ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА

Когда импульс достигает окончания нервного волокна, он должен либо произвести свое действие, скажем, в нервно-мы - шечнОм (мионевральном) соединении, индуцируя мышечное со­кращение, либо перейти на другое нервное волокно. И в том и в другом случае реализуется синаптическая передача импульса с одной клеткй на другую. Синапс представляет собой функцио­нальный контакт двух возбудимых клеток, каждая из которых заключена в отдельную мембрану.

Современная биология располагает богатой цитологической, биохимической и физиологической информацией о синаптиче - ской передаче. Эти данные изложены, в частности, в монографин Катца [5] и в обзоре [85]. Они пока недостаточны для построе­ния молекулярной физической теории соответствующих явлений, но позволяют наметить пути ее развития.

Расстояние между пресинаптической и постсинаптической мембранами, синаптическая щель, может достигать 150—200 А. В мионевральном соединении разрыв еще больше — до 500— 1000 А. Вместе с тем существуют синапсы с сильно сближен­ными и даже; сливающимися пресинаптической и постсинапти­ческой мембранами. Соответственно реализуются два типа пе­редачи импульса — при больших щелях передача имеет химиче­ский характер, при тесном контакте возможно прямое электри­ческое взаимодействие. Здесь мы рассмотрим химическую пе­редачу.

При химической передаче электрический импульс, дошедший до окончания волокна, включает специфический химический ме­ханизм, усиливающий электрический сигнал. Такой механизм состоит в освобождении некоторого химического вещества, ме­диатора, синтезируемого и запасаемого в нервных окончаниях, в его рецепции специфическими центрами постсинаптической мембраны и, как результат этой рецепции, изменении ее про­ницаемости, вследствие чего появляется новый импульс.

Установлено, что медиатором служит прежде всего ацетил- холин (АХ)

НзС.

НзС—N+—CIV - СН2—О— СО— СН3>

НзС/

А также другие родственные соединения (карбахол, сукцинил- холин, допамин, у-аминомасляная и глутаминовая кислоты, гли­цин и т. д.). Роль ацетилхолина была открыта еще в 1921 г. Лёви [86]. Далее было показано, что АХ концентрируется в пу­зырьках пресинаптических окончаний [87].

Пресинаптический механизм представляет собой нейросекре- цию, т. е. освобождение АХ из пузырьков под действием нерв­ного импульса. Оценка числа молекул АХ, выделяемых на один импульс, дает несколько миллионов [88].

В постсинаптической мембране мионеврального соединения установлена высокая концентрация ацетилхолинэстеразы (АХЭ) — фермента, катализирующего гидролиз АХ. Было выска­зано предположение, что АХЭ и представляет собой вещество - рецептор [89]. АХЭ, выделенная из Electrophorus electricus, имеет молекулярный вес 260 000 и состоит из четырех одинаковых субъединиц [90]. Шанжё и соавторы рассматривают АХЭ как аллостерический фермент, содержащий каталитические и регу - ляторные центры. Предполагается, что в рецепторной мембране присутствует система, состоящая из макромолекулярного рецеп­тора АХ, способного узнавать ацетилхолин и влиять на селек­тивный транспорт катионов, стимулированный связыванием АХ. Эти две сопряженные функции могут переноситься одной и той же макромолекулой АХЭ, но выполняются разными липопро - теидными системами [91].

Де Робертису удалось строго показать, что рецепторным ве­ществом является не АХЭ, но специальный протеолипид, в кото­ром имеется гидрофобный белок [85]. Этот белок был выделен из мембран нервных окончаний. Он имеет большое сродство к АХ и к другим холинэргическим веществам. Де Робертис пред­ложил модель постсинаптической мембраны, основанную на изу­ченных свойствах рецепторного вещества (рис. 4.30). В мем­брану включены дискретные рецепторные области. Белок-рецеп­тор, имеющий гидрофобную поверхность, проходит сквозь липид - ные слои мембраны и создает в ней каналы. Стенки канала образованы четырьмя параллельными молекулами белка. АХЭ присутствует как отдельная молекула. АХ присоединяется к ак­тивному центру рецепторного белка, расположенному на его внешней поверхности. В результате присоединения — сильного ионного взаимодействия — происходят конформационные и трансляционные превращения в мембране, приводящие к изме­нениям ее ионной проницаемости.

В работах Де Робертиса получены предварительные резуль­таты по созданию работающей модели постсинаптической мем­браны путем включения выделенного белка-рецептора в искус­ственную двуслойную липидную мембрану.

Роль АХЭ состоит в основном в гидролизе АХ. Если бы АХ не гидролизовался, он блокировал бы АХЭ и синап гическая
передача прекратилась бы. Так действуют конкурентные инги­биторы АХЭ, в частности растительный яд кураре и другие алкалоиды. Соответственно блокируется иннервация мышц.

