O sinapsă chimică este un tip special de contact intercelular între un neuron și o celulă țintă. În acest tip de sinapsă, rolul de mediator (mediator) este îndeplinit de o substanță chimică.
Constă din trei părți principale: un nerv care se termină cu o membrană presinaptică , o membrană postsinaptică a celulei țintă și un spațiu sinaptic între ele.
Marea majoritate a sinapselor din sistemul nervos al regnului animal sunt sinapse chimice. Ele se caracterizează prin prezența mai multor caracteristici comune, deși, cu toate acestea, dimensiunea și forma componentelor pre- și postsinaptice variază foarte mult. Sinapsele din cortexul cerebral al mamiferelor au axoni preterminali de aproximativ 100 de nanometri grosime și muguri presinaptici cu un diametru mediu de aproximativ 1 micrometru.
Sinapsa chimică este formată din două părți: presinapticformată printr-o extensie în formă de club a capătului axonului celulei transmisoare și postsinapticreprezentată de zona de contact a membranei plasmatice a celulei receptoare. Între ambele părți există un spațiu sinaptic - un spațiu de 10-50 nm lățime între membranele postsinaptice și presinaptice, ale căror margini sunt întărite cu contacte intercelulare.
Partea axolemei extensiei în formă de maciucă adiacentă despicăturii sinaptice se numește membrană presinaptică . Secțiunea citolemei celulei perceptoare, care limitează fanta sinaptică pe partea opusă, se numește membrană postsinaptică , în sinapsele chimice este în relief și conține numeroși receptori .
În expansiunea sinaptică există vezicule mici , așa-numitele vezicule presinaptice sau sinaptice , care conțin fie un mediator (un mediator în transmiterea excitației), fie o enzimă care distruge acest mediator. Pe postsinaptic, și adesea pe membranele presinaptice, există receptori pentru unul sau altul mediator.
Aceeași dimensiune a veziculelor presinaptice din toate sinapsele studiate (40-50 nanometri) a fost considerată mai întâi o dovadă că fiecare veziculă este grupul minim a cărui eliberare este necesară pentru a produce un semnal sinaptic. Veziculele sunt situate vizavi de membrana presinaptică, ceea ce se datorează scopului lor funcțional pentru eliberarea mediatorului în fanta sinaptică. De asemenea, în apropierea veziculei presinaptice există un număr mare de mitocondrii (producătoare de adenozin trifosfat ) și structuri ordonate ale fibrelor proteice.
Despicatură sinaptică este un spațiu lat de 20 până la 30 de nanometri între membrana presinaptică și membrana postsinaptică care conține structuri de legare pre- și postsinapse construite din proteoglican . Lățimea fantei sinaptice în fiecare caz individual se datorează faptului că mediatorul extras din presinapsie trebuie să treacă la postsinapză într-un timp care este semnificativ mai mic decât frecvența semnalelor nervoase caracteristice neuronilor care formează o sinapsă (timpul în care durează ca mediatorul să treacă de la membrana presinaptică la membrana postsinaptică este de ordinul câtorva microsecunde) .
Membrana postsinaptică aparține celulei care primește impulsuri nervoase. Mecanismul de translație a semnalului chimic al mediatorului într-un potențial de acțiune electric pe această celulă este receptorii - macromolecule proteice încorporate în membrana postsinaptică.
Cu ajutorul tehnicilor ultramicroscopice speciale, în ultimii ani a fost obținută o cantitate destul de mare de informații despre structura detaliată a sinapselor.
Deci, pe membrana presinaptică, a fost descoperită o structură ordonată de depresiuni asemănătoare craterelor cu un diametru de 10 nanometri, presate spre interior. La început au fost numite sinaptopori, dar acum aceste structuri sunt numite locuri de atașare a veziculelor (VSP). Recipientele sunt aranjate în grupuri ordonate de șase adâncituri separate în jurul așa-numitelor proeminențe compactate. Astfel, proeminențele densificate formează structuri triunghiulare regulate pe partea interioară a membranei presinaptice, iar SSV sunt hexagonale și sunt locurile în care veziculele se deschid și ejectează neurotransmițătorul în fanta sinaptică.
