Kémiai szinapszis - Chemical synapse

A kémiai szinaptikus átvitel fő elemeinek művészi értelmezése. Az akciós potenciálnak nevezett elektrokémiai hullám egy neuron axonja mentén halad . Amikor az akciós potenciál eléri a preszinaptikus terminált, szinaptikus vezikula felszabadulását idézi elő , kiválasztva a neurotranszmitter molekulák kvantumait . A neurotranszmitter kötődik a kémiai receptor molekulákhoz, amelyek egy másik neuron, a posztszinaptikus neuron membránjában helyezkednek el, a szinaptikus hasadék másik oldalán.

A kémiai szinapszisok olyan biológiai csomópontok, amelyeken keresztül az idegsejtek jelei továbbíthatók egymáshoz és nem neuronális sejtekhez, például az izmokhoz vagy mirigyekhez . A kémiai szinapszisok lehetővé teszik, hogy az idegsejtek áramköröket képezzenek a központi idegrendszerben . Lényegesek az észlelés és a gondolkodás alapjául szolgáló biológiai számításokhoz. Lehetővé teszik az idegrendszer számára, hogy csatlakozzon a test más rendszereihez és irányítsa őket.

Egy kémiai szinapszisban az egyik neuron neurotranszmitter molekulákat bocsát ki egy kis térbe (a szinaptikus hasadékba ), amely szomszédos egy másik neuronnal. A neurotranszmitterek kis zsákokban vannak, amelyeket szinaptikus vezikuláknak neveznek , és exocitózis révén a szinaptikus hasadékba kerülnek . Ezek a molekulák ezután kötődnek a posztszinaptikus sejt neurotranszmitter receptoraihoz . Végül a neurotranszmittereket számos lehetséges mechanizmus egyikével eltávolítják a szinapszisból, beleértve az enzimatikus lebomlást vagy a specifikus transzporterek által a preszinaptikus sejten vagy más neurogliákon történő újrafelvételt, hogy megszüntessék a neurotranszmitter hatását.

A felnőtt emberi agy a becslések szerint tartalmazhat 10 14 és 5 × 10 14 (100-500000000000000) szinapszisok. Az agykéreg minden köbmillimétere nagyjából egymilliárdot ( rövid skála , azaz 10 9 ) tartalmaz. A szinapszisok számát az emberi agykéregben külön -külön 0,15 quadrillionra (150 trillió) becsülték

A "szinapszis" szót Sir Charles Scott Sherrington vezette be 1897 -ben. A kémiai szinapszisok nem az egyetlen biológiai szinapszis típusa: elektromos és immunológiai szinapszisok is léteznek. Minősítő nélkül azonban a "szinapszis" általában kémiai szinapszisra utal.

Szerkezet

Egy tipikus kémiai szinapszis felépítése
Különbséget kell tenni a szinapszis előtti és utáni között
"A neuront és a neuront összekötő kapcsolat a szinapszis. A jel
egy irányban áramlik , a preszinaptikus neurontól a posztszinaptikus neuronig
a szinapszison keresztül, amely változó csillapítóként működik." Röviden,
a jeláramlás iránya határozza meg az érintett
szinapszisok előtagját .

A szinapszisok funkcionális kapcsolatok a neuronok között, vagy a neuronok és más típusú sejtek között. Egy tipikus neuron több ezer szinapszist eredményez, bár vannak olyan típusok, amelyek sokkal kevesebbet okoznak. A legtöbb szinapszis összekapcsolja az axonokat a dendritekkel , de vannak más típusú kapcsolatok is, beleértve az axon-sejt-testet, az axon-axont és a dendrit-dendritet . A szinapszisok általában túl kicsik ahhoz, hogy fénymikroszkóppal felismerhetők legyenek, kivéve azokat a pontokat, ahol két sejt membránja érintkezni látszik, de sejtes elemeik jól láthatóak elektronmikroszkóppal .

A kémiai szinapszisok az információt egy preszinaptikus sejtből egy posztszinaptikus sejt felé irányítják, ezért szerkezetük és működésük aszimmetrikus. A preszinaptikus axon terminál , vagy szinaptikusbouton, egy speciális terület a preszinaptikus sejt axonjában, amely neurotranszmittereket tartalmaz, amelyek kisméretű, membránhoz kötött gömbökbe vannak zárva, szinaptikus vezikuláknak (valamint számos más tartószerkezetnek és organellának, például mitokondriumoknak és endoplazmatikus retikulumnak ). A szinaptikus vezikulumok a preszinaptikus plazmamembránhoz vannak rögzítve az aktív zónáknak nevezett régiókban .

