Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Биологический факультет

Кафедра зоологии позвоночных и экологии

Новые теории релиза нейротрансмиттера на пресинаптической терминали

Токмаковой Анны

Пермь - 2018

Содержание

• Введение
• Глава 1. Основы релиза
• 1.1 Основные механизмы релиза
• 1.2 Кальциевые каналы
• 2. Релиз трансмиттера в квантовых единицах
• Глава 3. Синаптические везикулы и их взаимосвязь высвобождение трансмиттера
• 3.1 Релиз трансмиттера в синаптических везикулах через экзоцитоз и возобновление экзоцитоза
• 3.2 Модуляция релиза трансмиттера в основе синаптической пластичности
• 3.3 Зависимость релиза от концентрации кальция
• Выводы
• Список литературы

Введение

На современном этапе развития нейробиологии собрано довольно много материала и информации, которые основаны на эмпирических и аналитических данных, полученных в экспериментах с беспозвоночными и позвоночными животными. Наша научно-исследовательская работа была выполнена с целью, обобщения современных данных, связанных с процессами высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптической терминали позвоночных. И для ее выполнения мы поставили перед собой такие задачи как:

· уточнение механизмов действия релиза

· обзор методов изучения структуры пресинаптической терминали

· анализ данных и сведение их в общую концепцию

Общие сведения, полученные в этой работе, могут стать основой для дальнейших исследовании и разработки методов в изучении строения и функционирования нейронов.

Глава 1. Основы релиза

1.1 Основные механизмы релиза

Кальциевые каналы находятся не только в нейронах, но также в клетках мышечной ткани. Клеткам необходимы Ca²⁺ для сокращения и возбуждения, а в эндокринных клетках эти каналы играют роль при секреции гормонов. Нейроны содержат пять типов потенциал зависимых каналов: L-тип, P / Q-тип, N-тип, R-тип и T-тип. Каждый кодируется различными генами или группой генов. Каждый тип имеет специфические биофизические и фармакологические свойства. Кальциевые каналы представляют собой сложные белки, чьи отличительные свойства определяются их порообразующей субъединицей, б₁-субъединицей. б₁-субъединица гомологична б-субъединице потенциал зависимых Na⁺ каналов, состоящей из четырех повторяющихся доменов с шестью пронизывающими мембрану сегментами, включая датчик напряжения S4 и P-образную петлю поры. Кальциевые каналы также имеют дополнительные вспомогательные субъединицы (обозначаемые как б₂, в, г и д), которые модулируют свойства канала, образованного б₁-субъединицей.

Четыре из потенциал-зависимых каналов Ca²⁺: L-типа, P/Q-типа, N-типа и R-типа требуют довольно сильной деполяризации для активации (сдвига потенциалапокоя (-65 мВ) от -40 до-20 мВ), поэтому их часто называют высокопотенциальными каналами. В отличие от них, Т-тип открывается в ответ на небольшую деполяризацию близкую к порогу для генерации потенциала действия (от -60 до -40 мВ), и поэтому эти каналы называют низкопотенциальными. Они активируются небольшими изменениями мембранного потенциала, поэтому контролируют возбудимость в состоянии покоя и являются важным источником возбуждения, управляющего сердечным ритмом. Релиз трансмиттеров связан с быстрым синаптическим сигналом, основанным на P/Q-типах и N-типах Ca²⁺ каналов. Эти типы каналов сосредоточены в активной зоне пресинаптической терминали. N-тип сосредоточен в нервно-мышечном соединении лягушки и был визуализирован с помощью флуоресцентно-меченного токсина улиток, который избирательно связывается с этим типом каналов. Каналы L-типа не были обнаружены в активной зоне и не способствуют быстрому релизу классических трансмиттеров, таких как ацетилхолин и глутамат. Однако, приток Ca²⁺ через каналы L-типа важен для медленного релиза, который происходит в специализированных активных зонах таких эндокринных клеток, которые выделяют нейропептиды и гормоны.

Потенциал-зависимые каналы Ca2+ отвечают за определенные приобретенные или наследственные заболевания. Точечная мутация в б₁-субъединице канала L-типа приводит к синдрому Тимоти, который приводит к нарушению когнитивных функций и аутизму. А у пациентов с синдромом Ламберта-Итона (аутоиммунное заболевание, связанное с мышечной слабостью, из-за антител к каналу L-типа б₁-субъединицы) уменьшен общий приток Ca²⁺. (Hammond C.2001)

Глава 2. Релиз трансмиттера в квантовых единицах

Так как же приток кальция запускает релиз трансмиттера? Кац и его коллеги показали, что ключевым в этом вопросе является дискретная величина выпущенного трансмиттера, которую они назвали квантом. Каждый квант трансмиттера производит постсинаптический фиксированный потенциал, который называется квантовым постсинаптическим потенциалом. ВПСП плавно градуирован по амплитуде только потому, что квантовый потенциал очень мал относительно общего потенциала. Катц и Фатт впервые получили количественные характеристики синаптической передачи, когда впервые наблюдали спонтанные постсинаптические потенциалы примерно в 0,5 мВ в нервно-мышечном синапсе лягушки. Эти небольшие деполяризующие ответы были самыми большими в нервно-мускульном соединении,и они исчезали с расстоянием. Маленькие спонтанные потенциалы наблюдались и в мышцах млекопитающих, и в нейронах центральной нервной системы. Постсинаптические потенциалы нервно-мышечных синапсов у позвоночных называются потенциалы концевой пластины.А спонтанные потенциалы Фатт и Кац назвали миниатюрными концевыми потенциалами.

