Кіріспе
Жүйке жүйесіндегі нейрондарды байланыстыратын құрылым жүйке жүйесінің синапстары жүйке жүйесінде синапс - бұл нейронның (немесе жүйке клеткасының) электрлік немесе химиялық сигналды басқа нейронға немесе мақсатты эффекттік жасушаға беруге мүмкіндік беретін құрылым. Синапс жүйке импульстерін бір нейроннан екіншісіне жеткізу үшін өте маңызды. Нейрондар жеке мақсатты жасушаларға сигнал беру үшін мамандандырылған, ал синапс - бұл олардың бұл әрекеті. Синапс кезінде сигнал беретін нейронның (пресинаптикалық нейронның) плазмалық мембранасы мақсатты (постсинаптикалық) клетканың мембранасымен жақын орналасады. Пресинаптикалық және постсинаптикалық сайттарда екі мембрананы біріктіретін және сигнал беру процесін жүзеге асыратын молекулалық машиналардың кең ауқымды массиві бар. Көптеген синапстарда пресинапстық бөлік аксонда, ал постсинаптық бөлік дендрит немесе сомада орналасқан. Астроциттер сонымен қатар синапты нейрондармен ақпарат алмасады, синапты белсенділікке жауап береді және өз кезегінде нейротрансмиссияны реттейді. Синапс (кем дегенде химиялық синапс) синапстық адгезия молекулалары (САМ) арқылы синапстық нейронның пре және пост-синапсынан шығады және олар бір-бірімен жабысып, бір-бірімен жабысады; САМ-тар синапстардың пайда болуына және жұмыс істеуіне де көмектесуі мүмкін. Сонымен қатар, SAM-тер синапстардың қалыптасуын үйлестіреді, әртүрлі типтер синапстардың ерекше ерекшелігін қамтамасыз ету үшін бірлесіп жұмыс істейді. SAM-тер қоздырғыштық және тежегіш синапстарда жұмыс істейді, олар сигнал беру құрылғылары ретінде қызмет етеді. "Синапс" сөзін 1897 жылы ағылшын нейрофизиологы Чарльз Шерингтон Майкл Фостердің "Физиологияның оқу құралында" енгізді. Бұл сөз гректің synapsis (σύναψις) сөзінен алынған, яғни "қосылу" дегенді білдіреді, бұл өз кезегінде synaptein (συνάπτειν), syn (σύν) "бірге" және haptein (πτειν) "жапсыру" деген сөздерден алынған. Алайда, синапстық саңылау теориялық конструкция болып қала бергенімен, кейде іргелес аксоналдық аяқталулар мен дендриттер немесе жасуша денелері арасындағы үздіксіздік ретінде хабарланған, ал гистологиялық әдістер сол кездегі ең жақсы жарық микроскоптарын қолдану арқылы олардың бөлінуін визуалды түрде шеше алмады, ол қазір шамамен 20 нм деп белгілі. 1950 жылдары электронды микроскопты қолдану арқылы синапстың неғұрлым ұсақ құрылымын, оның жеке, параллельді пре- және постсинаптикалық мембраналары мен процестерін, сондай-ақ екеуінің арасындағы жарықты көрсету қажет болды.