Sosirea unui impuls electric la membrana presinaptică declanșează procesul de transmitere sinaptică, a cărui primă etapă este intrarea ionilor de Ca 2+ în presinapsie prin membrană prin canalele de calciu specializate situate în apropierea despicăturii sinaptice. Ionii de Ca2+ , printr-un mecanism complet necunoscut, activează veziculele aglomerate în locurile lor de atașare și eliberează neurotransmițătorul în fanta sinaptică. Ionii de Ca 2+ care au intrat în neuron , după activarea veziculelor cu mediatorul, sunt dezactivați într-un timp de ordinul câtorva microsecunde datorită depunerii în mitocondrii și vezicule presinapsice.
Moleculele mediatoare eliberate din presinapsă se leagă de receptorii de pe membrana postsinaptică, drept urmare canalele ionice se deschid în macromoleculele receptorului (în cazul receptorilor de canale, care este cel mai comun tip; când funcționează alte tipuri de receptori, mecanismul de transmitere a semnalului este diferit). Ionii care încep să pătrundă în celula postsinaptică prin canale deschise modifică sarcina membranei acesteia, care este o polarizare parțială (în cazul unei sinapse inhibitorii) sau o depolarizare (în cazul unei sinapse excitatorii) a acestei membrane și, ca rezultat, duce la inhibarea sau provocarea generării de către potențialul de acțiune al celulelor postsinaptice.
Populară până de curând ca o explicație pentru mecanismul eliberării neurotransmițătorului din presinapsie, ipoteza exocitozei cuantice veziculare (QVE) implică faptul că un „pachet”, sau cuantic, al mediatorului este conținut într-o veziculă și este eliberat în timpul exocitozei (în în acest caz, membrana veziculelor fuzionează cu membrana presinaptică celulară). Această teorie a fost ipoteza predominantă pentru o lungă perioadă de timp - în ciuda faptului că nu există o corelație între nivelul de eliberare a neurotransmițătorilor (sau potențialele postsinaptice) și numărul de vezicule din presinapsă [1] . În plus, ipoteza CBE are și alte deficiențe semnificative.
Baza fiziologică a eliberării cuantificate a mediatorului ar trebui să fie aceeași cantitate din acest mediator în fiecare veziculă. Ipoteza TBE în forma sa clasică nu este potrivită pentru a descrie efectele cuantelor de diferite dimensiuni (sau cantități diferite ale unui mediator) care pot fi eliberate în timpul unui singur act de exocitoză. În acest caz, trebuie să se țină seama de faptul că în același mugure presinaptic pot fi observate vezicule de dimensiuni diferite; în plus, nu a fost găsită nicio relație între dimensiunea veziculei și cantitatea de mediator din aceasta (adică concentrația sa în vezicule poate fi și ea diferită). Mai mult, într-o sinapsă neuromusculară denervată , celulele Schwann generează un număr mai mare de potențiale postsinaptice miniaturale decât se observă în sinapsă înainte de denervare, în ciuda absenței complete a veziculelor presinaptice localizate în regiunea butonului presinaptic din aceste celule [2] .
Există dovezi experimentale semnificative că neurotransmițătorul este secretat în fanta sinaptică datorită activării sincrone a grupurilor MPV hexagonale (vezi mai sus) și a veziculelor atașate acestora [ 3] , care a devenit baza pentru formularea ipotezei porocitozei . Această ipoteză se bazează pe observația că veziculele atașate MPV-ului, la primirea unui potențial de acțiune , se contractă sincron și în același timp secretă aceeași cantitate de mediator în fanta sinaptică de fiecare dată, eliberând doar o parte din conținutul fiecare dintre cele șase vezicule. Termenul de porocitoză în sine provine din cuvintele grecești poro (care înseamnă pori) și citoză (care descrie transportul de substanțe chimice prin membrana plasmatică a unei celule).
Majoritatea datelor experimentale privind funcționarea joncțiunilor intercelulare monosinaptice au fost obținute din studiile joncțiunilor neuromusculare izolate. Ca și în sinapsele interneuronale, în sinapsele neuromusculare ale MPV se formează structuri hexagonale ordonate [4] . Fiecare dintre aceste structuri hexagonale poate fi definită ca un „sinaptomer” – adică o structură care este unitatea elementară în procesul de secreție a neurotransmițătorului. Sinaptomerul conține, în plus față de adânciturile porilor reale, structuri filamentoase proteice care conțin vezicule ordonate liniar; existența unor structuri similare a fost dovedită și pentru sinapsele din sistemul nervos central (SNC).