Область рецепции АХ /-.

Кат

Рис. 4.30. Схема возможной макромолекулярной организации постсинапти­ческой мембраны по Де Робертису. ЯЛ—молекулы протеолипида, ФИ—молекулы фосфатидилинозитола.

Общая картина процессов, происходящих при мионевральной передаче, может быть, согласно Катцу, представлена схемой, показанной на рис. 4.31 [5].

Лретатицесш Лш/йшееШ Іїоєюеинттітееш область щелк облаем.

/ІЇинтезАХ

/

//атлет АХ

£сасывалЩ 'холма

FopfljfWJT-j-

* %

\

\

АХЗ/ >

Шпуме „ \

Ронращенив' тшци

Рис. 4.31. Схема мионевральной передачи.

Экспериментально показано, что медиатор — АХ — действи­тельно повышает проницаемость концевой пластины мионевраль-

Ного соединения для ионов Na+ и К+ одновременно и в одинако­вой степени. На проницаемость к ионам С1 АХ не влияет [92]. Другие количественные характеристики мионеврального соеди­нения приведены в монографии Катца [5], который указывает, что «по своему электрическому эффекту воздействие пере­датчика поистине эквивалентно кратковременному «проколу» мембраны».

Вернемся в пресинаптическую область. Имеются данные, по­казывающие, что выделение небольших порций АХ происходит и в покое, независимо от нервного импульса. Импульс очень сильно повышает эту активность за время порядка 1 мс. Уста­новлено, что спонтанная нейросекреция не обусловлена утечкой АХ из нервных окончаний путем случайной диффузии. Спонтан­ная нейросекреция есть спонтанное квантованное освобождение АХ, «при котором сконцентрированные порции АХ выделяются в случайные моменты времени по типу «все или ничего» из дискретных точек концевой мембраны аксона» [5]. Величина «кванта АХ» не зависит от изменений мембраны, связанных с нервным импульсом. Импульс изменяет в сотни тысяч раз ве­роятность выделения кванта. Потенциал постсинаптической мембраны, возникающий под влиянием нервного импульса, сла­гается из большого числа «миниатюрных потенциалов», созда­ваемых отдельными порциями, квантами, АХ. Число квантов, участвующих в реакции в одном мионевральном соединении, за­висит от присутствия ионов Са++ и Mg++. Са++ стимулирует се­крецию АХ, Mg++ — ее ингибирует.

Бойд и Мартин [93] (ср. [5]) провели статистический анализ реакции концевой пластинки — постсинапгического участка мио­неврального соединения. Это оказалось возможным благодаря сильному понижению количества АХ, выделяемого при одном импульсе, вызванному уменьшением концентрации Са++ в среде. Удалось доказать, что каждая реакция на импульс слагается из целого числа «квантов АХ», и освобождение одного «кванта» есть событие с очень малой вероятностью р 1. Всего наблю­далось 198 импульсов. Число случаев, в которых освобождается х порций АХ, должно выражаться законом Пуассона

Где х = 0, 1, 2 ... — число порций АХ, т — среднее число пор­ций, освобождаемых одним импульсом. В изученной системе

Средняя амплитуда реакции,0,933 мВ __

Т Средняя амплитуда спонтанных 0,4 мВ ' " потенциалов

Совпадение вычисленных и наблюдавшихся значений рх оказа­лось превосходным. В частности, согласно закону Пуассона

Р0 = n0/N = ехр (— т),

Где п0 — число реакций, в которых освобождается 0 порций, рав­ное в рассматриваемой серии 18, N — полное число импульсов. Имеем

M = In (N/n0) = In (198/18) == 2,4

Вместо опытного значения 2,33.

Мы не касаемся здесь множества важных физиологических, фармакологических и медицинских проблем, связанных с синап - тической передачей (см. [5, 85, 94]).

Очевидно, что нейросекреция и химическая рецепция в пост­синаптической мембране ставят ряд вопросов перед биофизикой. «Квантование» выделяемого АХ заставляет думать, что нейро­секреция представляет собой кооперативный молекулярный про­цесс, к рассмотрению которого можно подойти на основе элект- ронно-конформационных взаимодействий. Те же идеи могут ока­заться полезными для понимания сущности возникновения нового импульса в ответ на воздействие медиатора. Построение соответствующих кинетических моделей — задача вполне реаль­ная, но мы располагаем пока слишком скудной эксперименталь­ной информацией о молекулярной структуре систем, участвую­щих в синапсах.

Проблемы синаптической передачи непосредственно связаны с исследованиями нейронных сетей, посредством которых моде­лируется высшая нервная деятельность. Рассмотрение этих во­просов выходит за рамки книги. Существующие модели имеют математический, но не физический характер, так как мы не рас­полагаем еще достаточными знаниями о явлениях высшей нерв­ной деятельности (см. монографию [95]).