Кіріспе

Нейрондардың сигналдары жіберілетін биологиялық түйісулер – жүйке жүйесінің химиялық синапстары. Химиялық синапстар – бұл нейрондардың сигналдарын бір-біріне және бұлшықеттер мен бездер сияқты нейрон емес жасушаларға жіберуге мүмкіндік беретін биологиялық түйісулер. Химиялық синапстар нейрондарға орталық жүйке жүйесінде тізбектер құруға мүмкіндік береді. Олар қабылдау мен ойлау процесінің негізінде жатқан биологиялық есептеулер үшін маңызды. Олар жүйке жүйесіне денедегі басқа жүйелермен байланысуға және оларды басқаруға мүмкіндік береді. Химиялық синапста бір нейрон басқа нейронға жақын орналасқан кішкентай кеңістікке (синаптылық саңылау) нейротрансмиттер молекулаларын босатады. Нейротрансмиттерлер синаптылық кесектер деп аталатын кішкентай қаптардың ішінде болады және экзоцитоз арқылы синаптылық саңылауға шығарылады. Бұл молекулалар постсинаптылық жасушадағы нейротрансмиттер рецепторларымен байланысады. Содан кейін нейротрансмиттерлер ферменттік ыдырау немесе пресинаптылық жасушадағы немесе басқа нейроглиядағы белгілі бір тасымалдаушылар арқылы қайта сіңірілу сияқты бірнеше механизмдердің бірі арқылы синапстан шығарылып, нейротрансмиттердің әсерін тоқтатады. Ересек адамның миында 10¹⁴-тен 5 × 10¹⁴ (100–500 триллион) синапс бар деп есептеледі. Ми қабығының әрбір куб миллиметрінде шамамен миллиард (10⁹) синапс кездеседі. Адам ми қабығындағы синапстардың саны 0,15 квадриллион (150 триллион) деп бағаланған. "Синапс" терминін 1897 жылы сэр Чарльз Скотт Шерингтон енгізген. Химиялық синапстар ғана биологиялық синапстардың түрі емес: электрлік және иммунологиялық синапстар да бар. Дегенмен, ерекше аталmasa, "синапс" термині көбінесе химиялық синапстарды білдіреді.

Құрылымы

Синапс – нейрондар арасындағы, немесе нейрондар мен басқа жасушалар арасындағы функционалдық байланыс. Әдетте, бір нейрон бірнеше мың синапсты құрайды, бірақ кейбір түрлері одан да аз синапстарға ие болады. Көптеген синапстар аксондарды дендриттермен, ал дендриттерді дендриттермен байланыстырады. Синапстар көбінесе жарық микроскопымен екі жасуша мембранасы жанасқандай көрінетін нүктелерден басқа көрінбейді, бірақ олардың жасушалық элементтерін электронды микроскоп арқылы анық көруге болады. Химиялық синапстар ақпаратты пресинаптық жасушадан постсинаптық жасушаға бір бағытта өткізеді, сондықтан олардың құрылымы мен функциясы асимметриялық. Пресинаптық аксон терминалы немесе синапстық түйін – пресинаптық жасуша аксонының ішінде орналасқан, кішкентай мембранамен оралған сфералар (синапстық көпіршіктер) түрінде сақталатын нейротрансмиттерлерді қамтитын арнайы аймақ (сонымен қатар, митохондриялар және эндоплазмалық тор сияқты басқа да қолдаушы құрылымдар мен органеллалар). Синапстық көпіршіктер белсенді аймақтар деп аталатын аймақтарда пресинаптық плазмалық мембранаға бекітіледі. Оған тікелей қарсы орналасқан аймақ – нейротрансмиттер рецепторларын қамтитын постсинаптық жасушаның бөлігі; екі нейрон арасындағы синапстарда постсинаптық аймақ дендриттерде немесе жасуша денесінде орналасуы мүмкін. Постсинаптық мембрананың артында бір-бірімен байланысқан белоктардың күрделі кешені орналасқан, ол постсинаптық тығыздық (ПСТ) деп аталады. ПСТ-дегі белоктар нейротрансмиттер рецепторларын бекітуге және тасымалдауға, сондай-ақ осы рецепторлардың активтілігін реттеуге қатысады. Рецепторлар мен ПСТ көбінесе дендриттік тікендер деп аталатын негізгі дендриттік сабадан шыққан арнайы өскіндерде кездеседі. Синапстар симметриялық немесе асимметриялық деп сипатталуы мүмкін. Электронды микроскоппен қарағанда, асимметриялық синапстар пресинаптық жасушада дөңгелек көпіршіктермен және айқын постсинаптық тығыздықпен сипатталады. Асимметриялық синапстар көбінесе оқушылық болып табылады. Симметриялық синапстар керісінше, жалпақ немесе созылған көпіршіктерге ие және айқын постсинаптық тығыздыққа ие болмайды. Симметриялық синапстар көбінесе тежеуші болып табылады. Синапстық жарық – пре- және постсинаптық жасушалар арасындағы шамамен 20 нм (0,02 мкм) ені бар кеңістік. Жарқтың кішкентай көлемі нейротрансмиттер концентрациясының жылдам өсуіне және төмендеуіне мүмкіндік береді. Аутапса – бір нейронның аксоны өзінің дендриттерімен синапс құрғанда пайда болатын химиялық (немесе электрлік) синапс.

