Чем отличаются холинергический и адренергический синапс

Текст книги «Фармакология с рецептурой»

Автор книги: Ефим Мухин

Жанр: Медицина, Наука и Образование

Текущая страница: 19 (всего у книги 61 страниц) [доступный отрывок для чтения: 22 страниц]

Эфферентная часть периферической нервной системы включает проводники, выходящие из центральной нервной системы и иннервирующие скелетные мышцы (соматические нервы) и исполнительные органы (вегетативные нервы). Передача импульсов с окончаний соматических и вегетативных (симпатических и парасимпатических) нервных волокон на иннервируемые ими клетки осуществляется посредством специализированных контактов – синапсов (греч. synapsis – соприкосновение), с помощью особых химических веществ – медиаторов(лат. mediator – посредник).

Многочисленные группы средств, действующие на синаптическую передачу нервных импульсов в эфферентных нервах, имеют исключительное значение для медицинской практики, в том числе при оказании неотложной помощи. Правильное понимание механизма действия и значения этих средств возможно лишь на базе достаточно глубоких знаний физиологии и биохимии процесса передачи нервных импульсов и четких представлений о роли соответствующих систем в регуляции функций органов (табл. 25). Это диктует необходимость предпослать изложению собственно фармакологических вопросов краткий очерк физиологии синаптической передачи.

Реакции органов на раздражение вегетативных нервов

*Влияние носит более сложный и дифференцированный характер.

Общее представление о синаптической передаче нервного импульса

Строение и работу синапса целесообразно рассмотреть на простейшем примере – передаче возбуждения (сигнала) с окончания двигательного нерва на волокно скелетной мышцы. В области такого контакта мышечное волокно образует небольшое возвышение – концевую пластинку, на которой оканчивается разветвление двигательного нерва; последний незадолго до этого теряет миелиновую оболочку. Поверхность нервного окончания, обращенная к мышечному волокну — пресинаптическая мембрана, может иметь многочисленные складки, существенно увеличивающие ее площадь. В цитоплазме нервных окончаний происходит синтез химического посредника (медиатора) – ацетилхолина. Здесь же находится большое количество (порядка 3 млн) пузырьков – везикул, где сосредоточены запасы медиатора (рис. 6).

Участок оболочки мышечного волокна, контактирующий с нервным окончанием, соответственно называется постсинаптической мембраной. Она имеет такую же толщину и еще большую складчатость. Между пресинаптической и постсинаптической мембранами имеется синаптическая щель.Вопределенных участках поверхности постсинаптической мембраны ее структура изменена таким образом, что получила возможность специфически реагировать с химическим посредником передачи импульсов. Эти зоны носят название постсинаптических холинорецепторов. Число их в нервно-мышечном синапсе порядка 6 – 8 млн, а площадь – не более 2 % всей поверхности постсинаптической мембраны. В результате взаимодействия выделенного при поступлении нервного импульса медиатора (ацетилхолина) с рецепторами в постсинаптической мембране возбуждение с окончания двигательного нерва передается на мембрану мышечного волокна. В результате происходит «взрывное» открытие натриевых каналов в мембране и массивное поступление ионов натрия из интерстициальной жидкости (где их намного больше) в цитоплазму. Это ведет к освобождению из внутриклеточных депо и поступлению извне ионов Ca++. Последние инициируют сокращение миофибрилл волокна – происходит сокращение мышцы в ответ на сигнализ ЦНС.

Рис. 6. Схема строения синапса

Наряду с постсинаптическими холинорецепторами (и рецепторами другой модальности) на мембранах клеток органов находятся рецепторы вне синапсов – внесинаптические холинорецепторы. Они реагируют на неиспользованный в синапсе избыток медиатора, а также на ту часть его, которая вымывается из синаптической щели и циркулирует в крови.