synapses of the nervous system
In the nervous system, a synapse is a structure that permits a neuron (or nerve cell) to pass an electrical or chemical signal to another neuron or to the target effector cell. Synapses are essential to the transmission of nervous impulses from one neuron to another, Neurons are specialized to pass signals to individual target cells, and synapses are the means by which they do so. At a synapse, the plasma membrane of the signal passing neuron (the presynaptic neuron) comes into close apposition with the membrane of the target (postsynaptic) cell. Both the presynaptic and postsynaptic sites contain extensive arrays of molecular machinery that link the two membranes together and carry out the signaling process. In many synapses, the presynaptic part is located on an axon and the postsynaptic part is located on a dendrite or soma. Astrocytes also exchange information with the synaptic neurons, responding to synaptic activity and, in turn, regulating neurotransmission. Synapses (at least chemical synapses) are stabilized in position by synaptic adhesion molecules (SAMs) projecting from both the pre and post synaptic neuron and sticking together where they overlap; SAMs may also assist in the generation and functioning of synapses. Moreover, SAMs coordinate the formation of synapses, with various types working together to achieve the remarkable specificity of synapses. In essence, SAMs function in both excitatory and inhibitory synapses, likely serving as devices for signal transmission. The word "synapse" was introduced in 1897 by the English neurophysiologist Charles Sherrington in Michael Foster's Textbook of Physiology. The word was derived from the Greek synapsis (σύναψις), meaning "conjunction", which in turn derives from synaptein (συνάπτειν), from syn (σύν) "together" and haptein (ἅπτειν) "to fasten". However, while the synaptic gap remained a theoretical construct, and was sometimes reported as a discontinuity between contiguous axonal terminations and dendrites or cell bodies, histological methods using the best light microscopes of the day could not visually resolve their separation which is now known to be about 20 nm. It needed the electron microscope in the 1950s to show the finer structure of the synapse with its separate, parallel pre and postsynaptic membranes and processes, and the cleft between the two.
Түрлері
Химиялық және электрлік синапстар - синапстық берілудің екі жолы. Химиялық синапста пресинаптық нейрондағы электрлік белсенділік (вольтты кальций арналарын белсендіру арқылы) нейротрансмиттер деп аталатын химиялық заттардың босауына айналады, ол постсинаптық жасушаның плазмалық мембранасында орналасқан рецепторларға байланады. Нейротрансмиттер электрлік жауап немесе екінші хабаршы жолды бастауы мүмкін, ол постсинаптикалық нейронды қозғайды немесе тежеуі мүмкін. Химиялық синапстарды босатылған нейротрансмиттерге сәйкес жіктеуге болады: глютаматергиялық (көбінесе қоздырғышты), ГАМК- ергиялық (көбінесе ингибиторлық), холинергиялық (мысалы, омыртқалылардың нейромискулярлық түйісуі) және адренергиялық (норепинефринді босату). Рецептор сигналын аударудың күрделілігі себепті химиялық синапстар постсинаптикалық жасушаға күрделі әсер етуі мүмкін. Электрлік синапста пресинаптикалық және постсинаптикалық жасуша мембраналары электр тогын өткізе алатын, пресинаптикалық жасушадағы кернеулік өзгерістерді тудыратын, постсинаптикалық жасушадағы кернеулік өзгерістерді тудыратын, саңылаулар деп аталатын арнайы арналар арқылы байланысты. Шын мәнінде, олқылық тораптары электр тоғының тікелей ағынын невротрансмиттерлер мен кальций сияқты кіші молекулаларсыз қамтамасыз етеді. Осылайша, электрлік синапстың басты артықшылығы - бір жасушадан екіншісіне сигналдарды тез беру. Аралас химиялық электрлік синапстар - бұл олқылық тоғысуы мен нейротрансмиттерді босатуды қамтитын синапстық сайттар. Бұл комбинация сигналдың жылдам компоненті (электрлік) және баяу компоненті (химиялық) болуына мүмкіндік береді. Жүйке жүйесіндегі нейрондық схемалардың қалыптасуы химиялық және электрлік синапстар арасындағы маңызды өзара әрекеттесулерге байланысты. Осылайша, бұл өзара әрекеттесулер синапстық берілуді басқарады. Сомато дендриттік, дендросоматикалық және соматосоматикалық синапстар. Аксон дендритке, клетканың денесіне немесе басқа аксонға немесе аксонның терминалына, сондай-ақ қан ағынына немесе іргелес жүйке ұлпасына диффузиялық түрде сіңуі мүмкін.
