Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема типичного синапса центральной нервной системы . Сферы, расположенные в верхнем нейроне, содержат нейротрансмиттеры, которые сливаются с пресинаптической мембраной и высвобождают нейротрансмиттеры в синаптическую щель . Эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами, расположенными на постсинаптической мембране нижнего нейрона, и, в случае возбуждающего синапса, могут приводить к деполяризации постсинаптической клетки.

Возбуждающий синапс является синапсом , в котором потенциал действия в пресинаптических нейронах увеличивает вероятность потенциала действия , происходящий в постсинаптической клетке. Нейроны образуют сети, через которые проходят нервные импульсы, каждый нейрон часто устанавливает многочисленные связи с другими клетками. Эти электрические сигналы могут быть возбуждающими или тормозящими, и, если общее количество возбуждающих влияний превышает тормозное, нейрон будет генерировать новый потенциал действия на своем аксонном холмике , передавая информацию еще одной клетке. [1]

Это явление известно как возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). Это может происходить посредством прямого контакта между клетками (то есть через щелевые соединения ), как в электрическом синапсе , но чаще всего происходит через везикулярное высвобождение нейротрансмиттеров из конца пресинаптического аксона в синаптическую щель , как в химическом синапсе . [2]

Возбуждающие нейротрансмиттеры, наиболее распространенным из которых является глутамат , затем мигрируют путем диффузии к дендритному отростку постсинаптического нейрона и связываются со специфическим трансмембранным рецепторным белком, который запускает деполяризацию этой клетки. [1] Деполяризация, отклонение мембранного потенциала покоя нейрона от его порогового потенциала , увеличивает вероятность потенциала действия и обычно происходит с притоком положительно заряженных ионов натрия (Na + ) в постсинаптическую клетку через ионные каналы. активируется связыванием нейротрансмиттера.

Химические синапсы против электрических [ править ]

Анимация, показывающая функцию химического синапса.
В человеческом мозгу присутствуют два разных типа синапсов: химические и электрические. Химические синапсы являются наиболее распространенными и являются основным игроком, участвующим в возбуждающих синапсах. Электрические синапсы, меньшинство, обеспечивают прямой, пассивный поток электрического тока через специальные межклеточные соединения, называемые щелевыми соединениями. [3] Эти щелевые соединения позволяют практически мгновенно передавать электрические сигналы посредством прямого пассивного потока ионов между нейронами (передача может быть двунаправленной). Основная цель электрических синапсов - синхронизировать электрическую активность между популяциями нейронов. [3] Первый электрический синапс был обнаружен в нервной системе раков . [3]
Химическая синаптическая передача - это передача нейромедиаторов или нейропептидов от пресинаптического аксона к постсинаптическому дендриту. [3] В отличие от электрического синапса, химические синапсы разделены пространством, называемым синаптической щелью , обычно размером от 15 до 25 нм. Передача возбуждающего сигнала включает несколько этапов, описанных ниже.

Синаптическая передача [ править ]

