Як клітини спілкуються між собою
Перш за все, звичайно, доведеться розібратися: а хто, власне кажучи, приймає ці сигнали, хто є тим адресатом, якому призначена інформація? Хто відправник - начебто ясно, принаймні, коли мова йде про передачу інформації із зовнішнього середовища: це органи почуттів, на які діють фізичні чи хімічні фактори. Але якщо ми хочемо виражатися більш акуратно, то треба зазначити, що завжди, коли ми говоримо «мозок посилає сигнал м'язам ока» або «дратівливий сітківку сигнал передається в мозок», все одно мова йде насправді про передачу сигналу від однієї клітини до іншої клітці. Так що вся складна робота нервової системи - регулювання роботи внутрішніх органів, управління рухами, будь то прості і неусвідомлювані руху або складні цілеспрямовані руху руки живописця - все це, по суті, грунтується на «розмові клітин». Причому всі ці «співрозмовники» зовсім не базіки: кожна клітина виконує свою роботу, а іноді робить і кілька справ.
Різноманітність функцій, які виконуються цим складним «колективом», забезпечується двома факторами: тим, як клітини поєднані між собою, і тим, як влаштовані «стики» між клітинами.
Що таке синапс
Найпростіша реакція нервової системи на зовнішній подразник - це рефлекс. Він здійснюється рефлекторної дугою, будова якої всім добре відомо. На схемі рефлекторної дуги стрілками позначений шлях сигналу від однієї клітини до іншої. Цей шлях виглядає так, як ніби клітини поєднані тяганиною. Насправді «зволікання» - це відростки клітин, які входять до рефлекторну дугу. Давайте придивимося до більш детального портрета нейрона - елементу рефлекторної дуги. Нервовий імпульс виникає в тілі клітки і поширюється за її аксону. Аксон закінчується безліччю тоненьких гілочок, які називаються терміналами. З цих-то терминалей сигнал і переходить на інші клітини-адресати: безпосередньо на їх тіла або, частіше, на їх «приймальні відростки» - дендрити. Аксон може давати до 1 ТОВ терминалей, що закінчуються на різних клітинах. З іншого боку, типовий нейрон хребетного отримує від 1 ТОВ до 10 ТОВ терминалей від інших клітин.
Отже, від клітини до клітини сигнал передається через контакт «терміналь - дендрит» або «терміналь - тіло клітини». Цей контакт і називається синапсом. Термін «синапс» був введений у фізіологію знаменитим англійським вченим Ч. Шеррингтоном.
У місці контакту не спайка, а розрив
Якщо говорити про технічному пристрої, то в місці контакту двох ділянок електричної схеми нічого особливого не відбувається: два проводочки з'єднуються один з одним - простіше за все їх спаяти.
Серед біологів, що вивчали нервову систему, довгий час існувало уявлення, що мозок - це безперервна мережу, так що всі нервові клітини мають загальну протоплазму, тобто з'єднані так, як судини кровоносної системи. Вважалося, що, наприклад, клітини шкіри або м'язів - це окремі клітини, а мозок - єдина мережа.
Але ось в 1875 р. італійський вчений, професор гістології університету в Павії К. Гольджі придумав новий спосіб забарвлення клітин - сріблення. При срібленні з тисяч лежать поруч клітин забарвлюється одна-єдина, але зате повністю з усіма своїми відростками.
Метод Гольджі сильно допоміг вивчення будови нервових клітин. Його використання показало, що, незважаючи на те, що в мозку клітини упаковані надзвичайно щільно і їх відростки переплутані, все-таки кожна клітина чітко відокремлюється від іншої, тобто мозок, як і інші тканини, складається з окремих, не об'єднаних в загальну мережу клітин. Цей висновок був зроблений іспанським гістологом С. Рамон і Кахаля, який тим самим поширив клітинну теорію на нервову систему.
Відмова від уявлення про єдиної мережі означав, що в нервовій системі сигнал переходить з клітки на клітку не через прямий електричний контакт, як в електричній схемі, а навпаки, через розрив.
Коли в біології став використовуватися електронний мікроскоп, ці уявлення про наявність розриву отримали пряме підтвердження. Виявилося, що і терміналь аксона, і тіло клітини-мішені мають свої власні мембрани в місці контакту. Між мембранами є щілину, ширина якої становить приблизно 20 нм.
Як же передається сигнал через цей розрив?
Які бувають синапси. Знову «велика суперечка»
До того часу, як було виявлено наявність таких розривів у ланцюгу «живої сигналізації», було вже достатньо очевидно, що у вирішенні питання про те, як проходить сигнал через цей розрив, вибирати доводиться між двома способами: електричним і хімічним. У дискусії про те, який із цих способів реалізується в природі, брали участь вже знайомі нам Дюбуа-Реймон і його учень Герман. І з цього питання їх думки виявилися різними. Герман вважав, що одна клітина впливає на іншу за допомогою місцевих струмів, а Дюбуа-Реймон віддавав перевагу хімічним механізму.
Пояснимо, в чому суть розбіжностей, використовуючи сучасні знання про будову синапсів.
Електрична гіпотеза полягає в тому, що нервовий імпульс, дійшовши до термінали клітини-відправника, викликає струм у сінантіческой щілини, який, затікаючи в клітина-адресат і викликає її збудження.
Хімічна гіпотеза може бути викладена так. Імпульс, що приходить по аксону, викликає в кінці термінали виділення хімічної речовини, яка дифундує через синаптичну щілину і досягає мембрани до льотки-мішені. У результаті змінюється проникність цієї мембрани і виникає струм, який тече через синаптичну щілину і через мембрану тіла клітини.
Отже, якими ж є синапси: «електричними» або «хімічними»?
Перші досить прямі експерименти говорили на користь хімічної гіпотези. Отто Леві, дратуючи блукаючий нерв жаби * зібрав позаклітинне рідину, що омиває серце, на яке діяв цей нерв, і подіяв цією рідиною на серці інший жаби. І ось без будь-якого роздратування нерва серце друга жаби теж стало битися рідше. Правда, в даному випадку мова йшла не про синапсах між двома нервовими клітинами, а про синапсі між нервом і серцевого м'яза. Але, провівши в Казані схожий по ідеї досвід на нервовому ганглії, А.В. Кібяков показав, що і між нервовими клітинами існує хімічна передача. Такий досвід свідчив, що з закінчень раздражаемой нерва виділяється якась речовина, яка сама по собі може діяти на інші нейрони або на м'яз.
Отже, хімічна теорія тріумфувала. Деякі медіатори, які спочатку були настільки ж гіпотетичність, як клітинна мембрана, були виділені в чистому вигляді та їх хімічну будову було визначено. За допомогою мікроелектродів, введених у клітину і аксон, було з'ясовано, що час, що витрачається на виділення медіатора з термінали і його дифузію через щілину, становить приблизно 0,6-0,8 мс у теплокровних тварин.
Здавалося, що хімічна передача в синапсах доведена, а електрична не знаходила жодних підтверджень. Але як можна було знайти електричний синапс? Треба було показати, що є синапси, які не володіють істотними ознаками хімічних.
Першим такою ознакою є тимчасова затримка, ті самі 0,8 мс; у випадку електричного синапсу чекати затримки не було підстав. Іншою відмітною властивістю хімічних реакцій є їх сильна температурна залежність. Чим вище температура, тим швидше йде реакція. У разі електричних синапсів очікувати такої залежності також не доводилося. Крім того, при вивченні хімічних синапсів було показано, що для їх роботи потрібні іони кальцію в середовищі, що омиває клітини. Заміна кальцію на магній блокувала передачу сигналу через хімічний синапс. І ось в 1957 р. за допомогою мікроелектродів був відкритий синапс, в якому сигнал передавався практично без затримки, передача слабо залежала від температури і не блокувалася магнієм. Був відкритий перший суто електричний синапс. Це здалося дивним виключенням, та й синапс відкрили всього лише у якогось річкового рака. Але добрий початок. Незабаром електричні синапси відкрили у риб, кішок, мавп.
Як ми вже неодноразово бачили це і раніше знову виявився правий Ходжа Насреддін, стверджуючи, що обидва сперечальника праві. Зараз чітко показано, що існують і хімічні та електричні синапси,
Електричні синапси існують, але їх не може бути
Отримані в експерименті докази передачі сигналу через синапс чисто електричним шляхом вступили в суперечність з існуючими на той момент теоретичними розрахунками. Склалася парадоксальна ситуація: електричні синапси є, існують, їх існування доведено прямими експериментами, а розрахунки показують, що вони не можуть працювати!
Дійсно, як показало сріблення, а потім і електронна мікроскопія, безпосереднього контакту між клітинами все-таки немає: клітини розділені щілиною, заповненої рідиною, через яку струм піде не тільки в клітку-мішень, але і витече кудись «на сторону». Розрахунки, проведені в різних лабораторіях світу, дали вражаючі результати. Виявилося, що при реальних експериментально відомих значеннях опорів мембран, міжклітинного середовища і розмірів синаптичних контактів і щілин в клітку-мішень затікатиме не більше 0,01% усього струму, що випливає з терміналі. Цей струм до того ж розтечеться по всьому тілу клітки і не зможе створити зміни її потенціалу, необхідного для збудження або порівнянного з реально вимірюваними змінами.
За рішення цієї задачі в 1965 р. взялася група молодих співробітників Теоретичного відділу Інституту біофізики АН СРСР.
Перша їхня ідея полягала в тому, що в синапсі і опір мембрани, і опір міжклітинної речовини можуть бути іншими, відрізнятися від опору клітинної мембрани і позаклітинної середовища. Адже відомі значення цих параметрів були отримані зовсім на інших об'єктах. Так що в розрахунках, про які говорилося вище, достовірними можна було вважати тільки розміри синаптичної області. Та й методи розрахунків були вельми наближеними.
Для перевірки висунутої гіпотези треба було повторити розрахунки для різних значень цих невідомих параметрів; крім того, потрібно вдосконалити й сам метод розрахунку, чого ніяк не вдавалося зробити. Тоді вирішили зробити аналогову модель синапсу.
Цю роботу доручили дипломникові, який паяв схеми, весь час перепаівая їх для нових значень параметрів, підбираючи опору, причому опорів з потрібними параметрами, як зазвичай буває, у лабораторії не виявлялося, і доводилося поєднувати декілька наявних. Веремії було багато і робота просувалася повільно. А тут ще прийшло літо і відділу запропонували виділити двох співробітників для поїздки на місяць в колгосп. Нікому не хотілося на такий довгий термін переривати роботу, і співробітники запропонували інший вихід: поїхати всім разом, але зате на короткий термін. Шкода було тільки, що в польових умовах не можна ставити експерименти і паяти нові схеми.
Нужда навчить калачі є
Але цей відрив від паяльника і опорів зробив благотворний дію. Єдиними доступними знаряддями наукової праці тут були олівець і папір. І ось Володі Смоляшгаову вдалося замінити фізичну модель математичної: описати зв'язок всіх величин, що характеризують синапс, математичними функціями. Необхідний точний метод розрахунку був знайдений.