După cum sa menționat mai sus, mecanismul porocitar generează un cuantum de neurotransmițător , dar fără ca membrana veziculei individuale să se îmbine complet cu membrana presinaptică. Un mic coeficient de variație (mai puțin de 3%) pentru valorile potențialelor postsinaptice este un indicator că într-o singură sinapsă nu există mai mult de 200 de sinaptomeri [5] , fiecare dintre care secretă un cuantum transmițător ca răspuns la o acțiune. potențial [6] . 200 de locuri de eliberare (adică sinaptomeri care eliberează un neurotransmițător) găsiți pe o fibră musculară mică permit calculul unei limite cuantice maxime de un loc de eliberare pe micrometru de lungime a joncțiunii sinaptice [7] , această observație exclude posibilitatea existenței cuante de neurotransmițători care asigură transmiterea unui semnal nervos, în volumul unei vezicule.
Compararea ipotezei TBE recent acceptată cu ipoteza porocitozei poate fi realizată prin compararea coeficientului teoretic de variație cu cel experimental calculat pentru amplitudinile potențialelor electrice postsinaptice generate ca răspuns la fiecare eliberare individuală de neurotransmițător din presinapsie. Presupunând că procesul de exocitoză are loc într-o sinapsă mică care conține aproximativ 5.000 de vezicule (50 pentru fiecare micron de lungime a sinapsei), potențialele postsinaptice ar trebui generate de 50 de vezicule alese aleatoriu, ceea ce oferă un coeficient teoretic de variație de 14%. Această valoare este de aproximativ 5 ori mai mare decât coeficientul de variație al potențialelor postsinaptice obținut în experimente, astfel, se poate argumenta că procesul de exocitoză în sinapsă nu este aleatoriu (nu coincide cu distribuția Poisson ) - ceea ce este imposibil dacă explicat în termenii ipotezei TBE, dar este în concordanță cu ipoteza porocitozei. Cert este că ipoteza porocitozei presupune că toate veziculele asociate cu membrana presinaptică ejectează mediatorul în același timp; în același timp, cantitatea constantă de mediator ejectată în fanta sinaptică ca răspuns la fiecare potențial de acțiune (durabilitatea este evidențiată de coeficientul scăzut de variație al răspunsurilor postsinaptice) poate fi explicată prin eliberarea unui volum mic de mediator prin un număr mare de vezicule - în plus, cu cât sunt mai multe vezicule implicate în proces, coeficientul de corelație , deși acest lucru pare oarecum paradoxal din punctul de vedere al statisticii matematice .
În același timp, în sinapsă nu este întotdeauna produs un singur mediator. De obicei, mediatorul principal este ejectat împreună cu altul, care joacă rolul unui modulator.
Dacă primele contribuie la apariția excitației în celula postsinaptică, atunci cele din urmă, dimpotrivă, opresc sau împiedică apariția acesteia. De obicei inhibitoare sunt sinapsele glicinergice (mediator - glicină) și GABAergice (mediator - acid gama-aminobutiric).
Unele sinapse au densificare postsinaptică, o zonă densă de electroni formată din proteine. După prezența sau absența sa, se disting sinapsele asimetrice și cele simetrice. Se știe că toate sinapsele glutamatergice sunt asimetrice, în timp ce sinapsele GABAergice sunt simetrice.
În cazurile în care mai multe prelungiri sinaptice intră în contact cu membrana postsinaptică, se formează sinapse multiple.
Aparatele spinoase, în care proeminențe scurte simple sau multiple ale membranei postsinaptice a dendritei sunt în contact cu expansiunea sinaptică, sunt forme speciale de sinapse. Aparatul spinos mărește semnificativ numărul de contacte sinaptice pe neuron și, în consecință, cantitatea de informații procesate. Sinapsele „non-tepoase” sunt numite „sesile”. De exemplu, toate sinapsele GABAergice sunt sesile.