  1. В нейронах, которые участвуют в химической синаптической передаче, нейротрансмиттеры синтезируются либо в теле нейрональной клетки, либо в пресинаптическом окончании, в зависимости от типа синтезируемого нейромедиатора и расположения ферментов, участвующих в его синтезе. Эти нейротрансмиттеры хранятся в синаптических пузырьках, которые остаются связанными около мембраны белками, на которые влияет кальций .
  2. Чтобы запустить процесс химической синаптической передачи, восходящая активность заставляет потенциал действия вторгаться в пресинаптический терминал.
  3. Этот деполяризующий ток достигает пресинаптического терминала, и вызываемая им деполяризация мембраны инициирует открытие потенциалзависимых кальциевых каналов, присутствующих на пресинаптической мембране.
  4. В синаптической щели между двумя участвующими нейронами (пресинаптическим и постсинаптическим) наблюдается высокая концентрация кальция . Эта разница в концентрации кальция между синаптической щелью и внутренней частью пресинаптического терминала создает сильный градиент концентрации, который направляет кальций в пресинаптический терминал при открытии этих потенциалзависимых кальциевых каналов. Этот приток кальция в пресинаптический терминал необходим для высвобождения нейромедиатора.
  5. Попадая в пресинаптический терминал, кальций связывает белок, называемый синаптотагмин , который расположен на мембране синаптических пузырьков. Этот белок взаимодействует с другими белками, называемыми SNARE , чтобы вызвать слияние везикул с пресинаптической мембраной. В результате этого слияния везикул нейротрансмиттеры, которые были упакованы в синаптическую везикулу, высвобождаются в синапс, где они диффундируют через синаптическую щель.
  6. Эти нейротрансмиттеры связываются с множеством рецепторов на постсинаптической клеточной мембране. В ответ на связывание нейротрансмиттера эти постсинаптические рецепторы могут претерпевать конформационные изменения, которые могут открывать субъединицу трансмембранного канала прямо или косвенно через сигнальный путь G-белка. Избирательная проницаемость этих каналов позволяет некоторым ионам перемещаться по своим электрохимическим градиентам, индуцируя ток через постсинаптическую мембрану, который определяет возбуждающую или тормозную реакцию.

[3]

Ответы постсинаптического нейрона [ править ]

Когда нейротрансмиттеры достигают постсинаптического нейрона возбуждающего синапса, эти молекулы могут связываться с двумя возможными типами рецепторов, которые сгруппированы в богатой белком части постсинаптического цитоскелета, называемой постсинаптической плотностью (PSD). [2] Ионотропные рецепторы, которые также называют ионными каналами , управляемыми лигандами , содержат трансмембранный домен, который действует как ионный канал и может открываться непосредственно после связывания нейромедиатора. Метаботропные рецепторы , которые также называются рецепторами , связанными с G-белком , действуют на ионный канал посредством внутриклеточной передачи сигналов молекулы, называемой G-белком . У каждого из этих каналов есть свойреверсивный потенциал E rev , и каждый рецептор избирательно проницаем для определенных ионов, которые текут либо внутрь, либо из клетки, чтобы довести общий мембранный потенциал до этого реверсивного потенциала. [3] Если нейротрансмиттер связывается с рецептором с реверсивным потенциалом, превышающим пороговый потенциал постсинаптического нейрона, постсинаптическая клетка с большей вероятностью будет генерировать потенциал действия и возникнет возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). С другой стороны, если реверсивный потенциал рецептора, с которым связывается нейромедиатор, ниже порогового, возникает тормозной постсинаптический потенциал (IPSP). [4]
Хотя рецепторы в возбуждающем синапсе стремятся приблизить мембранный потенциал к их собственному специфическому E rev , вероятность того, что однократная стимуляция возбуждающего синапса повысит мембранный потенциал выше порогового значения и создаст потенциал действия, не очень высока. Следовательно, чтобы достичь порога и создать потенциал действия, постсинаптический нейрон имеет способность суммировать все входящие ВПСП на основе механизма суммирования., которое может происходить во времени и пространстве. Временное суммирование происходит, когда конкретный синапс стимулируется с высокой частотой, что заставляет постсинаптический нейрон суммировать входящие ВПСП и, таким образом, увеличивает вероятность того, что нейрон запускает потенциал действия. Подобным образом постсинаптический нейрон может суммировать EPSP из нескольких синапсов с другими нейронами в процессе, называемом пространственным суммированием. [3]

Типы возбуждающих нейромедиаторов [ править ]

Ацетилхолин [ править ]

Ацетилхолин (ACh) представляет собой возбуждающий низкомолекулярный нейромедиатор, участвующий в синаптической передаче в нервно-мышечных соединениях, контролирующих блуждающий нерв и волокна сердечной мышцы , а также в скелетной и висцеральной двигательной системах и в различных участках центральной нервной системы. [3] Этот нейромедиатор пересекает синаптическую щель и связывается с различными постсинаптическими рецепторами в зависимости от вида , но все эти рецепторы деполяризуют постсинаптическую мембрану и, таким образом, классифицируют ACh как возбуждающий нейромедиатор. [5]