Химиялық заттарды электрлік сигналдарға айналдыру
Нейротрансмиттерлер - мембранамен қоршалған синапстық көпіршіктерде сақталатын және экзоцитоз арқылы шығарылатын ұсақ сигнал молекулалары. Бұл молекулалар пресинаптикалық жасушадағы электрлік потенциалдың өзгеруі арқылы бөлінеді. Трансмитерлік иондық арналарға қосылу арқылы нейротрансмитер постсинаптикалық жасушада электрлік өзгеріске әкеледі және синаптикалық жарық арқылы тез таралады. Нейротрансмиттер шығарылғаннан кейін оны шығарған жүйке түйіні сіңіріп, жақын маңдағы глиальды жасушалар алады немесе синапстық жарықтағы белгілі бір ферменттермен ыдырайды. Көптеген Na+ тәуелді нейротрансмиттер тасымалдаушы ақуыздар нейротрансмитерлерді қайта өңдейді және жасушалардың тез босатылуын қамтамасыз етеді. Химиялық синапстарда иондық арналар клеткадан тыс химиялық импульстерді электрлік сигналдарға тез түрлендіруде маңызды рөл атқарады. Бұл арналар синапстық жасушаның плазмалық мембранасында синапстық аймақта орналасқан және олар нейротрансмиттер молекуласының байланысына жауап ретінде уақытша ашылады, бұл мембрананың өткізгіштігінде уақытша өзгеріске әкеледі. Сонымен қатар, берілісшіге жабық арналар кернеуге жабық арналарға қарағанда мембраналық потенциалға салыстырмалы түрде аз сезімтал, сондықтан олар өздігінен күшейтеді. Алайда, олар жергілікті өткізгіштіктен, синапста босатылатын нейротрансмиттердің мөлшері мен ұзақтығынан әсер ететін мембраналық потенциалдың сатылы өзгеруіне әкеледі.
Синаптикалық поляризация
Нейронның қызметі жасушалардың полярлығына байланысты. Нервтік жасушалардың ерекше құрылымы әрекет потенциалдарының бағытта (дендриттерден клетка денесіне, аксонға қарай) өтуіне және осы сигналдардың синапстан кейінгі нейрондармен немесе эффекттік жасушалармен қабылдануына және тасымалдануына мүмкіндік береді. Жүйке жасушалары ұяшықтық поляризациясының үлгісі ретінде ұзақ уақыттан бері қолданылып келеді, ал ерекше қызығушылықты синапты молекулалардың поляризацияланған локализациясының негізіндегі механизмдер тудырады. IMPазамен реттелетін PIP2 сигналы синапты полярлылықта маңызды рөл атқарады. Фосфоинозиттер (PIP, PIP2 және PIP3) - нейрондық полярлылыққа әсер ететін молекулалар. Caenorhabditis elegans- та (ttx 7) иннозитол фосфатын дефосфориляциялау арқылы иннозитол өндіретін фермент - миоинозитол монофосфатазасын (IMPase) кодтайтын ген анықталды. Мутант ttx 7 гендері бар организмдерде мінез-құлық және локализациялық ақаулар байқалды, олар IMPase экспрессиясымен құтқарылды. Бұл IMPаза синапты ақуыз компоненттерінің дұрыс локализациясы үшін қажет деген тұжырымға әкелді. EGL 8 генінде фосфолипаза Cβ (PLCβ) гомологы кодталады, бұл фермент PIP2 бөліп алады. TTX7 мутанттары да EGL8 генінің мутанты болған кезде, TTTX7 генінің ақаулықтары негізінен кері айналдырылды. Бұл нәтижелер PIP2 сигналы тірі нейрондардағы синапстық компоненттердің поляризацияланған локализациясын орнататынын көрсетеді.
Препараттардың лигандпен байланысты ион арналарына әсері
Есірткілер ұзақ уақыт бойы иондық арналардың негізгі нысанасы болып саналады. Шизофрения, алаңдаушылық, депрессия және ұйқысыздықты емдеу үшін қолданылатын дәрі-дәрмектердің көпшілігі химиялық синапстарда жұмыс істейді, ал бұл дәрі-дәрмектердің көбісі транслятордың жабық арналарына байлану арқылы жұмыс істейді. Мысалы, барбитураттар мен транквилизаторлар сияқты кейбір дәрілер ГАМК рецепторларына байланады және ГАМК нейротрансмиттерінің тежеу әсерін күшейтеді. Осылайша, GABA- ның төмендеу концентрациясы Cl арналарын ашуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, психоактивті дәрілер басқа да көптеген синапстық сигналды жеткізу механизмдерінің компоненттерін нысанаға алуы мүмкін. На+ арқылы басқарылатын тасымалдаушылар көптеген нейротрансмиттерлерді бөліп шығарады, олар кейіннен синапстық жарықтан шығарылады. Мұндай тасымалдаушыларды ингибициялау арқылы синапстық берілу күшейеді, өйткені берілгіштің әсері ұзартылады. Мысалы, Прозак - серотонин нейротрансмиттерінің сіңірілуін тежейтін антидепрессанттардың бірі. Сонымен қатар, басқа антидепрессанттар серотонин мен норадреналиннің қайта сіңірілуін тежеп жұмыс істейді.
