Sinapsa

U nervnom sistemu, sinapsa^[1] je struktura koja dozvoljava neuronu (ili nervnoj ćeliji) da prenese električni ili hemijski signal drugom neuronu ili ciljnoj efektorskoj ćeliji. Sinapse su neophodne za prenos nervnih impulsa sa jednog neurona na drugi. Neuroni su specijalizovani da prenose signale pojedinačnim ciljnim ćelijama, a sinapse su način na koji to rade. U sinapsi, membrana neurona koji prenosi signal (presinaptički neuron) dolazi u blisku apoziciju sa membranom ciljne (postsinaptičke) ćelije. I presinaptička i postsinaptička mesta sadrže širok niz molekularnih mašina koje povezuju dve membrane zajedno i sprovode proces signalizacije.

U mnogim sinapsama presinaptički deo se nalazi na aksonu, a postsinaptički deo na dendritu ili somi (telu neurona). Astrociti takođe razmenjuju informacije sa sinaptičkim neuronima, reagujući na sinaptičku aktivnost i, zauzvrat, regulišući neurotransmisiju.^[2] Sinapse (barem hemijske sinapse) se stabilizuju u svom položaju pomoću sinaptičkih adhezionih molekula (SAM) koji izlaze iz pre- i post-sinaptičkog neurona i drže se zajedno gde se preklapaju; SAM-ovi takođe mogu pomoći u stvaranju i funkcionisanju sinapsi.^[3]

Sinapse su spojevi između samih nervnih ćelija i između nervnih ćelija i efektorskih ćelija, a to su ćelije mišića i žlezdi.^[4] Postoje dve različite vrste sinapsi: električne i hemijske.^[5]

Električne sinapse

Ovakve sinapse su kod ljudi zastupljene u srčanim i glatkim mišićnim ćelijama. Električne sinapse su u stvari direktni kanali za provođenje električne struje sa jedne efektorske ćelija na drugu. Ti kanali se zovu pukotinaste veze (engl. gap junctions). Oni su izgrađeni iz dva kružna kanala-koneksona koji potiču od ćelija koje grade sinapsu i spajaju se u jedan kanal. Koneksoni nastaju od 6 proteinskih molekula-koneksina koji su raspoređeni u krug i grade njegove zidove. U ovim sinapsama se veoma brzo prenosi električna struja, što omogućava da se sve mišićne ćelije jednog glatkog mišića i srca istovremeno kontrahuju. Takođe ovim sinapsama se informacije prenose u oba pravca. Sa presinaptičke na postsinaptičku ćeliju i obratno. Električne sinapse se ne zamaraju.

Hemijske sinapse

Kod ljudi su sve sinapse u centralnom nervnom sistemu hemijske sinapse. Kada nervni impuls stigne do kraja presinaptičke nervne ćelije (neuron)a ona sekretuje na svojim krajevima supstancu neurotransmiter, koja se vezuje za receptore na postsinaptičkom neuronu i izaziva pojavu električnog impulsa. Na taj način se električni impuls prenosi na susedni neuron. Ovaj proces zove se ekscitacija. Neurotransmiter ne mora samo da prenosi impulse na druge neurone, već može i da blokira njihovo prenošenje. Ovaj proces se zove inhibicija.

Hemijske sinapse provode nervne impulse samo u jednom pravcu sa presinaptičkog na postsinaptički neuron. To ih čini veoma pogodnim za prenos informacija u centralnom nervnom sistemu, jer omogućava da nervni signali budu usmereni u jedno smeru, ka ciljnim strukturama.

Anatomija hemijskih sinapsi

Hemijske sinapse se sastoje od:

presinaptičkog završetka,
sinaptičke pukotine
postsinaptičkih receptora.

Presinaptički završeci imaju izgled čvorića, zbog čega se zovu i završni čvorići ili sinaptički čvorići.

U unutrašnjosti presinaptičkog završetka nalaze se mitohondrije i sinaptičke vezikule. U sinaptičkim vezikulama se nalaze neurotransmiteri. Mitohondrije obezbeđuju energiju u vidu ATP-a, koja je potrebna za sintezu neurotransmitera. Nervni impuls (akcioni potencijal) se širi duž nerva izazivajući njegovu depolarizaciju. Kada nervni impuls dostigne presinaptičke čvoriće on izaziva njihovu depolarizaciju. Ćelijska membrana presinaptičkog završetka sadrži dosta voltaž-zavisnih kalcijumskih kanala. Kada se membrana depolariše otvaraju se ovi kanali i joni kalcijuma ulaze u presinaptički završetak iz spoljašnje sredine. Joni kalcijuma se vezuju na određena mesta na unutrašnjoj površini membrane koja se zovu mesta za oslobađanje. To izaziva kretanje sinaptičkih vezikula i oslobađanje neurotransmitera u spoljašnju sredinu, odnosno u sinaptičku pukotinu. Ne isprazne se sve vezikule već samo jedan deo.