Шолу

Бұл жерде пресинаптикалық нейроннан постсинаптикалық клеткаға синаптикалық берілісте болатын оқиғалар тізбесін қысқаша баяндаймыз. Әрбір қадам төменде егжей-тегжейлі түсіндіріледі. Соңғы қадамды қоспағанда, ең жылдам синапстарда бүкіл процесс бірнеше жүз микросекунд ішінде өтеді. Процесс электрохимиялық қозу толқыны – әрекет потенциалымен басталады, ол пресинаптикалық жасушаның мембранасымен жүріп, синапсқа жетеді. Синапс мембранасының электрлік деполяризациясы кальций иондарына өткізгіш каналдарды ашады. Кальций иондары пресинаптикалық мембрана арқылы өтіп, жасуша ішіндегі кальций концентрациясын жылдам арттырады. Кальцийдің жоғары концентрациясы нейротрансмиттерлік химиялық затты сақтайтын көпіршіктерге бекітілген кальцийге сезімтал ақуыздарды белсендіреді. Бұл ақуыздар пішінін өзгертіп, кейбір «жапсырылған» көпіршіктердің мембраналарын пресинаптикалық жасушаның мембранасымен біріктіреді, соның салдарынан көпіршіктер ашылып, нейротрансмиттердің барлық мазмұнын синаптық жарыққа – пре және постсинаптикалық жасушалардың мембраналары арасындағы тар кеңістікке төгеді. Нейротрансмиттер жарықта таралады. Оның бір бөлігі жоғалып кетеді, ал қалғаны постсинаптикалық жасушаның мембранасында орналасқан химиялық рецептор молекулаларымен байланысады. Нейротрансмиттердің байланысуы рецептор молекуласының белсенденуіне әкеледі. Әртүрлі белсендіру түрлері мүмкін, олар төменде егжей-тегжейлі сипатталған. Қай жағдайда болса да, бұл синаптық процесс постсинаптикалық жасушаның қызметіне әсер ететін маңызды қадам. Термиялық қозғалысқа байланысты, атомдардың тербелісіне байланысты, кристалдық қатты денедегі тепе-теңдік күйінен ауытқу нәтижесінде, нейротрансмиттер молекулалары рецепторлардан босап, алыстап кетеді. Нейротрансмиттер пресинаптикалық жасушамен қайта сіңіріліп, кейін болашақта босату үшін қайта жиналады немесе метаболизм арқылы ыдырайды.

