A kémiai szinapszis egy speciális típusú intercelluláris érintkezés egy neuron és egy célsejt között. Az ilyen típusú szinapszisokban a közvetítő (közvetítő) szerepét egy kémiai anyag tölti be.
Három fő részből áll: egy preszinaptikus membránnal rendelkező idegvégződésből , a célsejt posztszinaptikus membránjából és a köztük lévő szinaptikus résből .
Az állatvilág idegrendszerében található szinapszisok túlnyomó többsége kémiai szinapszis. Számos közös vonás jellemzi őket, bár ennek ellenére a pre- és posztszinaptikus komponensek mérete és alakja nagyon eltérő. Az emlős agykéreg szinapszisainak preterminális axonjai körülbelül 100 nanométer vastagok, preszinaptikus rügyei pedig körülbelül 1 mikrométer átlagos átmérőjűek.
A kémiai szinapszis két részből áll: preszinaptikus , amelyet az átvivő sejt axonjának végének klub alakú meghosszabbítása képez, és posztszinaptikus , amelyet a fogadó sejt plazmamembránjának érintkezési területe képvisel . Mindkét rész között szinaptikus rés van - egy 10-50 nm széles rés a posztszinaptikus és a preszinaptikus membránok között, amelynek szélei intercelluláris érintkezésekkel vannak megerősítve.
A rúd alakú nyúlvány axolemmájának a szinaptikus hasadékkal szomszédos részét preszinaptikus membránnak nevezzük . Az észlelő sejt citolemmájának azt a szakaszát, amely a szinaptikus hasadékot az ellenkező oldalon korlátozza, posztszinaptikus membránnak nevezik , a kémiai szinapszisokban dombornyomott, és számos receptort tartalmaz .
A szinaptikus expanzióban kis vezikulák , úgynevezett preszinaptikus vagy szinaptikus vezikulák találhatók, amelyek vagy közvetítőt (a gerjesztés átvitelének közvetítője) vagy egy enzimet tartalmaznak , amely ezt a közvetítőt elpusztítja. A posztszinaptikus, és gyakran a preszinaptikus membránokon receptorok találhatók egyik vagy másik mediátor számára.
Az összes vizsgált szinapszisban azonos méretű preszinaptikus vezikulák (40-50 nanométer) először bizonyítéknak tekintették, hogy minden vezikula az a minimális klaszter, amelynek felszabadulása szükséges a szinaptikus jel előállításához. A vezikulák a preszinaptikus membránnal szemben helyezkednek el, ami funkcionális céljukból adódik, hogy a mediátort a szinaptikus hasadékba engedjék. Szintén a preszinaptikus vezikula közelében nagyszámú mitokondrium ( adenozin-trifoszfátot termel ) és fehérjerostok rendezett szerkezete található.
A szinaptikus hasadék egy 20-30 nanométer széles tér a preszinaptikus membrán és a posztszinaptikus membrán között, amely proteoglikánból épült pre- és posztszinapszis kötőszerkezeteket tartalmaz . A szinaptikus hasadék szélessége minden esetben abból adódik, hogy a preszinapszisból kivont mediátornak olyan idő alatt kell átjutnia a posztszinapszisba, amely lényegesen rövidebb, mint a szinapszist alkotó idegsejtekre jellemző idegi jelek gyakorisága (az idő, A mediátornak a preszinaptikus membránból a posztszinaptikus membránba való átjutása több mikroszekundum nagyságrendű).
A posztszinaptikus membrán az idegimpulzusokat fogadó sejthez tartozik. A mediátor kémiai jelének ezen a sejten elektromos akciós potenciállá történő transzlációjának mechanizmusa a receptorok - a posztszinaptikus membránba ágyazott fehérje makromolekulák.
Speciális ultramikroszkópos technikák segítségével az elmúlt években meglehetősen nagy mennyiségű információhoz jutottak a szinapszisok részletes szerkezetéről.
Így a preszinaptikus membránon 10 nanométer átmérőjű, befelé nyomott kráterszerű mélyedések rendezett szerkezetét fedezték fel. Eleinte szinaptopórusoknak hívták ezeket a struktúrákat, ma már vezikula-tapadási helyeknek (VSP-k) nevezik. Az edények hat különálló mélyedésből álló rendezett csoportokba vannak elrendezve az úgynevezett tömörített kiemelkedések körül. Így a tömörített kiemelkedések szabályos háromszög alakú struktúrákat alkotnak a preszinaptikus membrán belső oldalán, az SSV pedig hatszögletű , és ezek azok a helyek, ahol a vezikulumok kinyílnak, és a neurotranszmittert a szinaptikus hasadékba kilökik.