Первое предположение о существовании химического звена в межнейронной передаче импульсов было высказано Дюбуа-Реймоном еще в 1877 г. Английский физиолог Ч. Шеррингтон в 1897 г. предложил называть область контакта нервных окончаний с мышцей, нервными стволами и клетками «синапсом». В 1904 г. студент Кэмбриджского университета Эллиот впервые обратил внимание на поразительное сходство в действии гормона надпочечников – адреналина и раздражения симпатических нервов. Он высказал мысль о том, что адреналиноподобное вещество, возможно, является химическим посредником передачи с окончаний этих нервов на исполнительные органы. Вскоре появилась еще одна аналогия: введение животным алкалоида мухомора – мускарина – очень точно воспроизводило эффекты раздражения парасимпатических нервов [Диксон, 1906]. Однако лишь в 1921 г. австрийскому фармакологу О. Леви в простом и остроумном опыте удалось представить неопровержимые доказательства наличия химического посредника – медиатора – в передаче импульсов с вагусных окончаний на сердце. В 1924 г. А. Ф. Самойлов доказывает существование химического звена в передаче импульсов с нерва на мышцу; в 1933 г. А. В. Кибяков методом перфузии верхнего шейного ганглия устанавливает то же для вегетативных узлов.

Утвердившаяся в настоящее время теория химической передачи нервного импульса предусматривает несколько самостоятельных, но функционально связанных между собой этапов:

1) синтез медиатора и его депонирование в пресинаптическом окончании;

2) включение механизма освобождения медиатора в синаптическую щель;

3) взаимодействие медиатора с рецепторами;

4) включение механизма сопряжения активированных рецепторов с обменом и функциями клетки;

5) ферментативная инактивация медиатора и (или) его реабсорбция (обратный захват «реаптейк) пресинаптическим окончанием и восстановление исходного статуса клетки.

Подробнее эти этапы также на примере холинергических синапсов будут рассмотрены далее.

Любой из этапов синаптической передачи нервных импульсов может быть объектом воздействия фармакологических веществ. В качестве последних могут использоваться также сами медиаторы и их биохимические предшественники.

Для окончаний эфферентных нервов в различных органах твердо доказанными и наиболее важными медиаторами являются: ацетилхолин и норадреналин. Менее значимая, скорее модулирующая, роль принадлежит аденозину, гамма-аминомасляной кислоте (ГАМК), АТФ, дофамину, серотонину, некоторым пептидам и ряду других соединений.

Морфологическая характеристика синапсов ЦНС более разнообразна, хотя все они в общем построены однотипно. На одном нейроне (на его теле и дендритах) может насчитываться от нескольких синапсов до 15 – 20 тыс. Последние цифры говорят о чрезвычайном богатстве взаимных связей между клетками ЦНС.

В ЦНС, кроме ацетилхолина и норадреналина, важная медиаторная роль принадлежит дофамину, серотонину, двухосновным аминокислотам (глутаминовой, аспарагиновой) и их производным, а также веществу Р (полипептид из 11 аминокислот), энкефалинам, эндорфинам и подобным им опиоидным пептидам.

Те синапсы (и соответственно нервные волокна), в которых передача импульсов осуществляется с помощью ацетилхолина, получили название холинергических. Их локализация в органах довольно хорошо изучена и отражена в табл. 26. Соответственно фармакологические препараты, которые повторяют действие этого медиатора и воспроизводят эффекты раздражения холинергических нервов, обозначаются как холиномиметики. Если же лекарства избирательно блокируют передачу импульсов в холинергических синапсах, их называют холинолитиками (холиноблокаторам). В подавляющем большинстве случаев действие тех и других препаратов направлено на холинорецепторы в постсинаптической мембране.

Распределение холинергических и адренергических синапсов и нервов

Точно так же синапсы и нервные волокна, где в качестве медиатора выступает норадреналин, называют адренергическими. Их локализация на периферии также хорошо известна. По аналогии вещества, которые подобно норадреналину возбуждают адренорецепторы и воспроизводят эффекты соответствующих нервов, обозначают как адреномиметики, а препараты, блокирующие передачу импульсов в адренергических синапсах, – как адренолитики (адреноблокаторы) или симпатолитики (последние два термина неравнозначны, о чем будет подробнее сообщено ниже).

