идет одна эндокринная железа, затем идет другая эндокринная железа, которая через кровоток регулирует работу какого-то органа и ткани. 4.) Есть другое взаимодействие между нервными клетками еще более сложное, оно осуществляется с помощью синаптических контактов. От нервной клетки отходит аксон, который заканчивается утолщением, разветвлением - терминалью, где есть как бы набухание. Другая нервная клетка, тоже аксон и терминаль - набухание. Окончание одного аксона и дендриты или сома другого нейрона – эта область называется синаптический контакт. Отто Леви и Генрих Дейл, которые стояли за химическую передачу, они считали и доказали, что из окончаний аксонной терминали выделяется химическое вещество, которое меняет работу той клетки, куда оно попадает. Значит здесь _________ должны происходить какие-то события с участием химического вещества. Но в тоже время как только окончательно доказали, что существуют синаптические контакты, это 1953-1956 годы, когда уже был усовершенствован электронный микроскоп, было доказано есть синаптический контакты, где происходит передача возбуждения, но не так как утверждали Леви и Дейл, а только с помощью электрического сигнала, без участия химического сигнала . В клетке возникает биопотенциал, он распространяется по аксону, подходит к окончанию и возбуждает следующий нейрон, т. е. не нужен химический сигнал. Такие синаптические контакты были обнаружены, и было доказано, что существуют синаптические контакты без участия химического сигнала. Из каких элементов состоит синаптический контакт? Рисуем крупно аксонную терминаль, и другую клетку, ее сому, между ними аксосоматический контакт. В аксонной терминале не всегда, но очень часто содержатся пузырьки, которые называются везикулы, в них содержится химическое вещество, которое передается от одной клетки к другой. Схема: предсинаптическая мембрана аксонной терминали, дальше идет синаптическая щель, дальше постсинаптическая мембрана другой нервной клетки. Если это химический синаптический контакт, то в везикулах должны быть химическое вещество – медиатор. А если есть медиаторы, чтобы химическое вещество подействовало, необходимы рецепторы в другой клетке, которые чувствительны к этому медиатору. Значит в постсинаптической мембране должны быть рецепторы. Это у нас химический синаптический контакт, в нем присутствуют визикулы с медиатором и рецепторы. Что касается электрического синаптического контакта там нет рецепторов и медиаторов, а в остальном структура таже. Но есть еще отличия электрического синаптического контакта от химического. 1) Электрический сигнал не может преодолеть большое расстояние, поэтому в электрическом синаптическом контакте синаптическая щель = 2 нанометра, что в 10 раз меньше, чем в химическом = 20 нанометров. 2) Как распространяется возбуждение в химическом синаптическом контакте? - только там, где есть щель между веществом и рецепторами, т. е. в одном направлении. В электрическом синаптическом контакте возбуждение распространяется и в том и в другом направлении: от постсинапса к предсинапсу и наоборот. В химическом синаптическом контакте могут происходить интэгративные процессы, т. е. сигнал может быть усилен или ослаблен в зависимости от того сколько медиатора выделено. В электрическом какой был сигнал, такой и переходит на другую клетку. 3) Химический синаптический контакт больше зависит от метаболизма в нервной системе, чем электрический синаптический контакт. Рисуем аксонную терминаль. Что такое везикулы? Они образуют два сообщества: - одно отстраненное от предсинаптической мембраны (там много везикул) - 10-50 везикул, готовых к тому, что вещество выйдет в синаптическую щель. Как это происходит? Это происходит только в том случае если сюда по аксону приходит потенциал действия, чтобы медиатор выделился из везикул в синаптическую щель. Если сюда пришел потенциал действия, то в первую очередь (здесь ___ в основном кальциевые каналы) открываются каналы для кальция, и кальций входит в аксонную терминаль – это обязательная ступень, если кальций убрать, то дальше потенциала ничего не будет. А внутри аксонной терминали содержится белок, который называется кальмодулин, и как только кальций прошел он взаимодействует с кальмодулином. Дальше происходит цепочка биохимических процессов, каждый из которых изучен … (лучше послушать лекцию или почитать литературу, но надо запомнить, что) в результате которых возникает фосфоремирование, которое