WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ ВЕЗИКУЛЯРНАЯ ГИПОТЕЗА ОСВОБОЖДЕНИЯ МЕДИАТОРА В СИНАПСЕ А. Л. ЗЕФИРОВ Казанский государственный медицинский университет Одной из основных задач нейробиологии является выяснение механизмов, лежащих в основе передачи VESICLE HYPOTHESIS информации с одной нервной клетки на другую. В наOF THE TRANSMITTER RELEASE стоящее время всеобщее признание получила везикуIN SYNAPSE лярная гипотеза освобождения медиатора, по которой передача информации от одной возбудимой клетки к A. L. ZEFIROV другой происходит за счет химического агента – медиатора, который концентрируется в синаптических везиHistory of formation and modern status of кулах и выделяется из них посредством экзоцитоза.

vesicle hypothesis of transmitter release in synДля исследования роли везикул (секреторных граapse is outlined. Data concerning molecular нул) в процессе межклеточной сигнализации проводят исследования на самых разнообразных объектах: межmechanisms of formation, filling, emptying нейрональных синапсах центральной нервной систеand recycling of vesicles at the nerve ending мы позвоночных и безпозвоночных животных, нервare presented.

но-мышечных синапсах, электрическом органе ската (модифицированная нервно-мышечная система), мозРассмотрены история формирования и соговом слое надпочечников, нейронах гипоталамуса и временное состояние везикулярной гипо- гипофиза. Оказалось, что освобождение медиаторов, гормонов и других биологически активных веществ тезы освобождения медиатора в синапсе.

осуществляется из везикул по схожим механизмам.

Представлены данные по молекулярным Очевидно, что везикулярное освобождение биологичемеханизмам образования, заполнения, опусски активных веществ (медиаторов, пептидов, гормотошения и рециклизации везикул в нервном нов) является универсальным механизмом межклеточокончании. ных взаимодействий в организме животных и человека.

Исключением является выделение из клеток стероидных и тироидных гормонов, а также простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов, которые способны проходить через липидный бислой клеточной мембраны.

Рассмотрим роль везикул в функционировании синаптических образований.

Синапс. Термин “синапс” впервые введен выдающимся английским физиологом Чарлзом Шерингтоном в 1897 году после пионерских морфологических работ Рамон и Кахала, в которых впервые были получены свидетельства о том, что нервная система состоит из изолированным нервных клеток – нейронов. Слово “синапс” переводится с греческого как соединение, связь. В www.issep.rssi.ru настоящее время под синапсом понимают специфическое место контакта (межклеточного мембранного СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №9, Зефиров А.Л., © БИОЛОГ ИЯ соединения) одной возбудимой клетки с другой, в котором происходит процесс передачи информации путем изменения потенциала мембраны. Основным в нервной системе является химический синапс, названный так потому, что в этом виде соединений в процессе передачи информации участвует медиатор (синонимы – трансмиттер, передатчик, посредник). В таких синапсах одна клетка (пресинаптическая) обладает способностью синтезировать и выделять медиатор в окружающую среду (узкую щель между мембранами клеток – синаптическую щель), а другая (постсинаптическая) – АХТ Ca2+ воспринимать и отвечать на это вещество специфичесАХ кой реакцией в виде изменения своего мембранного Пр потенциала (поляризацией) и возникновением постсинаптического потенциала. В настоящее время в центХ Сщ ральной и периферической нервной системе обнаруА жено большое число медиаторов.

По АХЭ В самом общем виде комплекс сложнейших биохиNa+ мических и биофизических молекулярных процессов, происходящих в синапсе, представлен на рис. 1. Эта схема касается синапсов, в которых синаптическая передача осуществляется с помощью таких медиаторов, Рис. 1. Последовательность основных процессов как ацетилхолин, глютамат, гамма-аминомасляная киспри передаче возбуждения в холинергическом силота, глицин и биогенные амины (классические медианапсе (медиатор – ацетилхолин).