Биогенез
Жүйке терминалдарында нейротрансмиттерді шығару кезінде олардың тез кемуін өтеу үшін синаптылық көпіршіктер тез пайда болады. Олардың биогенезі синапты көпіршік мембранасының ақуыздарын басқа жасушалық ақуыздардан бөліп алуды және осы ерекше ақуыздарды тиісті мөлшердегі көпіршіктерге жинап алуды қамтиды. Сонымен қатар, бұл плазмалық мембранадан синаптылық везикул мембранасының ақуыздарының эндоцитозын қамтиды. Синаптопластикалық және синаптокластикалық - биохимиялық сигнализация тізбегіндегі синапсты пайда ету және синапсты жою әрекеттері. Бұл терминология Альцгеймер ауруын емдеуге арналған Бредесен протоколымен байланысты, ол Альцгеймерді осы процестер арасындағы тепе-теңдіктің бұзылуы ретінде тұжырымдайды. 2023 жылдың қазанында осы хаттамаға қатысты зерттеулер шағын болып қала береді және стандартталған бақылау шеңберінде аз нәтижелер алынды.
Көшейткіш және күйзеліс
Бұл жасушаның есте сақтау қабілеті қалыптасуында маңызды рөл атқаратыны кеңінен танылған. Синаптикалық байланыстардың қалыптасуы әртүрлі синаптикалық жолдарда байқалатын белсенділікке тәуелді синаптикалық пластикалық қасиеттерге айтарлықтай тәуелді. Шынында да, есте сақтау қабілеті мен синапстық тиімділіктегі өзгерістер арасындағы байланыс нейрондар арасындағы нейрондық өзара әрекеттесуді күшейтуге мүмкіндік береді. Нейротрансмиттерлер синапты жарық арқылы рецепторларды белсендіре бастағандықтан, рецептордың сигналды беру механизмдерінің нәтижесінде екі нейрон бір уақытта белсенді болған кезде екі нейрон арасындағы байланыс нығаяды. Нейрологиялық жолдардың өзара байланысы арқылы ақпарат сақталады, нәтижесінде жады қалыптасады. Синаптикалық күшейтудің бұл процесі ұзақ мерзімді потенциациялау (LTP) деп аталады. Нейротрансмиттерлердің босатылуын өзгертіп, синапстардың пластиктігін пресинаптикалық клеткада бақылауға болады. Постсинаптикалық жасушаны оның рецепторларының функциясы мен санын өзгерту арқылы реттеуге болады. Постсинаптикалық сигналданудың өзгеруі көбінесе N метил- d аспарт қышқылының рецепторына (NMDAR) тәуелді LTP және кальцийдің постсинаптикалық жасушаға ағылуына байланысты ұзақ мерзімді депрессиямен (LTD) байланысты, бұл қоздырғыштық синапстардағы пластиканың ең көп талдалған түрлері.