Некоторые результаты эксперимента убедили Фатта и Каца в том, что миниатюрные концевые потенциалы представляли собой ответы на небольшое количество ацетилхолина, этот нейротрансмиттер используется в нервно-мышечном синапсе. Так же, как и концевые потенциалы, миниатюрные концевые потенциалы улучшались и продлевались простигмином, веществом, которое блокирует гидролиз АХ ацетилхолинэстеразой. И наоборот, они сокращаются и уменьшаются при блокировке рецепторов АХ. Миниатюрные концевые потенциалы пластины представляют собой ответы на небольшое количество трансмиттера, появляющегося в ходе самопроизвольного высвобождения. Частота этих потенциалов может быть увеличена небольшой деполяризацией пресинаптической терминали. Они исчезают, если пресинаптический моторный нерв дегенерирует, и возобновляются, когда формируется новый моторный синапс.

Чем же объясняется небольшая сила тока миниатюрныхконцевых потенциалов (около 0,5-1 мВ)? Кальстильо и Кацвпервые проверили возможность того, что каждое событие представляет собой ответ на открытиеодного канала рецептора АХ. К концевой пластине мышцы лягушки применялось небольшое количество АХ, вследствие чего появлялся деполяризующих постсинаптический ответ, но он был намного меньше, чем 0,5 мВ. Это дало понять, что миниатюрный концевой потенциал, это раскрытие более чем одного канала рецептора АХ. Затем уже Хац и Миледи установили, что отклик постоянного тока от одного канала рецептора АХ составляет 0,3 мкВ. Следовательно, миниатюрный концевой потенциал представляет собой сумму элементарных токов около 2000 каналов. А дальнейшие исследования установили, что миниатюрный концевой потенциал возникает только при синхронном выпуске примерно 5000 молекул АХ.(KandelE.R. 2012)

При исследовании синаптической сигнализации Кац и Кастильо погрузили нервно-мышечный синапс в раствор с низким содержанием Ca²⁺. При этом условии потенциал концевой пластины заметно снижается с 70 мВ до 0,5-2,5 мВ. Кроме того, амплитуда каждого последующего потенциала концевой платины теперь изменяется случайным образом от одного стимула к другому, часто никакой ответ не может быть обнаружен вообще. Тем не менее, минимальный отклик выше нуля - единица ВПСП в ответ на пресинаптический потенциал действия - идентичен по амплитуде (приблизительно 0,5 мВ) и форме спонтанному миниатюрному концевому потенциалу. Важно отметить, что амплитуда каждого потенциала концевой пластинки является целое кратное единичного потенциала (рис.7)

Как видно на рисунке первый пик соответствует ответу в 0,4 мВ и представляет собой единичный сигнал, вызванным наименьшим ответом. Единичная реакция соответствует спонтанному миниатюрному концевому потенциалу, это указывает на то, что она соответствует единичному релизу кванта передатчика. Другие пики гистограммы интегрально кратные амплитуды единичного потенциала, то есть состоят из двух, трех и более квантовых событий. Количество ответов под каждым пиком, деленное на общее количество событий во всей гистограмме, является вероятностью того, что единственный пресинаптический потенциал действия запускает релиз количества квантов, соответствующих пику. Например, 30 пиков соответствует релизу двух квантов из 100 совершенных событий. Соответственно вероятность того, что пресинаптический потенциал реализует два кванта, будет 30/100, то есть 0,3. Эта вероятность следует за распределение Пуассона, которое на рисунке показано красным графиком. Это теоретическое распределение состоит из нескольких гауссовских единиц. Дело в том, что количество трансмиттера в кванте, а, следовательно, и амплитуда квантового постсинаптического ответа, варьируется случайно в средних значениях. Пики Гаусса постепенно расширяются, потому что изменения, связанные с каждым квантовым событием, линейно суммируются с количеством квантов. Распределение амплитуд спонтанных миниатюрных потенциалов (в верхнем правом углу рис. 7) соответствует гауссовской кривой, ширина которой равна ширине гауссовской кривой единичных синаптических ответов.