Повернувшись в лабораторію, засіли за математичні таблиці, лінійки та інші математичні прилади того часу. Результати роботи на такій математичної моделі здавалися, на перший погляд, абсолютно неймовірними.
Виявилося, що, хоча і існує деякий оптимальний опір мембрани в синапсі, при якому в клітку-мішень потрапляла найбільша частина струму, все одно ефективність такого синапсу була незрівнянна з реальною. Якщо опір мембрани бралося нижче оптимального, то збільшувалася витік струму через щілину, якщо опір збільшувалася, то падала загальна сила струму х випливає з терміналі.
Інший результат був вже зовсім дивним. За моделлю виходило, що поліпшити зв'язок між клітинами можна, якщо ... їх краще ізолювати один від одного! Через синапс, щілину якого заповнена речовиною з високою питомою опором, терміналь може порушити клітину-мішень, якщо тільки синапс має відповідні розміри: діаметр в кілька мікрометрів і, як зазвичай, тонку щілину. Цей результат, трохи подумавши, легко зрозуміти і на якісному рівні. Високий опір внутріщелевого речовини буде мало заважати току, поточним з термінали в клітку, тому що в цьому напрямі його шар тонкий, але зате буде ефективно перешкоджати витіканню струму через щілину, так як в цьому напрямку опір ізолюючого шару велике. Справа, як бачите, знову опинилося в геометрії. Біда тільки, що електричні синапси з щілиною * заповненої жиром, не були відомі в природі.
Негативний результат - теж результат
Модель довела, що електричний синапс не може працювати ні при якому опорі мембрани, однаковому на всій поверхні синапсу. І тоді був зроблений наступний крок у єдиному можливе направлення: припустили, що мембрана синапсу неоднорідна по опору - вона має «вікна» з низьким опором у центральних областях і високий опір у краю синапсу.
Ця гіпотеза виявилася вірною. З удосконаленням методів електронної мікроскопії в різних лабораторіях світу було виявлено, що, дійсно, в ЕС використовується неоднорідна мембрана, але її неоднорідність створюється особливим способом: за допомогою спеціального білка - коннектіна. Молекули цього білка є і в мембрані термінали, і в мембрані клітини-мішені й утворять там особливу структуру - коннексон, що складається з шести молекул і має всередині канал. Коли аксон доростає до клітини-мішені, два коннексона сусідніх мембран з'єднуються один з одним і в кожному з них відкривається отвір - канал, який до того закритий. Цей канал представляє низький опір для проходження іонів. В ЕС багато коннексонов. Таким чином, ЕС пов'язує дві клітини безліччю тоненьких трубочок діаметром близько 1 - 1,5 нм, що проходять усередині білкових молекул.
Зробимо невеликий відступ в сторону. Яку ж роль зіграло в даному випадку математичне моделювання синапсу? Ситуація тут досить парадоксальна.
Якщо б вдалося знайти параметри, що відповідають передачі струму в реальних синапсах, і модель задовольняла б експериментальним даним, то результат був би не настільки цінний. Він тільки означав би, що ЕС може бути влаштований так, як передбачалося на початку, але він міг бути влаштований й інакше. Можливо, існують десятки моделей, які однаково добре відповідають експерименту. Але негативний результат моделювання є абсолютним. Він суворо каже, що система не може бути влаштована так, як ми припускаємо, і слід шукати, як же вона влаштована насправді.
Чудово, що й другий результат дослідження ЕС на математичній моделі, незважаючи на свою гадану безглуздість, також знайшов експериментальне підтвердження. Виявилося, що природа дійсно використовує заповнення щілини ізолятором. У птахів в ланцюжку нейронів, що забезпечують реакцію зіниці на світло, був виявлений дуже великий у діаметрі ЕС, щілину якого заповнена мієліном, тобто ізолятором. Для такого великого синапсу цей спосіб досить ефективний, як і передбачала модель. Таким чином, в природі дійсно використовуються і заповнення синаптичної щілини ізолятором, і неоднорідні мембрани.
Хімічний синапс
На відміну від електричних синапсів, які так чи інакше служать для утворення безперервного шляхи для електричного сигналу, хімічні синапси - це справжні «розриви»: електричному сигналом «напряму» через хімічний синапс не пройти.
Розглянемо для прикладу роботу нервово-м'язового синапсу. Як ви знаєте, мембрана м'язового волокна збудлива: якщо доторкнутися до неї електродом, м'яз скоротиться. Виявляється, існує парадоксальне виняток: саме в тому місці мембрани, через яке приходить сигнал від мотонейрона до скорочення, м'яз не чутлива до електричного впливу! Значить, мотонейрон впливає на м'яз зовсім іншим способом: у його термінали електричний сигнал перетвориться в хімічний.
Загальну схему роботи хімічного синапсу ми вже описували. Коли нервовий імпульс доходить до термінали мотонейрона під його впливом у синаптичну щілину виділяється особлива речовина - медіатор. Для нервово-м'язового синапсу хребетних таким медіатором служить ацетилхолін. Ось до цього-то речовини й чутлива постсинаптичної мембрани. Варто тільки піднести до області синапсу піпетку з розчином, що містить ацетилхолін, і вивести трохи ацетилхоліну назовні, як у м'язовому волокні виникає зміна потенціалу, тим сильніше, чим більше ацетилхоліну виведено з піпетки. Якщо ці зміни потенціалу досягають порогу збудження електрозбудження мембрани, то в ній виникає ПД і м'язове волокно скорочується.
Перш за все, звичайно, доведеться розібратися: а хто, власне кажучи, приймає ці сигнали, хто є тим адресатом, якому призначена інформація? Хто відправник - начебто ясно, принаймні, коли мова йде про передачу інформації із зовнішнього середовища: це органи почуттів, на які діють фізичні чи хімічні фактори. Але якщо ми хочемо виражатися більш акуратно, то треба зазначити, що завжди, коли ми говоримо «мозок посилає сигнал м'язам ока» або «дратівливий сітківку сигнал передається в мозок», все одно мова йде насправді про передачу сигналу від однієї клітини до іншої клітці. Так що вся складна робота нервової системи - регулювання роботи внутрішніх органів, управління рухами, будь то прості і неусвідомлювані руху або складні цілеспрямовані руху руки живописця - все це, по суті, грунтується на «розмові клітин». Причому всі ці «співрозмовники» зовсім не базіки: кожна клітина виконує свою роботу, а іноді робить і кілька справ.
Різноманітність функцій, які виконуються цим складним «колективом», забезпечується двома факторами: тим, як клітини поєднані між собою, і тим, як влаштовані «стики» між клітинами.
Що таке синапс
Найпростіша реакція нервової системи на зовнішній подразник - це рефлекс. Він здійснюється рефлекторної дугою, будова якої всім добре відомо. На схемі рефлекторної дуги стрілками позначений шлях сигналу від однієї клітини до іншої. Цей шлях виглядає так, як ніби клітини поєднані тяганиною. Насправді «зволікання» - це відростки клітин, які входять до рефлекторну дугу. Давайте придивимося до більш детального портрета нейрона - елементу рефлекторної дуги. Нервовий імпульс виникає в тілі клітки і поширюється за її аксону. Аксон закінчується безліччю тоненьких гілочок, які називаються терміналами. З цих-то терминалей сигнал і переходить на інші клітини-адресати: безпосередньо на їх тіла або, частіше, на їх «приймальні відростки» - дендрити. Аксон може давати до 1 ТОВ терминалей, що закінчуються на різних клітинах. З іншого боку, типовий нейрон хребетного отримує від 1 ТОВ до 10 ТОВ терминалей від інших клітин.
Отже, від клітини до клітини сигнал передається через контакт «терміналь - дендрит» або «терміналь - тіло клітини». Цей контакт і називається синапсом. Термін «синапс» був введений у фізіологію знаменитим англійським вченим Ч. Шеррингтоном.
У місці контакту не спайка, а розрив
Якщо говорити про технічному пристрої, то в місці контакту двох ділянок електричної схеми нічого особливого не відбувається: два проводочки з'єднуються один з одним - простіше за все їх спаяти.
Серед біологів, що вивчали нервову систему, довгий час існувало уявлення, що мозок - це безперервна мережу, так що всі нервові клітини мають загальну протоплазму, тобто з'єднані так, як судини кровоносної системи. Вважалося, що, наприклад, клітини шкіри або м'язів - це окремі клітини, а мозок - єдина мережа.
Але ось в 1875 р. італійський вчений, професор гістології університету в Павії К. Гольджі придумав новий спосіб забарвлення клітин - сріблення. При срібленні з тисяч лежать поруч клітин забарвлюється одна-єдина, але зате повністю з усіма своїми відростками.
Метод Гольджі сильно допоміг вивчення будови нервових клітин. Його використання показало, що, незважаючи на те, що в мозку клітини упаковані надзвичайно щільно і їх відростки переплутані, все-таки кожна клітина чітко відокремлюється від іншої, тобто мозок, як і інші тканини, складається з окремих, не об'єднаних в загальну мережу клітин. Цей висновок був зроблений іспанським гістологом С. Рамон і Кахаля, який тим самим поширив клітинну теорію на нервову систему.
Відмова від уявлення про єдиної мережі означав, що в нервовій системі сигнал переходить з клітки на клітку не через прямий електричний контакт, як в електричній схемі, а навпаки, через розрив.
Коли в біології став використовуватися електронний мікроскоп, ці уявлення про наявність розриву отримали пряме підтвердження. Виявилося, що і терміналь аксона, і тіло клітини-мішені мають свої власні мембрани в місці контакту. Між мембранами є щілину, ширина якої становить приблизно 20 нм.
Як же передається сигнал через цей розрив?
Які бувають синапси. Знову «велика суперечка»
До того часу, як було виявлено наявність таких розривів у ланцюгу «живої сигналізації», було вже достатньо очевидно, що у вирішенні питання про те, як проходить сигнал через цей розрив, вибирати доводиться між двома способами: електричним і хімічним. У дискусії про те, який із цих способів реалізується в природі, брали участь вже знайомі нам Дюбуа-Реймон і його учень Герман. І з цього питання їх думки виявилися різними. Герман вважав, що одна клітина впливає на іншу за допомогою місцевих струмів, а Дюбуа-Реймон віддавав перевагу хімічним механізму.
Пояснимо, в чому суть розбіжностей, використовуючи сучасні знання про будову синапсів.
Електрична гіпотеза полягає в тому, що нервовий імпульс, дійшовши до термінали клітини-відправника, викликає струм у сінантіческой щілини, який, затікаючи в клітина-адресат і викликає її збудження.
Хімічна гіпотеза може бути викладена так. Імпульс, що приходить по аксону, викликає в кінці термінали виділення хімічної речовини, яка дифундує через синаптичну щілину і досягає мембрани до льотки-мішені. У результаті змінюється проникність цієї мембрани і виникає струм, який тече через синаптичну щілину і через мембрану тіла клітини.