Közvetlenül szemben van a posztszinaptikus sejt neurotranszmitter receptorokat tartalmazó része ; két neuron közötti szinapszis esetén a posztszinaptikus régió megtalálható a dendriteken vagy a sejttesten. Közvetlenül a posztszinaptikus membrán mögött egy összekötött fehérjék bonyolult komplexe, az úgynevezett posztszinaptikus sűrűség (PSD).

A PSD -ben lévő fehérjék részt vesznek a neurotranszmitter receptorok lehorgonyzásában és forgalmazásában, valamint e receptorok aktivitásának modulálásában. A receptorok és a PSD -k gyakran megtalálhatók a fő dendritikus tengely speciális nyúlványaiban, az úgynevezett dendritikus tüskékben .

A szinapszisok szimmetrikusak vagy aszimmetrikusak. Elektronmikroszkóp alatt vizsgálva az aszimmetrikus szinapszisokat a preszinaptikus sejtben lekerekített hólyagok és kiemelkedő posztszinaptikus sűrűség jellemzi. Az aszimmetrikus szinapszisok általában gerjesztőek. Ezzel szemben a szimmetrikus szinapszisok lapított vagy megnyúlt vezikulákkal rendelkeznek, és nem tartalmaznak kiemelkedő posztszinaptikus sűrűséget. A szimmetrikus szinapszisok tipikusan gátlóak.

A szinaptikus hasadék- más néven szinaptikus rés- a pre- és posztszinaptikus sejtek közötti rés, amely körülbelül 20 nm (0,02 μ) széles. A hasadék kis térfogata lehetővé teszi a neurotranszmitter koncentráció gyors emelését és csökkentését.

Az autapszis egy kémiai (vagy elektromos) szinapszis, amely akkor keletkezik, amikor az egyik neuron axonja szinapszisba kerül saját dendritjeivel.

Jelzés kémiai szinapszisokban

Áttekintés

Íme egy összefoglaló az események sorrendjéről, amelyek szinaptikus átvitelben zajlanak egy preszinaptikus neuronból egy posztszinaptikus sejtbe. Az alábbiakban részletesebben ismertetjük az egyes lépéseket. Vegye figyelembe, hogy az utolsó lépés kivételével az egész folyamat csak néhány száz mikroszekundumot futhat a leggyorsabb szinapszisokban.

  1. A folyamat azzal kezdődik egy hullám elektrokémiai gerjesztés úgynevezett akciós potenciál végighaladva a membrán a preszinaptikus sejt, amíg el nem éri a szinapszis.
  2. A membrán elektromos depolarizációja a szinapszisban olyan csatornák megnyílását eredményezi, amelyek átjárják a kalciumionokat.
  3. A kalciumionok a preszinaptikus membránon keresztül áramlanak, gyorsan növelve a kalcium koncentrációt a belső térben.
  4. A magas kalciumkoncentráció aktiválja a kalcium-érzékeny fehérjék halmazát , amelyek neurotranszmitter vegyszert tartalmazó vezikulákhoz kapcsolódnak .
  5. Ezek a fehérjék megváltoztatják alakjukat, és egyes "dokkolt" vezikulumok membránjai összeolvadnak a preszinaptikus sejt membránjával, ezáltal megnyitják a vezikulákat, és neurotranszmitter tartalmukat a szinaptikus hasadékba, a pre- és posztszinaptikus membránok közötti szűk térbe dobják. sejtek.
  6. A neurotranszmitter diffundál a hasadékon belül. Egy része elmenekül, de egy része a kémiai receptor molekulákhoz kötődik, amelyek a posztszinaptikus sejt membránján helyezkednek el.
  7. A neurotranszmitter kötődése a receptor molekulát valamilyen módon aktiválja . Az aktiválásnak több típusa is lehetséges, amelyeket az alábbiakban részletesebben ismertetünk. Mindenesetre ez a legfontosabb lépés, amellyel a szinaptikus folyamat befolyásolja a posztszinaptikus sejt viselkedését.
  8. A termikus rezgésnek köszönhetően az atomok mozgása, amelyek egyensúlyi helyzetük körül vibrálnak egy kristályos szilárd anyagban, a neurotranszmitter molekulák végül kiszabadulnak a receptorokból és eltávolodnak.
  9. A neurotranszmitter vagy újra felszívódik a preszinaptikus sejtben, majd újracsomagolják a későbbi felszabaduláshoz, vagy pedig metabolikusan lebomlik.

