Ķīmiskās sinapses: neirotransmiteri, darbības princips un loma nervu sistēmā

Ķīmiskās sinapses ir sinapses, kas signālu pārraidei izmanto ķīmiskus vēstnešus, ko sauc par neirotransmiteriem. Tās ir sastopamas visā ķermenī. Īpaši centrālajā nervu sistēmā un smadzenēs.

Neironi izmanto elektriskos signālus, lai pārnestu informāciju. Šos signālus sauc par darbības potenciāliem. Vidēji cilvēka smadzenēs ir aptuveni 86 miljardi neironu. Neironi nedarbojas vieni paši. Tiem nepieciešams savienoties ar citiem neironiem un savstarpēji pārsūtīt ziņojumus. Elektriskais signāls viens pats nevar pārvarēt plaisu starp neironiem. Tāpēc ir nepieciešami neirotransmiteri, lai signālus no viena neirona uz otru nodotu tālāk. Šajā ziņā tie atšķiras no elektriskajām sinapsēm, kas elektriskos signālus nodod tieši nākamajam neironam. Ķīmiskās sinapses var sīkāk klasificēt atkarībā no to funkcijas un struktūras.

Kā notiek signāla pārraide ķīmiskajā sinapsē?

Ķīmiskā sinapse darbojas vairākos skaidros posmos:

Darbības potenciāla atnākšana: ja presinaptiskais neirons ģenerē darbības potenciālu, tas ceļas pa aksonu un nonāk presinaptiskajā galā (terminālī).
Kalcija plūsma: depolarizācija atver spriegumzāles atkarīgus Ca2+ jonkanālus presinaptiskajā membrānā. Kalcija iekļūšana citoplazmā ir signāls, kas uzsāk neirotransmiteru izdalīšanos.
Pārnese ar vezikulām: neirotransmiteri tiek uzglabāti sinaptiskajās vezikulās. Palielinoties Ca2+ līmenim, vezikulas saplūst ar membrānu (eksocitoze) un atbrīvo neirotransmiterus sinaptiskajā plaisā.
Receptoru aktivācija: neirotransmiteri diffūzijas ceļā piesaistās postsinaptisko neironu receptoru vietām. Atkarībā no receptoru veida var tikt atvērti jonkanāli vai aktivētas signāltransducijas iekššūnas ceļi.
Postsinaptiskā atbilde: ja tiek atvērti Na+ vai Ca2+ kanāli, rodas ekscitatoriskie postsinaptiskie potenciāli (EPSP) — palielinās iespēja ģenerēt darbības potenciālu. Ja tiek atvērti K+ vai Cl− kanāli, rodas inhibitori postsinaptiskie potenciāli (IPSP) — postsinaptiskā šūna kļūst mazāk reaģējoša.
Neirotransmiteru norisināšanās: lai signāls nebūtu pastāvīgs, neirotransmiteri tiek noņemti no sinaptiskās plaisas ar degradāciju enzīmu ceļā, atkārtotu uzņemšanu (reuptake) vai difūziju.

Receptori — jonotropiskie un metabotropiskie

Postsinaptiskie receptori var būt divu veidu:

Jonotropiskie receptori — tie paši ir jonkanāli; neirotransmitera piesaiste ātri atver kanālu un izmaina jonplūsmu (piem., AMPA un NMDA receptori glutamāta gadījumā).
Metabotropiskie receptori — saistīti ar G-proteīniem un aktivizē šūnas iekšējos signālus (second messenger), kas ietekmē šūnas darbību ilgtermiņā (piem., dažas dopamīna un serotonīna receptoru subtipi).