Если увеличить концентрацию Ca²⁺, то амплитуда единичного синаптического потенциала не изменится. Однако доля провалов уменьшится, и частота ответов с более высокой амплитудой увеличится. Эти наблюдения показывают, что увеличение внешней концентрации Ca²⁺ не увеличит размер кванта трансмиттера (то есть количество АХ в каждом кванте), скорее всего, увеличивает количество среднего числа квантов, которые реализуются в ответ на пресинаптический потенциал действия. Чем больше приток кальция в терминаль, тем больше будет реализовано квантов трансмиттера. Эти три исследования дали понять Кастилло и Кац, что при релизе трансмиттера в везикулах фиксированное количество трансмиттера, или квант: амплитуда потенциала концевой пластины изменяется ступенчато при низких выделениях АХ. И амплитуда каждого шага увеличивается целым кратным единичным потенциалом, и единичный потенциал имеет ту же среднюю амплитуду, что и спонтанный миниатюрный потенциал концевой пластины. (KandelE.R. 2012)

При отсутствии потенциала действия скорость квантового релиза низкая - только самопроизвольноодин квант в секунду. В присутствии нормальной концентрации Ca²⁺потенциал действия в пресинаптической терминали нервно-мускульного синапса позвоночных животных высвобождает примерно 150 квантов каждый по 0,5 мВ, в результате получается больший потенциал концевой пластины. Таким образом, когда Ca²⁺ входит в пресинаптическую терминаль во время потенциала действия он резко увеличивает скорость квантового релиза в 150000 раз, вызывая синхронный релиз 150 квантов в течение одной миллисекунды.

Квантовая передача была продемонстрирована на всех химических синапсах, кроме одного: синапса между фоторецепторами и биполярным нейроном сетчатки. Тем не менее, эффективность релиза трансмиттера от одной пресинаптической клетки на другую постсинаптическую клетку широко варьируется в нервной системе и зависит от нескольких факторов: 1.количество синапсов между пресинаптической и постсинаптической клеткой (то есть число пресинаптических контактов которые содержит постсинаптическая клетка)

2.количество активных зон в индивидуальном синаптическом терминале 3.вероятность того, что пресинаптический потенциал действия вызовет релиз одного или нескольких квантов трансмиттеров в активной зоне.

Релиз кванта трансмиттера -- это случайное событие. Судьба каждого кванта трансмиттера в ответ на потенциал действия имеет только два возможных результата - релиз или осуществлен, или нет, развивается по принципу «все или ничего». Это событие напоминает бином или испытание Бернулли (похоже на подбрасывание монеты в воздух, где может выпасть или орел, или решка). Вероятность релиза кванта при потенциале действия не зависит от вероятности релиза других квантов. Следовательно, для высвобождаемых квантов каждый потенциал действия представляет собой серию независимых биноминальных событий (сравнимых с бросанием нескольких монет, где некоторые падают решкой вверх). В биноминальном распределении p обозначает среднюю вероятность успеха (то есть вероятность релиза любого данного кванта) и q (равно p-1), обозначающую среднюю вероятность провала. Как средняя вероятность (p), релиз одного кванта, так и количество (n) легко высвобождаемых квантов предполагается постоянными (любое сокращение запасов считается тут же пополняемым после каждого стимула). Произведение n и p дает оценку m, то есть среднее количество реализованных квантов, которые образуют потенциал концевойпластины. Это среднее называется квантовым содержанием или количественным выводом. (KandelE.R. 2012)

Расчет вероятности релиза трансмиттера можно проиллюстрировать следующим примером. Если рассматривать терминаль, в которойсодержится пять квантов (n=5) и вероятность релиза p=0,1, то q=0,9 (потому что q=p-1). Теперь можно определить вероятность того, что при стимуле не будет реализовано ни одного кванта, один квант, два, три и так далее (до n). Вероятность отсутствия высвобожденияни одного из пяти доступных квантов с помощью стимула является продуктом индивидуальных вероятностей отсутствия релиза каждого кванта: q⁵=(0,9)⁵ или 0,59. Таким образом, можно увидеть 59 неудач в сотне наблюдений. Вероятность наблюдения релиза одного, двух, трех, четырех или пяти квантов представлены последовательными условиями биноминального разложения:

(q + p) ⁵ = q⁵ (провалов) + 5 q⁴ p (1квант) + 10 q³ p² (2 кванта) + 10 q² p³ (3 кванта) + 5 qp⁴ (4 кванта) + p⁵ (5 квантов).

Таким образом, в 100 стимулов биноминальное разложение будет предсказывать 33 единичных ответа, 7 двойных и 1 тройной, а также ноль четырехкратных и пятикратных ответов. Значения для m варьируются от 100 до 300 в нервно-мышечном синапсе позвоночных, а так же в синапсе гигантского кальмара и центральном синапсе Aplysia, а в синапсах симпатического ганглия и позвоночного столба позвоночныхвсего от 1 до 4. Вероятность релиза p так же варьируется, начиная от 0,7 в нервно-мышечном соединении лягушки, и до 0,9 в синапсах краба и примерно 0,1 в некоторых синапсах центральной нервной системы. Оценки n варьируются от 1000 (нервно-мышечный синапс позвоночных) до 1 (одиночные терминали нейронов центральной нервной системы). (KandelE.R. 2012)