Глутамат [ править ]

Глутамат представляет собой небольшой аминокислотный нейромедиатор и является основным возбуждающим нейромедиатором почти во всех синапсах центральной нервной системы. Эта молекула связывает множество постсинаптических рецепторов , включая рецептор NMDA , АМРУ рецептор и каинатные рецепторы . Все эти рецепторы представляют собой катионные каналы, которые пропускают положительно заряженные ионы, такие как Na + , K + , а иногда и Ca 2+, в постсинаптическую клетку, вызывая деполяризацию, которая возбуждает нейрон. [3]

Катехоламины [ править ]

В катехоламинах , которые включают эпинефрин , норэпинефрин и Дофамин , являются возбуждающими биогенными аминами нейромодуляторов , которые получены из аминокислоты тирозина и служат в качестве возбуждающих нейротрансмиттеров в разных местах в центральной нервной системе, а также периферической нервной системе . Адреналин и норадреналин, также называемые адреналином и норадреналином, соответственно, связывают ряд рецепторов, связанных с G-белком, которые вызывают их деполяризующие эффекты на постсинаптическую клетку различными способами, включая активацию и инактивацию определенных K + -каналов. Адреналин содержится влатеральная тегментальная система , мозговое вещество , гипоталамус и таламус центральной нервной системы, но их функция до конца не изучена. Норэпинефрин содержится в стволе головного мозга и участвует во сне и бодрствовании, поведении при приеме пищи и внимании. Дофамин связывается с рецепторами, связанными с G-белком, во многих областях мозга, особенно в полосатом теле, где он опосредует синаптическую передачу, которая лежит в основе координации движений тела. [3]

Серотонин [ править ]

Серотонин - возбуждающий нейротрансмиттер, который регулирует сон и бодрствование, и обнаружен в нейронах шва области моста и верхнего ствола головного мозга, которые простираются в передний мозг . Серотонин связывает ряд рецепторов, включая рецепторы 5-HT 3 , которые представляют собой ионные каналы, управляемые лигандами, которые позволяют катионам проходить с целью деполяризации мембранного потенциала постсинаптического нейрона, на котором они находятся. [3] Уровни активности серотонина ниже нормы были связаны с множеством симптомов, особенно с депрессией , поэтому многие антидепрессанты действуют, повышая активность серотонина. [6]

Гистамин [ править ]

Гистамин действует как возбуждающий нейротрансмиттер, связывая рецепторы, связанные с G-белком, в нейронах гипоталамуса. Эти нейроны проецируются во многие области головного и спинного мозга, позволяя гистамину опосредовать внимание, возбуждение и аллергические реакции . [3] Из четырех типов гистаминовых рецепторов (H 1 - H 4 ), H 3 находится в центральной нервной системе и отвечает за регулирование воздействия гистамина на нейротрансмиссию. [7]

Болезнь [ править ]

Возбуждающие синапсы играют фундаментальную роль в обработке информации в головном мозге и во всей периферической нервной системе. Обычно расположенные на дендритных шипах или выступах мембран нейронов, на которых сосредоточены рецепторы глутамата и компоненты постсинаптической плотности, возбуждающие синапсы помогают в электрической передаче нейронных сигналов. [1] Физическая морфология синапсов имеет решающее значение для понимания их функции, и хорошо известно, что несоответствующая потеря синаптической стабильности приводит к нарушению нейронных цепей и, как следствие, неврологическим заболеваниям. Хотя существует бесчисленное множество различных причин различных нейродегенеративных заболеваний, таких как генетическая предрасположенность или мутации., нормальный процесс старения, паразитарные и вирусные причины или употребление наркотиков, многие из них можно проследить до дисфункциональной передачи сигналов между самими нейронами, часто в синапсах. [3]