Na membrani postsinaptičkog neurona nalaze se razni receptori. Ovi receptori imaju dve komponente:

vezujuću, koja strči spolja i vezuje neurotransmiter i
jonoformsku komponentu, koja prolazi celom debljinom ćelijske membrane u unutrašnjost ćelije.

Jonoformska komponenta može biti u obliku jonskih kanala koji dozvoljavaju prolazak specifičnih jona kroz membranu ili u obliku sistema sekundarnog glasnika. Sekundarni glasnici su supstance koji prenose informacije unutar ćelije do jedra.

Jonski kanali

Postoje dve vrste kanala: anjonski i katjonski. Anjonski propuštaju negativne jone, najvećim delom su to joni hlora. To su inhibicioni kanali.

Katjonski kanali mogu propuštati jone natrijuma, kalcijuma i kalijuma. Natrijumski i kalcijumski kanali vrše ekscitatornu, a kalijumski inhibitornu funkciju.

Jonski kanali deluju brzo i kratko.

Sistem sekundarnog glasnika

Mnoge funkcije nervnog sistema npr. pamćenje zahtevaju dugotrajne promene. Jonski kanali nisu pogodni za ovu funkciju. Dugotrajne promene se ostvaruju aktivacijom sistema sekundarnog glasnika. Postoje više vrsta ovog procesa, a najčešći je G-protein.

G-protein je zakačen za deo postsinaptičkog receptora sa unutrašnje strane ćelijske membrane. Sastoji se od 3 komponente: α komponente, koja je aktivatorski deo G-proteina, β i γ komponente, koje pričvršćuju G protein s ćelijsku membranu i receptor. Nakon aktivacije receptora se α deo odvaja od β i γ dela G-proteina i kreće se slobodno u citoplazmi ćelije. Unutar citoplazme α podjedinica može da vrši sledeće uloge:

Otvaranje specifičnih jonskih kanala. Ovi kanali su otvoreni duže vremena nego kad se aktiviraju bez posredovanja sekundarnog glasnika.
Aktivacija cikličnog adenozin monofosfata (cAMP) ili cikličnog guanozin monofosfata (cGMP). Ove supstance dovode do daljih promena

Aktivacija jednog ili više intracelularnih enzima.
Aktivacija transkripcije gena. Transkripcija dovodi do sinteze novih proteina u ćeliji, što izaziva promenu strukture, funkcije i metabolizma ćelije.

Karakteristike hemijskih sinapsi

Zamor sinapse

Kada se hemijske sinapse uzastopno stimulišu frekvenca prenošenja signala na postsinaptički neuron se vremenom smanjuje. Ova pojava igra važnu regulaciji prenošenja impulsa u nervnom sistemu. Npr ako dođe do epileptičkog napada dolazi do stimulacije sinapsi velikom brzinom. Vremenom se ove sinapse zamore i usled prekida prenošenja impulsa epileptički napad prestaje.

Uzrok zamaranja sinapse je utrošak neurotransmitera koji se nalazi u sinaptičkim vezikulama. Potrebno je vreme da bi se nova količina sintetisala.

Uticaj promene pH vrednosti na sinaptičku transmisiju

Alkaloza pojačava ekscitabilnost neurona, acidoza smanjuje njegovu osetljivost.

Uticaj hipoksije na sinaptičku transmisiju

Prekid snabdevanja kiseonikom (hipoksija) smanjuje ekscitabilnost sinapsi

Uticaj nekih supstanci i lekova na sinaptičku transmisiju

Kofein, teofilin, teobromin povećavaju sinaptičku transmisiju.

Sinaptičko zadržavanje

U toku prevođenja nervnog impulsa potrebno je određeno vreme za procese sekrecije neurotransmitera, njegovu difuziju kroz sinaptičku pukotinu, vezivanje i aktiviranje receptora. To vreme čini sinaptičko kašnjenje.

Ekscitacija i inhibicija

Neki postsinaptički receptori kada se aktivišu izazivaju aktivaciju (ekscitaciju) postsinaptičkog neurona, dok drugi inhibišu postsinaptički neuron.

