Последовательность событий синаптической передачи

Для работы химического синапса характерны следующие процессы: синтез медиатора в герминали, закачивание медиатора в синаптические везикулы, их группирование вблизи пресинаптической мембраны (докинг и прайминг), Са²⁺-зависимый экзоцитоз медиатора в синаптическую щель, наличие постсинаптических рецепторов, которые активируются медиатором и опосредуют возникновение постсинаптических токов и потенциалов. Основные события передачи кратко суммированы ниже и схематически показаны на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Основные события синаптической передачи в химическом синапсе.

• 1. Приходящий по аксону ПД деполяризует пресинаптическую мембрану синапса.
• 2. Вследствие деполяризации в активной зоне открываются потенциал-зависимые Са²⁺-каналы пресинаптической мембраны. Катионы Са²⁺

входят в аксоплазму нервной терминали вблизи прикрепленных к нресинаптической мембране везикул, заполненных медиатором и готовых к экзоцитозу.

• 3. Входящий Са²⁺-ток повышает концентрацию внутриклеточного Са²⁺ вблизи везикул, связывается с везикулярным белком синаптотагмином, запуская экзоцитоз — слияние везикул с пресинаптической мембраной и выброс молекул медиатора в синаптическую щель.
• 4. Медиатор, оказываясь в синаптической щели, диффундирует к постсинаптической мембране и воздействует на специфичные для данного медиатора рецепторы постсинаптической мембраны.
• 5. При взаимодействии с молекулами медиатора рецепторные молекулы перестраиваются и образуют каналы. Это приводит к появлению ионных токов, текущих по каналам постсинаптической мембраны, и сдвигу потенциала постсинаптической мембраны. Трансмембранные токи возникают благодаря поступлению ионов через каналы ионотропных рецепторов. Но появление трансмембранных токов может происходить и опосредованно — за счет активации метаботропных рецепторов. В этом случае метаботропные рецепторы при их активации запускают каскад внутриклеточных реакций с участием G-белков и ферментов, что в конечном итоге приводит к открытию ионных каналов, регулируемых вторичными посредниками, и генерации постсинаптических токов.
• 6. После связывания с рецептором молекул медиатора происходит их отсоединение от рецепторов и быстрое удаление. Молекулы медиатора могут либо расщепляться специальными ферментами в щели, либо обратно захватываться в нервную терминаль или прилежащие к синапсу глиальные клетки с помощью специальных молекул — транспортеров медиатора.
• 7. Возникшие на постсинаптической мембране сдвиги потенциала могут порождать генерацию ПД (в случае деполяризационных ВИСИ) либо вызывать торможение клетки в случае ТПСП.

В 1946 г. Джудит Грэхем и Роберт Джерард разработали способ изготовления стеклянных микроэлектродов — микропипеток с диаметром кончика меньше 0,5 мкм. Такие стеклянные микропипетки заполняют раствором электролита (2—3 М КС1), после чего в них вводят неполяризующиеся металлические электроды (серебряная проволока, покрытая хлоридом серебра, — Ag/AgCl). Микроэлектроды подсоединяют к усилителю биопотенциалов для регистрации сигналов или генератору тока для стимуляции клетки.

Один стеклянный микроэлектрод располагается снаружи клетки, а другой с помощью микроманипулятора можно подвести к клетке, проколоть мембрану и зарегистрировать таким образом разность потенциалов по обе стороны мембраны клетки. Исследователи получили возможность изучать электрическую активность практически любых клеток, не причиняя им серьезных повреждений, вводя в них микроэлектроды. Важным этапом экспериментальной электрофизиологии стало использование Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли электронной схемы с обратной связью, способной мгновенно отслеживать начинающиеся изменения потенциала и посылать через мембрану ток, который бы противодействовал сдвигу потенциала, т. е. фиксировать потенциал на мембране клетки (англ, voltage-clamp). С помощью метода фиксации потенциала были измерены трансмсмбранные токи, возникающие при генерации ПД, ВИСИ и ТПСП (рис. 3.19). Токи, порождающие генерацию ВИСИ и ТПСП, получили соответственно название возбуждающих либо тормозных постсинаптических токов — ВИСТ и ТПСТ.

Рис. 3.19. Метод фиксации потенциала (voltage-clamp) (а) и постсинаптические токи через каналы никотиновых холинорецепторов при разных значениях мембранного потенциала (б).