Нейротрансмиттерлердің босауы

Нейротрансмиттердің босатылуы жүйке импульсінің (немесе әрекет потенциалының) келуімен басталады және клеткалық секрецияның ерекше жылдам процесі арқылы (экзоцитоз) жүзеге асады. Пресинаптикалық жүйке терминалының ішінде нейротрансмиттерлерді қамтитын көпіршіктер синаптикалық мембранаға жақын орналасқан. Келіп жеткен әрекет потенциалы, әрекет потенциалының төмендеу кезінде (құйрық тогы) кернеуге тәуелді, кальцийді таңдап өткізетін иондық каналдар арқылы кальций иондарының ағынын тудырады. Кальций иондары, синапстық көпіршіктердің мембраналарында табылған синаптотагмин ақуыздарымен байланысады, бұл көпіршіктердің пресинаптикалық мембранамен бірігуіне мүмкіндік береді. Көпіршіктің бірігуі – стохастикалық процесс, нәтижесінде орталық нерв жүйесіне тән өте кішкентай синапстарда синаптық берілістің жиі сәтсіздікке ұшырауына алып келеді. Ал үлкен химиялық синапстар (мысалы, нейромышелік қосылыс) синаптық босату ықтималдығын 1-ге жуықтайды. Көпіршік бірігуі SNARE ақуыздары деп аталатын пресинаптикалық терминалдағы ақуыздар жиынтығының әрекетімен қамтамасыз етіледі. Жалпы алғанда, пресинаптикалық көпіршіктердің орналасуына және бірігуіне жауапты белок кешені немесе құрылым белсенді аймақ деп аталады. Бірігу процесінде қосылған мембрана кейіннен эндоцитоз арқылы қайта сіңіріліп, жаңа нейротрансмиттерлермен толтырылған көпіршіктерді қалыптастыру үшін қайта пайдаланылады. Везикулалық бірігу арқылы нейротрансмиттердің босатылуының жалпы тенденциясынан ауытқу сүтқоректілердің дәмді түймешіктерінің II типті рецепторлық жасушаларында кездеседі. Мұнда нейротрансмиттер ATP цитоплазмадан тікелей синапстық кеңістікке кернеуге сезімтал каналдар арқылы босатылады.

Қабылдағышпен байланысу

Синаптикалық саңылаудың қарама-қарсы жағындағы рецепторлар нейротрансмиттер молекулаларын байланыстырады. Рецепторлар екі негізгі жолмен жауап беруі мүмкін. Біріншіден, рецепторлар постсинаптикалық жасуша мембранасында лигандқа сезімтал иондық каналдарды тікелей ашып, иондардың жасушаға енуіне немесе одан шығуына, соның салдарынан жергілікті трансмембраналық потенциалды өзгертуге себеп болуы мүмкін. Субсинаптикалық мембранадағы ферменттер нейротрансмиттерді деактивациялауы/метаболизмдеуі мүмкін. Қайта сіңіру сорғылары нейротрансмиттерді пресинаптикалық аксон терминалына қайта өңдеу және келесі әрекет потенциалынан кейін қайта босату үшін белсенді түрде қайта сіңіруі мүмкін. PSP амплитудасы нейромодуляторлардың әсерінен өзгертілуі немесе бұрынғы қызметтің нәтижесінде өзгеруі мүмкін. Синапстық күштің өзгеруі қысқа мерзімді, секундтан минутқа дейін, немесе ұзақ мерзімді (ұзақ мерзімді күшейту, немесе LTP) болуы мүмкін, сағаттарға созылуы мүмкін. Оқу және жад синапты пластикалық деп аталатын механизм арқылы синапстық күштің ұзақ мерзімді өзгерістерінің нәтижесі деп саналады.

Рецепторды сезімталдандыру

Постсинаптикалық рецепторлардың сезімталдығының төмендеуі – бірдей нейротрансмиттер стимулына жауаптың азаюы. Бұл, синапстың күші, бір-бірінен кейін тез келетін әрекет потенциалдары тізбегінің нәтижесінде әлсіреуі мүмкін дегенді білдіреді – бұл құбылыс синапстардың жиілікке тәуелділігін тудырады. Нерв жүйесі осы қасиетті есептеу мақсатында пайдаланады және қатысты ақуыздардың фосфорилирленуі сияқты механизмдер арқылы синапстарын реттей алады.