Средства, действующие на передачу импульсов в холинергических синапсах

Классификация и особенности действия препаратов этой большой и очень важной в практическом отношении группы лекарственных средств могут быть поняты лишь на основе более подробного знакомства с работой холинергических синапсов как примера синаптической передачи нервных импульсов. Рассмотрим последовательно основные этапы передачи импульсов:

1. Синтез ацетилхолина и его депонирование в пресинаптическом окончании. Как уже упоминалось, синтез ацетилхолина осуществляется в цитоплазме окончаний холинергических нервов. Исходными продуктами являются аминоспирт холин и активированный (в реакции с АТФ) ацетат (рис. 7). Соединение этих продуктов в молекулу ацетилхолина обеспечивается специальным ферментом холинацетилазой (холинацетилтрансферазой), которая содержится, в основном, в цитоплазме пресинаптического нервного окончания. Собственно для синтеза медиатора нужен приток извне только холина и глюкозы; необходимые для его образования аденозинтрифосфат (АТФ) и ацетил-коэнзим А получаются в процессе конечного обмена глюкозы в расположенных здесь же митохондриях. В везикулах ацетилхолин связан с белком и АТФ и защищен от инактивации ферментами. Депонированный таким образом медиатор находится в разной степени готовности к выделению. Запасы ацетилхолина распределяются в трех фондах (пулах): а) прочно связанный пул ацетилхолина, не готовый к немедленному освобождению («стратегический пул»); б) непрочно связанный пул, не готовый к немедленному освобождению, но способный к быстрой мобилизации при работе («мобилизационный пул»); в) готовый к немедленному освобождению пул ацетилхолина («горячий пул»), определяющий возможность синаптической передачи в данный момент при внезапном поступлении сигнала. «Горячий пул» включает, видимо, ацетилхолин, синтезированный в последнюю очередь. Между отдельными пулами медиатора поддерживается динамическое равновесие.

2. Освобождение медиатора в синаптическую щель. Пресинаптическая мембрана холинергического волокна имеет до 200 – 300 участков – диффузионных каналов для ацетилхолина, к которым изнутри обратимо «приклеиваются» везикулы и по которым медиатор выделяется в синаптическую щель. При поступлении импульса (волны деполяризации) происходит массивный и мгновенный вход в пресинаптическое окончание ионов кальция. Последние захватываются специальным белком цитозоля – кальмодулином, доставляются к везикулам, вызывают их сокращение и выброс медиатора.

Рис. 7. Стадии биосинтеза ацетилхолина в окончаниях холинергических нервов

Процесс освобождения медиатора из пресинаптического окончания находится под многосторонним и важным для фармакологии контролем, как местным (внутрисинаптическим), так и нервно-гуморальным (рис. 8). Под влиянием этого контроля может существенно меняться уровень синаптической передачи от полного блока ее до значительной интенсификации. 3. Взаимодействие ацетилхолина с холинорецепторами. Типы и подтипы холинорецепторов. Этот этап синаптической передачи является, пожалуй, наиболее важным, именно на него чаще всего направлены фармакологические воздействия. В холинергическом синапсе оно означает прямое физико-химическое взаимодействие медиатора – ацетилхолина – с холинорецепторами мембраны воспринимающей клетки. Холинорецепторы представляют собой сложный гликопротеиновый комплекс, активной частью которого является белок. Взаимодействие ацетилхолина с рецептором обусловлено их физико-химическим сродством, которое возрастает в процессе реакции за счет взаимной подстройки партнеров, т. е. медиатор и рецептор – не абсолютно жесткие структуры и могут менять свою конформацию (пространственную организацию) в ходе реакции.