приводит к слипанию мембраны везикулы с предсинаптической мембраной. При этом медиатор выделяется в синаптическую щель методом экзоцитозом. Конечная задача медиатора – это взаимодействие с рецептором постсинаптической мембраны. Когда везикулы первого пула уходят, на их место приходят везикулы второго пула. Если везикулы содержат одинаковое вещество (медиатор), то они могут иметь одинаковую форму и размеры. Шеперд и Палей – физиологи занимались изучением формы везикул и веществом, которое находится в них. Плей: «Везикулы в аксонной терминале мне напоминают шоколадные конфеты, каждая в своей обертке и со своей начинкой» Шеперд говорил, что это вещь в себе. Везикулы могут быть: 1.) овальной формы, величиной 30-60 нанометров, в них содержатся тормозные медиаторы; 2.) округлые, прозрачные величиной от 40 до 60 нанометров, в них содержится ацетилхолин; 3.) электронноплотные, непрозрачные, от 40 до100 нанометров, в них содержится катехоламины; 4.) самые крупные, электронноплотные от 100 до 160 нанометров, содержатся нейропептиды, выполняющие роль медиаторов. Требования к медиаторам: 1) Они накапливаются в аксонной терминале; 2) Они выделяются из аксонной терминали, если аксон возбуждается; 3) Здесь же должен находиться фермент, который участвует в синтезе этого медиатора; 4) Необходим фермент, который разрушает этот медиатор, медиатор должен оказать свое влияние и разрушиться; 5) Необходим рецептор для этого медиатора; 6) Однозначность эффектов при раздражении аксонной терминали и при действии медиатора, который там находится. Например: Если мы раздражаем симпатический нерв и сердце учащает свою работу, так как в окончании симпатического нерва выделяется адреналин. Потом мы просто берем и капаем адреналин на сердце, при этом получаем такой же эффект. Медиаторами являются: Группа называется амины, в их состав входят: 1) катехоламины: –дофамин - норадреналин -адреналин Все они образуются из аминокислоты - тирозина, очень сходны по действию, но в тоже время их эффекты специфичны, например все они могут повышать кровяное давление, но имеют свои дополнительные эффекты. 2) серотонин не является катехоламином. Образуется из аминокислоты триктофана. Серотонин и адреналин во многих своих проявлениях оказываются антагонистами. Наиболее распространенным медиатором в нервной системе является ацетилхолин – это особый медиатор. Оказалось, что ко всем этим медиаторам есть свои рецепторы. Ацетилхолин синтезируется в окончании мотонейрона. Не только в ЦНС передача происходит с участием медиаторов, но и на периферии. Ацетилхолин взаимодействует с Н (никотиновые)-холинорецептором. Заблокируем холинорецептор (подобрав специальное вещество), тогда ацетилхолину не с чем будет взаимодействовать. Таким веществом оказался яд кураре. Если мы возьмем сердечную мышцу, она иннервируется тоже с помощью ацетилхолина, но здесь ацетилхолин взаимодействует с другим рецептором – М (мусколиновые) - халинорецептором, блокатором для которого является атропин. В ЦНС есть Н, и М – холинорецепторы. У дофамина есть Д-1, Д-2, Д-3, Д-4 рецепторы. Рецепторы увеличивают возможности одного и того же медиатора, оказывая разные влияния. Все указанные медиаторы в зависимости от того, с каким они взаимодействуют медиатором, оказывают либо тормозное, либо возбуждающее влияние. В ЦНС есть два тормозных медиатора, которые оказывают только тормозное влияние: Глицын и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Недостаток тормозных медиаторов может привести к эпилепсии. Только возбуждение вызывает глутамат. Что происходит в результате взаимодействия медиаторов с рецепторами постсинаптической мембраной. События могут происходить по двум типам: 1) метабо-тропный процесс – это изменение метаболизма в клетке в результате взаимодействия медиатора Аденилат-циклаза (АД – это фермент, который усиливает, ускоряет процессы метаболизма в следующей клетке) с рецептором постсинаптической мембраны. Это взаимодействие может закончиться изменением генома клетки, т. е. изменения функций ядра; 2) ионо-тропный, т. е. меняется проницаемость мембраны второго нейрона для ионов натрия, или калия, или хлора; и в зависимости от того для какого иона меняется проницаемость в ту или иную сторону меняется состояние мембраны. Как возбуждается нервная клетка? В состояние покоя любая живая (нервная, мышечная, железистая, нервное волокно) клетка изнутри заряжена отрицательно, а снаружи положительно. Чтобы в