Синаптикалық пластикалық

Синаптық берілу алдыңғы қызметтің нәтижесінде өзгеруі мүмкін. Бұл өзгерістер синаптық пластикалық деп аталады және синапстың тиімділігінің төмендеуіне, яғни депрессияға, немесе тиімділігінің жоғарылауына, яғни потенциацияға алып келуі мүмкін. Бұл өзгерістер ұзақ мерзімді немесе қысқа мерзімді болуы мүмкін. Қысқа мерзімді пластикалық түрлеріне синаптық шаршау немесе депрессия және синаптық күшейту жатады. Ұзақ мерзімді пластикалық түрлеріне ұзақ мерзімді депрессия және ұзақ мерзімді потенциация жатады. Синаптық пластикалық гомосинаптық (бір синапста болатын) немесе гетеросинаптық (бірнеше синапста болатын) болуы мүмкін.

Гомосинаптикалық пластика

Гомосинаптикалық пластикалық (немесе гомотроптық модуляция) – белгілі бір синапстағы қызмет тарихының нәтижесінде туындайтын синапстық күштің өзгеруі. Бұл пресинаптикалық кальцийдің өзгеруінен, сондай-ақ пресинаптикалық рецепторларға кері байланыс арқылы, яғни автокриндік сигнализацияның бір түрі болуы мүмкін. Гомосинаптикалық пластикалық везикулалардың саны мен оларды қайта толықтыру жылдамдығына әсер ете алады немесе кальций мен везикулалардың босатылуы арасындағы байланысқа өзгеріс енгізе алады. Гомосинаптикалық пластикалық постсинаптикалық сипатқа да ие болуы мүмкін. Ол синапстық күштілікті күшейтуге немесе әлсіретуге алып келуі мүмкін. Мысалы, симпатикалық жүйке жүйесінің (СЖЖ) нейрондары норадреналин бөліп шығарады, ол постсинаптикалық рецепторларға әсер етумен қатар, пресинаптикалық α2 адренергиялық рецепторларға да әсер етеді, соның салдарынан норадреналиннің одан әрі бөлінуі тежеледі. Бұл эффект клонидинмен СЖЖ-ны тежеу үшін қолданылады.

Гетеросинаптикалық пластикалық

Гетеросинаптикалық пластикалық (немесе гетеротроптық модуляция) – басқа нейрондардың қызметінен туындайтын синаптық күштің өзгеруі. Бұл пластикалық қасиеттер везикулалардың санын немесе олардың толықтылу жылдамдығын, немесе кальций мен везикулалардың босатылуы арасындағы байланысты өзгерте алады. Сонымен қатар, ол кальций ағынына тікелей әсер етуі мүмкін. Гетеросинаптикалық пластикалық қасиет постсинаптық сипатқа ие болуы мүмкін, бұл рецепторлардың сезімталдығына әсер етеді. Мысалы, симпатикалық жүйке жүйесінің нейрондары норадреналинді бөліп шығарады, сондай-ақ парасимпатикалық жүйке жүйесінің нейрондарының пресинаптық терминалдарына тежегіш әсер етеді. Ал пресинаптық нейрон GABA сияқты тежегіш нейротрансмиттерді бөліп, постсинаптық нейронда тежегіш постсинаптық потенциалды (IPSP) тудыра алады, бұл мембраналық потенциалды шектен алшақтатады, оның қозғыштығын төмендетеді және нейронның әрекет потенциалын бастауын қиындатады. Егер IPSP, EPSP-мен беттессе, көп жағдайда IPSP нейронның әрекет потенциалын тудыруына кедергі жасайды. Осылайша, нейронның шығысы көптеген әртүрлі нейрондардың кірісіне байланысты болуы мүмкін, олардың әрқайсысы осы нейронмен синапстың күші мен түріне қарай әртүрлі деңгейде әсер ете алады. Джон Кэрью Экклз синаптық интеграция бойынша маңызды алғашқы тәжірибелер жүргізді, ол үшін 1963 жылы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды.

