1.7. Нервно-мышечная передача возбуждения

 

Специализированная структура, обеспечивающая передачу возбуждения с нервного волокна на иннервируемую им клетку (мышечную, нервную или железистую), называется синапсом.  

Передача возбуждения с нерва на мышцу происходит в результате выделения нервным окончанием химического соединения – медиатора, играющего роль посредника передачи возбуждения. Впервые идея участия химических агентов в передаче нервного импульса была высказана А.Ф. Самойловым в 1924 году. Позднее, в 1936 году, Дейл показал, что при раздражении двигательного нерва в его окончаниях в скелетных мышцах происходит выделение ацетилхолина (АХ).  

С помощью электронно-микроскопических исследований удалось изучить морфологические и функциональные особенности центральных и периферических синапсов. Структурными элементами нервно-мышечного синапса являются:

а) пресинаптическая мембрана;

б) синаптическая щель шириной порядка 50 нм, отделяющая пресинаптическую мембрану нервной клетки от мембраны постсинаптической клетки;

в) постсинаптическая мембрана, на которой локализованы рецепторы, чувствительные к соответствующему медиатору (рис. 1.16).

А Б

Рис. 1.16. А. Строение нервно-мышечного синапса: а - малое увеличение; б - большое увеличение; 1 - разветвления нервного волокна; 2 - аксон мотонейрона; 3 - пресинаптическое окончание нервного волокна; 4 - везикулы с медиатором; 5 - митохондрии; 6 - постсинаптическая мембрана. Б. Этапы I–IV работы нервно-мышечного синапса: 1 - везикулы с ацетилхолином; 2 - поперечная трубочка, углубляющаяся в цитоплазму мышечной клетки; 3 - канал ЭПС; 4 - ионы Са²⁺; 5 - двигательные белки мышечной клетки; 6 - никотиновый рецептор; 7 - пресинаптическое окончание

 

Пресинаптической мембраной называют часть мембраны пресинаптического окончания, ограничивающую синаптическую щель. Пресинаптическое окончание аксона представляет собой нейросекреторный аппарат. Здесь находятся синаптические пузырьки (везикулы) диаметром до 200 нм, заполненные медиатором – ацетилхолином. Пресинаптическая мембрана содержит много кальциевых каналов. На каждой поперечнополосатой мышечной клетке имеется только один нервно-мышечный синапс, образованный мотонейроном ЦНС.

Относительная доступность нервно-мышечного синапса и удобство для его изучения позволили Нобелевскому лауреату Катцу в 50-е годы провести микроэлектрофизиологические исследования, которые вместе с данными электронной микроскопии составили основу квантовой теории синаптической передачи, справедливой для самых разных синапсов.

Согласно этой теории, процесс освобождения нейромедиатора складывается из отдельных элементарных реакций, каждая из которых представляет собой выход кванта медиатора. Квант – это пакет молекул медиатора в единичном пузырьке нервного окончания. Один квант ацетилхолина содержит 2 000 молекул.

Кванты медиатора освобождаются спонтанно и с низкой скоростью даже когда к пресинаптическому окончанию не поступают нервные импульсы. Ответом постсинаптической мембраны на отдельные кванты являются миниатюрные постсинаптические потенциалы (МПКП). Депо АХ в нервно-мышечном синапсе оценивается цифрой 2·10⁵ квантов.

Освобождение индивидуальных квантов представляет собой статистический процесс. Деполяризация пресинаптической мембраны при достижении терминали аксона нервного импульса ведет к практически синхронному освобождению большого количества квантов медиатора (до нескольких сотен). Выброс квантов медиатора при деполяризации пресинаптической мембраны связан с открыванием потенциал-зависимых кальциевых каналов и входом ионов Са⁺⁺ в соответствии с их электрохимическим градиентом в пресинаптическое окончание. В пресинаптическом окончании ионы Са⁺⁺ воздействуют на белковый комплекс мембраны везикул. Этот комплекс включает белки, ответственные за фиксацию пузырька в цитоплазме и за его контакт с пресинаптической мембраной. Под действием Са⁺⁺ везикула приходит в движение и, достигнув пресинаптической мембраны, освобождается от медиатора. Таким образом ионы Са⁺⁺ участвуют в процессе электросекреторного сопряжения. Весь этот процесс протекает очень быстро – в течение 1–5 мс, а примерно через 10 мс происходит восстановление везикул. Молекулярные насосы, находящиеся на мембранах каналов эндоплазматической сети и митохондрий, переносят ионы Ca⁺⁺ внутрь этих органоидов и прекращают его действие на везикулы.

Отравление Са⁺⁺ насоса ведет к гиперактивности синапса и истощению запасов медиатора. Аналогичное действие оказывают токсины, блокирующие потенциал-зависимые Са⁺⁺-каналы в открытом положении.

Токсин ботулиновой бактерии, вызывающий тяжелые пищевые отравления, блокирует белки, отвечающие за контакт везикулы с пресинаптической мембраной. В результате действия ботулотоксина прекращается передача нервного импульса, развиваются параличи.

Молекулы медиатора, поступившие в синаптическую щель, диффундируют к постсинаптической мембране и вступают во взаимодействие с холинорецепторами (ХР). Холинорецептор содержит не только активный центр для связывания медиатора, но и ионный канал, открывающийся под действием молекул медиатора. В результате происходит перемещение Na⁺ и К⁺ согласно электрохимическому градиенту. Преобладающий ток Na⁺ в клетку приводит к поляризации постсинаптической мембраны. Это деполяризация называется потенциалом концевой пластинки (ПКП), который при достижении пороговой амплитуды (не менее чем на 30 мВ) генерирует ПД в мышечном волокне (рис. 1.17).

 

Рис. 1.17. Потенциал концевой пластинки (ПКП)

 

В области нервно-мышечного синапса присутствует фермент холинэстераза, способный быстро расщеплять ацетилхолин и таким образом прекращать его действие на рецептор.

Существует ряд веществ, обладающих высоким сродством к холинорецептору. К числу таких веществ относятся кураре, Д-тубокурарин, диплацин, флакседил. К фармакологическим агентам, способным угнетать активность холинэстеразы, относятся эзерин, простигмин, галантамин.

Быстрое снижение количества освобождающегося в ответ на каждый импульс медиатора вплоть до некоторого постоянного уровня называют депрессией, которая показывает, что запас медиатора, способного к освобождению, ограничен и пополнение происходит медленнее, чем расход. Быстрая депрессия потенциалов концевой пластинки отражает расход небольшой части депо АХ так называемой фракции доступного медиатора, которая составляет примерно 10³ квантов для нервно-мышечного синапса лягушки. Неквантовая утечка молекул медиатора создает концентрацию АХ = 10^–8–10^–7 Моль и играет трофическую роль.