Эксайтотоксичность [ править ]

Основная статья: Эксайтотоксичность

Патофизиология [ править ]

Поскольку глутамат является наиболее распространенным возбуждающим нейромедиатором, участвующим в синаптической нейрональной передаче, отсюда следует, что нарушения нормального функционирования этих путей могут иметь серьезные пагубные последствия для нервной системы. Основной источник клеточного стресса связан с глутаминергической чрезмерной стимуляцией постсинаптического нейрона через чрезмерную активацию рецепторов глутамата (то есть рецепторов NMDA и AMPA ), процесс, известный как эксайтотоксичность, который был впервые случайно обнаружен Д. Р. Лукасом и Дж. П. Ньюхаусом в 1957 г. эксперименты на лабораторных мышах, получавших натрий. [3]
В нормальных условиях уровни внеклеточного глутамата находятся под строгим контролем окружающих переносчиков нейрональных и глиальных клеточных мембран , повышаясь до концентрации около 1 мМ и быстро снижаясь до уровней покоя. [8] Эти уровни поддерживаются за счет рециркуляции молекул глутамата в нейронно-глиальном клеточном процессе, известном как цикл глутамат-глутамин , в котором глутамат синтезируется из своего предшественника глутамина контролируемым образом, чтобы поддерживать адекватное снабжение организма. нейромедиатор. [3]Однако, когда молекулы глутамата в синаптической щели не могут быть разложены или повторно использованы, часто из-за дисфункции цикла глутамат-глутамин, нейрон становится значительно сверхстимулированным, что приводит к пути гибели нейрональных клеток, известному как апоптоз . Апоптоз происходит в основном за счет повышенных внутриклеточных концентраций ионов кальция, которые попадают в цитозоль через активированные рецепторы глутамата и приводят к активации фосфолипаз , эндонуклеаз , протеаз и, следовательно, к апоптотическому каскаду. Дополнительные источники гибели нейрональных клеток, связанные с эксайтотоксичностью, включают уменьшение энергии в митохондриях и повышение концентрации реактивного кислорода иазот в клетке. [3]

Лечение [ править ]

Эксайтотоксические механизмы часто участвуют в других состояниях, ведущих к повреждению нейронов, включая гипогликемию , травму , инсульт , судороги и многие нейродегенеративные заболевания, и, таким образом, имеют важное значение для лечения заболеваний. Недавние исследования были выполнены с использованием антагонистов глутаматных рецепторов и разрушителей эксайтотоксического каскада для уменьшения стимуляции постсинаптических нейронов, хотя эти методы лечения все еще проходят активные исследования. [9]

Связанные нейродегенеративные заболевания [ править ]