Отже, якими ж є синапси: «електричними» або «хімічними»?
Перші досить прямі експерименти говорили на користь хімічної гіпотези. Отто Леві, дратуючи блукаючий нерв жаби * зібрав позаклітинне рідину, що омиває серце, на яке діяв цей нерв, і подіяв цією рідиною на серці інший жаби. І ось без будь-якого роздратування нерва серце друга жаби теж стало битися рідше. Правда, в даному випадку мова йшла не про синапсах між двома нервовими клітинами, а про синапсі між нервом і серцевого м'яза. Але, провівши в Казані схожий по ідеї досвід на нервовому ганглії, А.В. Кібяков показав, що і між нервовими клітинами існує хімічна передача. Такий досвід свідчив, що з закінчень раздражаемой нерва виділяється якась речовина, яка сама по собі може діяти на інші нейрони або на м'яз.
Отже, хімічна теорія тріумфувала. Деякі медіатори, які спочатку були настільки ж гіпотетичність, як клітинна мембрана, були виділені в чистому вигляді та їх хімічну будову було визначено. За допомогою мікроелектродів, введених у клітину і аксон, було з'ясовано, що час, що витрачається на виділення медіатора з термінали і його дифузію через щілину, становить приблизно 0,6-0,8 мс у теплокровних тварин.
Здавалося, що хімічна передача в синапсах доведена, а електрична не знаходила жодних підтверджень. Але як можна було знайти електричний синапс? Треба було показати, що є синапси, які не володіють істотними ознаками хімічних.
Першим такою ознакою є тимчасова затримка, ті самі 0,8 мс; у випадку електричного синапсу чекати затримки не було підстав. Іншою відмітною властивістю хімічних реакцій є їх сильна температурна залежність. Чим вище температура, тим швидше йде реакція. У разі електричних синапсів очікувати такої залежності також не доводилося. Крім того, при вивченні хімічних синапсів було показано, що для їх роботи потрібні іони кальцію в середовищі, що омиває клітини. Заміна кальцію на магній блокувала передачу сигналу через хімічний синапс. І ось в 1957 р. за допомогою мікроелектродів був відкритий синапс, в якому сигнал передавався практично без затримки, передача слабо залежала від температури і не блокувалася магнієм. Був відкритий перший суто електричний синапс. Це здалося дивним виключенням, та й синапс відкрили всього лише у якогось річкового рака. Але добрий початок. Незабаром електричні синапси відкрили у риб, кішок, мавп.
Як ми вже неодноразово бачили це і раніше знову виявився правий Ходжа Насреддін, стверджуючи, що обидва сперечальника праві. Зараз чітко показано, що існують і хімічні та електричні синапси,
Електричні синапси існують, але їх не може бути
Отримані в експерименті докази передачі сигналу через синапс чисто електричним шляхом вступили в суперечність з існуючими на той момент теоретичними розрахунками. Склалася парадоксальна ситуація: електричні синапси є, існують, їх існування доведено прямими експериментами, а розрахунки показують, що вони не можуть працювати!
Дійсно, як показало сріблення, а потім і електронна мікроскопія, безпосереднього контакту між клітинами все-таки немає: клітини розділені щілиною, заповненої рідиною, через яку струм піде не тільки в клітку-мішень, але і витече кудись «на сторону». Розрахунки, проведені в різних лабораторіях світу, дали вражаючі результати. Виявилося, що при реальних експериментально відомих значеннях опорів мембран, міжклітинного середовища і розмірів синаптичних контактів і щілин в клітку-мішень затікатиме не більше 0,01% усього струму, що випливає з терміналі. Цей струм до того ж розтечеться по всьому тілу клітки і не зможе створити зміни її потенціалу, необхідного для збудження або порівнянного з реально вимірюваними змінами.
За рішення цієї задачі в 1965 р. взялася група молодих співробітників Теоретичного відділу Інституту біофізики АН СРСР.
Перша їхня ідея полягала в тому, що в синапсі і опір мембрани, і опір міжклітинної речовини можуть бути іншими, відрізнятися від опору клітинної мембрани і позаклітинної середовища. Адже відомі значення цих параметрів були отримані зовсім на інших об'єктах. Так що в розрахунках, про які говорилося вище, достовірними можна було вважати тільки розміри синаптичної області. Та й методи розрахунків були вельми наближеними.
Для перевірки висунутої гіпотези треба було повторити розрахунки для різних значень цих невідомих параметрів; крім того, потрібно вдосконалити й сам метод розрахунку, чого ніяк не вдавалося зробити. Тоді вирішили зробити аналогову модель синапсу.
Цю роботу доручили дипломникові, який паяв схеми, весь час перепаівая їх для нових значень параметрів, підбираючи опору, причому опорів з потрібними параметрами, як зазвичай буває, у лабораторії не виявлялося, і доводилося поєднувати декілька наявних. Веремії було багато і робота просувалася повільно. А тут ще прийшло літо і відділу запропонували виділити двох співробітників для поїздки на місяць в колгосп. Нікому не хотілося на такий довгий термін переривати роботу, і співробітники запропонували інший вихід: поїхати всім разом, але зате на короткий термін. Шкода було тільки, що в польових умовах не можна ставити експерименти і паяти нові схеми.
Нужда навчить калачі є
Але цей відрив від паяльника і опорів зробив благотворний дію. Єдиними доступними знаряддями наукової праці тут були олівець і папір. І ось Володі Смоляшгаову вдалося замінити фізичну модель математичної: описати зв'язок всіх величин, що характеризують синапс, математичними функціями. Необхідний точний метод розрахунку був знайдений.
Повернувшись в лабораторію, засіли за математичні таблиці, лінійки та інші математичні прилади того часу. Результати роботи на такій математичної моделі здавалися, на перший погляд, абсолютно неймовірними.
Виявилося, що, хоча і існує деякий оптимальний опір мембрани в синапсі, при якому в клітку-мішень потрапляла найбільша частина струму, все одно ефективність такого синапсу була незрівнянна з реальною. Якщо опір мембрани бралося нижче оптимального, то збільшувалася витік струму через щілину, якщо опір збільшувалася, то падала загальна сила струму х випливає з терміналі.
Інший результат був вже зовсім дивним. За моделлю виходило, що поліпшити зв'язок між клітинами можна, якщо ... їх краще ізолювати один від одного! Через синапс, щілину якого заповнена речовиною з високою питомою опором, терміналь може порушити клітину-мішень, якщо тільки синапс має відповідні розміри: діаметр в кілька мікрометрів і, як зазвичай, тонку щілину. Цей результат, трохи подумавши, легко зрозуміти і на якісному рівні. Високий опір внутріщелевого речовини буде мало заважати току, поточним з термінали в клітку, тому що в цьому напрямі його шар тонкий, але зате буде ефективно перешкоджати витіканню струму через щілину, так як в цьому напрямку опір ізолюючого шару велике. Справа, як бачите, знову опинилося в геометрії. Біда тільки, що електричні синапси з щілиною * заповненої жиром, не були відомі в природі.
Негативний результат - теж результат
Модель довела, що електричний синапс не може працювати ні при якому опорі мембрани, однаковому на всій поверхні синапсу. І тоді був зроблений наступний крок у єдиному можливе направлення: припустили, що мембрана синапсу неоднорідна по опору - вона має «вікна» з низьким опором у центральних областях і високий опір у краю синапсу.
Ця гіпотеза виявилася вірною. З удосконаленням методів електронної мікроскопії в різних лабораторіях світу було виявлено, що, дійсно, в ЕС використовується неоднорідна мембрана, але її неоднорідність створюється особливим способом: за допомогою спеціального білка - коннектіна. Молекули цього білка є і в мембрані термінали, і в мембрані клітини-мішені й утворять там особливу структуру - коннексон, що складається з шести молекул і має всередині канал. Коли аксон доростає до клітини-мішені, два коннексона сусідніх мембран з'єднуються один з одним і в кожному з них відкривається отвір - канал, який до того закритий. Цей канал представляє низький опір для проходження іонів. В ЕС багато коннексонов. Таким чином, ЕС пов'язує дві клітини безліччю тоненьких трубочок діаметром близько 1 - 1,5 нм, що проходять усередині білкових молекул.
Зробимо невеликий відступ в сторону. Яку ж роль зіграло в даному випадку математичне моделювання синапсу? Ситуація тут досить парадоксальна.
Якщо б вдалося знайти параметри, що відповідають передачі струму в реальних синапсах, і модель задовольняла б експериментальним даним, то результат був би не настільки цінний. Він тільки означав би, що ЕС може бути влаштований так, як передбачалося на початку, але він міг бути влаштований й інакше. Можливо, існують десятки моделей, які однаково добре відповідають експерименту. Але негативний результат моделювання є абсолютним. Він суворо каже, що система не може бути влаштована так, як ми припускаємо, і слід шукати, як же вона влаштована насправді.
Чудово, що й другий результат дослідження ЕС на математичній моделі, незважаючи на свою гадану безглуздість, також знайшов експериментальне підтвердження. Виявилося, що природа дійсно використовує заповнення щілини ізолятором. У птахів в ланцюжку нейронів, що забезпечують реакцію зіниці на світло, був виявлений дуже великий у діаметрі ЕС, щілину якого заповнена мієліном, тобто ізолятором. Для такого великого синапсу цей спосіб досить ефективний, як і передбачала модель. Таким чином, в природі дійсно використовуються і заповнення синаптичної щілини ізолятором, і неоднорідні мембрани.
Хімічний синапс
На відміну від електричних синапсів, які так чи інакше служать для утворення безперервного шляхи для електричного сигналу, хімічні синапси - це справжні «розриви»: електричному сигналом «напряму» через хімічний синапс не пройти.
Розглянемо для прикладу роботу нервово-м'язового синапсу. Як ви знаєте, мембрана м'язового волокна збудлива: якщо доторкнутися до неї електродом, м'яз скоротиться. Виявляється, існує парадоксальне виняток: саме в тому місці мембрани, через яке приходить сигнал від мотонейрона до скорочення, м'яз не чутлива до електричного впливу! Значить, мотонейрон впливає на м'яз зовсім іншим способом: у його термінали електричний сигнал перетвориться в хімічний.
Загальну схему роботи хімічного синапсу ми вже описували. Коли нервовий імпульс доходить до термінали мотонейрона під його впливом у синаптичну щілину виділяється особлива речовина - медіатор. Для нервово-м'язового синапсу хребетних таким медіатором служить ацетилхолін. Ось до цього-то речовини й чутлива постсинаптичної мембрани. Варто тільки піднести до області синапсу піпетку з розчином, що містить ацетилхолін, і вивести трохи ацетилхоліну назовні, як у м'язовому волокні виникає зміна потенціалу, тим сильніше, чим більше ацетилхоліну виведено з піпетки. Якщо ці зміни потенціалу досягають порогу збудження електрозбудження мембрани, то в ній виникає ПД і м'язове волокно скорочується.