этом убедиться подводят два электрода, к внешней мембране клетки, между ними измерительный прибор, который регистрирует ноль на экране – нет разницы потенциалов между двумя точками на мембране. Затем один электрод вводим внутрь, и касаемся внутренней поверхности мембраны, в результате получаем резкий скачок на экране прибора, показатели которого зависят от клетки, с которой проводится опыт, от –30 до -90 мВ. Вывод: есть разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны. Так заложено природой, что внутри клетки (с внутренней стороны мембраны) избыток ионов калия, концентрация ионов калия всегда больше в клетке, чем в окружающей среде. Каким же образом создается разница в потенциалах? Внутри калия много, снаружи калия мало, мембрана в состоянии покоя проницаема для ионов калия. Калий будет выходить из клетки, по законам диффузии. Энергия заложена в разнице концентраций, это происходит без затрат энергии. Калий (внутри он заряжен положительно) выходит из клетки, и выносит с собой положительный заряд, и теперь этот положительный заряд не выпускает калий. Создается равновесность потенциалов по калию, т. е. уравновешиваются две силы: Первая - это диффузия, которая выталкивает калий из клетки, Вторая – это электростатическая сила, не выпускает калий из клетки. В каждой клетки свой равновесный потенциал. Что можно очень легко изменить, чтобы мембранный потенциал стал меняться? - концентрацию калия в окружающей среде. Если мы увеличиваем концентрацию калия в окружающей среде, из клетки будет меньше выходить калия. Если уравняем концентрацию калия в клетке и в окружающей среде, клетка будет мертвой и ни к чему не способной. При возбуждении: Сначала меняется проницаемость мембраны для калия, и для натрия. Для калия проницаемость резко понижается, а для натрия резко возрастает. Если мы будем раздражать мембрану, то повышается проницаемость для натрия, натрий начинает входить в клетку. Теперь мембрана дэполяризуется, внутри у нас будет плюс, а снаружи минус, причем не до нуля. После ответа на один стимул, мембрана должна вернуться в состояние покоя, чтобы ответить на другой стимул. Для чего нам нужен фермент, который разрушает медиатор? Медиатор возбуждает мембрану постсинаптическую, он должен быть разрушен для восстановления в клетке состояния покоя. Состояние покоя восстанавливается через процесс реполяризации. Этот процесс возникает потому, что инактивируются натриевые каналы. Сначала они закрыты, потом они открыты, а на пике деполяризации они инактивируются, т.е. они не могут дальше открываться. В этот момент открывается канал для калия, калий выходит из клетки и восстанавливается исходный мембранный потенциал. Количество каналов подсчитано, структура их определена за счет блокаторов: -калиевые каналы блокируются тетроэтиламонием, в результате не будет процесса рэполяризации; -натриевые каналы блокируются – тетродотоксином, в результате не возникает потенциал действия при раздражении мембраны. При раздражении возникает потенциал действия, который обычно называем или возбуждение, или сигнал, или биопотенциал. При слабом раздражении может открыться недостаточное количество каналов для натрия, т.е. есть критический уровень деполяризации (КУД) или порог. Например на мышцу наносим стимул, а мышца не сокращается, там происходит локальная деполяризация, которая не приводит к сокращению мышцы, локальный процесс дэполяризации не достигает КУД. Если натрий в состоянии возбуждения входит в клетку, в итоге в клетке повысится концентрация натрия. Если калий уходит из клетки, в итоге в клетке понизится концентрация калия. У нас нарушится та исходная разность концентраций, которая обеспечивает и потенциал покоя и потенциал действия. Калиево-натриевый насос – это белковая молекула, их задача перекачивать калий в клетку, а натрий из клетки, т. е. он работает против концентрационного грэдиента. В этом случае необходима энергия, АТФ. Если мы энергию заблокируем, то насосы работать не будут. Постепенно будет накапливаться в наружной среде калий, во внутренней – натрий, и мышечное волокно постепенно перестает работать. По отношению к нервной клетке. Как происходит передача возбуждения при осуществлении движения. Мотонейрон, его аксон выходит из передних рогов, подходит к скелетной мышце. Каждое отдельное нервное волокно иннервирует отдельное мышечное волокно, к мышце подходит целый нерв, который ее иннервирует. Аксонная терминаль, везикулы, в