Параметры n и p являются статическими переменными; представленные ими физиологические процессы еще не до конца понятны. Как обсуждалось в этой главе,трансмиттер упакован в везикулу и квант трансмиттера реализуется по принципу “все или ничего”. Хоть параметр n и считался, что представляет собой количество легко реализуемых (или доступных) квантов трансмиттера, теперь он отражает количество сайтов релиза или активных зон в пресинаптической терминали, к которой присоединены везикулы, содержащие нейротрансмиттеры. Хоть активная зона и имеет ряд инициированных везикул, есть доказательства того, что пресинаптический потенциал действия может спровоцировать экзоцитоз не более одной везикулы в активной зоне. Так же количество сайтов релиза считается фиксированным, но частица, что загружает, считается переменной. Параметр p, вероятно, представляет собой соединение нескольких вероятностей, как минимум вероятностей двух процессов: количество везикул, которые были мобилизованы к активной зоне на место релиза и вероятность того, что потенциал действия будет разряжать квант трансмиттера из данного присоединенного к активной зоне пузырька. Считается, что эта вероятность зависит от притока Ca²⁺ во время потенциала действия.

Квантовый размер a -- это реакция постсинаптической мембраны на релиз одного кванта трансмиттера. Квантовый размер зависит в значительной степени от свойств постсинаптической терминали, такие как ее входное сопротивление и ее емкость (которые могут быть независимыми по показателям), а также отзывчивость постсинаптической мембраны для вещества трансмиттера. Этот показатель может быть измерен по реакции постсинаптической мембраны на применение постоянного количества трансмиттера. Средний размер синаптического ответа E, вызванного потенциалом действия, зависит от общего количества присутствующих квантов и вероятности релиза отдельного кванта. Поэтому квантовый размер отдельного нейрона можно вычислить по формуле:

E=n · p · a

В центральной нервной системе большинство пресинаптических терминалей имеют лишь одну активную зону, где потенциал действия осуществляет релиз лишь одного кванта трансмиттера или ничего. Однако в некоторых синапсах, таких как чашечка Гельда, пресинаптическая терминаль может содержать много активных зон, и релиз будет уже состоять из нескольких квантов в ответ на единственный пресинаптический потенциал действия. Так же особенность центральных нейронов в том, что они различаются по количеству синапсов, которые типичная пресинаптическая клетка создает с типичной постсинаптической клеткой. Принимая во внимание то, что большинство центральных нейронов образуют только один синапс с одной постсинаптической клеткой. Однако,лазающие волокна могут формировать до 10000 терминалей на одном нейроне Пуркинье в мозжечке. Наконец, средняя вероятность релиза трансмиттера из одной активной зоны так же широко варьируется среди разных пресинаптических терминалей, от менее чем 0,1 (то есть 10% вероятность релиза при пресинаптическом потенциале действия), до 0,9. Этот широкий диапазон вероятности можно даже увидеть среди отдельных отростков в разных синапсах между специфическим типом пресинаптической клетки и специфическим типом постсинаптической клетки.(KandelE.R. 2012)

Таким образом, центральные нейроны сильно отличаются по эффективности и надежности синаптической передачи. Синаптическая надежность определяется как вероятность того, что потенциал действия в пресинаптической клетке приводит к некоторому измеримому ответу в постсинаптической клетке, то есть к релизу одного или нескольких квантов трансмиттера. Эффективность относится к средней амплитуде синаптического ответа, который зависит от надежности синаптической передачи. Большинство центральных нейронов сообщены синапсами, которые имеют низкую вероятность релиза трансмиттера. Высокая частота провалов в синапсах (то есть низкая вероятность релиза) не является дефектом конструкции, но является результатом специфики нервной ткани. Эта функция позволяет регулировать релиз трансмиттера в широких пределах динамического диапазона, который важен для обучения и формирования памяти. В синаптических соединениях, где низкая вероятность вредна для функций, это ограничение решается просто наличием большого количества активных зон в одном синапсе, как в случае с чашечкой Гельда и нервно-мышечном синапсе. Оба они содержат сотни независимых активных зон, поэтому потенциал действия спокойно реализует от 150 до 200 квантов, гарантируя, что пресинаптический потенциал всегда сопровождается постсинаптическим потенциалом. Надежная передача в нервно-мышечном соединении важный фактор для выживания. Животное не выживет, если его реакция будет затруднена маловероятным ответом.