Көлемді беру

Нейротрансмиттер синапста босағанда, ол синапстық жарықтың тар кеңістігінде ең жоғары концентрацияға жетеді, бірақ оның бір бөлігі қайта сіңіріліп немесе ыдыраудан бұрын таралуы әлбетте. Егер ол таралып кетсе, онда басқа синапстарда немесе кез келген синапстан алыс мембранада орналасқан рецепторларды белсендіруі мүмкін. Нейротрансмиттердің синапстан тыс белсенділігі көлемдік берілу деп аталады. Мұндай әсерлердің белгілі бір дәрежеде болатыны мәлім, бірақ олардың функционалдық маңызы ұзақ уақыт бойы даулы болды. Жақындағы зерттеулер көлемдік берілудің кейбір арнайы нейрондар үшін өзара әрекеттесудің басым түрі болуы мүмкін екенін көрсетеді. Сүтқоректілердің ми қабығында нейроглиаформалы жасушалар деп аталатын нейрондардың бір класы, басқа жақын орналасқан кортикальді нейрондарды GABA нейротрансмиттерін клеткадан тыс кеңістікке босату арқылы тежей алады. Сол сияқты, нейроглиаформалы жасушалардан клеткадан тыс кеңістікке босатылатын ГАМК, айналадағы астроциттерге де әсер етеді, иондық және нейротрансмиттер гомеостазын реттеуде көлемдік берілуге рөл атқарады. Нейроглиаформалы жасушалардың шамамен 78% классикалық синапстар құрамайды. Бұл классикалық синапстардың болмауында химиялық байланыс арқылы қарым-қатынас жасайтын нейрондардың алғашқы анық мысалы болуы мүмкін. Химиялық синапстардан өзгеше, электрлік синапстардағы постсинаптикалық потенциал химиялық берілістер арқылы иондық каналдардың ашылуынан емес, екі нейронның тікелей электрлік байланысынан туындайды. Электрлік синапстар химиялық синапстарға қарағанда жылдамырақ жұмыс істейді. Химиялық синапстар қоздырғыш және тежегіш нейрондар арасында кездессе, электрлік синапстар көбінесе кішкентай жергілікті тежегіш нейрондар арасында табалады. Электрлік синапстар екі аксонның, екі дендриттің немесе аксон мен дендриттің арасында орналасуы мүмкін. Кейбір балықтар мен қосмекенділерде электрлік синапстар химиялық синапстың бір терминалында кездеседі, мысалы, Маутнер жасушаларында.

Есірткілердің әсері

Химиялық синапстардың ең маңызды ерекшеліктерінің бірі – олар көптеген психоактивті препараттардың әрекет ететін жері. Куарэ, стрихнин, кокаин, морфин, алкоголь, ЛСД және тағы да көптеген препараттар синапстарға әсер етеді. Бұл препараттардың синапстық функцияға әсері әртүрлі, көбінесе нақты бір нейротрансмиттерді пайдаланатын синапстарға ғана шектеледі. Мысалы, куарэ – ацетилхолиннің постсинаптикалық мембрананы деполяризациялауын тоқтатып, салдарсыздыққа (параличке) әкелетін у. Стрихнин глицин нейротрансмиттерінің тежегіш әсерін бұғаттап, организмді нашар және бұрын назарда болмаған тітіркендіргіштерге реакция жасауға мәжбүр етеді, нәтижесінде бақылаусыз бұлшықет спазмдары пайда болады. Морфин эндорфин нейротрансмиттерін пайдаланатын синапстарға әсер етеді, ал алкоголь GABA нейротрансмиттерінің тежегіш әсерін күшейтеді. ЛСД серотонин нейротрансмиттерін пайдаланатын синапстардың жұмысына кедергі келтіреді. Кокаин дофаминнің қайта сіңуін тоқтатады, соның салдарынан оның әсерін күшейтеді.