торы). В пептидергических синапсах непосредственной Пр – пресинаптическая мембрана, По – постсинаптическая мембрана, Сщ – синаптическая щель. Главпередачи возбуждения обычно не происходит, а секреные этапы отмечены цифрами 1–7. Возбуждение тируемые пептиды изменяют (модулируют) возбудинервного окончания сопровождается снижением мость нервных клеток, их чувствительность к классимембранного потенциала (1) и открытием потенцическим медиаторам, изменяют их метаболизм. алозависимых кальциевых каналов, что вызывает вход ионов кальция в нервное окончание (2). Увеличение внутриклеточной концентрации ионов кальКвантовая гипотеза освобождения медиатора. Для ция вызывает освобождение ацетилхолина (АХ) из того чтобы понять, как формировалась везикулярная синаптических везикул путем экзоцитоза в синаптигипотеза, необходимо остановиться на квантовой гическую щель (3) с последующей рециклизацией вепотезе освобождения медиатора в синапсе. В 1953 году зикул (показано красными стрелками). Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимоБернард Катц с сотрудниками, исследуя нервно-мыдействует с ацетилхолиновыми рецепторами постсишечный синапс лягушки (медиатор – ацетилхолин), с наптической мембраны (4), результатом чего являпомощью микроэлектродов зарегистрировали новый ется открытие каналов и поступление ионов Nа в класс постсинаптических потенциалов. Эти сигналы постсинаптическую клетку (5). В результате поступления положительно заряженных катионов мембвозникали случайно, в покое, имели очень маленькую ранный потенциал постсинаптической клетки сниамплитуду и были названы миниатюрными потенциажается. Под действием фермента ацетилхолинэстелами концевой пластинки (МПКП). Далее оказалось, разы (АХЭ) ацетилхолин в синаптической щели разрушается до ацетата (А) и холина (Х) (6), который что постсинаптические потенциалы, вызванные разпри помощи активного транспорта поступает обратдражением двигательного нерва (потенциалы концено в нервное окончание (7). В нервном окончании вой пластинки – ПКП), от раздражения к раздражеосуществляется синтез ацетилхолина из холина и нию варьируют по амплитуде, причем эти колебания ацетата (катализируется ферментом ацетилхолинтрансферазой (АХТ)) (8). Ацетилхолин поступает в кратны амплитуде МПКП. Было предположено, что синаптические везикулы (9) медиатор в синапсе освобождается в виде мультимолекулярных порций – квантов. В покое случайное освоние показало, что квант медиатора состоит из 1000– бождение из нервного окончания отдельных порций 10 000 молекул ацетилхолина. В дальнейшем квантовая вызывает появление на постсинаптической мембране гипотеза освобождения медиатора получила подтвержМПКП, а в ответ на раздражение происходит синхрондение на самых разнообразных объектах и в настоящее ное освобождение нескольких десятков или сот квантов и возникает ПКП. Электрофизиологическое определе- время считается общепризнанной.



ЗЕФИРОВ А.Л. ВЕЗИКУЛЯРНАЯ ГИПОТЕЗА ОСВОБОЖДЕНИЯ МЕДИАТОРА В СИНАПСЕ БИОЛОГ ИЯ Везикулярная гипотеза. Использование метода элек- ном окончании концентрируется в синаптических ветронной микроскопии для изучения ультраструктуры зикулах, 2) везикулярный медиатор освобождается пусинапса позволило в 1954 году Де Робертсу и Беннету тем слияния мембраны везикулы с пресинаптической выявить в цитоплазме двигательного нервного окон- мембраной (экзоцитоз).

чания большое количество синаптических везикул диТипы везикул. Как показали электронно-микроскоаметром около 50 нм (рис. 2). Поскольку везикулы пические исследования, самые разнообразные нервимели одинаковые размеры и концентрировались у ные окончания имеют два типа секреторных везикул:

пресинаптической мембраны, было предположено, что синаптические везикулы (мелкие везикулы) и секреквант медиатора находится в синаптической везикуле, торные гранулы (так называемые крупные или элека освобождение медиатора происходит путем выделетронно-плотные везикулы) (рис. 2). Мелкие синаптиния содержимого везикулы в синаптическую щель пуческие везикулы однородны по размерам и имеют тем экзоцитоза. Так была сформулирована везикулярмалый диаметр (около 50 нм). Эти везикулы содержат ная гипотеза освобождения медиатора в синапсе. В классические медиаторы. Крупные, электронно-плотдальнейшем синаптические везикулы были обнаруженые везикулы имеют большой диаметр (около 100 нм), ны во всех химических синапсах нервной системы.