Не вся химическая передача зависит от синапсов. Некоторые вещества, к примеру, метаболиты липидов и газообразный оксид азота, может диффундировать через липидный слой мембраны. Другие могут быть выделяться из нейрона белками переносчиками, если их внутриклеточная концентрация достаточно высока. В плазматической мембранетранспортеры глутамата или г-аминомасляной кислоты (ГАМК) обычно сразупосле пресинаптического потенциала действия транспортируют трансмиттер в клетку из синаптической щели. Тем не менее, в определенных глиальных клетках сетчатки направление транспорта глутамата может быть изменено в отдельных условиях, и глутамат начнет покидать клетку, в синаптическую щельчерез транспортер. Так же некоторые вещества просто вытекают из нервных окончаний с низкой скоростью. Удивительно, что примерно 90% АХ, покидающего пресинаптические терминалы в нервно-мышечном соединении, из-за постоянной утечки. Эта утечка не эффективна, потому что она диффузна и не направленны на рецепторы концевой пластины, и поэтому она непрерывна и низка, а не синхронная и концентрирована. (KandelE.R. 2012)

Как же осуществляется хранение и релиз трансмиттера в синаптических везикулах? При физиологических наблюдениях, с помощью электронной микроскопии,было обнаружено, что релиз трансмиттера фиксированных квантов совпадает с открытием мелких прозрачных везикул в пресинаптической терминали. Дель Кастилло и Кац предположили, что везикулы являются органеллами для хранения трансмиттера, при этом в одной везикуле содержится один квант трансмиттера (в количестве несколько тысяч молекул) и каждый такой пузырек выпускает все свое содержимое в синаптическую щель. Места релиза, активные зоны, содержат облако синаптических везикул, которые группируются над нечетким электронно-плотным материалом, прикрепленным к внутренней поверхности пресинаптической мембраны. У совсем быстрых синапсов везикулы, как правило, четкие, маленькие и яйцевидные, диаметром около 40 нм. Хотя большинство везикул не контактирует с активной зоной, некоторые физически связанны. Их называют купированными везикулами, и они считаются немедленно реализующиеся для высвобождения. На нервно-мышечном соединении активные зоны представляют собой линейные структуры, тогда как в синапсах центральной нервной системы, они представляют собой дискообразные структуры размером примерно 0,1 нм² в области проекции, обращенной в цитоплазму. Активные зоны всегда точно наложены на постсинаптическую терминаль, которая содержит нейротрансмиттерные рецепторы. Таким образом, постсинаптические и пресинаптические области функционально специализированы и морфологически направленны кдруг другу. На данный момент уже описаны и охарактеризованы несколько зон, участвующих в релизе трансмиттера.

Глава 3. Синаптические везикулы и их взаимосвязь высвобождение трансмиттера

Квантовая гипотеза Дель Кастилло и Каца была подтверждена прямыми экспериментальными данными, свидетельствующие о том, что синаптические везикулы действительно упаковывают нейротрансмиттеры и что они высвобождают свое содержимое непосредственно от слияния с пресинаптической мембраной, и этот процесс называется экзоцитоз. Томас Риз и Джон Хойзер и их коллеги получили электронную микрофотографию, на которой запечатлён пузырек в акте экзоцитоза. Что бы наблюдать краткое экзоцитологическое событие необходимо быстро заморозить нервно-мышечное соединение в жидком гелии при точно определенном интервале после пресинаптического стимула. Кроме того, они увеличили количество квантов трансмиттера, разряженных после каждого нервного импульса с помощью вещества 4-амилопиридина, он блокирует определенные потенциал-зависимые K⁺ каналы, что увеличивает продолжительность потенциала действия, тем самым усиливая приток Ca²⁺.

С помощью методики электронной микроскопии Риз и Хойзер отмечали деформации пресинаптической мембраны вдоль активной зоны сразу после синаптической активности, которую они интерпретировали как инвагинации клеточной мембраны, вызванные слиянием синаптических везикул. Эти деформации лежат вдоль одного или двух рядов необычно крупных мембранных частиц, которые видны вдоль обоих рядов синаптической плотности, теперь считается что это были каналы Ca²⁺. Плотность этих частиц примерно 1500 на мкм² что и соответствует каналам Ca²⁺, которые необходимы для релиза трансмиттера. Кроме того, близкое расположение этих частиц согласуется с коротким промежутком времени между релизом и Ca²⁺ током. Наконец, Хойзер и Риз обнаружили, что эти деформации являются переходными; они происходят только тогда, когда везикулы разряжены и не сохраняются после того, как произошел релиз трансмиттера. Микрофотографии тонкого сечения показали омега-образные (Щ) структуры, связанные с появлением синаптических пузырьков, которые только что слились с мембраной, до полного слияния везикулярной мембраны с плазматической мембраной. Хойзер и Риз подтвердили эту идею, показывая что число Щ-образные структуры напрямую связанны с ВПСП, они варьировали количество 4-аминопиримидина, чтобы изменить количество выпущенного трансмиттера. Эти морфологические изменения представляют убедительные доказательства того, что релиз трансмиттера осуществляется через синаптические везикулы посредством экзоцитоза. После экзоцитоза получившийся избыток мембраны пресинаптического терминали восстанавливается. Экзоцитоз это одно из свойств везикулярной мембраны.