которых содержится ацетилхолин. Именно работая с мотонейронами, Дейл сформулировал свой принцип: «в одном нейроне синтезируется один какой-то медиатор» Доказательство ниже. Рисуем: мотонейрон, миэлиновая оболочка, аксонная терминаль. Доказано, что в аксонной терминале выделяется ацетилхолин. Действительно это медиатор? Нужно было найти фермент, который синтезирует ацетилхолин – нашли, и нашли фермент, который разрушает ацетилхолин - это холинэкстераза. Ацетилхолин выделился, провзаимодействовал с Н-холинорецепторами, и дальше происходит возбуждение мышечного волокна. Окончание мотонейрона, мышечное волокно. Постсинаптическая мембрана в невромышечном синаптическом контакте имеет сложное строение для увеличения площади. В постсинаптической мембране содержатся Н-холинорецепторы, ацетилхолин взаимодействует с Н-холинорецепторами в результате чего мышечное волокно обязательно сокращается. В постсинаптической мембране возникают процессы, результат мы видим – мышечное волокно сократилось. Для того, чтобы Мышечное волокно сократилось в нем тоже должен возникнуть потенциал действия. Вначале возникают потенциалы концевой пластинки ПКП – это маленькие деполяризации. Выделяется медиатор, сначала возникает один ПКП, другой ПКП … Они суммируются и обязательно достигают критического уровня деполяризации, и обязательно возникает потенциал действия. Цепочка: … потенциал действия в нервном волокне, выделяется медиатор, взаимодействует с Н-холинорецепторами, возникает потенциал в концевой пластинке, они суммируются между собой потенциалы концевой пластинки, все вместе достигают критического уровня деполяризации, в ответ на это возникает потенциал действия в мышечной мембране, мышечное волокно сокращается. Если потенциал действия не распространяется по аксону мотонейрона. В этом случае выделяются квантомедиаторы, т. е выделяется чуть-чуть ацетилхолина. Никогда не бывает, чтобы мотонейрон был абсолютно заторможен. Даже при самом большом расслабления мышцы чуть-чуть сокращены, есть такой тонус мускулатуры. Когда у нас потенциал действия не приходит, в постсинаптической мембране возникает миниатюрные потенциалы – это маленькая деполяризация, которая не вызывает потенциал действия. Если ацетилхолин выделился, деполяризация все равно должна возникнуть, но эти миниатюрные потенциалы, даже если суммируются, они не могут вызвать такую деполяризацию, чтобы у нас лавинообразно натрий пошел в клетку. Это то, что происходит на постсинаптической мембране мышечного волокна, а что в нервной клетке происходит? Нервная клетка, сюда приходит по аксону потенциал действия, после чего выделился медиатор. Если пришел сигнал только по одному, двум, трем аксонам к одной нервной клетке, с ней ничего не произойдет. Потому, что на теле одного аксона заканчиваются до тысячи окончаний других нервных клеток. Мембрана дэполяризуется, но деполяризация возникает и угасает. Такая деполяризация называется ВПСП – возбуждающий постсинаптический потенциал. В нервной клетке, в нервном волокне, мышечном волокне есть такое явление как рефрактерность, т. е. если нервное волокно возбудилось, то при повторном сигнале оно уже не возбудимо, т. е. натриевые каналы больше уже раскрываться не могут. Самый большой рефрактэрный период был обнаружен у сердечной мышцы. Сердце сокращается затем расслабляется, естественно находится в состоянии невозбудимости, которое необходимо, чтобы закончилась одна систула, после этого миокарт должен прийти в такое состояние, чтобы снова возбуждаться. Для сердца нужны ритмичные сокращение – расслабление, поэтому у сердца самый большой рефрактэрный период. Меньше рефрактерный период у скелетных мышц. Самый маленький рефрактэрный период у нервных волокон, которое возбуждаются с частотой 400 импульсов в сек. Есть период рефрактерности т. е невозбудимости. Например, придет важный сигнал, а клетка в состоянии рефрактэрности. Поэтому не любой сигнал вызывает возбуждение нервной клетки. Если к большому числу возникают стимулы, в результате процесса суммации деполяризация достигает критического уровня и в клетке возникает потенциал действия. Суммация может быть пространственной, а может быть временной. Пространственная возникает тогда когда ВПСП возникает на большей части мембраны нервного волокна. Временная возникает при повышении частоты раздражающих стимулов, когда следующий стимул приходит, а предыдущие еще не успели угаснуть. Рефрактэрный период начинается с точки ____. Потенциал действия – это процесс возбуждения, процесс дэполяризации, и ВПСП – это тоже процесс деполяризации. Разница между потенциалом действия и ВПСП: - потенциал действия возникает по закону все или ничего, т е если раздражающий стимул достиг порога то потэнциал обязательно возникает и уже не меняется . - ВПСП – градуальный процесс, он зависит от количества медиаторов. - Задача потенциала действия, если он возник дальше распространяться. - ВПСП – это локальный процесс. - ВПСП, ПКП суммируются - Потенциалы действия суммироваться не могут. Еще раз принцип ДЕЙЛА: « в одном нейроне возникает один медиатор»: У мотонейрона, пока миэлиновая оболочка не началась, где-то около сомы, как правило, есть веточка – коллотераль, из нее тоже выделяется ацетилхолин. Отсюда ДЕЙЛ сделал вывод, что в каждом нейроне вырабатывается только один медиатор. В ЦНС существуют медиаторные системы, в каждой из которых вырабатывается свой медиатор, если вырабатывается ацетилхолин – холинэргическая и т. д. ГАМэрбическая система – тормозная система в мозге. Что происходит при торможении? Если выделяется тормозный медиатор, например гамаминомаслянная кислота приводит к тому что в клетку начинает входить хлор. В результате увеличится разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью, возникает гиперполяризация мембраны. Возникает ТПСП – тормозные постсинаптические потенциалы. Они тоже обладают свойством суммации, они также локальны, как и ВПСП. Когда возникает ТПСП, порог возбудимости резко повышается, а возбудимость понижается. Критика принципа ДЕЙЛА В гипоталамусе обнаружили нейросекреторные клетки, в которых содержатся нейропептиды: статины и либерины. Они выполняют свою эндокринную функцию, статины тормозят выработку гормонов в гипофизе, либерины – усиливают. Эти же нейропептиды были найдены во многих других нервных клетках ЦНС. Потом оказалось, что нейропептиды синтезируются еще и в кишечнике, и в желудке. Последнее, что подвергло сомнению принцип ДЕЙЛА, было обнаружено: парасимпатическая нервная систем иннервирует слюнные железы, здесь находится ацетилхолин, который усиливает выработку слюнных желез. Здесь же находится вазоинтеспинальный пептид (ВИП), который сначала был обнаружен в кишечнике у свиньи – его задача расширять сосуды в кишечнике. Потом его обнаружили в окончаниях парасимпатической нервной системы вместе с ацетилхолином. Оказалось, что на самом деле в одной аксонной терминале могут сосуществовать в основном классические медиаторы с нейропептидами. Зачем это сосуществование? Эти нейропептиды являются модуляторами – они видоизменяют эффекты классических медиаторов. Каким образом: 1) Повышают чувствительность пре- и пост- синаптической мембраны к медиатору; 2) Усиливают синтез медиатора в аксонной терминале 3) Ускоряют выброс медиатора из аксонной терминали 4) Удлиняют действие медиатора, замедляют его разрушение 5) Оказывают внесинаптическое действие, выходят за пределы синаптического контакта, например, расширяют кровеносные сосуды как ВИП Эти модуляторы, обладают признаками медиаторов, но не в полной степени, или рецептора нет, или плохо выделяются из аксонной терминали, или мы чего- то не знаем. И вот эти вещества, которые сосуществуют с классическими медиаторами, их в настоящее время порядка 50-ти, называются кандидаты в медиаторы. Что с чем сосуществует: Ацетилхолин + ВИП Ацетилхолин + ВИП + люлиберин (лю-гормон, ускоряет процессы в половых железах) Норадреналин + соматостатин (нейропептид, который тормозит выработку соматотропного гормона роста) Серотонин + тиролиберин (Тирелоидная железа, там тироксин вырабатывается) + энкефалин Гаммааминомаслянная кислота ГАМК + дофамин + серотонин + энкефалин Дофамин и серотонин – классические медиаторы. Рисуем последнюю схему: Аксонная терминаль , классический медиатор , нейропептид , постсинаптическая мембрана , где рецептор к нейропептиду, и рецептор к классическому медиатору. Кроме того, есть рецептор и в пресинаптической мембране, потому, что некоторые медиаторы выходят в синаптическую щель, а потом захватываются обратно, чтобы их сохранить. Нейропептид усиливает скорость прохождения медиатора через пресинаптическую мембрану, усиливает синтез классического медиатора, и повышает чувствительность рецептора в постсинаптической мембране к классическому медиатору. P.S.Аксон может расти к органу и если он ошибается т. е. пришел не к своему органу, то синаптического контакта не происходит. |