они неоднородны по размерам и содержат электронноплотные гранулы, представляющие собой крупномолеК основным постулатам везикулярной гипотезы кулярные медиаторы – пептиды и белки (см. рис. 2).

необходимо отнести следующие: 1) медиатор в нервРасположение везикул в синапсе. Первые электронно-микроскопические исследования показали, что существуют две группы мелких синаптических везикул в А Аксон нервном окончании. Первая группа везикул находится мотонейрона в непосредственной близости от пресинаптической Мышечное волокно мембраны у электронно-плотных образований. МноНервное окончание гочисленные ультраструктурные, биохимические и электрофизиологические данные показали, что именно в б этих местах происходит освобождение медиатора. Поа Нервное окончание этому электронно-плотные участки пресинаптической Швановская мембраны с фиксированными у них синаптическими клетка Б везикулами получили название активных зон. Вторая группа везикул располагается на некотором удалении Митохондрии Крупные электронноот активной зоны (см. рис. 2). Было предположено, что плотные везикулы Рис. 2. Ультраструктура химического синапса (схеСинаптические везикулы матическое изображение):

Активные А – холинергический нервно-мышечный синапс лязоны гушки, образованный аксоном мотонейрона спинПр Мышечное ного мозга и скелетным мышечным волокном;

волокно Сщ Б – поперечный срез синапса в проекции а, показанПо ной на А. При электронной микроскопии в нервном окончании видны мелкие синаптические везикулы, концентрирующиеся у электронно-плотных участков пресинаптической мембраны – активных зон.

Крупные, электронно-плотные везикулы, заполненВ ные медиатором пептидной природы, располагаютСинаптические везикулы ся вне активных зон;

В – два листка пресинаптической мембраны, полученные при использовании метода замораживание– скалывание (участок скола обозначен буквой б на А).

Экзоцитоз Пресинаптическая мембрана расслоена на два лиАктивная зона стка: 1 – внутренний листок, вид со стороны нервПресинаптическая мембрана ного окончания; 2 – наружный листок, вид изнутри пресинаптической мембраны. Видна активная зона (утолщение пресинаптической мембраны), расположенные в два двойных параллельных ряда крупПротуберанцы и кратеры ные внутримембранные частицы (кальциевые канаКрупные лы) и две цепочки синаптических везикул, готовых к внутримембранные экзоцитозу частицы СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №9, БИОЛОГ ИЯ везикулы первой группы содержат запас медиатора, го- ном нервном окончании лягушки может быть нескольтового к освобождению, везикулы второй – мобилиза- ко сот активных зон, расположенных на расстоянии ционный запас, который пополняет первый в случае 1 мкм друг от друга. Крупные везикулы, содержащие его расходования при активности синапса. Дальнейшая медиаторы пептидной природы, располагаются вне акдетализация топографии везикул в нервном окончании тивных зон (см. рис. 2).





была проведена при помощи метода замораживания – Формирование везикул. Синаптические везикулы скалывания (см. рис. 2). Этот метод заключается в том, образуются в теле нервной клетки из эндоплазматичечто замороженный кусочек ткани раскалывают острым ского ретикулума и цистерн аппарата Гольджи, а затем ножом, а поверхность скола рассматривают под электранспортируются по аксону в нервные окончания. По тронным микроскопом. Поскольку замороженная ткань всей видимости, принципиальной разницы в формираскалывается по мембранам, то можно получить деровании различных типов везикул, заполненных разтальную ультраструктурную реконструкцию пре- и личными медиаторами, не наблюдается. Различия капостсинаптических отделов синапса. Оказалось, что в саются только заполнения и механизмов опустошения области активной зоны в пресинаптической мембране везикул (рис. 3).

концентрируются крупные внутримембранные частицы, около которых располагаются синаптические вези- Заполнение везикул. Как показали биохимические кулы. Многочисленные данные указывают на то, что исследования, медиатор в мелких синаптических веэти частицы являются кальциевыми каналами, кото- зикулах находится в очень высокой концентрации – рые обеспечивают временное увеличение концентра- 100 ммоль/л. Это достигается наличием в мембране веции ионов кальция в области синаптических везикул зикулы специальных активных транспортных систем.