A neurotranszmitter felszabadulása

A neurotranszmitter felszabadulása az axonális ágak végén történik.

A neurotranszmitter felszabadulását az idegimpulzus (vagy akciós potenciál ) érkezése váltja ki, és szokatlanul gyors sejtváladék -folyamat ( exocitózis ) révén következik be. A preszinaptikus idegterminálon belül a neurotranszmitter tartalmú hólyagok a szinaptikus membrán közelében helyezkednek el. Az érkező akciós potenciál kalciumionokat hoz létre a feszültségfüggő, kalciumszelektív ioncsatornákon keresztül az akciós potenciál lefelé irányuló üteménél (faráram). A kalciumionok ezután kötődnek a szinaptotagmin fehérjékhez, amelyek a szinaptikus vezikulumok membránjában találhatók, lehetővé téve a vezikulák összeolvadását a preszinaptikus membránnal. A hólyag fúziója sztochasztikus folyamat, amely a szinaptikus átvitel gyakori meghibásodásához vezet a központi idegrendszerre jellemző nagyon kicsi szinapszisoknál . Nagy kémiai szinapszisok (pl a neuromuszkuláris találkozásánál ), másrészt, hogy egy szinaptikus felszabadulásával valószínűsége 1. Vesicle fúziós hajtja hatására egy sor fehérjék a preszinaptikus terminális ismert SNARE . Összességében azt a fehérjekomplexet vagy szerkezetet, amely a preszinaptikus vezikulák dokkolását és fúzióját közvetíti, aktív zónának nevezik. A fúziós folyamat során hozzáadott membránt később endocitózissal visszanyerik és újrahasznosítják , hogy friss neurotranszmitterrel töltött vezikulákat képezzenek.

Az idegsejt -fúziós neurotranszmitter -felszabadulás általános tendenciája alól kivételt képeznek az emlős ízlelőbimbók II -es típusú receptor sejtjei . Itt az ATP neurotranszmitter közvetlenül a citoplazmából szabadul fel a szinaptikus hasadékba feszültségfüggő csatornákon keresztül.

Receptor kötés

A szinaptikus rés másik oldalán található receptorok megkötik a neurotranszmitter molekulákat. A receptorok két általános módon válaszolhatnak. Először is, a receptorok közvetlenül megnyithatják a ligandum-kapu ioncsatornákat a posztszinaptikus sejtmembránban, ami az ionok bejutását vagy kilépését okozza a sejtbe, és megváltoztatja a helyi transzmembrán potenciált . Az ebből eredő feszültségváltozást posztszinaptikus potenciálnak nevezzük . Általában az eredmény izgató a depolarizáló áramok esetén, és gátló a hiperpolarizáló áramok esetén. Az, hogy a szinapszis gerjesztő vagy gátló -e, attól függ, hogy milyen típusú ioncsatorna vezeti a posztszinaptikus áramot, ami viszont a szinapszisban alkalmazott receptorok és neurotranszmitter típusának függvénye. A második módszer, amellyel a receptor befolyásolhatja a membránpotenciált, az a kémiai hírvivők termelésének modulálása a posztszinaptikus neuronon belül. Ezek a második hírvivők felerősíthetik a neurotranszmitterekre kifejtett gátló vagy gerjesztő választ.

Felmondás

Miután egy neurotranszmitter molekula kötődik egy receptor molekulához, el kell távolítani, hogy a posztszinaptikus membrán tovább tudja közvetíteni a következő EPSP -ket és/vagy IPSP -ket . Ez az eltávolítás történhet egy vagy több eljárással:

  • A neurotranszmitter diffundálhat a hő és a receptor által okozott rezgések miatt, és elérhetővé teszi, hogy metabolikusan lebomoljon a neuronon kívül, vagy újra felszívódjon.
  • A szubszinaptikus membránon belüli enzimek inaktiválhatják/metabolizálhatják a neurotranszmittert.
  • Az újrafelvételi szivattyúk aktívan visszaszivattyúzhatják a neurotranszmittert a preszinaptikus axon terminálba az újrafeldolgozás és a későbbi cselekvési potenciált követő újbóli felszabadítás érdekében.

