En kemisk synapse er en speciel type intercellulær kontakt mellem en neuron og en målcelle. I denne type synapse udføres rollen som en mediator (mediator) af et kemisk stof.
Den består af tre hoveddele: en nerveende med en præsynaptisk membran , en postsynaptisk membran af målcellen og et synaptisk hul mellem dem.
Langt de fleste synapser i dyrerigets nervesystem er kemiske synapser. De er karakteriseret ved tilstedeværelsen af flere fælles træk, selvom størrelsen og formen af præ- og postsynaptiske komponenter ikke desto mindre varierer meget. Synapser i pattedyrets cerebrale cortex har præterminale axoner på omkring 100 nanometer tykke og præsynaptiske knopper med en gennemsnitlig diameter på omkring 1 mikrometer.
Den kemiske synapse består af to dele: præsynaptisk dannet af en kølleformet forlængelse af enden af axonen af den transmitterende celle og postsynaptisk repræsenteret af kontaktområdet af plasmamembranen i den modtagende celle. Mellem begge dele er der et synaptisk mellemrum - et mellemrum på 10-50 nm mellem de postsynaptiske og præsynaptiske membraner, hvis kanter er forstærket med intercellulære kontakter.
Den del af aksolemmaet af den kølleformede forlængelse, der støder op til den synaptiske kløft, kaldes den præsynaptiske membran . Den del af cytolemmaet i den opfattende celle, som begrænser den synaptiske kløft på den modsatte side, kaldes postsynaptisk membran , i kemiske synapser er den præget og indeholder adskillige receptorer .
I den synaptiske ekspansion er der små vesikler , de såkaldte præsynaptiske eller synaptiske vesikler , der enten indeholder en mediator (en mediator i transmissionen af excitation) eller et enzym , der ødelægger denne mediator. På de postsynaptiske, og ofte på de præsynaptiske membraner, er der receptorer for en eller anden mediator.
Den samme størrelse af præsynaptiske vesikler i alle undersøgte synapser (40-50 nanometer) blev først betragtet som bevis på, at hver vesikel er den mindste klynge, hvis frigivelse er påkrævet for at producere et synaptisk signal. Vesikler er placeret overfor den præsynaptiske membran, hvilket skyldes deres funktionelle formål med frigivelsen af mediatoren i den synaptiske kløft. Også nær den præsynaptiske vesikel er der et stort antal mitokondrier (producerer adenosintrifosfat ) og ordnede strukturer af proteinfibre.
Den synaptiske kløft er et 20 til 30 nanometer bredt mellemrum mellem den præsynaptiske membran og den postsynaptiske membran, der indeholder præ- og postsynapsebindingsstrukturer bygget af proteoglycan . Bredden af den synaptiske spalte i hvert enkelt tilfælde skyldes, at mediatoren udvundet fra præsynapsen skal passere til postsynapsen i en tid, der er væsentligt mindre end frekvensen af nervesignaler, der er karakteristiske for neuroner, der danner en synapse (det tidspunkt, hvor det tager for mediatoren at passere fra den præsynaptiske membran til den postsynaptiske membran er af størrelsesordenen flere mikrosekunder).
Den postsynaptiske membran tilhører den celle, der modtager nerveimpulser. Mekanismen for translation af mediatorens kemiske signal til et elektrisk aktionspotentiale på denne celle er receptorer - proteinmakromolekyler indlejret i den postsynaptiske membran.
Ved hjælp af specielle ultramikroskopiske teknikker er der i de senere år indhentet en ret stor mængde information om den detaljerede struktur af synapser.
Så på den præsynaptiske membran blev en ordnet struktur af kraterlignende fordybninger med en diameter på 10 nanometer, presset indad, opdaget. Først blev de kaldt synaptoporer, men nu kaldes disse strukturer for vesikelbindingssteder (VSP'er). Beholderne er arrangeret i ordnede grupper af seks separate udsparinger omkring de såkaldte komprimerede fremspring. Således danner fortættede fremspring regelmæssige trekantede strukturer på indersiden af den præsynaptiske membran, og SSV er hexagonale , og er de steder, hvor vesiklerne åbner og skubber neurotransmitteren ud i den synaptiske kløft.