Рис. 8. Регуляция уровня синаптической передачи:

а – через ауторецепторы в пресинаптической мембране; одни из них более чувствительны к медиатору и реагируют усилением выброса последнего на малые (неэффективные для нужной степени передачи) количества его, вторые – менее чувствительные – реагируют на высокие (избыточные) концентрации медиатора и тормозят его выброс (заштрихован); б – через тормозной ГАМКергический интернейрон, включаемый при слишком сильном потоке импульсов по цепи нейронов (этот механизм самоограничения в основном работает в ЦНС); в – через разные пресинаптические рецепторы, избирательно реагирующие на многочисленные гуморальные факторы, усиливающие или уменьшающие выброс медиатора

Холинорецепторы удалось изолировать из мембран в относительно чистом виде. При их изучении выяснилось, что рецепторы эти не однородны, они имеют определенные конформационные различия, несущественные для ацетилхолина, но важные для их взаимодействия с лекарственными веществами. Такие различия постоянны, они выработались в процессе эволюции и прочно закреплены в генетической памяти. Физиологический смысл этих различий неясен.

Так, в одной группе органов холинорецепторы избирательно возбуждаются ядом мухомора – мускарином и столь же избирательно блокируются алкалоидом атропином. Они получили название мускариночувствительных, или сокращенно — М-холинорецепторов. В других органах рецепторы постсинаптических мембран избирательно возбуждаются малыми дозами алкалоида табака – никотина и блокируются большими дозами его. Соответственно холинорецепторы в этих синапсах носят название никотиночувствительных, или сокращенно — N-холинорецепторов (Дейл, С. В. Аничков). В настоящее время выявлено несколько разновидностей (подтипов) М-холинорецепторов (М₁,М₂,М₃,М₄,М₅; наиболее важные и изученные – первые три подтипа) и два подтипа N-холинорецепторов (N_n иN_m). Каждый подтип холинорецепторов имеет свою локализацию не только в органах, но и в синапсе (на пост– или пресинаптической мембране), выполняет свою строго специализированную функцию.

Для понимания многих вопросов патологии, механизма действия холинергических средств и показаний к их применению важно знать локализацию различных М– и N-холинорецепторов в организме и четко представлять их функциональную роль (рис. 9, табл. 27).

4. Механизмы сопряжения активированных холинорецепторов с обменом и функциями клетки. Взаимодействие ацетилхолина и холинергических средств с холинорецепторами запускает разные механизмы внутриклеточной передачи сигнала, в зависимости от типа (М– или N-), и подтипа рецепторов. Эти механизмы и определяют последующие сдвиги в метаболизме и функциональном состоянии клеток. Понимание механизмов сопряжения позволяет объяснить механизмы развития основных эффектов холинергических средств. Принципиально сходные механизмы сопряжения функционируют и в рецепторах, взаимодействующих с другими медиаторами, гормонами, аутакоидами.

М-холинорецепторы входят в состав сложной рецепторной системы, включающей следующие элементы: 1) поверхностную часть рецептора, распознающую медиатор; 2) G-белок, расположенный на внутренней поверхности мембраны; 3) ферменты (аденилатциклаза или фосфолипаза С) или ионные каналы мембраны (рис. 10, А). Часть рецептора, специфическим образом распознающая ацетилхолин, представляет собой выступающие над поверхностью мембраны участки длинной полипептидной цепи, которая пронизывает мембрану, как серпантин, 7 раз. G-белки – это многочисленная группа белков, в которой выделяют G_i (ингибирующие аденилатциклазу), G _s (стимулирующие аденилатциклазу), G_q (активирующие фосфолипазу С), G ₀ (открывающие ионные каналы) и др. В форме, связанной с гуанозинтрифосфатом (ГТФ), G-белок регулирует активность мембранных ферментов (стимулирует или ингибирует) или ионного канала, действие прекращается после гидролиза ГТФ.