В некоторых нейронах с большой пресинаптической мембраной увеличение площади мембраны за счет экзоцитоза может быть обнаружено с помощью электрических измерений увеличения емкости мембраны. Неер обнаружил, что измерение емкости можно использовать для мониторинга экзоцитоза в секреторных клетках. Релиз трансмиттера в таком случае сопровождается последовательным увеличением емкости, а затем таким же последовательным уменьшением, что отражает утилизацию избыточной мембраны. В нейронах изменения емкости одним или несколькими пузырьками очень малое, чтобы быть решающим. В определенных синаптических препаратах, которые выделяют большое количество везикул (такие как гигантские синаптические терминали биполярных нейронов сетчатки),деполяризация вызывает плавный переходный процесс, постепенный рост емкости терминали за счет экзоцитоза и добавление мембраны из сотен отдельных синаптических пузырьков. Эти результаты говорят, о слиянии и увеличении мембраны.

Морфологические исследования с использованием тучных клеток показывают, что экзоцитоз зависит от образования временной поры слияния, которая охватывает мембрану везикулы и плазматическую мембрану. В электрофизиологических исследованиях тучных клеток увеличение емкости сопровождалось образованием каналоподобной слитой поры до завершения слияния везикулы с клеточной мембраной. Во время экзоцитоза поры резко расширяются от 5 до 50 нм в диаметре, и проводимость мембраны резко возрастает (рис.8)

Поровое пространство - это не просто промежуточная структура, приводящая к экзоцитозу трансмиттера, так как релиз трансмиттера может быть осуществлен еще до полного слияния. Это было показано с помощью метода амперометрии, метода, который использует внеклеточный углеродный электрод для обнаружения отдельныхаминных нейротрансмиттеров (таких как серотонин), основываясь на химической реакции между электродом и трансмиттером, генерирующей электрический ток, пропорциональный локальной концентрации трансмиттера. Потенциал действия в серотонин генерирующих клетках приводит к кратковременному увеличению тока, что способствует экзоцитозу содержимого одной везикулы с плотным ядром. В некоторых случаях большому кратковременному увеличению предшествуют меньшие, более продолжительные токовые сигналы, которые отражаются утечку трансмиттера через пору слияния (рис.9).

Трансмиттер так же может быть реализован через переходные поры слияния, то есть без полного слияния мембраны везикулы с плазматической. Измерение емкости экзоцитоза показало, что везикулы с плотным ядром и мелкие прозрачные везикулы могу открывать поры слияния и закрывать их, этот процесс обратим. Обратимое открытие и закрытие поры слияния представляет собой очень быстрый метод мембранного извлечения, но этого причины остаются неопределёнными.

Цикл синаптических пузырьков включает с себя несколько стадий (рис.10). При высокой стимуляции классический нейрон способен поддерживать высокую скорость релиза трансмиттера. Это может привести к релизу большего количества пузырьков, чем изначально присутствовало в пресинаптической терминали. Пузырьки после слияния быстро восстанавливаются и перерабатываются. Потому что, если бы везикулы формировались в теле нейрона, они бы не успевали дойти до синапса, и это было бы очень медленной реакцией.

Существуют три механизма для получения синаптической везикулярной мембраны после экзоцитоза, и они различны по времени. Первый и самый быстрый механизм - это открытие и закрытие синаптической поры, без полного слияния везикулярной мембраны с плазматической мембраной. Он присоединяется и остается в активной зоне после образования поры, готовый ко второму релизу трансмиттера. Считается, что этот механизм преобладает при стимуляции на низких амплитудах. Стимуляция более высокими амплитудами приводит ко второму механизму, он более медленный и использует клатрин для извлечения мембраны везикулы из плазматической мембраны. В этом механизме мембрана везикулы должна быть переработана через везикулярный компартмент, прежде чем везикулы будут возобновлены. Клатрин-опосредованный механизм длится около минуты и,похоже, отходит в цитоплазму около активной зоны. Третий механизм действует после длительной высокочастотной стимуляции. В таких условиях видна крупная инвагинация пресинаптической терминали, которая отражает рециркуляцию мембранпосредством процесса, называемого массовым извлечением. (Hammond C.2001)

3.2 Модуляция релиза трансмиттера в основе синаптической пластичности

Изменение эффективности химических синапсов на короткие и длительные периоды, называется синаптической пластичностью. Эта функциональная модификация происходит под влиянием внешних или внутренних сигналов. Пример внутреннего сигнала - это быстрый релиз. К внешним сигналам относится синаптический сигнал от других нейронов или диффузные действия нейромодуляторов. Синаптическая сила может быть изменена пресинаптически, изменяя высвобождение нейротрансмиттера или постинаптически, модулируя реакцию на трансмиттер. Долгосрочные изменения в пресинаптических и постсинаптических механизмах имеют решающее значение в формировании памяти и обучения.