Ankomsten af en elektrisk impuls til den præsynaptiske membran udløser processen med synaptisk transmission, hvoraf det første trin er indgangen af Ca 2+ ioner i præsynapsen gennem membranen gennem specialiserede calciumkanaler placeret nær den synaptiske kløft. Ca 2+ ionerne aktiverer ved en fuldstændig ukendt mekanisme vesiklerne, der er overfyldt ved deres tilknytningssteder, og de frigiver neurotransmitteren ind i den synaptiske kløft. Ca 2+ ionerne , der kom ind i neuronet , efter aktivering af vesiklerne med mediatoren, deaktiveres i en tid af størrelsesordenen adskillige mikrosekunder på grund af aflejring i mitokondrier og præsynapse vesikler.
Mediatormolekylerne, der frigives fra præsynapsen, binder sig til receptorer på den postsynaptiske membran, som et resultat af hvilke ionkanaler åbner sig i receptormakromolekylerne (i tilfælde af kanalreceptorer, som er den mest almindelige type; når andre typer receptorer virker, signaltransmissionsmekanismen er anderledes). Ioner, der begynder at trænge ind i den postsynaptiske celle gennem åbne kanaler, ændrer ladningen af dens membran, hvilket er en delvis polarisering (i tilfælde af en hæmmende synapse) eller depolarisering (i tilfælde af en excitatorisk synapse) af denne membran, og som en resultat, fører til inhibering eller provokation af generering af det postsynaptiske cellehandlingspotentiale.
Populær indtil for nylig som en forklaring på mekanismen for neurotransmitterfrigivelse fra præsynapsen, den kvante-vesikulære exocytose (QVE)-hypotesen indebærer, at en "pakke", eller kvante, af mediatoren er indeholdt i en vesikel og frigives under exocytose (i i dette tilfælde fusionerer vesikelmembranen med den cellulære præsynaptiske membran). Denne teori har været den fremherskende hypotese i lang tid - på trods af at der ikke er nogen sammenhæng mellem niveauet af neurotransmitterfrigivelse (eller postsynaptiske potentialer) og antallet af vesikler i præsynapsen [1] . Derudover har CBE-hypotesen andre væsentlige mangler.
Det fysiologiske grundlag for præcis den kvantificerede frigivelse af mediatoren bør være den samme mængde af denne mediator i hver vesikel. TBE-hypotesen i sin klassiske form er ikke egnet til at beskrive virkningerne af kvanter af forskellig størrelse (eller forskellige mængder af en mediator), der kan frigives under en enkelt eksocytosehandling. I dette tilfælde skal man tage i betragtning, at vesikler af forskellig størrelse kan observeres i den samme præsynaptiske knop; desuden blev der ikke fundet nogen sammenhæng mellem størrelsen af vesiklen og mængden af mediator i den (det vil sige, dens koncentration i vesiklerne kan også være anderledes). Desuden genererer Schwann-celler i en denerveret neuromuskulær synapse et større antal postsynaptiske miniaturepotentialer, end der observeres i synapsen før denervering, på trods af det fuldstændige fravær af præsynaptiske vesikler lokaliseret i regionen af den præsynaptiske knap i disse celler [2] .
Der er betydelig eksperimentel evidens for, at neurotransmitteren udskilles i den synaptiske kløft på grund af den synkrone aktivering af de hexagonale MPV-grupper (se ovenfor) og vesiklerne knyttet til dem [ 3] , hvilket blev grundlaget for formulering af porocytosehypotesen . Denne hypotese er baseret på den observation, at vesiklerne knyttet til MPV'en, når de modtager et aktionspotentiale , trækker sig sammen synkront og samtidig udskiller den samme mængde af mediatoren ind i den synaptiske kløft hver gang, og frigiver kun en del af indholdet af hver af de seks vesikler. Selve begrebet porocytose kommer fra de græske ord poro (som betyder porer) og cytose (som beskriver transporten af kemiske stoffer over plasmamembranen i en celle).