при возбуждении, ведущее к освобождению медиатора. В мембране везикулы имеется протонный насос, котоТопография активных зон, внутримембранных частиц рый, используя энергию АТФ, создает разность потени везикул в различных синаптических образованиях циалов на мембране везикулы (содержимое везикулы неодинакова и сильно варьирует от симметричного и заряжено положительно по сравнению с цитоплазмой упорядоченного расположения до хаотичного. Наибо- нервного окончания). Везикулы содержат также хлорлее красивой и изящной в этом отношении является ные каналы. Электрохимический градиент, формиактивная зона нервно-мышечного синапса лягушки, в руемый протонным насосом, обеспечивает активный которой крупные внутримембранные частицы распо- транспорт медиатора, который синтезируется в цитолагаются в виде двух двойных параллельных рядов, плазме нервного окончания, в везикулу (см. рис. 3). В идущих поперек нервного окончания, по краям которых настоящее время выделены несколько классов таких располагаются синаптические везикулы (см. рис. 2). транспортных молекул, специфичных для биогенных При синаптической активности в этих местах появля- аминов, ацетилхолина, глютамата, ГАМК и глицина.

ются кратеры и протуберанцы, свидетельствующие об Наряду с медиатором в везикулах находятся АТФ, иоэкзоцитозе синаптических везикул. Всего в двигатель- ны, ферменты и другие компоненты.

аб Классические медиаторы Эндоплазматический Пептиды ретикулум Рис. 3. Формирование, заполнение и опустошение везикул. ОбразоваКомплекс ние мелких (а) и крупных (б) синаптиГольджи ческих везикул осуществляется в комплексе Гольджи тела нервной клетки, затем они транспортируются Везикулы Тело в нервное окончание. Мелкие везинервной кулы заполняются классическим меТранспорт везикул клетки диатором в нервном окончании, а Медиатор Эндосома Окончание крупные – пептидами в теле нервной клетки, в процессе образования веАТФ Н+ зикул. Везикулы выделяют медиатор АДФ + Ф в синаптическую щель посредством экзоцитоза. Затем мелкие везикулы Рециклизация посредством рециклизации могут повторно заполняться медиатором и Пресинаптическая мембрана Экзоцитоз участвовать в экзоцитозе. ПоследЭкзоцитоз няя способность у крупных везикул Синаптическая Медиатор Пептиды щель отсутствует ЗЕФИРОВ А.Л. ВЕЗИКУЛЯРНАЯ ГИПОТЕЗА ОСВОБОЖДЕНИЯ МЕДИАТОРА В СИНАПСЕ БИОЛОГ ИЯ Что касается крупных, электронно-плотных вези- На рис. 4 представлены три принципиальных мехакул, то их заполнение белковыми компонентами начи- низма освобождения медиатора с участием синаптиченается уже в процессе образования везикул из эндо- ской везикулы, посредством которых содержимое везикулы может выделиться в синаптическую щель в плазматического ретикулума. Синтез нейроактивных области активной зоны. Все три механизма зависимы пептидов происходит подобно синтезу пептидных горот ионов кальция, так как непосредственной причиной монов. Первоначально крупные аминокислотные повыделения кванта медиатора является увеличение внутследовательности (пептидные цепи) образуются на риклеточной концентрации ионов кальция в месте осрибосомах, подобно прегормонам, и помещаются в энвобождения медиатора за счет открытия кальциевых доплазматический ретикулум. В цистернах аппарата каналов при деполяризации пресинаптической мембГольджи начинается протеолитический процесс раздераны потенциалом действия.

ления крупных полипептидов на фрагменты с образования активных пептидов, которые включаются в отпоч- Первый механизм представляет собой типичный экзоцитоз. Он сопровождается полным слиянием везиковывающиеся везикулы (см. рис. 3). Причем разные кулы и встраиванием ее мембраны в пресинаптичеснейроактивные пептидные фрагменты могут оказаться кую. В этом случае все содержимое везикулы оказывав различных везикулах, которые транспортируются в ется в синаптической щели (медиатор, АТФ, ионы, нервные окончания нейрона. Во многих нейронах мебелки и ферменты), а бывшая внутренняя поверхность диаторы и нейропептиды синтезируются и упаковывамембраны везикулы обращена в сторону синаптичесются в одни и те же везикулы, следовательно, из их кой щели.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.