Релиз трансмиттера может быть резко и быстро смодулирован - иногда за считанные секунды - и это изменение может сохраняться в течение нескольких секунд, часами или даже днями. Такие изменения могут быть опосредованы двумя различными механизмами: изменение притока Ca²⁺ или изменение количества трансмиттера в ответ на данную концентрацию Ca²⁺. Синаптическая сила обычно увеличивается интенсивностью деятельности. Во многих нейронах после высокочастотной последовательностью потенциалов действия следует период, в течении которого единственный потенциал действия производит значительно больше постсинаптических потенциалов (рис.11). Высокочастотное стимулирование нейронов, которое в отдельных случаях может генерировать от 500 до 1000 потенциалов действий в секунду, называется тетаническим раздражителем. А увеличение ВПСП во время тетанической стимуляции называется потенцированием, увеличение, которое сохраняется после тетанической стимуляции называется посттетаническим потенцированием. Это увеличение обычно длится несколько минут, но может продолжаться в течение часа и более в некоторых синапсах. Противоположный эффект - уменьшение размера постсинаптических потенциалов, возникает в ответ на более длительные высокочастотные стимуляции, этот эффект называется синаптической депрессией (рис.12). Если увеличить скорость потенциалов в секунду до 15, ВПСП в конечном итоге уменьшится в амплитуде. А при удалении белка активной зоны RIM1б синаптическая депрессия еще больше увеличивается.

3.3 Зависимость релиза от концентрации кальция

Кальций может вызывать длительные изменения релиза, поскольку релиз трансмиттера сильно зависит от внутриклеточной концентрации Ca²⁺, механизмы, которые влияют на нее, так же влияют и на релиз трансмиттера. Терминаль так же влияет на количество реализованного трансмиттера. Как правило, повышениеCa²⁺ в пресинаптической терминали в ответ на потенциал действия быстро компенсируется за счет кальций-связывающих белков и митохондрий; Ca²⁺ так же активно транспортируется из нейрона за счет насосов и транспортеров. Однако во время тетонической стимуляции так много Ca²⁺ накапливается в терминалях аксона, что буферные системы и системы очистки становятся насыщенными. Это приводит к временному превышению Ca²⁺, который называется остаточный Ca²⁺. Без остаточного Ca²⁺ синаптическая передача усиливается на много минут или дольше, активируются определённые ферменты, которые чувствительны к повешенным концентрациям Ca²⁺, такие как Ca²⁺/кальмодулин-зависимый белок киназы. Считается, что активация таких кальций-зависимых ферментативных путей увеличивает скорость инициации везикулы в терминалях. И это уже самый простой вид памяти. Пресинаптическая клетка хранит информацию об истории своей активности в виде остаточного Ca²⁺ в своей терминали. (Hammond C.2001)

При длительной тетанической стимуляции запас синаптических пузырьков в активной зоне истощается, в результате получается синаптическая депрессия. Для противодействия этой депрессии используются механизмы из двух белков активной зоны Munc13 или RIM. К примеру, длительная тетаническая стимуляция активирует фосфолипазу C, которая производит инозитол 1,4,5-трифосфат и диацилглицерид. Диацилглицерид напрямую взаимодействует с доменом белка Menc13 и образует домен C1, гомологичный диацилглицерол-связывающему домену в протеинкиназе С. Связывание диацилглицерола в Munc13 в течение длительного повторении стимуляции приводит к высокому уровню релиза трансмиттера даже перед депрессией, ускоряя рециркуляцию синаптических пузырьков. Если удалить Munc13 и RIM, то депрессия синаптическая усилится.

Аксон-аксонные синапсы имеют одно важное отличие, уменьшают или увеличивают приток Ca²⁺ из пресинаптической терминали в постсинаптическую клетку, тем самым увеличивая или подавляя релиз трансмиттера, соответственно. Когда релиз трансмиттера из одного нейрона гиперполяризует тело клетки или дендритов другого нейрона, это уменьшает вероятность того, что постсинаптическая клетка ответит; это действие называется постсинаптическим торможением. И наоборот, когда нейрон делает синапсы на терминали аксона другой клетки, он может уменьшить релиз трансмиттера на постсинаптической клетке на третью клетку; это действие называется пресинаптическим торможением (рис.13)

Другие аксон-аксонные действия могут увеличить количество трансмиттера реализованного постсинаптической ячейкой; это действие называется пресинаптическим (рис.14). Может происходить как облегчение, так и торможение в ответ на реакцию ионотропных и метаботропных рецепторов в пресинаптической мембране. Лучше всего механизмы пресинаптического торможения были изучены в механорецепторах позвоночных, и было выделено три механизма.

Один зависит от активации ионотропных ГАМК-рецепторных каналов в пресинаптической терминали. Открытие этих каналов приводит к увеличению проходимостиCl^-, который уменьшает амплитуду потенциала действия в постсинаптической терминале. Чем меньше деполяризация активирует Ca²⁺ каналов, тем меньше высбовобжение трансмиттера. Два других механизма являются результатом активации пресинаптических G-белок-связывающих метаботропных рецепторов. Один тип действия заключен в модуляции ионных каналов. вг-субъединичный комплекс G-белков может одновременно закрывать потенциал-зависимые Ca²⁺ каналы и открывать K⁺каналы. Это уменьшает приток Ca²⁺и усиливает реполяризацию пресинаптической терминали, уменьшая тем самым релиз трансмиттера. Второй механизм G-белок-зависимого механизма связан с прямым действием комплекса вг-субъединиц на механизм релиза трансмиттера, независимо от каких-либо изменений активности ионных каналов или притока Ca²⁺. Предполагается, что этот второй тип включает снижение чувствительности к Ca²⁺ у механизма релиза. Напротив, пресинаптическое облегчение может быть вызвано улучшением притока Ca²⁺. Активация пресинаптических ионотропных рецепторов увеличивает релиз трансмиттера. Облегчение может быть вызвано непосредственно в случае Ca²⁺-проницаемых рецепторных каналов путем прямого усиления притока Ca²⁺ или косвенно, в случае Ca²⁺потенциал-зависимых каналов через деполяризацию пресинаптической терминали, которая приводит к увеличению притока Ca²⁺. (KandelE.R. 2012)