Виділення медіатора
У 1950 р. англійські вчені Фетт і Катц, вивчаючи роботу нервово-м'язового синапсу жаби, виявили, що без будь-якого дії на нерв в м'язі в області постсинаптичної мембрани самі по собі через випадкові проміжки часу виникають невеликі коливання потенціалу, амплітудою приблизно в 0,5 мВ, які вони назвали «мініатюрні потенціали». Коли Фетт і Катц подіяли на синапс отрутою, про який було відомо, що він блокує виділення ацетилхоліну з терминалей, мініатюрні потенціали зникли.
Виходило, що в хімічному синапсі медіатор виділяється і в спокої, але зрідка і невеликими певними порціями.
До того часу електронна мікроскопія вже досить багато знала про пристрій синапсів. Зокрема, було відомо, що в пресинаптичних закінченнях є якісь бульбашки діаметром приблизно 500 нм. Іноді вдавалося побачити, що мембрана цих бульбашок зливається з мембраною терміналі. Катц висунув гіпотезу, що мініатюрні потенціали виникають тоді, коли такий пляшечку злипається з пресинаптичної мембраною, розривається і викидає в сінаптіче-ську щілину свій запас ацетилхоліну. Частково цю гіпотезу вдалося перевірити цитологом: вони зуміли виділити везикули і показати, що в них дійсно міститься «цетілхолін.
Отже, в спокої, коли мотонейрон не порушено, в синапсі існує невеликий електричний шум: за рахунок випадкового викиду ацетилхоліну виникають мініатюрні потенціали; середня частота їх - приблизно один на секунду. Але амплітуда цих одиночних потенціалів занадто мала, і тому м'язове волокно не збуджується. Коли ж до термінали мотонейрона підходить ПД, то відбувається масове спорожнення везикул: за 0,1 мс лопаються приблизно 100 бульбашок. І всі вони викидають свій ацетилхолін у синаптичну щілину. У результаті в м'язовому волокні виникає деполяризація в 30 - 50 мВ, що набагато вище порогового значення.
Природно було подивитися, як впливає зміна МП термінали на частоту мініатюрних потенціалів, тобто на частоту викиду ацетилхоліну. Виявилося, що при деполяризації термінали частота виділення везикул зростає експоненціально. Це пояснює, чому під дією нервового імпульсу виділяється так багато ацетилхоліну.
Але рішення одного питання, як завжди, породжує нові: чому деполяризація призводить до того, що везикули починають частіше «прилипати» до мембрани?
Цілим рядом експериментів було з'ясовано, що «винуватцем» зростання частоти виділення медіатора є іони кальцію. Виявилося, що в пресинаптичної терміналі є потенціалзалежні кальцієві канали, які відкриваються при деполяризації термінали, і кальцій входить до терміналь.
Цей процес був дуже красиво показаний Ллінасом та ін в 1972 р. на великому синапсі кальмара, де є можливість вводити різні речовини в терміналь. Є така речовина - екворін. При зіткненні з іонами кальцію він дає світлову спалах. Ллінас і його співробітники ввели 'екворін в пресинаптичну терміналь. Коли до синапсу приходив нервовий імпульс, пресинаптичне закінчення спалахувало, показуючи, що всередину нього увійшли іони кальцію. Але вчені не обмежилися цієї красивої ілюстрацією вже відомих на той час фактів і поставили новий досвід, який дав важливий результат. Вони ввели через мікроелектрод всередину закінчення іони кальцію, і тут же без всякої деполяризації почалося виділення медіатора.
Отже, виявляється, що причиною виділення медіатора є не деполяризація сама по собі, а те, що деполяризація відкриває дорогу кальцію всередину терміналі. І якщо прибрати з зовнішнього середовища кальцій, то як показали експерименти, хімічний синапс не спрацює ні при якій деполяризації і навіть мініатюрні потенціали зникнуть.
Але є ще одне дуже важливе питання "чому після попадання кальцію всередину термінали медіатор виділяється тільки дуже короткий час, а потім його виділення припиняється? Кальцієві канали термінали відкриваються лише на дуже короткий час, але за цей час концентрація кальцію в терміналі підвищується в тисячі разів. Куди ж дівається цей кальцій? Виявляється, він швидко викачується назовні кальцієвим насосом і поглинається мітохондріями, які завжди присутні в синаптичних закінченнях.
Після цих робіт був з'ясований механізм дії деяких отрут. Наприклад, з отрути павука каракурта був виділений білок - латротоксину, який по суті являє собою не закриваються кальцієві канали. Він вбудовується в пресинаптичну мембрану і починає пропускати в терміналь кальцій. У результаті запаси ацетилхоліну в терміналі повністю виснажуються і нервова система не може викликати скорочення м'язів.
Але що ж робить кальцій, потрапивши всередину термінали? На це питання поки немає однозначної відповіді. Можливо, кальцій просто екранує негативні заряди мембрани везикул і мембрани термінали, що дозволяє їм злитися, можливо, кальцій викликає скорочення «внутрішньоклітинних м'язів», які підтягують пляшечку до мембрани, а може бути, механізм дії кальцію виявиться зовсім іншою і несподіваним.
Робота постсинаптичної мембрани
Що ж робить ацетилхолін з постсинаптической мембраною, до якої він дифундує? У спокої питомий опір постсинаптичної мембрани дорівнює приблизно 3 ТОВ Ом-см 2, але при дії ацетилхоліну воно знижується до 1 Ом-см 2. Це відразу наводить на думку, що ацетилхолін відкриває якісь канали в постсинаптической мембрані. І це припущення вірне.
У постсинаптической мембрані знаходяться канали, «ворота» яких управляються не МП, а ацетилхоліном, І канал, і ворота є частинами особливої складно влаштованої білкової молекули. Кінець такої молекули, що стирчить з мембрани назовні, «впізнає» молекули ацетилхоліну. Якщо з ним зв'язуються дві молекули - ацетилхоліну, то відкривається канал, через який можуть проходити іони К + і Ка +. Іншими словами, в мембрані відкривається «електрична дірка» з усіма витікаючими наслідками, а саме деполяризацією мембрани. Таким чином, Постсинаптическая мембрана перетворює хімічний сигнал знову в електричний сигнал - деполяризацію мембрани.
Виникає природне запитання: чому ця деполяризація зникає? Адже дія хімічного синапсу зазвичай короткочасно. Значить, ацетилхолін, що відкриває канали в постсинаптической мембрані, кудись дівається. Виявляється, медіатор зв'язується з холінорецепторів дуже неміцно: відкривши ворота каналу, він відривається і знову йде в синаптичну щілину. А в щілини є особливий фермент, який його руйнує. Так що медіатор - речовина дуже «скромне»: зробивши свою справу, він тут же йде. Саме це його властивість забезпечує короткочасність дії хімічного синапсу.
Є й інші речовини, які теж можуть зв'язуватися з холінорецепторів, але роблять це краще, ніж ацетилхолін. Наприклад, рослинний отрута кураре, якою індіанці змащували свої стріли, потрапивши в організм, міцно зв'язується з холінорецепторами м'язи і займає «посадки», призначені для ацетилхоліну. У результаті ацетилхолін не може відкрити ворота каналів і будь-які рухи стають неможливими. На цьому ж грунтується і дію деяких зміїних отрут; так, зокрема, діють отрути змій сімейства Аспідовие. Цікаво, що і в рослин, і у змій в ході еволюції вироблялися отрути з подібним механізмом дії. Речовини, подібні з кураре, релаксанти, зараз використовуються в медицині під час операцій: вони розслаблюють м'язи.
Зараз відомо досить багато деталей про пристрій і роботу «молекулярної машини» - холінорецепторів. Холінорецептор складається з п'яти субодиниць - ділянок. Вивчення амінокислотних послідовностей цих одиниць показало, що всі вони сталися в результаті модифікації одного і того ж гена. З'єднуючись між собою, ці субодиниці утворюють в центрі канал. Цей канал має приблизно квадратний перетин зі стороною квадрата 0,65 нм. Він не розрізняє іонів К + і Ка +, але не пропускає аніони. Ворота каналу відкриваються на випадкові проміжки часу. Провідність такого каналу дорівнює приблизно 3-Ю »11 С. Довжина холінорецептори в 5-6 разів перевищує товщину мембрани, так що білок сильно стирчить з неї назовні і всередину клітини. Ацетилхолін, викинутий одним бульбашкою, відкриває близько 2 ТОВ каналів,
Які синапси краще - електричні або хімічні?
З нашої розповіді ви зрозуміли, що електричні синапси влаштовані просто, хімічні - нескладно, тим більше, що ми до цих пір розібрали тільки один з багатьох видів ХС - нервово-м'язовий. Як же здійснюється розподіл праці між цими двома видами синапсів? Зазвичай в організмі вони використовуються в таких нервових ланцюгах, де їх властивості виявляються найбільш корисними.
Наприклад, відмітною особливістю ЕС є швидкодія. Природно, що ЕС знаходяться в тих ланцюгах, які обслуговують термінові реакції організму: відсмикування тіла, отпригіваніе, втікання.
Наприклад, у дощових черв'яків уздовж всього тіла проходять гігантські «аксони». Як бачите, вони не такі гігантські, як у кальмара, та й влаштовані вони інакше. Насправді це не аксон, тобто НЕ відросток однієї клітини. Цей «аксон» складається з безлічі циліндричних шматочків. У кожному сегменті тіла є нервова клітина, яка відрощує такий шматочок, потім торцеві мембрани цих циліндрів з'єднуються коннексонамі, так що виходить кабель з перегородками, просякнутими каналами коннексонов. У результаті імпульс біжить з цього складеного аксону як за звичайним товстому нервового волокна. Ці волокна викликають швидке скорочення тіла хробака, забезпечуючи реакції отдергивания від подразника або швидкого втягування в нірку. При хімічних синапсах ця реакція займала б декілька десятих доль секунди: адже затримка між сегментами в ХС холоднокровне становить кілька мілісекунд, а сегментів може бути кілька десятків і навіть сотня; затримка на Е що відкидає раку тому, подалі від небезпеки. ЕС містяться в системах порятунку втечею у деяких медуз, молюсків, риб та інших тварин.
Друга характерна особливість ЕС полягає в тому, що вони пропускають сигнал в обидві сторони - вони симетричні). Це може сприяти синхронізації, тобто, одночасності збудження нейронів * пов'язаних ЕС. Такі синхронізуючі системи досить поширені в живій природі. У найпростішому випадку вони складаються всього з двох клітин; зв'язок цих клітин через ЕС призводить до того, що при порушенні одного з нейронів практично одночасно виникає імпульс і в другому. Наприклад, у електричного сома така система з двох нейронів забезпечує одночасність розряду електричних органів обох сторін тіла. В іншої риби, яка вміє, скорочуючи плавальний міхур, видавати звуки, схожі на квакання всі клітини, керуючі м'язами плавального міхура, пов'язані ЕС, що дозволяє збуджуватися практично одночасно.