Az elektromos impulzus megérkezése a preszinaptikus membránhoz beindítja a szinaptikus transzmisszió folyamatát, melynek első szakasza a Ca 2+ -ionok bejutása a preszinapszisba a membránon keresztül a szinaptikus hasadék közelében elhelyezkedő speciális kalciumcsatornákon keresztül. A Ca 2+ -ionok teljesen ismeretlen mechanizmussal aktiválják a kapcsolódási helyükön feltorlódott vezikulákat, és a neurotranszmittert a szinaptikus hasadékba engedik. A neuronba bejutott Ca 2+ -ionok , miután a vezikulákat a mediátorral aktiválták, a mitokondriumokban és a preszinapszis vezikulákban történő lerakódás következtében néhány mikroszekundum nagyságrendű idő alatt deaktiválódnak .
A preszinapszisból felszabaduló mediátor molekulák a posztszinaptikus membrán receptoraihoz kötődnek, aminek következtében a receptor makromolekuláiban ioncsatornák nyílnak meg (a csatornareceptorok esetében ez a leggyakoribb típus; más típusú receptorok működése esetén a más a jelátviteli mechanizmus). Azok az ionok, amelyek a posztszinaptikus sejtbe nyitott csatornákon keresztül kezdenek bejutni, megváltoztatják a membrán töltését, ami ennek a membránnak a részleges polarizációja (gátló szinapszis esetén) vagy depolarizációja (serkentő szinapszis esetén), és mint pl. Ennek eredményeként a posztszinaptikus sejt akciós potenciálja gátolja vagy provokálja a generálást.
A preszinapszisból a neurotranszmitterek felszabadulásának mechanizmusának magyarázataként egészen a közelmúltig népszerű volt a kvantum-vezikuláris exocitózis (QVE) hipotézis, amely azt feltételezi, hogy a mediátor "csomagja" vagy kvantum egy vezikulumban található, és az exocitózis során szabadul fel. ebben az esetben a hólyagos membrán összeolvad a sejtes preszinaptikus membránnal). Ez az elmélet régóta uralkodó hipotézis – annak ellenére, hogy nincs összefüggés a neurotranszmitterek felszabadulása (vagy posztszinaptikus potenciálok) szintje és a preszinapszisban lévő vezikulák száma között [1] . Emellett a CBE hipotézisnek más jelentős hiányosságai is vannak.
A mediátor pontosan kvantált felszabadulásának fiziológiai alapja minden vezikulumban ugyanannyi mediátor kell legyen. A TBE hipotézis klasszikus formájában nem alkalmas arra, hogy leírja az egyetlen exocitózis aktus során felszabaduló különböző méretű kvantumok (vagy eltérő mennyiségű mediátor) hatását. Ebben az esetben figyelembe kell venni, hogy ugyanabban a preszinaptikus rügyben különböző méretű hólyagok figyelhetők meg; emellett nem találtak összefüggést a vezikula mérete és a benne lévő mediátor mennyisége között (vagyis a hólyagokban lévő koncentrációja is eltérő lehet). Ezenkívül egy denervált neuromuszkuláris szinapszisban a Schwann-sejtek több miniatűr posztszinaptikus potenciált generálnak, mint a denerváció előtti szinapszisban, annak ellenére, hogy ezekben a sejtekben a preszinaptikus gomb régiójában lokalizált preszinaptikus vezikulák teljes mértékben hiányoznak [2] .
Jelentős kísérleti bizonyítékok állnak rendelkezésre arra vonatkozóan, hogy a neurotranszmitter a hexagonális MPV-csoportok (lásd fent) és a hozzájuk kapcsolódó vezikulák szinkron aktiválódása miatt szekretálódik a szinaptikus hasadékba [ 3] , ami a porocitózis hipotézisének megfogalmazásának alapja lett . Ez a hipotézis azon a megfigyelésen alapul, hogy az MPV-hez kapcsolódó vezikulumok akciós potenciált kapva szinkron módon összehúzódnak, és ugyanakkor minden alkalommal ugyanannyi mediátort választanak ki a szinaptikus hasadékba, és csak a tartalom egy részét szabadítják fel. mind a hat hólyag. Maga a porocitózis kifejezés a görög poro (amely pórusokat jelent) és cytosis (amely a kémiai anyagoknak a sejt plazmamembránján keresztül történő szállítását írja le) szavakból származik.
A monoszinaptikus intercelluláris junkciók működésére vonatkozó kísérleti adatok többsége izolált neuromuszkuláris juncciók vizsgálatából származik. Az interneuronális szinapszisokhoz hasonlóan az MPV neuromuszkuláris szinapszisaiban is rendezett hexagonális struktúrák jönnek létre [4] . Ezen hatszögletű struktúrák mindegyike „szinaptomerként” definiálható – vagyis olyan szerkezetként, amely a neurotranszmitterek szekréciójának folyamatában az elemi egység. A szinaptomer a tényleges pórusmélyedéseken kívül fehérje fonalas szerkezeteket is tartalmaz, amelyek lineárisan rendezett vezikulákat tartalmaznak; hasonló struktúrák létezését a központi idegrendszerben (CNS) lévő szinapszisok esetében is bizonyították.