De fleste af de eksperimentelle data om funktionen af monosynaptiske intercellulære forbindelser er opnået fra undersøgelser af isolerede neuromuskulære forbindelser. Som ved interneuronale synapser dannes der i MPV'ens neuromuskulære synapser ordnede hexagonale strukturer [4] . Hver af disse hexagonale strukturer kan defineres som en "synaptomer" - det vil sige en struktur, der er den elementære enhed i processen med neurotransmittersekretion. Synaptomeren indeholder, udover de egentlige poreudskæringer, proteinfilamentøse strukturer indeholdende lineært ordnede vesikler; eksistensen af lignende strukturer er også blevet bevist for synapser i centralnervesystemet (CNS).
Som nævnt ovenfor genererer den porocytiske mekanisme et neurotransmitterkvante , men uden at membranen af den enkelte vesikel smelter fuldstændigt sammen med den præsynaptiske membran. En lille variationskoefficient (mindre end 3%) for værdierne af postsynaptiske potentialer er en indikator for, at der i en enkelt synapse ikke er mere end 200 synaptomerer [5] , som hver udskiller et transmitterkvante som svar på en handling potentiale [6] . 200 frigivelsessteder (dvs. synaptomerer, der frigiver en neurotransmitter) fundet på en lille muskelfiber tillader beregningen af en maksimal kvantegrænse på et frigivelsessted pr. mikrometer synaptisk forbindelseslængde [7] , denne observation udelukker muligheden for eksistensen af neurotransmitter kvanta, der sikrer transmissionen af et nervesignal, i volumen af en vesikel.
Sammenligning af den nyligt accepterede TBE-hypotese med hypotesen om porocytose kan udføres ved at sammenligne den teoretiske variationskoefficient med den eksperimentelle beregnet for amplituderne af postsynaptiske elektriske potentialer genereret som reaktion på hver enkelt neurotransmitterfrigivelse fra præsynapsen. Forudsat at eksocytoseprocessen foregår i en lille synapse indeholdende omkring 5.000 vesikler (50 for hver mikron synapselængde), bør postsynaptiske potentialer genereres af 50 tilfældigt udvalgte vesikler, hvilket giver en teoretisk variationskoefficient på 14 %. Denne værdi er ca. 5 gange større end variationskoefficienten for postsynaptiske potentialer opnået i eksperimenter, og det kan derfor argumenteres for, at processen med eksocytose i synapsen ikke er tilfældig (falder ikke sammen med Poisson-fordelingen ) - hvilket er umuligt, hvis forklaret ud fra TBE-hypotesen, men stemmer overens med porocytosehypotesen. Faktum er, at porocytosehypotesen antager, at alle vesikler forbundet med den præsynaptiske membran udstøder mediatoren på samme tid; samtidig kan den konstante mængde mediator, der udstødes i den synaptiske kløft som reaktion på hvert aktionspotentiale (bæredygtighed er bevist af den lave variationskoefficient af postsynaptiske responser) godt forklares ved frigivelsen af et lille volumen af mediatoren ved at et stort antal vesikler - desuden, jo flere vesikler der er involveret i processen, desto mindre bliver korrelationskoefficienten , selvom dette ser noget paradoksalt ud fra et matematisk statistik synspunkt.
Samtidig produceres der kun én mediator i synapsen. Normalt skydes hovedmediatoren ud sammen med en anden, som spiller rollen som en modulator.
Hvis førstnævnte bidrager til fremkomsten af excitation i den postsynaptiske celle, så stopper eller forhindrer sidstnævnte tværtimod dens forekomst. Normalt hæmmende er glycinergiske (mediator - glycin) og GABAerge synapser (mediator - gamma-aminosmørsyre).
Nogle synapser har postsynaptisk fortætning, en elektrontæt zone, der består af proteiner. I henhold til dets tilstedeværelse eller fravær skelnes asymmetriske og symmetriske synapser. Det er kendt, at alle glutamaterge synapser er asymmetriske, mens GABAerge synapser er symmetriske.
I tilfælde hvor flere synaptiske forlængelser kommer i kontakt med den postsynaptiske membran, dannes der flere synapser.
Spiny apparater, hvor korte enkelte eller multiple fremspring af dendrittens postsynaptiske membran er i kontakt med den synaptiske ekspansion, er specielle former for synapser. Spiny apparatur øger markant antallet af synaptiske kontakter på neuronen og følgelig mængden af behandlet information. "Ikke-spidse" synapser kaldes "fastsiddende". For eksempel er alle GABAerge synapser fastsiddende.