Szinaptikus erő

Az erejét egy szinapszis definiálta a Sir Bernard Katz , mint a termék a (preszinaptikus) kiadás valószínűsége pr , kvantális méret q (a posztszinaptikus válasz a kiadás egyetlen neurotranszmitter vezikulum, a „quantum”), és n , a szám kiadási helyekről. Az "egységes kapcsolat" általában ismeretlen számú egyedi szinapszist jelent, amelyek összekötik a preszinaptikus neuront a posztszinaptikus neuronnal. A posztszinaptikus potenciálok (PSP) amplitúdója 0,4 mV és 20 mV között lehet. A PSP amplitúdója neuromodulátorokkal modulálható, vagy korábbi tevékenység hatására megváltozhat. A szinaptikus erősségben bekövetkező változások lehetnek rövid távúak, másodpercektől percekig tartóak, vagy hosszú távúak ( hosszú távú erősítés vagy LTP), tartós órák. Úgy gondolják, hogy a tanulás és a memória a szinaptikus erősség hosszú távú változásaiból származik, a szinaptikus plaszticitás néven ismert mechanizmus révén .

A receptor deszenzibilizálása

A posztszinaptikus receptorok deszenzibilizációja az azonos neurotranszmitter ingerre adott válasz csökkenése. Ez azt jelenti, hogy a szinapszis erőssége valójában csökkenhet, amikor az akciópotenciálok gyorsan egymás után érkeznek-ez a jelenség a szinapszisok úgynevezett frekvenciafüggőségét idézi elő. Az idegrendszer számítástechnikai célokra használja ki ezt a tulajdonságát, és hangolhatja szinapszisát olyan eszközökkel, mint az érintett fehérjék foszforilezése .

Szinaptikus plaszticitás

A szinaptikus átvitelt a korábbi tevékenység megváltoztathatja. Ezeket a változásokat szinaptikus plaszticitásnak nevezik, és vagy a szinapszis hatékonyságának csökkenését eredményezhetik, amelyet depressziónak neveznek, vagy a hatékonyság növekedését, az úgynevezett potenciálást. Ezek a változások lehetnek hosszú távúak vagy rövid távúak. A rövid távú plaszticitás formái közé tartozik a szinaptikus fáradtság vagy depresszió és a szinaptikus fokozás . A hosszú távú plaszticitás formái közé tartozik a hosszú távú depresszió és a hosszú távú potenciálás . A szinaptikus plaszticitás lehet homoszinaptikus (egyetlen szinapszisnál fordul elő) vagy heteroszinaptikus (több szinapszisnál is előfordulhat).

Homoszinaptikus plaszticitás

A homoszinaptikus plaszticitás (vagy homotróp moduláció) a szinaptikus erősség változása, amely egy adott szinapszisban végzett tevékenység történetéből következik. Ennek oka lehet a preszinaptikus kalcium változása, valamint a preszinaptikus receptorokra adott visszajelzés, azaz az autokrin jelátvitel egy formája . A homoszinaptikus plaszticitás befolyásolhatja a hólyagok számát és feltöltődési sebességét, vagy befolyásolhatja a kalcium és a vezikulumok felszabadulása közötti kapcsolatot. A homoszinaptikus plaszticitás lehet posztszinaptikus jellegű is. Ez a szinaptikus erősség növekedését vagy csökkenését eredményezheti.

Az egyik példa a szimpatikus idegrendszer (SNS) neuronjai , amelyek noradrenalint szabadítanak fel , amely amellett, hogy befolyásolja a posztszinaptikus receptorokat, a preszinaptikus α2-adrenerg receptorokat is befolyásolja , gátolva a noradrenalin további felszabadulását. Ezt a hatást a klonidinnel használják az SNS gátló hatásainak végrehajtására.