Таким образом, пресинаптические терминали наделены разнообразными механизмами для изменения силы синаптической передачи. Хоть мы и знаем достаточно о краткосрочных изменениях силы синапсов, длящиеся от минуты до часа, мы только начинаем узнавать о механизмахподдерживающих изменения в течение дней, недель, и дольше. Эти долговременные изменения часто требуют перестройки в экспрессии генов и структурах пресинаптической и постсинаптической в дополнение к изменениям притока Ca²⁺и улучшение релиза трансмиттера соответственно.(KandelE.R. 2012)

Выводы

Секреция нейротрасмиттера в пресинаптическую терминаль является одним из наиболее фундаментальных и сложных процессом в последовательной цепи передачи сигналов между нейронами. Некоторые аспекты этого процесса остаются недостаточно изученными и не полностью поддаются объяснению. В первую очередь это касается тонких молекулярных взаимодействий: слияния везикул с постсинаптической мембраной, сигнальных молекул и мессенджеров, регулирующих механизмы передачи сигнала. В настоящее время установлено, что релиз трансмиттера зависит от множества факторов, и не всегда он строго детерминирован. В частности многие элементы влияющие на высвобождение того или иного трансмиттера, носят статистический или вероятностный характер. И вполне возможно этот подход является следствием от неполного знания всех процессов. Есть предположение, что тонкие молекулярные события, и особенно ионные, связаны с квантомеханическим состоянием ионов или электронов, которые могут подчиняться принципам квантовой неопределённости. Тем не менее, многие составляющие комплексного механизма секреции хорошо изучены и поддаются описанию.

1. Релиз нейротрансмиттеров опосредованно зависит от деполяризации пресинаптической мембраны в качестве инициирующего элемента.

2. Процесс инициации связан с притоком катионов натрия в пресинаптическую терминаль и оттоком катионов калия из нее, что приводит потенциал пресинаптической мембраны в область менее отрицательных или даже положительных значений.

3. Но ионы калия или натрия не влияют непосредственно на слияние везикул с пресинаптической мембраной.

4. В экспериментальных системах было установлено, что величина деполяризации пресинаптической терминали влияет на объем выделенного трансмиттера. Но не несет большого практического смысла, так как потенциал действия, приводящий к деполяризации, развивается по принципу «все или ничего», и как следствие имеет одинаковую амплитуду.

5. Но есть и пряма зависимость релиза от притока кальция в пресинаптическую терминаль. Именно кальций способствует высвобождению трансмиттера, потому что он участвует в экзоцитозе везикулы.

6. Количество везикул, формирующих будущую амплитуду постсинаптического потенциала действия, величина относительная, так как разное число везикул готово к слиянию с мембраной в отдельный момент времени.

7. Каждый отдельный ответ формируется дискретной величиной выпущенного трансмиттера, который находится в везикулах. Причина в том, что размер везикулы в отдельном нейроне одинаков, и объем трансмиттера в везикуле тоже более менее постоянен. Этот объем носит название кванта.

8. Еще одним фундаментальным свойством везикул является степень их слияния с пресинаптической мембраной. В одних случаях это полное слияние и исчезновение везикулы, в других образование временной поры.

9. Приток кальцияможет увеличивать4-амилопиридин, за счет блокировки потенциал зависимых калиевых каналов и увеличения потенциала действия, в следствие чего будет реализовано больше квантов.

10. Особый интерес связан с взаимосвязи количества ионов кальция и объемом секреции. Это соотношение связано со свойствами основного буферного белка терминали - синаптотагмина, который инициируется путем взаимодействия сразу с несколькими ионами кальция.

11. Так же если идет длительная стумуляция пресинаптической терминали начинает работать Ca²⁺/кальмодулин-зависимый белок киназы, фермент увеличивающий скорость инициации везикулы при остаточном кальции.

12. Кроме того, постсинаптический ответ может изменяться и варьироваться в зависимости от аксон-аксонных взаимодействий. Если в системе три нейрона, один из которых представлен постсинаптической мембраной, а два других - аксонами, то один аксон, может регулировать релиз из второго

13. Одно из фундаментальных свойств синаптического взаимодействия - это пластичность, которая заключается в способности постсинаптического нейрона изменять постсинаптический потенциал в ответ на один потенциал действия. При этом важную роль играет белок активной зоны RIM1б, который может уменьшать, постсинаптическую депрессию