Передача сигнала через М-холинорецепторы к внутриклеточным эффекторам (ферментам, белкам) осуществляется в несколько этапов. Сначала ацетилхолин взаимодействует с поверхностной частью рецептора → рецептор активирует G-белок → G-белок изменяет функциональную активность мембранного фермента или ионного канала. Причем, через М – иМ-холинорецепторы, сопряженныесG-белками, ацетилхоли 3 н акти 1 вирует фермент фосфолипазу С, а чере q з М₂-холинорецептор, сопряженный с G_i-белком, – ингибирует аденилатциклазу и, одновременно, через G_o-белок активирует калиевые каналы, усиленный выход ионов калия вызывает гиперполяризацию мембраны, что приводит к снижению возбудимости (торможению функций) клетки.

Рис. 9. Схема локализации холинорецепторов в организме

Локализация в организме и функциональное значение холинорецепторов

Затем в процесс передачи сигнала включаются так называемые вторичные внутриклеточные посредники (вторичные «мессенджеры»), такие как: продукты, образующиеся при гидролизе фосфолипазой С фосфолипидных компонентов (фосфоинозитидов) клеточной мембраны, — инозитолтрифосфат (ИТФ) и диацилглицерол (ДАГ), ионы кальция, выход которых из внутриклеточных депо усиливает ИТФ; циклический аденозин-3,5-монофосфат (цАМФ), образующийся из АТФ под влиянием аденилатциклазы (активность этого фермента через M₂-холинорецепторы снижается).

Вторичные посредники переводят в активное состояние соответствующие ферменты-протеинкиназы. Последние регулируют активность ряда внутриклеточных ферментов и белков, при этом возникают определенные сдвиги в метаболических процессах и функциональном состоянии клеток (рис. 11). Таким образом различные варианты и комбинации вторичных внутриклеточных посредников обеспечивают весь спектр реакций клеток в ответ на активацию разных рецепторов.

Активация или блокада М-холинорецепторов будет приводить к тем или иным функциональным сдвигам в организме (см. табл. 26), изменениям обмена, которые обозначаются как фармакологические эффекты М-холиномиметиков и М-холинолитиков.

Рис. 10. Гипотетическая модель строения холинорецепторов (объяснение в тексте)

А – М-холинорецепторы: а – выступающая поверхностная часть рецептора, распознающая медиатор; б – G-белок (связывает и гидролизует ГТФ); в – ферменты (аденилатциклаза или фосфолипаза С) или ионные каналы мембраны (калиевые каналы) (в разных синапсах по-разному).

Б – N-холинорецептор: а – поверхностная часть рецептора – пентамер из полипептидных субъединиц, с которыми специфически взаимодействует медиатор; б – ионный (натриевый) канал

N-холинорецепторы образованы, как правило, несколькими полипептидными субъединицами (2 альфа цепи, 1 бета, 1 гамма и 1 дельта, каждая цепь пересекает мембрану 4 раза). Эти субъединицы образуют пентамер, в центре которого имеется натриевый канал (рис. 10, Б).

Для понимания механизма сопряжения N-холинорецепторов с функциями клеток необходимо знать, что в состоянии покоя мембрана имеет положительный заряд по наружной поверхности и отрицательный – по внутренней. Заряд обусловлен различиями в распределении основных катионов по сторонам мембраны: содержание калия внутри клетки значительно больше, чем в окружающей клетку среде, а концентрация натрия – наоборот.

Таким образом, цитоплазма весьма обогащена калием, тогда как ионы натрия с помощью специального транспортного механизма («натриевый насос») активно вытеснены из клетки, при этом ионы натрия «тянут» за собой анионы, которые собираются вдоль внутренней поверхности мембраны, обусловливая ее отрицательный заряд. Вытесненные же ионы натрия располагаются по наружной поверхности мембраны, заряжая ее положительно.

Молекулы ацетилхолина, связываясь с двумя альфа-субъединицами N-холинорецептора, способствуют открытию натриевого канала.