Mint fentebb említettük, a porocita mechanizmus létrehoz egy neurotranszmitter kvantumot , de anélkül, hogy az egyedi vezikula membránja teljesen összeolvadna a preszinaptikus membránnal. A posztszinaptikus potenciálok értékeinek kis eltérési együtthatója (kevesebb, mint 3%) azt jelzi, hogy egyetlen szinapszisban legfeljebb 200 szinaptomer található [5] , amelyek mindegyike egy-egy transzmitter kvantumot választ ki egy cselekvésre válaszul. potenciál [6] . Egy kis izomroston található 200 felszabadulási hely (azaz neurotranszmittert kibocsátó szinaptomer) lehetővé teszi a szinaptikus csomópont hosszának mikrométerenkénti egy felszabadulási hely maximális kvantumhatárának kiszámítását [7] , ez a megfigyelés kizárja a szinaptikus csomópont létezésének lehetőségét. neurotranszmitter kvantumok, amelyek egy vezikula térfogatában biztosítják az idegi jel továbbítását.
A közelmúltban elfogadott TBE-hipotézis összehasonlítása a porocitózis hipotézisével elvégezhető úgy, hogy az elméleti variációs együtthatót összehasonlítjuk a preszinapszisból minden egyes neurotranszmitter-felszabadulás hatására létrejövő posztszinaptikus elektromos potenciálok amplitúdóira számított kísérleti variációs együtthatóval. Feltételezve, hogy az exocitózis folyamata egy kis szinapszisban játszódik le, amely körülbelül 5000 vezikulát tartalmaz (50 szinapszis hosszának minden mikronjára), a posztszinaptikus potenciálokat 50 véletlenszerűen kiválasztott vezikulával kell létrehozni, ami 14%-os elméleti variációs együtthatót ad. Ez az érték körülbelül 5-ször nagyobb, mint a kísérletekben kapott posztszinaptikus potenciálok variációs együtthatója, így kijelenthető, hogy a szinapszisban az exocitózis folyamata nem véletlenszerű (nem esik egybe a Poisson-eloszlással ) - ami lehetetlen, ha a TBE hipotézissel magyarázható, de összhangban van a porocitózis hipotézissel. A helyzet az, hogy a porocitózis hipotézise azt feltételezi, hogy a preszinaptikus membránhoz kapcsolódó összes vezikula egyszerre löki ki a mediátort; ugyanakkor az egyes akciós potenciálokra válaszul a szinaptikus hasadékba kilökődő mediátor állandó mennyisége (a fenntarthatóságot a posztszinaptikus válaszok alacsony variációs együtthatója bizonyítja) jól magyarázható a mediátor kis térfogatának felszabadulásával. nagyszámú hólyag - ráadásul minél több hólyag vesz részt a folyamatban, annál kisebb lesz a korrelációs , bár ez a matematikai statisztika szempontjából kissé paradoxnak tűnik.
Ugyanakkor a szinapszisban nem mindig csak egy mediátor termelődik. Általában a fő közvetítőt egy másikkal együtt dobják ki, amely modulátor szerepet játszik.
Ha az előbbi hozzájárul a gerjesztés kialakulásához a posztszinaptikus sejtben, akkor az utóbbi éppen ellenkezőleg, megállítja vagy megakadályozza annak előfordulását. Általában gátolják a glicinerg (mediátor - glicin) és a GABAerg szinapszisok (közvetítő - gamma-amino-vajsav).
Egyes szinapszisok posztszinaptikus denzifikációval rendelkeznek, amely egy fehérjékből álló elektronsűrű zóna. Jelenléte vagy hiánya szerint megkülönböztetünk aszimmetrikus és szimmetrikus szinapszisokat. Ismeretes, hogy minden glutamáterg szinapszis aszimmetrikus, míg a GABAerg szinapszisok szimmetrikusak.
Azokban az esetekben, amikor több szinaptikus nyúlvány érintkezik a posztszinaptikus membránnal, több szinapszis képződik.
A tüskés apparátusok, amelyekben a dendrit posztszinaptikus membránjának rövid, egyszeres vagy többszörös kiemelkedései érintkeznek a szinaptikus expanzióval, a szinapszisok speciális formái. A tüskés apparátus jelentősen megnöveli a szinaptikus kontaktusok számát az idegsejteken, és ennek következtében a feldolgozott információ mennyiségét. A "nem tüskés" szinapszisokat "ülő"-nek nevezik. Például minden GABAerg szinapszis ülő.