Електричні синапси досить «модні» у безхребетних і нижчих хребетних. У вищих хребетних більшість синапсів - хімічні. Використання в організмах ХС пов'язано з їхньою характерною особливістю - перетворенням електричного сигналу в хімічний і назад. У них однакові електричні імпульси можуть викликати виділення самих різних речовин-медіаторів; наприклад, у кільчастих хробаків у нервово-м'язових синапсах використовується той же ацетилхолін, що і у хребетних, а у членистоногих, які відбулися в ході еволюції від кільчастих хробаків * використовується в таких синапсах зовсім інший медіатор - глутамат. З іншого боку, в ХС один і той же медіатор, діючи на різні клітини-мішені, може відкривати зовсім різні канали. Наприклад, ацетилхолін в одних випадках відкриває чисто калієві або суто натрієві канали в інших - канали, проникні і калій, натрій, в третіх - канали, що пропускають тільки хлор, і т.д. Тому ХС може виконувати більш складні функції, ніж ЕС. Так, одне з найважливіших явищ у нейрофізіології - явище гальмування - практично завжди здійснюється ХС),.
Хімічний синапс і гальмування
Відомо, що людина вольовим зусиллям може зупинити безумовний рефлекс. Існує, наприклад, захисний рефлекс отдергивания руки, коли рука торкається гарячого предмету, чогось гострого і т.д. Проте відомий приклад римського героя Сцеволи, який поклав руку на палаючу жаровню і не відсмикнув її, подолавши біль. Кожен з нас загальмовує рефлекс отдергивания, коли беруть кров на аналіз. У менш явній формі гальмування проявляється майже в усякому поведінковому акті, в тому числі і в мимовільних рухах, гальмування бере участь і в регуляції роботи внутрішніх органів.
Що ж таке гальмування? У чому його причина? З цього приводу в літературі до цих пір можна зустріти самі фантастичні твердження. Навіть у шкільному підручнику фізіології йдеться, що гальмування в даному місці нервової системи викликається тим, що сильно збуджується сусідню ділянку. Так що ж таке гальмування насправді?
Перш за все підкреслимо, що під гальмуванням розуміється активний процес, а не просто відсутність порушення. Загальмованою називають клітку, в якій якийсь механізм протидіє збудженню. Згадавши, що таке порушення, легко зрозуміти, що це за механізм. Ми знаємо, що нервова клітина або волокно порушуються тоді, коли деполярізуется їх мембрана. Значить, протилежний зсув мембранного потенціалу і буде гальмуванням: таку клітину буде важче порушити, оскільки буде потрібно більш сильний вплив, щоб довести її потенціал до порогового значення »
Як можна гіперполярізовать, тобто загальмувати клітку? Згадавши знову, «що зовні, що всередині», легко зрозуміти, що для цього треба або посилювати проникність мембран для іонів калію, які будуть виносити назовні позитивний заряд, або збільшувати проникність мембрани для іонів хлору, яких багато в зовнішній середовищі. Переміщення негативних іонів хлору всередину клітини дасть той же ефект, що і переміщення позитивних іонів калію назовні.
У нервовій системі зустрічаються гальмівні синапси, що використовують і калій, і хлор. Як правило, при цьому використовуються особливі гальмівні медіатори, які управляють воротами відповідних каналів. Наприклад, у хребетних є два гальмівних медіатора - амінокислота гліцин і гаммааминомасляной кислота, які, в основному, відкривають хлорні канали мембрани. Цікаво, що гаммааминомасляной кислота є гальмівним медіатором не тільки у хребетних, але й у членистоногих.
Існують і інші способи гальмування. Наприклад, відомо, що блукаючий нерв гальмує діяльність серця. Блукаючий нерв виділяє ацетилхолін, точно такий же, як той, який збуджує скелетні м'язи, але серце він гальмує. Виявляється, у разі серця ацетилхолін діє не прямо на ворота каналів. Він сідає на особливі рецептори, активація яких змінює метаболізм серцевих клітин. У результаті ряду внутрішньоклітинних реакцій виникає особлива речовина, що й відкриває зсередини ворота калієвих каналів. Такі синапси називають «метаболічними».
Отже, ми бачили, що в ХС за допомогою різних медіаторів можуть відкриватися ті чи інші канали клітинної мембрани. Якщо при цьому виникає деполяризація - синапс збудливий, якщо виникає гіперполяризація - синапс гальмові.
Про величину синаптичних потенціалів
Ми з вами розглянули принципи роботи збуджуючих і гальмівних синапсів. Подивимося тепер, як можна оцінити кількісно дію хімічних синапсів.
З розповіді про потенціал спокою та потенціал дії ви знаєте, що для кожного іона існує свій рівноважний потенціал, при якому число іонів, які входять у клітину і виходять з клітини, стає однаковим. У спокої для іонів калію рівноважний потенціал дорівнює приблизно -80 мВ; при порушенні, коли в основному відкриваються натрієві канали, рівноважний потенціал для натрію дорівнює приблизно +40 мВ. У постсинаптичної мембрани теж є свій рівноважний потенціал. Його величина залежить від того, які іони пропускає ця мембрана. Наприклад, Постсинаптическая мембрана збудливого синапсу, канали якої в рівній мірі пропускають і калій, натрій, має рівноважний потенціал, що лежить рівно посередині між такими для калію і натрію: / 2 = -20 мВ. А у гальмівного синапсу, що пропускає іони хлору, рівноважний потенціал дорівнює приблизно -80 мВ.
Поки медіатор не подіяв на постсинаптичну мембрану, її канали закриті і струм через неї не тече. Під дією медіатора відкриваються канали для тих чи інших іонів і вони йтимуть через постсинаптичну мембрану тим ефективніше, чим далі відстоїть її потенціал від рівноважного. Можна сказати, що в області постсинаптичної мембрани включається джерело е.р.с. величиною, де У с - рівноважний потенціал постсинаптичної мембрани, а V - мембранний потенціал клітини в даний момент. Якщо мембранний потенціал дорівнює рівноважному для даного синапсу, то струм через синапс не піде.
Уявімо тепер еквівалентну електричну схему нейрона з чинним на нього синапсом. При виділенні медіатора буде текти синаптичний струм сила якого за законом Ома для всього ланцюга дорівнює
Тут. Добщ - опір усієї клітинної мембрани, а Л з - опір синапсу. Цей струм створює падіння напруги на опорі внесінаптіческоі мембрани:
Цей зсув потенціалу називають постсинаптическим потенціалом. Якщо синапс збудливий, зсув потенціалу називають збудливим постсинаптическим потенціалом, якщо ж синапс гальмові, то зсув потенціалу називають гальмівним постсинаптическим потенціалом
Давайте спробуємо оцінити величину ВПСП, створюваного одним синапсом на мотонейрони). Рівноважний потенціал цього синапсу лежить в області -20 мВ. Опір мембрани мотонейрона дорівнює приблизно 10 7 Ом. Опір середнього синапсу площею в 1 мкм 2 дорівнює приблизно 10 12 Ом. Звідси АУ -
мВ.
Ми бачимо, що один синапс створює вкрай малий зсув потенціалу, адже поріг збудження 10-15 мВ. Значить, щоб порушити мотонейрон, на нього повинне подіяти багато синапсів.
Наша формула годиться в тому випадку, якщо синаптичний струм має досить велику тривалість, тоді всі ємності встигають зарядитися і їх можна не враховувати. Для короткочасних синаптичних струмів треба враховувати і ємність мембрани.
Пристрої, подібні синапсах
Виявляється, що пристрої, подібні синапсах, як електричним, так і хімічним, грають важливу роль в життєдіяльності самих різних тканин і органів.
Наприклад, клітини серця у самих різних тварин зв'язані каналами з того ж білка коннектіна, який утворює канали в ЕС. У результаті електричний сигнал поширюється по серцевому м'язі від клітини до клітини за рахунок тих же місцевих струмів,
що і з гігантського «аксону» хробака »Пов'язані коннексонамі між собою і клітини гладких м'язів різних внутрішніх органів.
Це ще не саме дивне: все це збудливі тканини, в яких повинен поширюватися електричний сигнал. Але ось вже зовсім дивним було відкриття в середині 60-х років американським біологом Левенштейна і співробітниками Лабораторії молекулярної біології ім. О.М. Бєлозерського МДУ того, що і невозбудимой клітини різних органів теж пов'язані високопроніцаемие контактами. Фактично майже всі тканини організму представляють собою не скупчення поодиноких клітин, а єдиний колектив, в якому клітини можуть обмінюватися через канали високопроникних контактів різноманітними молекулами. Завдяки цьому в тканинах можлива своєрідна «клітинна взаємодопомога», Наприклад, якщо в якійсь клітці погано працюють насоси, її сусіди через канали високопроникних контактів «діляться» з нею своїм іонним запасом і підтримують її потенціал спокою.
При вивченні високопроникних контактів було з'ясовано, що коннексони є не стабільними трубками, а динамічними структурами: канали, утворені коннектіном, можуть відкриватися і закриватися під дією різних факторів. Зараз з'ясований молекулярний механізм такого закривання каналів. Коннексон складається з 6 субодиниць, які можуть рухатися відносно один одного, при цьому отвір може закриватися; цей пристрій дуже схоже на пристрій діафрагми фотоапарата з рухомими пелюстками.
Навіщо ж потрібно це властивість коннексонов? Розглянемо один приклад. В цитоплазмі клітин дуже мало вільного кальцію. По ряду причин більш високі концентрації кальцію ведуть до загибелі клітини, і тому у клітин є ряд захисних механізмів: надлишки кальцію викачуються назовні насосами, поглинаються мітохондріями і т.п. Уявімо собі тепер, що в системі клітин, пов'язаних високопроніцаемие контактами, якась із клітин серйозно пошкоджена. Захисні механізми не можуть впоратися з надлишком кальцію, що надходить з зовнішнього середовища, і клітина гине. Але коли кальцій підходить всередині цієї клітини до області клітинного контакту, коннексони закриваються і сусідні клітини від'єднуються від пошкодженої. Така конструкція схожа на систему водонепроникних перегородок у військових кораблях: якщо в одному відсіку виникла пробоїна, перегородки автоматично закриваються і корабель не тоне. У клітинних системах такий пристрій теж забезпечує їх високу живучість. Якщо припустити, що все серце представляло б собою систему клітин, прямо пов'язаних своєї цитоплазмою, тоді пошкодження могло б поширюватися від клітини до клітини. Один відомий учений сказав: «Клітини серця працюють разом, а вмирають поодинці». Тепер ми знаємо, що це можливо саме завдяки властивостям коннексонов.
