Реферат: Как клетки общаются между собой
Эту работу поручили дипломнику, который паял схемы, все время перепаивая их для новых значений параметров, подбирая сопротивления, причем сопротивлений с нужными параметрами, как обычно бывает, в лаборатории не оказывалось, и приходилось соединять несколько имеющихся. Канители было много и работа продвигалась медленно. А тут еще пришло лето и отделу предложили выделить двух сотрудников для поездки на месяц в колхоз. Никому не хотелось на столь долгий срок прерывать работу, и сотрудники предложили другой выход: поехать всем вместе, но зато на короткий срок. Жаль было только, что в полевых условиях нельзя ставить эксперименты и паять новые схемы.
Нужда научит калачи есть
Но этот отрыв от паяльника и сопротивлений оказал благотворное действие. Единственными доступными орудиями научного труда тут были карандаш и бумага. И вот Володе Смоляшгаову удалось заменить физическую модель математической: описать связь всех величин, характеризующих синапс, математическими функциями. Необходимый точный метод расчета был найден.
Вернувшись в лабораторию, засели за математические таблицы, линейки и прочие математические приборы того времени. Результаты работы на такой математической модели казались, на первый взгляд, совершенно невероятными.
Оказалось, что, хотя и существует некоторое оптимальное сопротивление мембраны в синапсе, при котором в клетку-мишень попадала самая большая часть тока, все равно эффективность такого синапса была несравнима с реальной. Если сопротивление мембраны бралось ниже оптимального, то увеличивалась утечка тока через щель, если сопротивление увеличивалось, то падала общая сила токах вытекающего из терминали.
Другой результат был уже совсем странным. По модели получалось, чтоулучшить связь между клетками можно, если… их лучше изолироватьдруг от друга! Через синапс,щель которого заполнена веществом с высоким удельнымсопротивлением, терминаль можетвозбудить клетку-мишень, если только синапс имеет подходящие размеры: диаметр в несколько микрометров и, как обычно, тонкую щель. Этот результат, немного подумав, легко понять и на качественном уровне. Высокое сопротивление внутрищелевого вещества будет мало мешать току, текущему из терминали в клетку, так как в этом направлении его слой тонок, но зато будет эффективно препятствовать вытеканию тока через щель, так как в этом направлении сопротивление изолирующего слоя велико. Дело, как видите, опять оказалось в геометрии. Беда только, что электрические синапсы с щелью* заполненной жиром, не были известны в природе.
Отрицательный результат – тоже результат
Модель доказала, что электрический синапс не может работать ни при каком сопротивлении мембраны, одинаковом на всей поверхности синапса. И тогда был сделан следующий шаг в единственном возможном направлении: предположили, что мембрана синапса неоднородна по сопротивлению – она имеет «окна» с низким сопротивлением в центральных областях и высокое сопротивление у края синапса.
Эта гипотеза оказалась верной. С усовершенствованием методов электронной микроскопии в разных лабораториях мира было обнаружено, что, действительно, в ЭС используется неоднородная мембрана, но ее неоднородность создается особым способом: с помощьюспециального белка – коннектина. Молекулы этого белка имеются и в мембране терминали, и в мембране клетки-мишени и образуют там особую структуру – коннексон, состоящую из шести молекул и имеющую внутриканал. Когда аксон дорастает до клетки-мишени, дваконнексона соседних мембран соединяются друг с другом ив каждом из них открывается отверстие – канал, который до того закрыт. Этот канал представляет низкое сопротивление для прохождения ионов. В ЭС много коннексонов. Таким образом, ЭС связывает две клетки множеством тоненьких трубочек диаметром около 1 – 1,5 нм, проходящих внутри белковых молекул.
Сделаем небольшое отступление в сторону. Какую же роль сыграло в данном случае математическое моделирование синапса? Ситуация тут достаточно парадоксальная.
Если бы удалось найти параметры, соответствующие передаче тока в реальных синапсах, и модель удовлетворяла бы экспериментальным данным, то результат был бы не столь ценен. Он только означал бы, что ЭС может быть устроен так, как предполагалось в начале, но он мог быть устроен и иначе. Возможно, существуют десятки моделей, которые одинаково хорошо соответствуют эксперименту. Но отрицательный результат моделирования является абсолютным. Он строго говорит, что система не может быть устроена так, как мы предполагаем, и следует искать, как же она устроена на самом деле.
Замечательно, что и второй результат исследования ЭС на математической модели, несмотря на свою кажущуюся несообразность, также нашел экспериментальное подтверждение. Оказалось, что природа действительно использует заполнение щели изолятором. У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень большой по диаметру ЭС, щель которого заполнена миелином, т.е. изолятором. Для такого большого синапса этот способ весьма эффективен, как и предсказывала модель. Таким образом, в природе действительно используются и заполнение синаптической щели изолятором, и неоднородные мембраны.
Химический синапс
В отличие от электрических синапсов, которые так или иначе служат для образования непрерывного пути для электрического сигнала, химические синапсы – это настоящие «разрывы»: электрическому сигналу «напрямую» через химический синапс не пройти.
Рассмотрим для примера работу нервно-мышечного синапса. Как вы знаете, мембрана мышечного волокна возбудима: если прикоснуться к ней электродом, мышца сократится. Оказывается, существует парадоксальное исключение: именно в том месте мембраны, через которое приходит сигнал от мотонейрона к сокращению, мышца не чувствительна к электрическому воздействию! Значит, мотонейрон воздействует на мышцу совершенно иным способом: в его терминали электрический сигнал преобразуется в химический.