Galvenie neirotransmiteri un to loma

Daži nozīmīgākie neirotransmiteri ir:

Glutamāts — galvenais ekscitatoriskais neirotransmiteris centrālajā nervu sistēmā; svarīgs mācībai un atmiņai.
GABA (gamma-aminobutirskābe) — galvenais inhibitori neirotransmiteris; regulē neironu uzbudināmību.
Acetilholīns — darbojās gan perifērajajā (piem., muskuļu aktivācija), gan centrālajā nervu sistēmā (atmiņa, uzmanība).
Dopamīns — iesaistīts kustību kontroli, motivāciju un atlīdzības sistēmu; saistīts ar Parkinsona slimību un psihoziem.
Serotonīns — ietekmē garastāvokli, serotonīna līmeņa izmaiņas saistītas ar depresiju un trauksmi.
Norepinefrīns (noradrenalīns) — modulē modrību, stresa reakcijas un simpātiskās nervu sistēmas darbību.

Neirotransmiteru „noņemšana” un regulācija

Neirotransmiteru darbības ilgumu kontrolē dažādi mehānismi:

Atkārtota uzņemšana (reuptake) — presinaptiskie transportieri izņem neirotransmiterus no sinaptiskās plaisas (piem., serotonīna reuptake transportieri, kuri ir mērķis SSRI antidepresantiem).
Enzimātiska degradācija — piemēram, acetilholīnesterāze ātri noārda acetilholīnu.
Difūzija un glialo šūnu absorbēšana — neirotransmiteri var difūzēt prom vai tikt absorbēti apkārtējās glijas šūnās.

Kuantālā izdalīšanās un sinaptiskā plastiskuma pamati

Neirotransmiteri bieži izdalās kvantuļveidīgi — viena vezikula satur noteiktu daudzumu molekulu, un tās izdalīšanās rada kvantētus postsinaptiskos potenciālus. Šīs mazās izmaiņas bija atklātas, mērot miniature EPSP.

Sinaptiskā plastiskuma mehānismi, piemēram, ilgtermiņa potenciācija (LTP) un ilgtermiņa depresija (LTD), maina sinapses stiprumu atkarībā no aktivitātes. Šie procesi ir pamatā mācībai un atmiņai un balstās uz receptoru skaita/ funkcijas izmaiņām postsinaptiskajā membrānā un uz presinaptisku neirotransmiteru izdalīšanās regulāciju.

Atšķirība no elektriskajām sinapsēm

Galvenās atšķirības:

Ķīmiskās sinapses izmanto neirotransmiterus, nodrošina lielāku modulācijas iespēju (eksitācija, inhibīcija, ilgtermiņa signāla maiņa), bet tās ir lēnākas un vienvirziena.
Elektriskās sinapses (gap junctions) ļauj tiešu jonu plūsmu starp šūnām, nodrošinot ātru, divvirzienu signālu pārraidi, taču ar mazāku regulācijas potenciālu.

Farmakoloģija un klīniskā nozīme

Daudzas zāles ietekmē ķīmiskās sinapses:

Agonisti/antagonisti — vielas, kas aktivizē vai bloķē receptorus (piem., opioīdu agonisti, beta-blokatori).
Inhibitori reuptake — SSRI, SNRI un citi medikamenti, kas palielina neirotransmiteru pieejamību sinaptiskajā plaisā.
Enzīmu inhibitori — piemēram, acetilholīnesterāzes inhibitori, kas palielina acetilholīna līmeni (lieto Alcheimera simptomu ārstēšanā).
Neirotoksīni — dažas vielas (piem., botulīna toksīns) bloķē neirotransmiteru izdalīšanos, izraisot muskuļu paralīzi.

Traucējumi sinaptiskajā pārraidē ir saistīti ar daudzām slimībām: Parkinsona (dopamīna zudums), Alcheimera (holinergās transmisijas traucējumi), depresija (serotonīna/norepinefrīna disbalanss), šizofrēnija (dopamīna ceļu dysregulācija) u.c.

Attīstība un sinapšu veidošanās

Neironu savienojumi tiek veidoti attīstības laikā, balstoties uz ģenētiskajiem un vides signāliem. Sinaptogeneze, selektīvā sinapsu stiprināšana un nevajadzīgo sinapsu noārdīšana (pruning) nodrošina funkcionālu nervu tīklu izveidi. Pieredze un mācīšanās turpina formēt sinaptiskos sakarus arī pieaugušā vecumā.