Болезнь Альцгеймера (БА) является наиболее распространенной формой нейродегенеративной деменции или потери функции головного мозга и была впервые описана немецким психиатром и невропатологом Алоисом Альцгеймером в 1907 году. 9. [10] Диагноз болезни часто также ставится на основании клинических наблюдений. как анализ семейного анамнеза и других факторов риска и часто включает такие симптомы, как нарушение памяти и проблемы с речью, принятием решений, суждениями и личностью. [11] Первичные неврологические явления, которые приводят к вышеуказанным симптомам, часто связаны с передачей сигналов в возбуждающих синапсах, часто из-за эксайтотоксичности, и возникают из-за наличия амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков., а также гибель нейрональных клеток и обрезание синапсов. Основные лекарственные препараты, представленные на рынке, направлены на антагонизм рецепторов глутамата (NMDA) в синапсах нейронов и ингибирование активности ацетилхолинэстеразы . Это лечение направлено на ограничение апоптоза нейронов головного мозга, вызванного различными путями, связанными с эксайтотоксичностью, свободными радикалами и ограничением энергии. Ряд лабораторий в настоящее время сосредоточены на предотвращении образования амилоидных бляшек и других симптомов болезни Альцгеймера, часто с помощью экспериментальных вакцин , хотя эта область исследований все еще находится в зачаточном состоянии. [10]
Гистологический образец мозга черной субстанции при болезни Паркинсона, показывающий наличие телец Леви и других признаков нейродегенерации.
Болезнь Паркинсона (БП) - нейродегенеративное заболевание, возникающее в результате апоптоза дофаминергических нейронов центральной нервной системы, особенно черной субстанции , а также повышенной реакции на возбуждающий нейромедиатор глутамат (т.е. эксайтотоксичность). [12] Хотя наиболее очевидные симптомы связаны с моторикой, продолжительное прогрессирование заболевания может привести к когнитивным и поведенческим проблемам, а также к слабоумию. Хотя механизм апоптоза в головном мозге не совсем ясен, предположения связывают гибель клеток с аномальным накоплением убиквитинированных белков в клеточных окклюзиях, известных как тельца Леви., а также гиперстимуляция нейрональных рецепторов NMDA избыточным глутаматным нейромедиатором через вышеупомянутый путь. [12] Как и болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона не лечится. Следовательно, помимо изменения образа жизни и хирургического вмешательства, цель фармацевтических препаратов, используемых при лечении пациентов с БП, состоит в том, чтобы контролировать симптомы и, по возможности, ограничивать прогрессирование заболевания. Леводопа (L-ДОПА) , наиболее широко используемое средство для лечения БП, превращается в дофамин в организме и помогает ослабить эффект снижения дофаминергических нейронов в центральной нервной системе. Другие агонисты дофаминавводили пациентам, чтобы имитировать действие дофамина на возбуждающие синапсы, связывая его рецепторы и вызывая желаемый постсинаптический ответ. [13]

См. Также [ править ]

  • Тормозной синапс
  • Нейротрансмиссия
  • Неврология
  • Синаптогенез
  • Электрофизиология
  • Нейротоксичность

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c М. Шэн, К. Хугенрад; Hoogenraad (2006). «Постсинаптическая архитектура возбуждающих синапсов: более количественный взгляд». Ежегодный обзор биохимии . 76 : 823–47. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.76.060805.160029 . PMID  17243894 .
  2. ^ а б Чуа, Киндлер; Бойкин, Ян (03.03.2010). «Архитектура возбуждающего синапса». Журнал клеточной науки . 123 (6): 819–823. DOI : 10,1242 / jcs.052696 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0012-D5F7-3 . PMID 20200227 . 
  3. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р D. Первс; и другие. (2008). Неврология, 4-е изд . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc.
  4. ^ Уильямс, С. Марк; Макнамара, Джеймс О .; Ламантия, Антоний-Самуил; Кац, Лоуренс С .; Фитцпатрик, Дэвид; Августин, Джордж Дж .; Purves, Дейл (2001). «Возбуждающие и тормозящие постсинаптические потенциалы» . Sinauer Associates, Inc. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Дж. Рэнд (2007). «Ацетилхолин» .
  6. ^ Стивен Гисласон (1995). «Нейротрансмиттер - серотонин» . Центр мозга и разума в Alpha Online.
  7. ^ Р. Боуэн (2008). «Гистаминовые и гистаминовые рецепторы» .
  8. ^ «Эксайтотоксичность и повреждение клеток» . 2010 г.
  9. ^ М. Аартс; М. Тимянский (15.09.2003). «Новое лечение эксайтотоксичности: целенаправленное нарушение внутриклеточной передачи сигналов от рецепторов глутамата». Биохимическая фармакология . 66 (6): 877–886. DOI : 10.1016 / S0006-2952 (03) 00297-1 . PMID 12963474 . 
  10. ^ а б Дж. Тави; П. Суини. «Болезнь Альцгеймера» .
  11. ^ "Болезнь Альцгеймера" . 2010-10-04.
  12. ^ "Болезнь Паркинсона" . 2011 г.