Рис. 11. Схема механизмов сопряжения активации рецепторов с функциями клетки (объяснение в тексте)

Обозначения: R_I – рецептор, активирующий аденилатциклазную систему;

R_II – рецептор, ингибирующий аденилатциклазную систему;

R_III – рецептор, активирующий полифосфоинозитидную систему;

G_s – белок, стимулирующий аденилатциклазу;

G_i – белок, ингибирующий аденилатциклазу;

G_о – белок, активирующий калиевые каналы;

G_q – белок, активирующий фосфолипазу C;

ПК-А – цАМФ-зависимые протеинкиназы;

ПК-С – протеинкиназы С;

КМ-ПК – кальмодулинзависимые протеинкиназы;

СПР – саркоплазматический ретикулум (депо ионов Са ++ );

ФДЭ – фосфодиэстераза, инактивирующая цАМФ;

К-к – калиевый канал

Ионы натрия устремляются по градиенту концентрации из внеклеточной жидкости в клетку, что ведет к деполяризации мембраны и возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), ионы калия постепенно начинают выходить наружу. При достижении ВПСП определенного (критического) уровня активируются потенциалзависимые натриевые каналы соседних участков мембраны, быстрый входящий ток ионов натрия вызывает потенциал действия (ПД), который распространяется в виде волны возбуждения по нервной клетке (вегетативного ганглия) до следующего синапса или переходит с нерва на мышцу и распространяется по ее мембране. В поперечно-полосатых мышцах ПД вызывает активацию кальциевых каналов, в клетку входят ионы кальция, они освобождаются также из внутриклеточных структур. Именно ионам кальция здесь придают решающее значение в механизме сопряжения возбуждения и сокращения.

Ионы кальция (частично в комплексе с кальмодулином) активируют взаимодействие актина и миозина, т. е. сокращение мышцы.

N-холинорецепторы клеток вегетативных ганглиев и гомологичных им образований, обозначаемые как N_n-холинорецепторы, и N_m-холинорецепторы поперечно-полосатых мышц имеют тонкие структурные особенности, которые безразличны для ацетилхолина, но оказываются довольно существенными для их взаимодействия с лекарственными веществами.

5. Инактивация ацетилхолина и восстановление исходного состояния клетки. Взаимодействие ацетилхолина с холинорецепторами чрезвычайно кратковременно (порядка 2 мс). Это объясняется очень быстрым освобождением ацетилхолина из обратимой связи с рецептором, а также его быстрой инактивацией. В холинергических синапсах в пре– или постсинаптической мембране (в разных синапсах по-разному) имеется фермент ацетилхолинэстераза (АХЭ), или истинная холинэстераза, который способен ускорить спонтанный гидролиз ацетилхолина в миллионы раз. Фермент имеет активный центр с исключительно высоким сродством к ацетилхолину. АХЭ расщепляет ацетилхолин на холин и ацетат, не обладающие медиаторным эффектом. Таким образом исчезает фактор, который вызывал сдвиги в постсинаптических структурах, и свойства последних возвращаются к исходному уровню. В области N-холинорецепторов происходит реполяризация мембраны. В работу вступает специальный транспортный механизм (натрий-калиевый насос), локализованный в самой мембране и обеспечивающий удаление натрия и поступление в клетку калия. В результате работы этого механизма восстанавливаются исходный градиент электролитов по сторонам мембраны и заряд покоя. Клетка готова принять следующий нервный импульс.

Имеются также данные, что значительная часть медиатора, освободившегося из реакции с рецептором, диффундирует из синаптической щели в интерстициальную среду и кровь и разрушается там ложной холинэстеразой (бутирилхолинэстеразой), обладающей меньшим сродством к ацетилхолину.

Таков в общих чертах механизм передачи импульсов в холинергических синапсах. Различные звенья этого механизма могут быть объектом воздействия лекарственных веществ.

Лекарственные средства, вмешивающиеся в передачу импульсов в холинергических синапсах, в зависимости от направленности своего действия разделяются на холиномиметики и холинолитики. В каждой группе препараты подразделяются по избирательности (селективности) действия на тот или иной тип холинорецепторов. Свойствами холиномиметиков непрямого действия обладают антихолинэстеразные средства, которые, ингибируя фермент, разрушающий ацетилхолин, усиливают и продлевают все эффекты медиатора.

Источник