Heteroszinaptikus plaszticitás

A heteroszinaptikus plaszticitás (vagy heterotróp moduláció) a szinaptikus erősség változása, amely más idegsejtek aktivitása miatt következik be. A plaszticitás megint megváltoztathatja a vezikulumok számát vagy azok utánpótlási sebességét, vagy a kalcium és a vezikulák felszabadulása közötti kapcsolatot. Ezenkívül közvetlenül befolyásolhatja a kalcium beáramlását. A heteroszinaptikus plaszticitás lehet posztszinaptikus jellegű is, ami befolyásolja a receptor érzékenységet.

Az egyik példa ismét a szimpatikus idegrendszer idegsejtjei , amelyek noradrenalint szabadítanak fel , ami emellett gátló hatást fejt ki a paraszimpatikus idegrendszer idegsejtjeinek preszinaptikus termináljaira .

Szinaptikus bemenetek integrálása

Általában, ha egy ingerlő szinapszis elég erős, egy akciós potenciál a preszinaptikus neuron indít akciós potenciált a posztszinaptikus sejtben. Sok esetben az ingerlő posztszinaptikus potenciál (EPSP) nem éri el a cselekvési potenciál kiváltásának küszöbét . Ha több preszinaptikus neuron akciópotenciálja egyidejűleg lő, vagy ha egyetlen preszinaptikus neuron elég magas frekvencián tüzel, az EPSP -k átfedhetik egymást és összegezhetnek. Ha elegendő EPSP fed át, az összegzett EPSP elérheti a cselekvési potenciál kezdeményezésének küszöbét. Ezt a folyamatot összegzésnek nevezik, és felüláteresztő szűrőként szolgálhat az idegsejtek számára.

Másrészt egy preszinaptikus neuron, amely gátló neurotranszmittert, például GABA -t bocsát ki, gátló posztszinaptikus potenciált (IPSP) okozhat a posztszinaptikus neuronban, messzebbre hozva a membránpotenciált a küszöbtől, csökkentve az ingerlékenységét és megnehezítve a az idegsejt akciópotenciál kezdeményezésére. Ha egy IPSP átfedésben van egy EPSP -vel, az IPSP sok esetben megakadályozhatja, hogy az idegsejt akciós potenciált lőjön ki. Ily módon egy neuron kimenete sok különböző neuron bemenetétől függhet, amelyek mindegyikének eltérő mértékű befolyása lehet, az adott neuronnal való szinapszis erősségétől és típusától függően. John Carew Eccles végrehajtott néhány fontos korai kísérletet a szinaptikus integrációval kapcsolatban, amiért 1963 -ban megkapta az élettani vagy orvosi Nobel -díjat .

Hangerőátvitel

Amikor egy neurotranszmitter felszabadul egy szinapszisnál, akkor a szinaptikus hasadék szűk terében éri el a legmagasabb koncentrációját, de bizonyos része biztosan eloszlik, mielőtt újra felszívódik vagy lebomlik. Ha eloszlik, potenciálisan aktiválhatja azokat a receptorokat, amelyek vagy más szinapszisokon, vagy a membránon találhatók, távol a szinapszistól. A neurotranszmitter extraszinaptikus aktivitását térfogatátvitelnek nevezik . Jól ismert, hogy az ilyen hatások bizonyos mértékig előfordulnak, de funkcionális jelentőségük régóta vita tárgyát képezi.

A legújabb munkák azt mutatják, hogy a kötetátvitel lehet az uralkodó interakciós mód bizonyos speciális idegsejteknél. Az emlős agykéregben a neurogliaform sejteknek nevezett neuronok egy csoportja gátolhatja a közeli kortikális idegsejteket azáltal, hogy felszabadítja a GABA neurotranszmittert az extracelluláris térbe. Ugyanezen a vonalon a neurogliaform sejtekből az extracelluláris térbe felszabadult GABA is hatással van a környező asztrocitákra , és szerepet játszik a térfogatátvitelben az ionos és neurotranszmitter homeosztázis szabályozásában. A neurogliaform sejtboutonok megközelítőleg 78% -a nem képez klasszikus szinapszist. Ez lehet az első végleges példa arra, hogy a neuronok kémiailag kommunikálnak ott, ahol nincsenek klasszikus szinapszisok.