Але динамічність коннексонов важлива не тільки для створення живучості. Виявилося, що високопроніцаемие контакти можна знайти вже на самих ранніх стадіях розвитку зародків різних тварин; вони з'єднують між собою клітини, що виникають вже при перших Дроблення яйця, а в ході подальшого розвитку то з'являються, то зникають. Клітини то впливають один на одного якимись речовинами, то ділянки зародка ізолюються одна від одної, і тоді в цих ділянках розвивається однорідна тканина з однакових клітин; потім такі ділянки знову з'єднуються контактами з сусідами, і вся ця складна гра контактів важлива для регуляції нормального розвитку.
Все, що ми дізналися про високопроникних контактах, мимоволі наводить на думку, що передача сигналів в електричних синапсах - це вторинна «професія» структури, яка, як і іонні насоси, грає більш загальну і фундаментальну роль у розвитку організмів і функціонуванні їх тканин.
Аналогічна ситуація є і з хімічними синапсами. Принцип їх роботи використовується в організмах не тільки для передачі інформації, але і в інших цілях. Виявляється, різноманітні секреторні клітини використовують іони Са + + для регуляції викиду секрету подібно до того, як в хімічному синапсі цей процес використовується для викиду медіатора. Крім того, клітини багатьох залоз є електрично збудливими.
Розглянемо для прикладу роботу клітин підшлункової залози, що виробляють інсулін, що регулює вміст цукру в крові.
Виявляється, на поверхні цих клітин є спеціальні рецептори, що реагують на глюкозу. Якщо концентрація глюкози в крові вище норми, то під дією цих рецепторів клітини деполярізуется і в них виникають потенціали дії. Ці потенціали дії мають кальцієву природу, вони виникають за рахунок відкриття Са-каналів. При цьому іони Са + + входять всередину клітини, що призводить до викиду в кров інсуліну, точно так само, як у випадку нервових закінчень призводить до викиду медіатора. Роль кальцію у викиді різних речовин, зокрема гормонів, показана і для багатьох інших залоз.
Нервова клітина - клітина
Цими словами ми хочемо підкреслити, що особливі, виняткові властивості нейрона - модифікація властивостей, властивих і іншим клітинам організму, У ході природного відбору молекулярні машини і різні клітинні пристрої набувають у різних клітках дещо різні функції, при цьому самі пристрої можуть або дещо змінюватися, або використовуватися в тому ж вигляді, але для іншої мети. Раніше ми вже говорили, що іонні насоси і потенціали спокою є у всіх клітин організму, а в нервових і м'язових клітинах використовуються для передачі сигналів.
Розповідь про синапсах дає нам особливо багато прикладів того, як єдність перетворюється в різноманіття. Ми бачили, що коннексони існують у самих різних клітин організму, в тому числі і невозбудимой. Вони використовуються і при регуляції ембріонального розвитку, і для передачі молекул від клітини до клітини, а в збудливих тканинах цей міжклітинний канал був використаний еволюцією для передачі електричного струму, для створення електричних синапсів.
Різноманітні клітини організму виділяють у навколишнє середовище різні речовини; перш за все, це клітини залоз. Існують спеціальні клітинні пристосування для викиду секретується речовин: ці речовини упаковані в мембранні контейнери, а їх викид регулюється іонами Са + +, які входять в клітину через спеціальні кальцієві канали. В результаті природного відбору цей механізм використовується нервовими клітинами в конструкції хімічних синапсів: у контейнерах міститься медіатор, а далі викид його організований так само, як викид гормонів і інших речовин. З цієї точки зору нервові клітини з хімічними синапсами - це один з варіантів секреторних клітин, а медіатор - це їх секрет, який тільки не просто викидається в кров, а надходить до абсолютно певним споживачам через синаптичну щілину.
З іншого боку, ми бачили, що робота клітин підшлункової залози схожа на роботу нервових клітин. Вони теж мають потенціал дії, але цей потенціал дії служить для того, щоб відкрити кальцієві канали і впустити всередину іони Са + +. Та й у багатьох м'язових клітин основна роль потенціалу дії полягає в тому, щоб відкрити ворота кальцієвих каналів для іонів Са + +, запускають процес скорочення. Ми ще раз бачимо близьку схожість механізмів, використовуваних різними клітинами організму в різних цілях: для передачі сигналу в ЕС, для викиду секрету в клітинах залоз, для скорочення в клітинах м'язів. Зрештою, це зовсім не дивно, адже всі вони - нащадки однієї і тієї ж клітини і мають ідентичний геном.
Більшість клітин організму мають на своїй поверхні спеціальні білки-рецептори, щоб реагувати на дію гормонів, на вміст у крові різних речовин і т.д. Клітини імунної системи використовують такі рецептори, щоб відрізнити свої білки від чужорідних, клітини дихальної системи - щоб реагувати на концентрацію вуглекислоти і т.д. Нервові клітини використовують рецептори постсинаптичної мембрани для того, щоб у відповідь на медіатор відкрити дорогу тим чи іншим іонів і змінити мембранний потенціал. Зараз відкрито багато метаболічних синапсів, де ефект синапсу здійснюється білками-рецепторами через зміну внутрішньоклітинних хімічних реакцій, що ще більше ріднить їх з іншими типами клітинних рецепторів.
Часто кажуть, що розвиток науки приводить до все більшої ізоляції різних її напрямів, так що справжній фахівець - це людина, яка знає все ні про що або про щось нескінченно малому. Як ми бачимо, в біології можна знайти прямо протилежний приклад. Чим глибше ми дізнаємося механізми роботи клітин і організмів, тим ясніше нам стає видно прояв єдиних загальних принципів роботи, які еволюція дотепно пристосовує для досягнення різноманітних цілей.
У 1950 р. англійські вчені Фетт і Катц, вивчаючи роботу нервово-м'язового синапсу жаби, виявили, що без будь-якого дії на нерв в м'язі в області постсинаптичної мембрани самі по собі через випадкові проміжки часу виникають невеликі коливання потенціалу, амплітудою приблизно в 0,5 мВ, які вони назвали «мініатюрні потенціали». Коли Фетт і Катц подіяли на синапс отрутою, про який було відомо, що він блокує виділення ацетилхоліну з терминалей, мініатюрні потенціали зникли.
Виходило, що в хімічному синапсі медіатор виділяється і в спокої, але зрідка і невеликими певними порціями.
До того часу електронна мікроскопія вже досить багато знала про пристрій синапсів. Зокрема, було відомо, що в пресинаптичних закінченнях є якісь бульбашки діаметром приблизно 500 нм. Іноді вдавалося побачити, що мембрана цих бульбашок зливається з мембраною терміналі. Катц висунув гіпотезу, що мініатюрні потенціали виникають тоді, коли такий пляшечку злипається з пресинаптичної мембраною, розривається і викидає в сінаптіче-ську щілину свій запас ацетилхоліну. Частково цю гіпотезу вдалося перевірити цитологом: вони зуміли виділити везикули і показати, що в них дійсно міститься «цетілхолін.
Отже, в спокої, коли мотонейрон не порушено, в синапсі існує невеликий електричний шум: за рахунок випадкового викиду ацетилхоліну виникають мініатюрні потенціали; середня частота їх - приблизно один на секунду. Але амплітуда цих одиночних потенціалів занадто мала, і тому м'язове волокно не збуджується. Коли ж до термінали мотонейрона підходить ПД, то відбувається масове спорожнення везикул: за 0,1 мс лопаються приблизно 100 бульбашок. І всі вони викидають свій ацетилхолін у синаптичну щілину. У результаті в м'язовому волокні виникає деполяризація в 30 - 50 мВ, що набагато вище порогового значення.
Природно було подивитися, як впливає зміна МП термінали на частоту мініатюрних потенціалів, тобто на частоту викиду ацетилхоліну. Виявилося, що при деполяризації термінали частота виділення везикул зростає експоненціально. Це пояснює, чому під дією нервового імпульсу виділяється так багато ацетилхоліну.
Але рішення одного питання, як завжди, породжує нові: чому деполяризація призводить до того, що везикули починають частіше «прилипати» до мембрани?
Цілим рядом експериментів було з'ясовано, що «винуватцем» зростання частоти виділення медіатора є іони кальцію. Виявилося, що в пресинаптичної терміналі є потенціалзалежні кальцієві канали, які відкриваються при деполяризації термінали, і кальцій входить до терміналь.
Цей процес був дуже красиво показаний Ллінасом та ін в 1972 р. на великому синапсі кальмара, де є можливість вводити різні речовини в терміналь. Є така речовина - екворін. При зіткненні з іонами кальцію він дає світлову спалах. Ллінас і його співробітники ввели 'екворін в пресинаптичну терміналь. Коли до синапсу приходив нервовий імпульс, пресинаптичне закінчення спалахувало, показуючи, що всередину нього увійшли іони кальцію. Але вчені не обмежилися цієї красивої ілюстрацією вже відомих на той час фактів і поставили новий досвід, який дав важливий результат. Вони ввели через мікроелектрод всередину закінчення іони кальцію, і тут же без всякої деполяризації почалося виділення медіатора.
Отже, виявляється, що причиною виділення медіатора є не деполяризація сама по собі, а те, що деполяризація відкриває дорогу кальцію всередину терміналі. І якщо прибрати з зовнішнього середовища кальцій, то як показали експерименти, хімічний синапс не спрацює ні при якій деполяризації і навіть мініатюрні потенціали зникнуть.
Але є ще одне дуже важливе питання "чому після попадання кальцію всередину термінали медіатор виділяється тільки дуже короткий час, а потім його виділення припиняється? Кальцієві канали термінали відкриваються лише на дуже короткий час, але за цей час концентрація кальцію в терміналі підвищується в тисячі разів. Куди ж дівається цей кальцій? Виявляється, він швидко викачується назовні кальцієвим насосом і поглинається мітохондріями, які завжди присутні в синаптичних закінченнях.
Після цих робіт був з'ясований механізм дії деяких отрут. Наприклад, з отрути павука каракурта був виділений білок - латротоксину, який по суті являє собою не закриваються кальцієві канали. Він вбудовується в пресинаптичну мембрану і починає пропускати в терміналь кальцій. У результаті запаси ацетилхоліну в терміналі повністю виснажуються і нервова система не може викликати скорочення м'язів.
Але що ж робить кальцій, потрапивши всередину термінали? На це питання поки немає однозначної відповіді. Можливо, кальцій просто екранує негативні заряди мембрани везикул і мембрани термінали, що дозволяє їм злитися, можливо, кальцій викликає скорочення «внутрішньоклітинних м'язів», які підтягують пляшечку до мембрани, а може бути, механізм дії кальцію виявиться зовсім іншою і несподіваним.
Робота постсинаптичної мембрани
Що ж робить ацетилхолін з постсинаптической мембраною, до якої він дифундує? У спокої питомий опір постсинаптичної мембрани дорівнює приблизно 3 ТОВ Ом-см 2, але при дії ацетилхоліну воно знижується до 1 Ом-см 2. Це відразу наводить на думку, що ацетилхолін відкриває якісь канали в постсинаптической мембрані. І це припущення вірне.