Общую схему работы химического синапса мы уже описывали. Когда нервный импульс доходит до терминали мотонейрона под его воздействием в синаптическую щель выделяется особое вещество – медиатор. Для нервно-мышечного синапса позвоночных таким медиатором служит ацетилхолин. Вот к этому-то веществу и чувствительна постсинаптическая мембрана. Стоит только поднести к области синапса пипетку с раствором, содержащим ацетилхолин, и вывести немного ацетилхолина наружу, как в мышечном волокне возникает изменение потенциала, тем более сильное, чем больше ацетилхолина выведено из пипетки. Если эти изменения потенциала достигают порога возбуждения электровозбудимой мембраны, то в ней возникает ПД и мышечное волокно сокращается.
Выделение медиатора
В 1950 г. английские ученые Фетт и Катц, изучая работу нервно-мышечного синапса лягушки, обнаружили, что без всякого действия на нерв в мышце в области постсинаптической мембраны сами по себе через случайные промежутки времени возникают небольшие колебания потенциала, амплитудой примерно в 0,5 мВ, которые они назвали «миниатюрные потенциалы». Когда Фетт и Катц подействовали на синапс ядом, о котором было известно, что он блокирует выделение ацетилхолина из терминалей, миниатюрные потенциалы исчезли.
Получалось, что в химическом синапсе медиатор выделяется и в покое, но изредка и небольшими определенными порциями.
К тому времени электронная микроскопия уже достаточно много знала об устройстве синапсов. В частности, было известно, что в пресинаптических окончаниях имеются какие-то пузырьки диаметром примерно 500 нм. Иногда удавалось увидеть, что мембрана этих пузырьков сливается с мембраной терминали. Катц выдвинул гипотезу, что миниатюрные потенциалы возникают тогда, когда такой пузырек слипается с пресинаптической мембраной, разрывается и выбрасывает в синаптиче-скую щель свой запас ацетилхолина. Частично эту гипотезу удалось проверить цитологам: они сумели выделить везикулы и показать, что в них действительно содержится «цетилхолин.
Итак, в покое, когда мотонейрон не возбужден, в синапсе существует небольшой электрический шум: за счет случайного выброса ацетилхолина возникают миниатюрные потенциалы; средняя частота их – примерно один в секунду. Но амплитуда этих одиночных потенциалов слишком мала, и поэтому мышечное волокно не возбуждается. Когда же к терминали мотонейрона подходит ПД, то происходит массовое опорожнение везикул: за 0,1 мс лопаются примерно 100 пузырьков. И все они выбрасывают свой ацетилхолин в синаптическую щель. В результате в мышечном волокне возникает деполяризация в 30 – 50 мВ, что гораздо выше порогового значения.
Естественно было посмотреть, как влияет изменение МП терминали на частоту миниатюрных потенциалов, т.е. на частоту выброса ацетилхолина. Оказалось, что при деполяризации терминали частота выделения везикул возрастает экспоненциально. Это объясняет, почему под действием нервного импульса выделяется так много ацетилхолина.
Но решение одного вопроса, как всегда, порождает новые: почему деполяризация приводит к тому, что везикулы начинают чаще «прилипать» к мембране?
Целым рядом экспериментов было выяснено, что «виновником» возрастания частоты выделения медиатора являются ионы кальция. Оказалось, что в пресинаптической терминали имеются потенциалзависимые кальциевые каналы, которые открываются при деполяризации терминали, и кальций входит в терминаль.
Этот процесс был очень красиво показан Ллинасом и др. в 1972 г. на крупном синапсе кальмара, где имеется возможность вводить разные вещества в терминаль. Есть такое вещество – экворин. При соприкосновении с ионами кальция он дает световую вспышку. Ллинас и его сотрудники ввели 'экворин в пресинаптическую терминаль. Когда к синапсу приходил нервный импульс, пресинаптическое окончание вспыхивало, показывая, что внутрь него вошли ионы кальция. Но ученые не ограничились этой красивой иллюстрацией уже известных к тому моменту фактов и поставили новый опыт, который дал важный результат. Они ввели через микроэлектрод внутрь окончания ионы кальция, и тут же без всякой деполяризации началось выделение медиатора.
Итак, оказывается, что причиной выделения медиатора является не деполяризация сама по себе, а то, что деполяризация открывает дорогу кальцию внутрь терминали. И если убрать из наружной среды кальций, то как показали эксперименты, химический синапс не сработает ни при какой деполяризации и даже миниатюрные потенциалы исчезнут.
Но есть еще один очень важный вопрос' почему после попадания кальция внутрь терминали медиатор выделяется только очень короткое время, а потом его выделение прекращается? Кальциевые каналы терминали открываются лишь на очень короткое время, но за это время концентрация кальция в терминали повышается в тысячи раз. Куда же девается этот кальций? Оказывается, он быстро выкачивается наружу кальциевым насосом и поглощается митохондриями, которые всегда присутствуют в синаптических окончаниях.
После этих работ был выяснен механизм действия некоторых ядов. Например, из яда паука каракурта был выделен белок – латротоксин, который по существу представляет собой незакрывающиеся кальциевые каналы. Он встраивается в пресинаптическую мембрану и начинает пропускать в терминаль кальций. В результате запасы ацетилхолина в терминали полностью истощаются и нервная система не может вызвать сокращения мышц.
Но что же делает кальций, попав внутрь терминали? На этот вопрос пока нет однозначного ответа. Возможно, кальций просто экранирует отрицательные заряды мембраны везикул и мембраны терминали, что позволяет им слиться; возможно, кальций вызывает сокращение «внутриклеточных мышц», которые подтягивают пузырек к мембране; а может быть, механизм действия кальция окажется совсем иным и неожиданным.