Белок кинезасының механизмі
Сонымен қатар, Ca2+/calmodulin (CaM) тәуелді протеинкиназа II (CaMKII) мидағы, әсіресе неокортекстегі және гиппокамп аймақтарындағы рөлі үшін ең жақсы танымал, өйткені ол жасушалық Ca2+ сигналдарының барлық жердегі медиаторы болып табылады. CaMKII жүйке жүйесінде көп кездеседі, негізінен жүйке жасушаларындағы синапстарында шоғырланған. Шынында да, CaMKII-нің негізгі реттеушісі ретінде анықталды когнитивтік процестер, мысалы, оқыту және нейрондық пластикалық. CaMKII-нің жад сақтаудағы ұзақ уақыт бойы болжалған қызметіне арналған алғашқы нақты эксперименттік дәлелдер көрсетілді. Ca2+/CaM байланысу CaMKII белсенділігін ынталандырады, Ca2+ тәуелсіз автономды CaMKII белсенділігі басқа да бірқатар процестер арқылы да өндірілуі мүмкін. CaMKII Ca2+/ кальмодулинмен байланысу арқылы автофосфорилирленіп белсенді болады. CaMKII әлі де белсенді және Ca2+ бөлінгеннен кейін де өзін-өзі фосфорилирлейді; нәтижесінде ми осы механизмді қолдана отырып ұзақ мерзімді естеліктер сақтайды. Дегенмен, CaMKII ферменті фосфатаза ферментімен дефосфорилирленген кезде ол белсенді болмайды және естеліктер жоғалады. Осылайша, CaMKII LTP-ді енгізуде де, оны ұстауда да маңызды рөл атқарады.
While Ca2+/CaM binding stimulates CaMKII activity, Ca2+ independent autonomous CaMKII activity can also be produced by a number of other processes. CaMKII becomes active by autophosphorylating itself upon Ca2+/calmodulin binding. CaMKII is still active and phosphorylates itself even after Ca2+ is cleaved; as a result, the brain stores long term memories using this mechanism. Nevertheless, when the CaMKII enzyme is dephosphorylated by a phosphatase enzyme, it becomes inactive, and memories are lost. Hence, CaMKII plays a vital role in both the induction and maintenance of LTP.
Синапс пен аурулар
Синапс белгілі бір ми желілерінің құрамында нейрондық белсенділікті бақылау үшін ансамбль ретінде жұмыс істейді, бұл есте сақтау, үйрену және мінез-құлық үшін маңызды. Нәтижесінде синапстық бұзылулар теріс әсер етуі мүмкін. Шын мәнінде, жасушаның ішкі молекулалық жүйелеріндегі өзгерістер немесе қоршаған ортаның биохимиялық процестеріндегі өзгерістер синапстық дисфункцияға әкелуі мүмкін. Синапс - жүйке жүйесіндегі ақпараттың негізгі бірлігі, даму кезінде дұрыс синапстық байланыс орнату мидың қалыпты жұмыс істеуі үшін өте маңызды. Сонымен қатар, бірнеше мутациялар жүйке дамуының бұзылуына байланысты, ал бұл әр түрлі синапстардағы функцияның бұзылуы жүйке дегенеративтік ауруларының белгісі болып табылады. Синаптикалық ақаулар себепті ерте пайда болатын неврологиялық аурулармен байланысты, соның ішінде аутистік спектрдегі бұзылулар (АСБ), шизофрения (СКЗ) және биполярлық бұзылу (БП). Екінші жағынан, Альцгеймер (АД), Паркинсон (ПД) және Хантингтон (ХД) сияқты дерттің соңғы кезеңінде пайда болатын дегенеративтік патологияларда синаптопатия патофизиологиялық каскадтың соңғы нәтижесі деп есептеледі. Бұл аурулар танымдық және мінез-құлық функцияларының біртіндеп жоғалуымен және ми ұлпасының тұрақты жоғалуымен анықталады. Сонымен қатар, бұл нашарлау көбінесе нейрондардағы ақуыз агрегаттарының біртіндеп жиналуына байланысты, олардың құрамы патологияға байланысты өзгеруі мүмкін; барлығы нейрондық тұтастыққа бірдей зиянды әсер етеді. Сонымен қатар, синапты құрылым мен функциямен байланысты мутациялар санының көп болуы, сондай-ақ өлімнен кейінгі тіндердегі дендриттік омыртқаның өзгеруі, синапты ақаулар мен АСД және ССЗ сияқты жүйке дамуының бұзылуы арасындағы байланысты тудырады, бұған ерекше мінез-құлық немесе танымдық фенотиптер тән. Дегенмен, адам ағзасының ұлпасына кішігірім қолжетімділік пен адам ауруларының негізгі компоненттерін толықтай бағалаудың болмауынан, жануарлардағы тәжірибелік модельдердегі сынаптық дисфункцияның шығу тегі мен рөлін толық түсіну қиын болды.