Kapcsolat az elektromos szinapszisokkal

Egy elektromos szinapszis egy elektromosan vezető kapcsolat két felfekvő neuronok , hogy van kialakítva egy keskeny rés között a pre- és posztszinaptikus sejtek , ismert, mint a gap junction . A rések csomópontjaiban a sejtek körülbelül 3,5 nm -en belül közelednek egymáshoz, nem pedig a 20-40 nm -es  távolsághoz, amely kémiai szinapszisokban választja el a sejteket. A kémiai szinapszisokkal szemben az elektromos szinapszisok posztszinaptikus potenciálját nem az ioncsatornák kémiai adók által történő megnyitása okozza, hanem a két idegsejt közötti közvetlen elektromos kapcsolódás. Az elektromos szinapszisok gyorsabbak, mint a kémiai szinapszisok. Elektromos szinapszisok találhatók az egész idegrendszerben, beleértve a retinát , a thalamus retikuláris magját , a neocortexet és a hippokampuszt . Míg a kémiai szinapszisok mind az izgató, mind a gátló neuronok között megtalálhatók, az elektromos szinapszisok leggyakrabban a kisebb helyi gátló neuronok között találhatók. Elektromos szinapszisok létezhetnek két axon, két dendrit vagy egy axon és egy dendrit között. Egyes halakban és kétéltűekben elektromos szinapszisok találhatók a kémiai szinapszis ugyanazon termináljában, mint a Mauthner -sejtekben .

A gyógyszerek hatásai

A kémiai szinapszisok egyik legfontosabb jellemzője, hogy a pszichoaktív gyógyszerek többségének a cselekvési helye . A szinapszisokat befolyásolják a kábítószerek, mint például a kurare, a sztrichnin, a kokain, a morfin, az alkohol, az LSD és számtalan más. Ezek a gyógyszerek eltérő hatást gyakorolnak a szinaptikus funkcióra, és gyakran olyan szinapszisokra korlátozódnak, amelyek specifikus neurotranszmittert használnak. Például a curare egy méreg, amely megakadályozza az acetilkolint a posztszinaptikus membrán depolarizációjában, ami bénulást okoz . A strichnin blokkolja a glicin neurotranszmitter gátló hatásait , ami miatt a szervezet felveszi és reagál a gyengébb és korábban figyelmen kívül hagyott ingerekre, ami ellenőrizhetetlen izomgörcsöket eredményez . A morfium az endorfin neurotranszmittereket használó szinapszisokra hat, az alkohol pedig fokozza a GABA neurotranszmitter gátló hatását . Az LSD zavarja a szinapszisokat, amelyek a neurotranszmitter szerotonint használják . A kokain blokkolja a dopamin újrafelvételét, és ezáltal fokozza annak hatását.

Történelem és etimológia

Az 1950 -es években Bernard Katz és Paul Fatt spontán miniatűr szinaptikus áramokat figyeltek meg a béka neuromuszkuláris csomópontjában . E megfigyelések alapján kidolgozták a „kvantális hipotézist”, amely alapja a neurotranszmitter -kibocsátás exocitózisnak való jelenlegi felfogásunknak, és ezért Katz 1970 -ben megkapta az élettani vagy orvostudományi Nobel -díjat . Az 1960 -as évek végén Ricardo Miledi és Katz előrehaladott az a hipotézis, hogy a depolarizáció által kiváltott kalciumion-beáramlás exocitózist vált ki .

Sir Charles Scott Sherringtonin megalkotta a „szinapszis” szót, és a szó történetét Sherrington ismertette egy levélben, amelyet John Fultonnak írt:

„Éreztem, hogy valamilyen névre van szükség az idegsejt és az idegsejt közötti találkozás megnevezéséhez ... Azt javasoltam, hogy használjunk szindrómát ... Ő [ Sir Michael Foster ] konzultált erről Trinity barátjával, Verralldal , az euripidai tudóssal. , és Verrall a „szinapszist” javasolta (a görög „kapocsból”). ” - Charles Scott Sherrington

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

Külső linkek

Hallgassa meg ezt a cikket ( 7 perc )
Kimondott Wikipédia ikon
Ez a hangfájl e cikk 2005. június 19 -i felülvizsgálatából jött létre , és nem tükrözi a későbbi szerkesztéseket. ( 2005-06-19 )