Ekscitacija

Ekscitaciju izazivaju sledeće promene na postsinaptičkom neuronu:

Otvaranje natrijumskih kanala.

Ulaskom jona natrijuma u ćeliju dolazi do rasta membranskog potencijala (negativnost potencijala mirovanja se smanjuje), što može dovesti do njegove depolarizacije odnosno pojave električnog impulsa (akcionog potencijala).

Zatvaranje kalijumskih i hloridnih kanala.

Joni kalijuma napuštaju ćeliju kroz pomenute kanale. Odlaskom kalijuma membranski potencijal se smanjuje (tj negativnost se povećava), čime se potencijal udaljava od praga akcionog potencijala.

Joni hlora su negativno naelektrisani pa njihov ulazak spolja takođe povećava negativnost mirovnog potencijala.

Različite promene unutrašnjeg metabolizma ćelije povećavaju ekscitabilnost ćelije.

Električni događaji za vreme ekscitacije neurona

Potencijal nervne ćelije u stanju mirovanja je od -65 do -90 mV u zavisnosti od veličine ćelije i debljine nervnog vlakna. Usled aktiviranja sinapse, sekrecije neurotransmitera i njegovog vezivanja za postsinaptičke receptore dolazi do otvaranja natrijumskih kanala i ulaska jona natrijuma u unutrašnjost ćelije. Ta izaziva porast potencijala ćelije. Ukoliko potencijal dovoljno poraste dovodi do depolarizacije nervne ćelije. Naime porast potencijala aktivira otvaranje novih voltaž-zavisnih natrijumskih kanala čime dolazi do novog porasta potencijala i do akcionog potencijala. Da bi izazvao ove promene porast potencijala izazvan vezivanjem nurotransmitera nora biti dovoljno velik npr. sa -65 na oko -45 mV. Taj porast potencijala zove se ekscitacijski postsinaptički potencijal (EPSP). U ovom slučaju porast iznosi oko +20 mV. Ukoliko vezivanje neurotransmitera ne izazove dovoljno veliku promenu mirovnog potencijala, da bi se aktivirali voltaž-zavisni natrijumski kanali, stvaranje nervnog impulsa će izostati i informacija neće biti preneta na postsinaptički neuron.

Aktiviranje jedne sinapse nikada ne može samostalno da dovede do EPSP-a, jer je količina neurotransmitera suviše mala. Za aktivaciju je potrebno aktiviranje velikog broja sinapsi.

Inhibicija

Inhibiciju izazivaju sledeće promene:

Otvaranje kanala za jone hlora.
Otvaranje kalijumskih kanala.
Zatvaranje natrijumskih kanala.

Električni događaji za vreme inhibicije neurona

Inhibicija može biti presinaptička i postsinaptička.

Presinaptička inhibicija

Kod inhibicije neurona vezivanje neurotransmitera dovodi do aktivacije hloridnih kanala. Ulazak jona hlora dodatno smanjuje mirovni potencijal npr. sa -65 na -70 mV. Na taj način mirovni potencijal se udaljava od praga aktivacije (npr. -45 mV). Ova pojava zove se hiperpolarizacija, a potencijal inhibicijski postsinaptički potencijal (IPSP).

Neurotransmiter glicin izaziva ovaj tip inhibicije

Postsinaptička inhibicija

Dešava se u presinaptičkim čvorićima. Nervni impuls koji se širi niz presinaptički neuron se otvaranjem hloridnih kanala smanjuje i poništava. Time ne dolazi do oslobađanja neurotransmitera iz presinaptičkih čvorića.

Neurotransmiter GABA (γ-amunobuterna kiselina) izaziva vrši ovaj tip inhibicije.

Takođe i izlazak kalijumovih jona iz ćelije dovodi do hiperpolarizacije.

Vremenska i prostorna sumacija u neuronima

Sumacija predstavlja pojavu da veliki broj električnih potencijala koji su slabi i samostalno ne mogu da izazovu EPSP, zajedno mogu izazvati pojavu EPSP-a, odnosno depolarizaciju neurona. Sumacija može biti prostorna, istovremeno na različitim mestima neurona se aktiviraju sinapse i vremenska ukoliko u vrlo kratkom vremenu nakon prve aktivacije sinapsi sledi druga aktivacija istih sinapsi. Promena membranskog potencijala koju izazove prva promena traje oko 15 ms, tako da ako u ovom vremenskom periodu dođe do nove promene potencijala one se sumiraju.