У постсинаптической мембрані знаходяться канали, «ворота» яких управляються не МП, а ацетилхоліном, І канал, і ворота є частинами особливої складно влаштованої білкової молекули. Кінець такої молекули, що стирчить з мембрани назовні, «впізнає» молекули ацетилхоліну. Якщо з ним зв'язуються дві молекули - ацетилхоліну, то відкривається канал, через який можуть проходити іони К + і Ка +. Іншими словами, в мембрані відкривається «електрична дірка» з усіма витікаючими наслідками, а саме деполяризацією мембрани. Таким чином, Постсинаптическая мембрана перетворює хімічний сигнал знову в електричний сигнал - деполяризацію мембрани.
Виникає природне запитання: чому ця деполяризація зникає? Адже дія хімічного синапсу зазвичай короткочасно. Значить, ацетилхолін, що відкриває канали в постсинаптической мембрані, кудись дівається. Виявляється, медіатор зв'язується з холінорецепторів дуже неміцно: відкривши ворота каналу, він відривається і знову йде в синаптичну щілину. А в щілини є особливий фермент, який його руйнує. Так що медіатор - речовина дуже «скромне»: зробивши свою справу, він тут же йде. Саме це його властивість забезпечує короткочасність дії хімічного синапсу.
Є й інші речовини, які теж можуть зв'язуватися з холінорецепторів, але роблять це краще, ніж ацетилхолін. Наприклад, рослинний отрута кураре, якою індіанці змащували свої стріли, потрапивши в організм, міцно зв'язується з холінорецепторами м'язи і займає «посадки», призначені для ацетилхоліну. У результаті ацетилхолін не може відкрити ворота каналів і будь-які рухи стають неможливими. На цьому ж грунтується і дію деяких зміїних отрут; так, зокрема, діють отрути змій сімейства Аспідовие. Цікаво, що і в рослин, і у змій в ході еволюції вироблялися отрути з подібним механізмом дії. Речовини, подібні з кураре, релаксанти, зараз використовуються в медицині під час операцій: вони розслаблюють м'язи.
Зараз відомо досить багато деталей про пристрій і роботу «молекулярної машини» - холінорецепторів. Холінорецептор складається з п'яти субодиниць - ділянок. Вивчення амінокислотних послідовностей цих одиниць показало, що всі вони сталися в результаті модифікації одного і того ж гена. З'єднуючись між собою, ці субодиниці утворюють в центрі канал. Цей канал має приблизно квадратний перетин зі стороною квадрата 0,65 нм. Він не розрізняє іонів К + і Ка +, але не пропускає аніони. Ворота каналу відкриваються на випадкові проміжки часу. Провідність такого каналу дорівнює приблизно 3-Ю »11 С. Довжина холінорецептори в 5-6 разів перевищує товщину мембрани, так що білок сильно стирчить з неї назовні і всередину клітини. Ацетилхолін, викинутий одним бульбашкою, відкриває близько 2 ТОВ каналів,
Які синапси краще - електричні або хімічні?
З нашої розповіді ви зрозуміли, що електричні синапси влаштовані просто, хімічні - нескладно, тим більше, що ми до цих пір розібрали тільки один з багатьох видів ХС - нервово-м'язовий. Як же здійснюється розподіл праці між цими двома видами синапсів? Зазвичай в організмі вони використовуються в таких нервових ланцюгах, де їх властивості виявляються найбільш корисними.
Наприклад, відмітною особливістю ЕС є швидкодія. Природно, що ЕС знаходяться в тих ланцюгах, які обслуговують термінові реакції організму: відсмикування тіла, отпригіваніе, втікання.
Наприклад, у дощових черв'яків уздовж всього тіла проходять гігантські «аксони». Як бачите, вони не такі гігантські, як у кальмара, та й влаштовані вони інакше. Насправді це не аксон, тобто НЕ відросток однієї клітини. Цей «аксон» складається з безлічі циліндричних шматочків. У кожному сегменті тіла є нервова клітина, яка відрощує такий шматочок, потім торцеві мембрани цих циліндрів з'єднуються коннексонамі, так що виходить кабель з перегородками, просякнутими каналами коннексонов. У результаті імпульс біжить з цього складеного аксону як за звичайним товстому нервового волокна. Ці волокна викликають швидке скорочення тіла хробака, забезпечуючи реакції отдергивания від подразника або швидкого втягування в нірку. При хімічних синапсах ця реакція займала б декілька десятих доль секунди: адже затримка між сегментами в ХС холоднокровне становить кілька мілісекунд, а сегментів може бути кілька десятків і навіть сотня; затримка на Е що відкидає раку тому, подалі від небезпеки. ЕС містяться в системах порятунку втечею у деяких медуз, молюсків, риб та інших тварин.
Друга характерна особливість ЕС полягає в тому, що вони пропускають сигнал в обидві сторони - вони симетричні). Це може сприяти синхронізації, тобто, одночасності збудження нейронів * пов'язаних ЕС. Такі синхронізуючі системи досить поширені в живій природі. У найпростішому випадку вони складаються всього з двох клітин; зв'язок цих клітин через ЕС призводить до того, що при порушенні одного з нейронів практично одночасно виникає імпульс і в другому. Наприклад, у електричного сома така система з двох нейронів забезпечує одночасність розряду електричних органів обох сторін тіла. В іншої риби, яка вміє, скорочуючи плавальний міхур, видавати звуки, схожі на квакання всі клітини, керуючі м'язами плавального міхура, пов'язані ЕС, що дозволяє збуджуватися практично одночасно.
Електричні синапси досить «модні» у безхребетних і нижчих хребетних. У вищих хребетних більшість синапсів - хімічні. Використання в організмах ХС пов'язано з їхньою характерною особливістю - перетворенням електричного сигналу в хімічний і назад. У них однакові електричні імпульси можуть викликати виділення самих різних речовин-медіаторів; наприклад, у кільчастих хробаків у нервово-м'язових синапсах використовується той же ацетилхолін, що і у хребетних, а у членистоногих, які відбулися в ході еволюції від кільчастих хробаків * використовується в таких синапсах зовсім інший медіатор - глутамат. З іншого боку, в ХС один і той же медіатор, діючи на різні клітини-мішені, може відкривати зовсім різні канали. Наприклад, ацетилхолін в одних випадках відкриває чисто калієві або суто натрієві канали в інших - канали, проникні і калій, натрій, в третіх - канали, що пропускають тільки хлор, і т.д. Тому ХС може виконувати більш складні функції, ніж ЕС. Так, одне з найважливіших явищ у нейрофізіології - явище гальмування - практично завжди здійснюється ХС),.
Хімічний синапс і гальмування
Відомо, що людина вольовим зусиллям може зупинити безумовний рефлекс. Існує, наприклад, захисний рефлекс отдергивания руки, коли рука торкається гарячого предмету, чогось гострого і т.д. Проте відомий приклад римського героя Сцеволи, який поклав руку на палаючу жаровню і не відсмикнув її, подолавши біль. Кожен з нас загальмовує рефлекс отдергивания, коли беруть кров на аналіз. У менш явній формі гальмування проявляється майже в усякому поведінковому акті, в тому числі і в мимовільних рухах, гальмування бере участь і в регуляції роботи внутрішніх органів.
Що ж таке гальмування? У чому його причина? З цього приводу в літературі до цих пір можна зустріти самі фантастичні твердження. Навіть у шкільному підручнику фізіології йдеться, що гальмування в даному місці нервової системи викликається тим, що сильно збуджується сусідню ділянку. Так що ж таке гальмування насправді?
Перш за все підкреслимо, що під гальмуванням розуміється активний процес, а не просто відсутність порушення. Загальмованою називають клітку, в якій якийсь механізм протидіє збудженню. Згадавши, що таке порушення, легко зрозуміти, що це за механізм. Ми знаємо, що нервова клітина або волокно порушуються тоді, коли деполярізуется їх мембрана. Значить, протилежний зсув мембранного потенціалу і буде гальмуванням: таку клітину буде важче порушити, оскільки буде потрібно більш сильний вплив, щоб довести її потенціал до порогового значення »
Як можна гіперполярізовать, тобто загальмувати клітку? Згадавши знову, «що зовні, що всередині», легко зрозуміти, що для цього треба або посилювати проникність мембран для іонів калію, які будуть виносити назовні позитивний заряд, або збільшувати проникність мембрани для іонів хлору, яких багато в зовнішній середовищі. Переміщення негативних іонів хлору всередину клітини дасть той же ефект, що і переміщення позитивних іонів калію назовні.
У нервовій системі зустрічаються гальмівні синапси, що використовують і калій, і хлор. Як правило, при цьому використовуються особливі гальмівні медіатори, які управляють воротами відповідних каналів. Наприклад, у хребетних є два гальмівних медіатора - амінокислота гліцин і гаммааминомасляной кислота, які, в основному, відкривають хлорні канали мембрани. Цікаво, що гаммааминомасляной кислота є гальмівним медіатором не тільки у хребетних, але й у членистоногих.
Існують і інші способи гальмування. Наприклад, відомо, що блукаючий нерв гальмує діяльність серця. Блукаючий нерв виділяє ацетилхолін, точно такий же, як той, який збуджує скелетні м'язи, але серце він гальмує. Виявляється, у разі серця ацетилхолін діє не прямо на ворота каналів. Він сідає на особливі рецептори, активація яких змінює метаболізм серцевих клітин. У результаті ряду внутрішньоклітинних реакцій виникає особлива речовина, що й відкриває зсередини ворота калієвих каналів. Такі синапси називають «метаболічними».
Отже, ми бачили, що в ХС за допомогою різних медіаторів можуть відкриватися ті чи інші канали клітинної мембрани. Якщо при цьому виникає деполяризація - синапс збудливий, якщо виникає гіперполяризація - синапс гальмові.
Про величину синаптичних потенціалів
Ми з вами розглянули принципи роботи збуджуючих і гальмівних синапсів. Подивимося тепер, як можна оцінити кількісно дію хімічних синапсів.
З розповіді про потенціал спокою та потенціал дії ви знаєте, що для кожного іона існує свій рівноважний потенціал, при якому число іонів, які входять у клітину і виходять з клітини, стає однаковим. У спокої для іонів калію рівноважний потенціал дорівнює приблизно -80 мВ; при порушенні, коли в основному відкриваються натрієві канали, рівноважний потенціал для натрію дорівнює приблизно +40 мВ. У постсинаптичної мембрани теж є свій рівноважний потенціал. Його величина залежить від того, які іони пропускає ця мембрана. Наприклад, Постсинаптическая мембрана збудливого синапсу, канали якої в рівній мірі пропускають і калій, натрій, має рівноважний потенціал, що лежить рівно посередині між такими для калію і натрію: / 2 = -20 мВ. А у гальмівного синапсу, що пропускає іони хлору, рівноважний потенціал дорівнює приблизно -80 мВ.