Kopsavilkums

Ķīmiskās sinapses ir centrāls mehānisms, kā nervu šūnas sazinās, modulē un integrē informāciju. Tās ļauj nervu sistēmai būt plastiskai, adaptīvai un sarežģīti regulētai — no vienkāršām refleksu ķēdēm līdz sarežģītām atmiņas un kognitīvām funkcijām. Izpratne par sinaptisko mehānismu ir svarīga gan pamata neirozinātnēs, gan medicīnā, jo tā palīdz attīstīt terapijas pret daudzām nervu sistēmas slimībām.

Tipiska ķīmiskā sinapsē

Struktūra

Tipiskas ķīmiskās sinapses struktūra sastāv no trim daļām:

Pirmssinaptiskais termināls parasti atrodas uz aksona. Tas sinaptiskā šķēlumā izvada neirotransmiterus. Pirmssinaptiskais termināls ir pirmā sinaptiskās pārraides daļa, tāpēc tam ir priedēklis "pre-".
Postsinaptiskās šūnas sinaptiskā membrāna parasti atrodas uz nākamā neirona dendrīta. Tā absorbē neirotransmiterus postsinaptiskajā neironā (neironā, kas saņem signālu). Postsinaptiskā šūna ir pēdējā pārraides procesa daļa, tāpēc tai ir piedēklis "post-".
Sinaptiskais šķēlums ir daļa abu membrānu vidū. Šī telpa ir aizpildīta ar ekstracelulāro (ekstra- = ārpus šūnas. cellular = dzīvā šūna.) olbaltumvielu matricu, kas galvenokārt darbojas, lai saturētu abus neironus kopā.

Divu veidu ķīmiskās sinapses

I tipa sinapses ir biežāk sastopamās ķīmiskās sinapses cilvēka smadzenēs. Šīs sinapses ierosina (aktivizē) nākamo neironu. Kad notiek šī sinaptiskā pārraide, nākamajā neironā rodas darbības potenciāls. Šīs sinapses parasti atrodas uz postsinaptiskās šūnas dendrītiem. Pirmssinaptiskais termināls atrodas uz tā neirona aksona, kas nosūta pārraidi (presinaptic cell). I tipa sinapsēm ir simetriska forma.
II tipa sinapses cilvēka smadzenēs ir retāk sastopamas. Šīs sinapses ir asimetriskas formas. Tās inhibē. Tā vietā, lai izraisītu darbības potenciālu nākamajā neironā, šīs sinapses aptur darbības potenciālu. Tās ir retāk sastopamas nekā I tipa sinapses.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir ķīmiskās sinapses?

A: Ķīmiskās sinapses ir sinapses, kas izmanto neirotransmiterus, lai pārraidītu signālus starp neironiem.

J: Kur ir ķīmiskās sinapses?

A: Ķīmiskās sinapses ir sastopamas visā organismā, īpaši centrālajā nervu sistēmā un smadzenēs.

J: Kā neironi pārnes informāciju?

A: Neironi pārnes informāciju, izmantojot elektriskos signālus, ko sauc par darbības potenciāliem.

Jautājums: Cik neironu ir vidēji cilvēka smadzenēs?

A: Vidēji cilvēka smadzenēs ir aptuveni 86 miljardi neironu.

J: Kāpēc neironiem nepieciešams savienoties ar citiem neironiem?

A: Neironiem ir nepieciešams savienoties ar citiem neironiem, lai nodotu viens otram ziņojumus.

J: Kāpēc ķīmiskajās sinapsēs ir vajadzīgi neirotransmiteri?

A: Neiromediatori ir nepieciešami ķīmiskajās sinapsēs, lai nodotu signālus no viena neirona uz otru, jo elektriskais signāls vien nevar pārvarēt plaisu starp neironiem.

J: Ar ko ķīmiskās sinapses atšķiras no elektriskajām sinapsēm?

A: Ķīmiskajās sinapsēs signālu pārraidīšanai starp neironiem izmanto neirotransmiterus, bet elektriskās sinapsēs elektriskie signāli tiek pārraidīti tieši uz nākamo neironu.