Поки медіатор не подіяв на постсинаптичну мембрану, її канали закриті і струм через неї не тече. Під дією медіатора відкриваються канали для тих чи інших іонів і вони йтимуть через постсинаптичну мембрану тим ефективніше, чим далі відстоїть її потенціал від рівноважного. Можна сказати, що в області постсинаптичної мембрани включається джерело е.р.с. величиною, де У с - рівноважний потенціал постсинаптичної мембрани, а V - мембранний потенціал клітини в даний момент. Якщо мембранний потенціал дорівнює рівноважному для даного синапсу, то струм через синапс не піде.
Уявімо тепер еквівалентну електричну схему нейрона з чинним на нього синапсом. При виділенні медіатора буде текти синаптичний струм сила якого за законом Ома для всього ланцюга дорівнює
Тут. Добщ - опір усієї клітинної мембрани, а Л з - опір синапсу. Цей струм створює падіння напруги на опорі внесінаптіческоі мембрани:
Цей зсув потенціалу називають постсинаптическим потенціалом. Якщо синапс збудливий, зсув потенціалу називають збудливим постсинаптическим потенціалом, якщо ж синапс гальмові, то зсув потенціалу називають гальмівним постсинаптическим потенціалом
Давайте спробуємо оцінити величину ВПСП, створюваного одним синапсом на мотонейрони). Рівноважний потенціал цього синапсу лежить в області -20 мВ. Опір мембрани мотонейрона дорівнює приблизно 10 7 Ом. Опір середнього синапсу площею в 1 мкм 2 дорівнює приблизно 10 12 Ом. Звідси АУ -
Ми бачимо, що один синапс створює вкрай малий зсув потенціалу, адже поріг збудження 10-15 мВ. Значить, щоб порушити мотонейрон, на нього повинне подіяти багато синапсів.
Наша формула годиться в тому випадку, якщо синаптичний струм має досить велику тривалість, тоді всі ємності встигають зарядитися і їх можна не враховувати. Для короткочасних синаптичних струмів треба враховувати і ємність мембрани.
Пристрої, подібні синапсах
Виявляється, що пристрої, подібні синапсах, як електричним, так і хімічним, грають важливу роль в життєдіяльності самих різних тканин і органів.
Наприклад, клітини серця у самих різних тварин зв'язані каналами з того ж білка коннектіна, який утворює канали в ЕС. У результаті електричний сигнал поширюється по серцевому м'язі від клітини до клітини за рахунок тих же місцевих струмів,
що і з гігантського «аксону» хробака »Пов'язані коннексонамі між собою і клітини гладких м'язів різних внутрішніх органів.
Це ще не саме дивне: все це збудливі тканини, в яких повинен поширюватися електричний сигнал. Але ось вже зовсім дивним було відкриття в середині 60-х років американським біологом Левенштейна і співробітниками Лабораторії молекулярної біології ім. О.М. Бєлозерського МДУ того, що і невозбудимой клітини різних органів теж пов'язані високопроніцаемие контактами. Фактично майже всі тканини організму представляють собою не скупчення поодиноких клітин, а єдиний колектив, в якому клітини можуть обмінюватися через канали високопроникних контактів різноманітними молекулами. Завдяки цьому в тканинах можлива своєрідна «клітинна взаємодопомога», Наприклад, якщо в якійсь клітці погано працюють насоси, її сусіди через канали високопроникних контактів «діляться» з нею своїм іонним запасом і підтримують її потенціал спокою.
При вивченні високопроникних контактів було з'ясовано, що коннексони є не стабільними трубками, а динамічними структурами: канали, утворені коннектіном, можуть відкриватися і закриватися під дією різних факторів. Зараз з'ясований молекулярний механізм такого закривання каналів. Коннексон складається з 6 субодиниць, які можуть рухатися відносно один одного, при цьому отвір може закриватися; цей пристрій дуже схоже на пристрій діафрагми фотоапарата з рухомими пелюстками.
Навіщо ж потрібно це властивість коннексонов? Розглянемо один приклад. В цитоплазмі клітин дуже мало вільного кальцію. По ряду причин більш високі концентрації кальцію ведуть до загибелі клітини, і тому у клітин є ряд захисних механізмів: надлишки кальцію викачуються назовні насосами, поглинаються мітохондріями і т.п. Уявімо собі тепер, що в системі клітин, пов'язаних високопроніцаемие контактами, якась із клітин серйозно пошкоджена. Захисні механізми не можуть впоратися з надлишком кальцію, що надходить з зовнішнього середовища, і клітина гине. Але коли кальцій підходить всередині цієї клітини до області клітинного контакту, коннексони закриваються і сусідні клітини від'єднуються від пошкодженої. Така конструкція схожа на систему водонепроникних перегородок у військових кораблях: якщо в одному відсіку виникла пробоїна, перегородки автоматично закриваються і корабель не тоне. У клітинних системах такий пристрій теж забезпечує їх високу живучість. Якщо припустити, що все серце представляло б собою систему клітин, прямо пов'язаних своєї цитоплазмою, тоді пошкодження могло б поширюватися від клітини до клітини. Один відомий учений сказав: «Клітини серця працюють разом, а вмирають поодинці». Тепер ми знаємо, що це можливо саме завдяки властивостям коннексонов.
Але динамічність коннексонов важлива не тільки для створення живучості. Виявилося, що високопроніцаемие контакти можна знайти вже на самих ранніх стадіях розвитку зародків різних тварин; вони з'єднують між собою клітини, що виникають вже при перших Дроблення яйця, а в ході подальшого розвитку то з'являються, то зникають. Клітини то впливають один на одного якимись речовинами, то ділянки зародка ізолюються одна від одної, і тоді в цих ділянках розвивається однорідна тканина з однакових клітин; потім такі ділянки знову з'єднуються контактами з сусідами, і вся ця складна гра контактів важлива для регуляції нормального розвитку.
Все, що ми дізналися про високопроникних контактах, мимоволі наводить на думку, що передача сигналів в електричних синапсах - це вторинна «професія» структури, яка, як і іонні насоси, грає більш загальну і фундаментальну роль у розвитку організмів і функціонуванні їх тканин.
Аналогічна ситуація є і з хімічними синапсами. Принцип їх роботи використовується в організмах не тільки для передачі інформації, але і в інших цілях. Виявляється, різноманітні секреторні клітини використовують іони Са + + для регуляції викиду секрету подібно до того, як в хімічному синапсі цей процес використовується для викиду медіатора. Крім того, клітини багатьох залоз є електрично збудливими.
Розглянемо для прикладу роботу клітин підшлункової залози, що виробляють інсулін, що регулює вміст цукру в крові.
Виявляється, на поверхні цих клітин є спеціальні рецептори, що реагують на глюкозу. Якщо концентрація глюкози в крові вище норми, то під дією цих рецепторів клітини деполярізуется і в них виникають потенціали дії. Ці потенціали дії мають кальцієву природу, вони виникають за рахунок відкриття Са-каналів. При цьому іони Са + + входять всередину клітини, що призводить до викиду в кров інсуліну, точно так само, як у випадку нервових закінчень призводить до викиду медіатора. Роль кальцію у викиді різних речовин, зокрема гормонів, показана і для багатьох інших залоз.
Нервова клітина - клітина
Цими словами ми хочемо підкреслити, що особливі, виняткові властивості нейрона - модифікація властивостей, властивих і іншим клітинам організму, У ході природного відбору молекулярні машини і різні клітинні пристрої набувають у різних клітках дещо різні функції, при цьому самі пристрої можуть або дещо змінюватися, або використовуватися в тому ж вигляді, але для іншої мети. Раніше ми вже говорили, що іонні насоси і потенціали спокою є у всіх клітин організму, а в нервових і м'язових клітинах використовуються для передачі сигналів.
Розповідь про синапсах дає нам особливо багато прикладів того, як єдність перетворюється в різноманіття. Ми бачили, що коннексони існують у самих різних клітин організму, в тому числі і невозбудимой. Вони використовуються і при регуляції ембріонального розвитку, і для передачі молекул від клітини до клітини, а в збудливих тканинах цей міжклітинний канал був використаний еволюцією для передачі електричного струму, для створення електричних синапсів.
Різноманітні клітини організму виділяють у навколишнє середовище різні речовини; перш за все, це клітини залоз. Існують спеціальні клітинні пристосування для викиду секретується речовин: ці речовини упаковані в мембранні контейнери, а їх викид регулюється іонами Са + +, які входять в клітину через спеціальні кальцієві канали. В результаті природного відбору цей механізм використовується нервовими клітинами в конструкції хімічних синапсів: у контейнерах міститься медіатор, а далі викид його організований так само, як викид гормонів і інших речовин. З цієї точки зору нервові клітини з хімічними синапсами - це один з варіантів секреторних клітин, а медіатор - це їх секрет, який тільки не просто викидається в кров, а надходить до абсолютно певним споживачам через синаптичну щілину.
З іншого боку, ми бачили, що робота клітин підшлункової залози схожа на роботу нервових клітин. Вони теж мають потенціал дії, але цей потенціал дії служить для того, щоб відкрити кальцієві канали і впустити всередину іони Са + +. Та й у багатьох м'язових клітин основна роль потенціалу дії полягає в тому, щоб відкрити ворота кальцієвих каналів для іонів Са + +, запускають процес скорочення. Ми ще раз бачимо близьку схожість механізмів, використовуваних різними клітинами організму в різних цілях: для передачі сигналу в ЕС, для викиду секрету в клітинах залоз, для скорочення в клітинах м'язів. Зрештою, це зовсім не дивно, адже всі вони - нащадки однієї і тієї ж клітини і мають ідентичний геном.
Більшість клітин організму мають на своїй поверхні спеціальні білки-рецептори, щоб реагувати на дію гормонів, на вміст у крові різних речовин і т.д. Клітини імунної системи використовують такі рецептори, щоб відрізнити свої білки від чужорідних, клітини дихальної системи - щоб реагувати на концентрацію вуглекислоти і т.д. Нервові клітини використовують рецептори постсинаптичної мембрани для того, щоб у відповідь на медіатор відкрити дорогу тим чи іншим іонів і змінити мембранний потенціал. Зараз відкрито багато метаболічних синапсів, де ефект синапсу здійснюється білками-рецепторами через зміну внутрішньоклітинних хімічних реакцій, що ще більше ріднить їх з іншими типами клітинних рецепторів.
Часто кажуть, що розвиток науки приводить до все більшої ізоляції різних її напрямів, так що справжній фахівець - це людина, яка знає все ні про що або про щось нескінченно малому. Як ми бачимо, в біології можна знайти прямо протилежний приклад. Чим глибше ми дізнаємося механізми роботи клітин і організмів, тим ясніше нам стає видно прояв єдиних загальних принципів роботи, які еволюція дотепно пристосовує для досягнення різноманітних цілей.